CN107775659A - 机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械手，包括手掌基座及至少一机械手指。机械手指包括手指基座、第一旋转关节、第二旋转关节、第一指段、第二指段及传动机构。手指基座配置于手掌基座。第一旋转关节及第二旋转关节配置于手指基座，第一旋转关节与第二旋转关节同轴。第一指段连接于第一旋转关节与第二指段之间，第一旋转关节适于控制第一指段摇摆。传动机构连接于第二旋转关节与第二指段之间，第二旋转关节适于通过传动机构控制第二指段摇摆。当第一旋转关节作动且第二旋转关节不作动时，第二指段相对于手指基座的摇摆角度为固定。

Description

机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其涉及一种可进行抓取动作的机械手。

背景技术

随着现在科技越来越进步，机器人逐渐取代人力而应用于人类的生产、救援及看护等工作，以提升人类生活的便利性及工作效率。在日常生活中，手对人类来说是一个极重要的部分。相应地，机器手在机器人领域中是必不可缺的。以机器手而言，其手掌体积及自由度多寡为研发上的重要议题，从而在一些设计中为了减少机械手体积而使用微小马达进行直接驱动，然此举使其抓取力无法达到要求，也有一些设计为了减少机械手体积而减少马达数量，然此举使其作动自由度减少，而仅能进行简单的抓取。以下举例说明目前常见的机械手的不足之处。

ROBOTIQ公司生产的ADAPTIVE ROBOT GRIPPER 2-FINGER，其两爪式的构造为机构及控制简单的设计，作动上的变化较少而于抓取物品的种类及姿态上有所限制。在中国专利号CN103659809A中，其二爪式机械手爪仅能做夹持的动作，未能达到精确的手爪位置控制。在中国专利号CN204546551U中，其三爪式机械手爪为三爪同动，仅有一自由度，无法夹持多种物品。

发明内容

本发明提供一种机械手，具有高抓取力、高灵活度及高工作空间的抓取动作。

本发明的机械手包括手掌基座及至少一机械手指。机械手指包括手指基座、第一旋转关节、第二旋转关节、第一指段、第二指段及传动机构。手指基座配置于手掌基座。第一旋转关节及第二旋转关节配置于手指基座，第一旋转关节与第二旋转关节同轴。第一指段连接于第一旋转关节与第二指段之间，第一旋转关节适于控制第一指段摇摆。传动机构连接于第二旋转关节与第二指段之间，第二旋转关节适于通过传动机构控制第二指段摇摆。当第一旋转关节作动且第二旋转关节不作动时，第二指段相对于手指基座的摇摆角度为固定。

在本发明的一实施例中，上述的第二指段具有枢接端并通过枢接端而枢接于第一指段，传动机构包括皮带轮、齿轮或绳轮且连接于枢接端与第二旋转关节之间，传动机构在枢接端与第二旋转关节的齿数比为1:1，当第一旋转关节作动且第二旋转关节不作动时，枢接端绕第一旋转关节的转动角度为θ度，且枢接端被传动机构带动的转动角度为-θ度，以使第二指段相对于手指基座的摇摆角度为固定。

在本发明的一实施例中，上述的第一旋转关节包括第一致动器、第一蜗杆及第一蜗轮，第二旋转关节包括第二致动器、第二蜗杆及第二蜗轮，第一致动器连接第一蜗杆，第一蜗轮连接于第一蜗杆与第一指段之间，第二致动器连接第二蜗杆，第二蜗轮连接于第二蜗杆与传动机构之间，第一致动器适于通过第一蜗杆及第一蜗轮带动第一指段作动，第二致动器适于通过第二蜗杆、第二蜗轮及传动机构带动第二指段作动。

在本发明的一实施例中，上述的机械手包括导螺杆，其中导螺杆配置于手指基座，且适于调整第一蜗杆与第一蜗轮之间的间隙及第二蜗杆与第二蜗轮之间的间隙。

在本发明的一实施例中，上述的至少一机械手指的数量为多个，机械手包括齿轮机构，齿轮机构连接于手掌基座与各机械手指之间，且适于带动这些机械手指相对开合。

在本发明的一实施例中，上述的机械手包括多个角位置感测器，这些角位置感测器分别配置于第一旋转关节、第二旋转关节及齿轮机构，且分别适于感测第一指段的摇摆角度、第二指段的摇摆角度及这些机械手指的相对开合角度。

在本发明的一实施例中，上述的机械手指具有外壳，外壳可替换为具有不同材质或形状的另一外壳。

在本发明的一实施例中，上述的机械手包括至少一感测器，其中所述感测器是压力感测器或剪力感测器，感测器配置于第一指段的内侧、第一指段的外侧、第二指段的内侧、第二指段的外侧、手掌基座的内侧及手掌基座的外侧的至少其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的至少一感测器的数量为多个，这些感测器分别配置于第一指段的外侧、第二指段的外侧及手掌基座的外侧。

在本发明的一实施例中，上述的压力感测器具有多个感测点，这些感测点适于分别产生感测信号。

在本发明的一实施例中，上述的机械手包括驱动电路，其中驱动电路配置于手掌基座且适于控制机械手指作动。

基于上述，在本发明的机械手中，机械手指的第一指段及第二指段可分别通过第一旋转关节及第二旋转关节而独立地被控制，也即，单一机械手指具有两个作动自由度。进一步而言，本发明的机械手的较佳实施例包括三个机械手指而具有六个作动自由度，且其中左、右的两个机械手指可相对于中间的机械手指进行并合或张开的作动，以增加另一自由度。机械手指的上述作动皆以致动器直接通过蜗杆来驱动蜗轮以带动机械手指作动，其中由于蜗杆可驱动蜗轮而蜗轮无法驱动蜗杆，故其动力传递方向为单向。据此，当机械手抓取物体时，机械手指并不会因致动器停止运转而影响抓取物体的动作，故有结构简单、传动过程精确的优点。所述致动器例如是电动马达、油压马达、气压马达或其他适当种类的马达，且可进一步包含减速机。此外，在本发明中，用以分别控制第一指段及第二指段的第一旋转关节及第二旋转关节皆配置于手指基座上，而非分别在不同位置利用多个微小马达直接驱动各指段，故可改善机械手利用微小马达直接驱动而使抓取力无法达到要求的缺点。另外，在本发明的机械手中，当第一旋转关节作动且第二旋转关节不作动时，第一指段带动第二指段的旋转角度可被传动机构带动第二指段的旋转角度抵消，使第二指段相对于手指基座的摇摆角度为固定，以达成特定的抓取动作，从而在不减少作动自由度的情况下让机械手抓取物体的动作与人类手指相似，而可达到人类手指所具有的基本功能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的机械手的立体图。

图2是图1的机械手指的部分构件立体图。

图3是图2的机械手指的部分构件的转动示意图。

图4A及图4B示出图1的各机械手指的作动方式。

图5A及图5B示出图1的两机械手指相对开合。

图6示出图2的机械手指增设导螺杆。

图7示出图1的第二指段搭配多种外壳。

图8示出图1的机械手增设压力感测器或剪力感测器。

图9是图8的第二指段的立体图。

图10示出图1的手掌基座增设驱动电路。

符号说明

100：机械手；

110：手掌基座；

120：机械手指；

120a：第一旋转关节；

120b：第二旋转关节；

121a：第一致动器；

121b：第二致动器；

122：手指基座；

122a：第一座体；

122b：第二座体；

124：第一指段；

124a：连接杆；

126：第二指段；

126a：枢接端；

128：传动机构；

130：齿轮机构；

132：正齿轮；

140：导螺杆；

150：感测器；

152：感测点；

160：驱动电路；

A1：第一轴；

A2：第二轴；

C1、C2、C3：外壳；

G11：第一蜗杆；

G12：第一蜗轮；

G21：第二蜗杆；

G22：第二蜗轮；

S1：横向刀片；

S2：纵向刀片。

具体实施方式

图1是本发明一实施例的机械手的立体图。图2是图1的机械手指的部分构件立体图。请参考图1及图2，本实施例的机械手100包括手掌基座110及至少一机械手指120(示出为三个)。机械手指120包括手指基座122、第一旋转关节120a、第二旋转关节120b、第一指段124、第二指段126及传动机构128。为使附图较为清楚，图1中的第一指段124未完全示出于图2，图2示出第一指段124内部的连接杆124a，连接杆124a可视为第一指段124的一部分。

手指基座122配置于手掌基座110上。第一旋转关节120a及第二旋转关节120b配置于手指基座122，且第一旋转关节120a与第二旋转关节120b同轴。第一指段124连接于第一旋转关节120a与第二指段126之间，第一旋转关节120a适于控制第一指段124以第一轴A1为转动中心而摇摆。传动机构128连接于第二旋转关节120b与第二指段126之间，第二旋转关节120b适于通过传动机构128控制第二指段126以第二轴A2为转动中心而摇摆。

详细而言，第一旋转关节120a包括第一致动器121a、第一蜗杆G11及第一蜗轮G12，第二旋转关节120b包括第二致动器121b、第二蜗杆G21及第二蜗轮G22。第一致动器121a连接第一蜗杆G11，第一蜗轮G12连接于第一蜗杆G11与第一指段124的连接杆124a之间，第二致动器121b连接第二蜗杆G21，第二蜗轮G22连接于第二蜗杆G21与传动机构128之间。第一致动器121a用以驱动第一蜗杆G11带动第一蜗轮G12以第一轴A1为转动中心转动，以带动第一指段124的连接杆124a以第一轴A1为转动中心而摇摆。也即，第一致动器121a适于通过第一蜗杆G11及第一蜗轮G12带动第一指段124作动。第二致动器121b用以驱动第二蜗杆G21带动第二蜗轮G22以第二轴A2为转动中心转动，以通过传动机构128带动第二指段126以第二轴A2为转动中心而摇摆。也即，第二致动器121b适于通过第二蜗杆G21、第二蜗轮G22及传动机构128带动第二指段126作动。

在此配置方式之下，机械手指120的第一指段124及第二指段126可分别通过第一旋转关节120a及第二旋转关节120b而独立地被控制，也即，单一机械手指120具有两个作动自由度。进一步而言，本实施例的机械手100包括三个机械手指120而具有至少六个作动自由度。机械手指120的上述作动皆以第一致动器121a及第二致动器121b直接通过第一蜗杆G11、第二蜗杆G21来驱动第一蜗轮G12、第二蜗轮G22以带动机械手指120作动，其中由于蜗杆可驱动蜗轮而蜗轮无法驱动蜗杆，故其动力传递方向为单向而具自锁特性。据此，当机械手100抓取物体时，机械手指120并不会因第一致动器121a及第二致动器121b停止运转而影响抓取物体的动作，故有结构简单、传动过程精确的优点。所述第一致动器121a及第二致动器121b例如是电动马达、油压马达、气压马达或其他适当种类的马达，且可进一步包含减速机。此外，用以分别控制第一指段124及第二指段126的第一旋转关节120a及第二旋转关节120b皆配置于手指基座122，而非分别在不同位置利用多个微小马达直接驱动各指段，故可改善机械手利用微小马达直接驱动而使抓取力无法达到要求的缺点。

图3是图2的机械手指的部分构件的转动示意图。请参考图2及图3，在本实施例中，第二指段126具有枢接端126a并通过枢接端126a而枢接于第一指段124的连接杆124a。传动机构128包括皮带轮、齿轮或绳轮(示出为皮带轮)且连接于枢接端126a与第二旋转关节120b之间，且传动机构128在枢接端126a与第二旋转关节120b的齿数比为1:1。据此，当第一旋转关节120a作动且第二旋转关节120b不作动时，连接杆124a被第一旋转关节120a带动而以第一轴A1为转动中心顺时针转动θ度，连接于连接杆124a的枢接端126a绕第一旋转关节(即绕第一轴A1)的转动角度也随之为θ度，传动机构128相较于其初始状态也产生转动量而带动枢接端126a以第二轴A2为转动中心逆时针转动θ度(也即，枢接端126a被传动机构128带动的转动角度为-θ度)。如上所述，第一指段124带动第二指段126的旋转角度(θ度)可被传动机构128带动第二指段126的旋转角度(-θ度)抵消，使第二指段126相对于手指基座122的摇摆角度为固定，以达成特定的抓取动作，从而在不减少作动自由度的情况下让机械手100抓取物体的动作与人类手指相似，而可达到人类手指所具有的基本功能。图4A及图4B示出图1的各机械手指的作动方式。更具体而言，通过上述配置方式，当机械手指120如图4A至图4B所示方式作动时，第二指段126与水平线的夹角可维持为ψ度。

图5A及图5B示出图1的两机械手指相对开合。请参考图5A及图5B，在本实施例中，机械手100包括齿轮机构130，齿轮机构130连接于手掌基座110与两机械手指120之间，且适于带动此两机械手指120如图5A及图5B所示相对开合。此两机械手指120通过齿轮机构130的两正齿轮132配合时旋转转向相反的特性，达到相对于中间的机械手指120并靠或张开的动作，以增加机械手100的另一作动自由度。

图6示出图2的机械手指增设导螺杆。请参考图6，在本实施例中，机械手100可还包括导螺杆140，导螺杆140配置于手指基座122，且适于调整第一蜗杆G11与第一蜗轮G12之间的间隙及第二蜗杆G21与第二蜗轮G22之间的间隙。详细而言，可将图1所示的手指基座122如图6所示改成分为第一座体122a与第二座体122b两个部件，第一蜗杆G11及第二蜗杆G21配置于第二座体122b，第一蜗轮G12及第二蜗轮G22配置于第一座体122a，通过旋转导螺杆140可调整第一座体122a与第二座体122b的间距，因此可改变第一蜗杆G11与第一蜗轮G12之间的间隙及第二蜗杆G21与第二蜗轮G22之间的间隙。承上，利用蜗杆与蜗轮的所述自锁特性，机械手100断电时可保持原本姿态，且利用导螺杆140可将第一座体122a与第二座体122b完全分离，来解除蜗杆与蜗轮的所述自锁特性，使其在断电时可被拆卸。

进一步而言，因蜗杆为刚性材料(如中碳钢)所制且蜗轮为相对于蜗杆较低刚性的材料(如铜材)所制，故当蜗杆与蜗轮配合并受到强大外力时，蜗轮容易损毁。而通过导螺杆140的上述作用方式，可先将蜗轮与蜗杆分离再进行更替零件的动作，以避免蜗轮因上述原因而损毁。

图7示出图1的第二指段搭配多种外壳。请参考图1及图7，本实施例的机械手指120具有外壳C1，外壳C1例如可替换为具有不同材质或形状的另一外壳C2或另一外壳C3。具体而言，外壳C1为一般抓取用指腹，其可更替为具有特殊外型或材质的组件，如更换成具有横向刀片S1的外壳C2以进行剥线动作，或更换成具有纵向刀片S2的外壳C3以进行裁切动作，以因应更多元的应用场合。

图8示出图1的机械手增设压力感测器或剪力感测器。请参考图8，本实施例的机械手100包括至少一感测器150(示出为多个)，感测器150可以是压力感测器或剪力感测器，感测器150可配置于第一指段124的内侧、第一指段124的外侧、第二指段126的内侧、第二指段126的外侧、手掌基座110的内侧或手掌基座110的外侧，本发明不对此加以限制。举例来说，如图8所示，于机械手指120的第一指段124、第二指段126及手掌基座110内侧安装感测器150，可量测机械手指120接触或抓取的力量，进行回馈控制，达到更准确的接触或抓取物体。机械手100藉其可更替外壳特性，可因应与使用者共处的工作环境而替换为在其他特定区域设置感测器150的外壳，以藉其感测能力而避免非预期地伤害到使用者，使机械手100能与使用者安全地共处。举例来说，于其他实施例中，可将感测器150分别配置于第一指段124的外侧、第二指段126的外侧及手掌基座110的外侧或其他适当位置，以感测机械手100在工作时与外在环境或使用者的碰撞，从而保障使用上的安全。

图9是图8的第二指段的立体图。请参考图9，本实施例的感测器150例如具有多个感测点152，这些感测点152适于分别产生感测信号，以依照各个感测点152回传的感测信号的数值大小，判断抓取物体的姿态是否为理想状态。此外，在本实施例中，机械手100可还包括多个角位置感测器，这些角位置感测器分别配置于图2所示的第一旋转关节120a、第二旋转关节120b及图5A、图5B所示的齿轮机构130，分别用以感测第一指段124的摇摆角度、第二指段126的摇摆角度及这些机械手指120的相对开合角度。

图10示出图1的手掌基座增设驱动电路。请参考图10，机械手100可还包括驱动电路160，驱动电路160例如是驱动电路板，其配置于手掌基座110处且适于控制机械手指120作动。如图8所示将驱动电路160配置于机械手100的手掌基座110或手掌基座110的延伸装置处，则无须再外接其他控制盒。此外，驱动电路160可预留接点，因应额外的不同控制需求。

综上所述，在本发明的机械手中，机械手指的第一指段及第二指段可分别通过第一旋转关节及第二旋转关节而独立地被控制，也即，单一机械手指具有两个作动自由度。进一步而言，本发明的机械手的较佳实施例包括三个机械手指而具有六个作动自由度，且其中左、右的两个机械手指可相对于中间的机械手指进行并合或张开的作动，以增加另一自由度。机械手指的上述作动皆以致动器直接通过蜗杆来驱动蜗轮以带动机械手指作动，其中由于蜗杆可驱动蜗轮而蜗轮无法驱动蜗杆，故其动力传递方向为单向。据此，当机械手抓取物体时，机械手指并不会因致动器停止运转而影响抓取物体的动作，故有结构简单、传动过程精确的优点。所述致动器例如是电动马达、油压马达、气压马达或其他适当种类的马达，且可进一步包含减速机。此外，在本发明中，用以分别控制第一指段及第二指段的第一旋转关节及第二旋转关节皆配置于手指基座上，而非分别在不同位置利用多个微小马达直接驱动各指段，故可改善机械手利用微小马达直接驱动而使抓取力无法达到要求的缺点。另外，在本发明的机械手中，当第一旋转关节作动且第二旋转关节不作动时，第一指段带动第二指段的旋转角度可被传动机构带动第二指段的旋转角度抵消，使第二指段相对于手指基座的摇摆角度为固定，以达成特定的抓取动作，从而在不减少作动自由度的情况下让机械手抓取物体的动作与人类手指相似，而可达到人类手指所具有的基本功能。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种机械手，包括：

手掌基座；以及

至少一机械手指，包括：

手指基座，配置于所述手掌基座；

第一旋转关节及第二旋转关节，配置于所述手指基座，其中所述第一旋转关节与所述第二旋转关节同轴；

第一指段及第二指段，所述第一指段连接于所述第一旋转关节与所述第二指段之间，所述第一旋转关节适于控制所述第一指段摇摆；以及

传动机构，连接于所述第二旋转关节与所述第二指段之间，其中所述第二旋转关节适于通过所述传动机构控制所述第二指段摇摆，

其中当所述第一旋转关节作动且所述第二旋转关节不作动时，所述第二指段相对于所述手指基座的摇摆角度为固定。

2.根据权利要求1所述的机械手，其中所述第二指段具有枢接端并通过所述枢接端而枢接于所述第一指段，所述传动机构包括皮带轮、齿轮或绳轮且连接于所述枢接端与所述第二旋转关节之间，所述传动机构在所述枢接端与所述第二旋转关节的齿数比为1:1，当所述第一旋转关节作动且所述第二旋转关节不作动时，所述枢接端绕所述第一旋转关节的转动角度为θ度，且所述枢接端被所述传动机构带动的转动角度为-θ度，以使所述第二指段相对于所述手指基座的摇摆角度为固定。

3.根据权利要求1所述的机械手，其中所述第一旋转关节包括第一致动器、第一蜗杆及第一蜗轮，所述第二旋转关节包括第二致动器、第二蜗杆及第二蜗轮，所述第一致动器连接所述第一蜗杆，所述第一蜗轮连接于所述第一蜗杆与所述第一指段之间，所述第二致动器连接所述第二蜗杆，所述第二蜗轮连接于所述第二蜗杆与所述传动机构之间，所述第一致动器适于通过所述第一蜗杆及所述第一蜗轮带动所述第一指段作动，所述第二致动器适于通过所述第二蜗杆、所述第二蜗轮及所述传动机构带动所述第二指段作动。

4.根据权利要求3所述的机械手，包括导螺杆，其中所述导螺杆配置于所述手指基座，且适于调整所述第一蜗杆与所述第一蜗轮之间的间隙及所述第二蜗杆与所述第二蜗轮之间的间隙。

5.根据权利要求1所述的机械手，其中所述至少一机械手指的数量为多个，所述机械手包括齿轮机构，所述齿轮机构连接于所述手掌基座与各所述机械手指之间，且适于带动所述至少一机械手指相对开合。

6.根据权利要求5所述的机械手，包括多个角位置感测器，所述多个角位置感测器分别配置于所述第一旋转关节、所述第二旋转关节及所述齿轮机构，且分别适于感测所述第一指段的摇摆角度、所述第二指段的摇摆角度及所述至少一机械手指的相对开合角度。

7.根据权利要求1所述的机械手，其中所述机械手指具有外壳，所述外壳可替换为具有不同材质或形状的另一外壳。

8.根据权利要求1所述的机械手，包括至少一感测器，其中所述感测器是压力感测器或剪力感测器，所述感测器配置于所述第一指段的内侧、所述第一指段的外侧、所述第二指段的内侧、所述第二指段的外侧、所述手掌基座的内侧及所述手掌基座的外侧的至少其中之一。

9.根据权利要求8所述的机械手，其中所述至少一感测器的数量为多个，多个感测器分别配置于所述第一指段的外侧、所述第二指段的外侧及所述手掌基座的外侧。

10.根据权利要求1所述的机械手，包括驱动电路，其中所述驱动电路配置于所述手掌基座且适于控制所述机械手指作动。