CN110171011B - 一种协同驱动的三指机器人灵巧手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种协同驱动的三指机器人灵巧手；本发明参照人手抓取特性设计，使灵巧手能最大程度上复现人手抓取功能；各手指均可进行侧摆运动，使灵巧手具备操作物体功能；在简化灵巧手的控制的同时，尽可能高地保留了机器人手的灵巧性。

Description

一种协同驱动的三指机器人灵巧手
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种协同驱动的三指机器人灵巧手。
背景技术
自机器人领域诞生以来无数专家学者醉心研究，已成功研制出一批著名的多指多关节灵巧手，这些高智能手具有极高的灵巧性，能极大程度上复现人手功能，但普遍结构复杂，控制难度极大。后专家学者提出欠驱动思路，但在降低机器人手控制难度的同时，也降低了机器人的灵巧性。因此如何把握最高灵巧性与最简控制的平衡点，是机器人手领域的关键问题。
对人手生理特点及抓取特性的研究可为机器人手的设计带来新思路。ThomasFeix等人采用分类学方法，将人手的抓取动作分类为33种静态抓取姿势。笔者通过对这33种抓取姿势研究发现其中大部分可以用三根手指来完成。Zatsiorsky等人通过开展实验证明了人手运动时手指之间会产生协同运动，且手指间距离越近该效应越明显。Santello等人用CyberGlove数据手套研究人手在从接触到抓取过程中的姿势动态演化，研究表明手指关节对之间存在正相关，这种正相关在相邻手指之间最明显。因此目前很多机器人采用的是三指机器人。
但是三只机器人的动作中，为了适应不同功能，三个手指经常需要身实现转动发生侧摆，从而摆正到一定的功能姿态角，例如三个手指的抓取需要三个手指均匀处于三个方向，然后同时弯曲，而夹取的动作需要至少两个手指摆动到同一面，这就涉及到了自身手指的转动。现有的转动结构是对每个手指安装一个旋转电机，这样使得三指机器人手的体积和重量较大，难以适应在狭小工位的工作要求且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，本发明公开了一种协同驱动的三指机器人灵巧手；本发明参照人手抓取特性设计，使灵巧手能最大程度上复现人手抓取功能；各手指均可进行侧摆运动，使灵巧手具备操作物体功能；在简化灵巧手的控制的同时，尽可能高地保留了机器人手的灵巧性。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种协同驱动的三指机器人灵巧手，包括机座、第二电机和第三电机，所述机座上分别轴接有用于安装手指的第一基座，第二基座和第三基座；第一基座上安装有第一基座齿轮；第二基座上安装有第二基座齿轮，第三基座上安装有第三基座齿轮；第一基座齿轮啮合有中心齿轮，第二基座齿轮啮合有齿圈的外齿，所述齿圈内还成有内齿，第三基座齿轮啮合有连杆齿轮；所述连杆齿轮通过转轴轴接有中间齿轮；所述中心齿轮上凸起成形有外齿环，中间齿轮处于外齿环和齿圈之间并分别与外齿环和齿圈的内齿啮合；
所述第二电机连接有第一电机齿轮，第三电机连接有第二电机齿轮；第一电机齿轮和第二电机齿轮分别与中心齿轮、齿圈的外齿和连杆齿轮中的两个啮合。
进一步的改进，所述第一电机齿轮啮合中心齿轮，所述第二电机齿轮啮合连杆齿轮。
进一步的改进，所述第三基座上安装有第三手指c，第三手指c包括远指段，远指段通过第一滑轮铰接有中指段，中指段通过第二滑轮铰接有近指段，近指段通过第三滑轮铰接在第三基座上。
进一步的改进，所述远指段固定有第一钢丝绳和第二钢丝绳；第三手指c的底部与第三基座连接；所述第三基座下方安装有中板，中板下方安装有底板；中板和底板之间安装有有光轴并且轴接有滚珠丝杠，滚珠丝杠螺纹连接有滑块并且光轴穿过滑块；滑块上安装有第四滑轮；底板上安装有第五滑轮；滚珠丝杠连接有第一电机；
第一钢丝绳经第一滑轮内侧绕入和绕出后再经第二滑轮内侧绕入和绕出，再依次经过第三滑轮内侧、第五滑轮后与第四滑轮相连；所述第二钢丝绳依次经过第一滑轮外侧、第二滑轮外侧并自第三滑轮外侧绕入和绕出后经第四滑轮固定在中板上。
进一步的改进，所述第一电机连接有第二齿轮，所述滚珠丝杠连接有第一齿轮；第二齿轮与第一齿轮相互啮合设置。
本发明的有益效果是：
1.参照人手抓取特性设计，使灵巧手能最大程度上复现人手抓取功能；
2.各手指均可进行侧摆运动，使灵巧手具备操作物体功能；
3.第一手指a、第二手纸b中近关节与其余两关节分开驱动，可降低手指峰值应力的影响，提高手指抓取力及抓取稳定性；
4.在简化灵巧手的控制的同时，尽可能高地保留了机器人手的灵巧性。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明第三手指c传动链示意图；
图3是本发明侧摆机构外观图；
图4是本发明侧摆机构示意图；
图5是本发明侧摆机构示意剖视图；
图6为第三手指的的一侧结构示意图；
图7为第三手指的另一侧结构示意图。
其中，第一手指a，第二手指b，第三手指c，远指段1，中指段2，近指段3，第一基座4，第三电机5，第二电机6，第二齿轮7，第一齿轮8，第一滑轮9，第二滑轮10，第三滑轮11，第四电机12，第五电机13，第一电机14，滑块15，第四滑轮16第一钢丝绳17，滚珠丝杠18，第五滑轮19，底板20，中板21，第一基座齿轮22，第二基座齿轮23，第二电机齿轮24，第一电机齿轮25，第三基座齿轮26，齿圈27，连杆齿轮28，第二基座29，第三基座30，中间齿轮31，中心齿轮32，第二钢丝绳33，光轴34，机座35，外齿环36。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。
使用方式如下：
如图2、6和7所示，第一电机14正向转动时，第二齿轮7带动第一齿轮8转动，第一齿轮8带动滚珠丝杠18转动，滑块15在滚珠丝杠18和光轴34的共同作用下向上直线运动，第一钢丝绳17被拉紧，第二钢丝绳33被放松，手指在第一钢丝绳17的作用下发生弯曲，且第一钢丝绳17和第二钢丝绳33的位移量相互弥补，绳索不产生多余行程。
如图2所示，第一电机14反向转动时，第二齿轮7带动第一齿轮8转动，第一齿轮8带动滚珠丝杠18转动，滑块15在滚珠丝杠18和光轴34的共同作用下向下直线运动，第一钢丝绳17被放松，第二钢丝绳33被张紧，手指在第二钢丝绳33的作用下发生伸展，一直运动到机械限位，手指水平伸直，且第一钢丝绳17和第二钢丝绳33的位移量相互弥补，绳索不产生多余行程。
如图3、图4、图5所示，第二电机6发生转动，第一电机齿轮25带动中心齿轮32大齿部发生转动，进而带动第一基座齿轮22转动，第一基座4发生转动，第一手指a跟随发生侧摆运动；第三电机5发生转动，第二电机齿轮24带动连杆齿轮28发生转动，进而带动第三基座齿轮26转动，第三基座30发生转动，第三手指c跟随发生侧摆运动；齿圈27在中间齿轮31和中心齿轮32的综合作用下发生转动，进而带动第二基座齿轮23转动，第二基座29发生转动，第二手指b跟随发生侧摆运动；即侧摆机构可实现两输入三输出。
其中第一手指和第二手指的结构和驱动方式见发明人的发明专利：2019100468851。
本发明参考人手抓取特性，采用五个电机驱动灵巧手共计十二个自由度，其中第一电机14独立控制第三手指c的弯曲动作，第四电机12控制第一手指a和第二手指b近关节的弯曲动作，第五电机13控制第一手指a和第二手指b中关节和远关节的弯曲动作，第二电机6控制第一手指a的侧摆运动，第三电机5控制第三手指c的侧摆运动,从而简化了灵巧手的控制，同时保留灵巧手尽可能高的灵巧性。其中上述滑轮两侧均安装有扭力相反的扭力弹簧。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种协同驱动的三指机器人灵巧手，包括机座(35)、第二电机(6)和第三电机(5)，其特征在于，所述机座(35)上分别轴接有用于安装手指的第一基座(4)，第二基座(29)和第三基座(30)；第一基座(4)上安装有第一基座齿轮(22)；第二基座(29)上安装有第二基座齿轮(23)，第三基座(30)上安装有第三基座齿轮(26)；第一基座齿轮(22)啮合有中心齿轮(32)，第二基座齿轮(23)啮合有齿圈(27)的外齿，所述齿圈(27)内还成有内齿，第三基座齿轮(26)啮合有连杆齿轮(28)；所述连杆齿轮(28)通过转轴轴接有中间齿轮(31)；所述中心齿轮(32)上凸起成形有外齿环(36)，中间齿轮(31)处于外齿环(36)和齿圈(27)之间并分别与外齿环(36)和齿圈(27)的内齿啮合；
所述第二电机(6)连接有第一电机齿轮(25)，第三电机(5)连接有第二电机齿轮(24)；第一电机齿轮(25)和第二电机齿轮(24)分别与中心齿轮(32)、齿圈(27)的外齿和连杆齿轮(28)中的两个啮合。
2.如权利要求1所述的协同驱动的三指机器人灵巧手，其特征在于，所述第一电机齿轮(25)啮合中心齿轮(32)，所述第二电机齿轮(24)啮合连杆齿轮(28)。
3.如权利要求1所述的协同驱动的三指机器人灵巧手，其特征在于，所述第三基座(30)上安装有第三手指(c)，第三手指(c)包括远指段(1)，远指段(1)通过第一滑轮(9)铰接有中指段(2)，中指段(2)通过第二滑轮(10)铰接有近指段(3)，近指段(3)通过第三滑轮(11)铰接在第三基座(30)上。
4.如权利要求3所述的协同驱动的三指机器人灵巧手，其特征在于，所述远指段(1)固定有第一钢丝绳(17)和第二钢丝绳(33)；第三手指(c)的底部与第三基座(30)连接；所述第三基座(30)下方安装有中板(21)，中板(21)下方安装有底板(20)；中板(21)和底板(20)之间安装有有光轴(34)并且轴接有滚珠丝杠(18)，滚珠丝杠(18)螺纹连接有滑块(15)并且光轴(34)穿过滑块(15)；滑块(15)上安装有第四滑轮(16)；底板(20)上安装有第五滑轮(19)；滚珠丝杠(18)连接有第一电机(14)；
第一钢丝绳(17)经第一滑轮(9)内侧绕入和绕出后再经第二滑轮(10)内侧绕入和绕出，再依次经过第三滑轮(11)内侧、第五滑轮后与第四滑轮(16)相连；所述第二钢丝绳(33)依次经过第一滑轮(9)外侧、第二滑轮(10)外侧并自第三滑轮(11)外侧绕入和绕出后经第四滑轮(16)固定在中板(21)上。
5.如权利要求4所述的协同驱动的三指机器人灵巧手，其特征在于，所述第一电机(14)连接有第二齿轮(7)，所述滚珠丝杠(18)连接有第一齿轮(8)；第二齿轮(7)与第一齿轮(8)相互啮合设置。
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