CN111376287B - 机器人及其手指 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人手指技术领域，涉及机器人及其手指。手掌骨架固定有固定指节，第一活动指节枢接于固定指节，第二活动指节枢接于第一活动指节。第一活动指节与固定指节之间、第二活动指节与第一活动指节之间分别形成转动副，通过第二柔性牵引件耦合两个转动副的转动运动，通过驱动器驱动第一柔性牵引件移动，驱动耦合后的一个自由度的手指，从而实现手指在整个握紧行程上的可控运动。该机器人手指整体结构占用体积小，成本低，不增加额外的体积和重量，通过机械的方式耦合自由度，不增加额外的驱动器，解决了欠驱动手指运动不可控、握紧不一致的问题。

Description

机器人及其手指
技术领域
本发明属于机器人手指技术领域，更具体地说，是涉及机器人及其手指。
背景技术
仿人灵巧手是当前机器人领域的热门题目。在人机交互中，由于其仿人的外观和抓握方式会给人更加亲切的印象。五指灵巧手可以很好的适应各种抓握，拾取等应用场景，因而得到了最多的研发投入。
现有的灵巧手在手指的驱动上有很多不同的实现方式。可以通过电机转动线盘绕线的方式，或者电机通过丝杠螺母输出直线运动拉线的方式，也可以利用电机加连杆的方式，甚至是通过气压和液压驱动的方式。
而每个手指的自由度在不同的设计中也不尽相同。人手的食指、中指、无名指、小指的自由度有三个，大拇指有两个自由度。由于工程上的实现难度和空间、成本的考虑，大多数的灵巧手会对人手的自由度做简化。其中普遍的实现方式为每个手指有一个自由度。
当驱动器的数量少于自由度时，这种情况叫做欠驱动。由于灵巧手通常有空间和重量的限制，欠驱动的方式受到了最多的关注。通常的做法是一个电机带动多个手指实现抓握。欠驱动可以控制全手掌抓握但是很难控制手指灵活运动而做到精准的拾取，导致使用场景受限。
仿人灵巧手每个手指需要通过至少两个手指关节的转动才能实现仿人的抓握和张开方式。如果对每个关节都进行驱动，多个驱动器的体积和重量的叠加将使灵巧手的整体大小和重量增加很多。而如果对每个手指进行欠驱动，即用一个电机驱动多个关节的转动，则可能导致每个关节的转动不可控，只能实现手掌握紧至张开的过程及二者极限位置的控制。同时欠驱动的手指很难做到各个手指运动的一致，也很难实现同一手指不同次握紧的重复性。
发明内容
本发明的目的在于提供机器人手指及机器人，以解决现有机器人手指每个关节都进行驱动使灵巧手的整体大小和重量增加很多、每个手指进行欠驱动导致每个关节的转动不可控的的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种机器人手指，包括：
手掌骨架；
固定于所述手掌骨架的固定指节；
枢接于所述固定指节的第一活动指节；
枢接于所述第一活动指节的第二活动指节；
用于牵引所述第一活动指节以使所述第一活动指节转动的第一柔性牵引件；
用于在所述第一活动指节转动时牵引所述第二活动指节以使所述第二活动指节转动的第二柔性牵引件；以及
用于驱动所述第一柔性牵引件移动的驱动器。
进一步地，所述固定指节具有第一枢接轴；所述第一活动指节具有第一绕线轴，所述第一绕线轴具有同轴线的第一安装孔，所述第一枢接轴插设于所述第一安装孔；所述第一柔性牵引件的一端固定于所述第一绕线轴并绕过所述第一绕线轴。
进一步地，所述第一活动指节具有所述第二枢接轴；所述第二活动指节具有第二绕线轴，所述第二绕线轴具有同轴线的第二安装孔，所述第二枢接轴插设于所述第二安装孔，所述第二柔性牵引件的一端固定于所述第二绕线轴并绕过所述第二绕线轴，所述第二柔性牵引件的另一端固定于所述第一枢接轴。
进一步地，所述第二柔性牵引件的一端通过所述绕线环固定于所述第一枢接轴，所述绕线环同轴固定于所述第一枢接轴。
进一步地，所述第一绕线轴的直径与所述第二绕线轴的直径具有预定比例关系。
进一步地，所述第一活动指节与所述第二活动指节具有同步达到的极限位置。
进一步地，还包括滑轮组件，所述滑轮组件包括安装于所述手掌骨架的支座、及转动安装于所述支座的滑轮，所述第一柔性牵引件绕过所述滑轮。
进一步地，所述驱动器包括安装架、安装于所述安装架的电机、同轴固定于所述电机的输出轴的主动齿轮、与所述主动齿轮啮合传动的从动齿轮、同轴固定于所述从动齿轮的丝杠、及与所述丝杠螺纹传动配合且滑动安装于所述安装架的螺母，所述第一柔性牵引件的一端固定于所述螺母。
进一步地，还包括首尾依次枢接于所述第二活动指节的附加活动指节；所述附加活动指节一一对应连接有附加柔性牵引件，用于在所述第二活动指节转动时牵引对应的所述附加活动指节以使所述附加活动指节转动。
本发明提供一种机器人，包括上述的机器人手指。
本发明相对于现有技术的技术效果是：手掌骨架固定有固定指节，第一活动指节枢接于固定指节，第二活动指节枢接于第一活动指节。第一活动指节与固定指节之间、第二活动指节与第一活动指节之间分别形成转动副，通过第二柔性牵引件耦合两个转动副的转动运动，通过驱动器驱动第一柔性牵引件移动，驱动耦合后的一个自由度的手指，从而实现手指在整个握紧行程上的可控运动。该机器人手指整体结构占用体积小，成本低，不增加额外的体积和重量，通过机械的方式耦合自由度，不增加额外的驱动器，解决了欠驱动手指运动不可控、握紧不一致的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的机器人手指在伸直时的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的机器人手指在弯曲时的结构示意图；
图3为图1的机器人手指在拆卸部分壳体后的结构示意图；
图4为图1的机器人手指的立体分解图；
图5为图4的机器人手指的进一步的立体分解图，其中手掌骨架未示；
图6为图5的机器人手指的另一角度的立体分解图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图6，先对本发明提供的机器人手指进行说明。机器人手指包括手掌骨架10、固定于手掌骨架10的固定指节20、枢接于固定指节20的第一活动指节30、枢接于第一活动指节30的第二活动指节40、用于牵引第一活动指节30以使第一活动指节30转动的第一柔性牵引件50、用于在第一活动指节30转动时牵引第二活动指节40以使第二活动指节40转动的第二柔性牵引件60、用于驱动第一柔性牵引件50移动的驱动器70。
手掌骨架10固定有固定指节20，第一活动指节30枢接于固定指节20，第二活动指节40枢接于第一活动指节30。第一活动指节30与固定指节20之间、第二活动指节40与第一活动指节30之间分别形成转动副，通过第二柔性牵引件60耦合两个转动副的转动运动，通过驱动器70驱动第一柔性牵引件50移动，驱动耦合后的一个自由度的手指，从而实现手指在整个握紧行程上的可控运动。该机器人手指整体结构占用体积小，成本低，不增加额外的体积和重量，通过机械的方式耦合自由度，不增加额外的驱动器70，解决了欠驱动手指运动不可控、握紧不一致的问题。
第一柔性牵引件50、第二柔性牵引件60都是采用柔性材料制作的带状体或条状体，能连接于轴类物件以拉动转动副，比如钢丝、大力马线、钢带、同步带或其它柔性牵引件。
固定指节20、第一活动指节30与第二活动指节40依次枢接，形成有两个转动副，通过第二柔性牵引件60耦合相邻两个转动副的转动运动，使得第一活动指节30转动时第二活动指节40也转动，实现手指在整个握紧行程上的可控运动。
固定指节20通过两个壳体21扣合形成。第一活动指节30通过两个壳体31扣合形成。第二活动指节40通过两个壳体41和一个盖体42扣合形成。第一柔性牵引件50穿过固定指节20壳体21、第一活动指节30壳体31，以保护第一柔性牵引件50。第二柔性牵引件60穿过第一活动指节30壳体31、第二活动指节40壳体41，以保护第二柔性牵引件60。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，固定指节20具有第一枢接轴22；第一活动指节30具有第一绕线轴32，第一绕线轴32具有同轴线的第一安装孔321，第一枢接轴22插设于第一安装孔321；第一柔性牵引件50的一端固定于第一绕线轴32并绕过第一绕线轴32。第一枢接轴22插设于第一安装孔321，形成一个转动副。该结构容易装配，在驱动器70牵引第一柔性牵引件50时，能使第一活动指节30绕第一枢接轴22转动。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，第一活动指节30具有第二枢接轴33；第二活动指节40具有第二绕线轴43，第二绕线轴43具有同轴线的第二安装孔431，第二枢接轴33插设于第二安装孔431，第二柔性牵引件60的一端固定于第二绕线轴43并绕过第二绕线轴43，第二柔性牵引件60的另一端固定于第一枢接轴22。第二枢接轴33插设于第二安装孔431，形成一个转动副。该结构容易装配，在第一活动指节30绕第一枢接轴22转动时，第二柔性牵引件60将会牵引第二活动指节40，使第二活动指节40绕第二绕线轴43转动，即通过第二柔性牵引件60耦合两个转动副的转动运动。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，第二柔性牵引件60的一端通过绕线环23固定于第一枢接轴22，绕线环23同轴固定于第一枢接轴22。该结构容易装配，便于第二柔性牵引件60连接于第一枢接轴22。绕线环23在手指握紧过程中相对于固定指节20静止。具体地，第一枢接轴22与绕线环23之间型面联接，该结构容易加工与装配。绕线环23具有连接孔231，供第二柔性牵引件60穿过并固定于绕线环23。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，第一绕线轴32的直径与第二绕线轴43的直径具有预定比例关系。比如，第一活动指节30和第二活动指节40的转动设定为1比1的比例，即两个转动副在转动时具有相同的角速度。通过改变第二柔性牵引件60缠绕的第一绕线轴32与第二绕线轴43的直径比例，来确定两个转动副的角速度的比值。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，第一活动指节30与第二活动指节40具有同步达到的极限位置。参阅图1、图3，固定指节20、第一活动指节30、第二活动指节40呈直线，手指伸直，此时两个转动副达到最小位置。参阅图2，在第一活动指节30转动时，第二柔性牵引件60牵引第二活动指节40以使第二活动指节40转动，直到第一活动指节30大致垂直于固定指节20，第二活动指节40大致垂直于第一活动指节30，手指弯曲，此时两个转动副达到最大位置。通过驱动器70驱动第一柔性牵引件50移动，驱动耦合后的一个自由度的手指，从而实现手指在整个握紧行程上的可控运动。
参阅图5、图6，固定指节20具有第一限位柱24，第一活动指节30具有第一弧形限位槽34，第一限位柱24插入并滑动设置于第一弧形限位槽34，以限定第一活动指节30相对固定指节20的转动角度范围。第一活动指节30具有第二限位柱35，第二活动指节40具有第二弧形限位槽44，第二限位柱35插入并滑动设置于第二弧形限位槽44，以限定第二活动指节40相对第一活动指节30的转动角度范围。进而使两个转动副能同步达到极限位置。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，还包括滑轮组件80，滑轮组件80包括安装于手掌骨架10的支座81、及转动安装于支座81的滑轮82，第一柔性牵引件50绕过滑轮82。该结构用于导引第一柔性牵引件50，在驱动器70驱动第一柔性牵引件50移动时，滑轮82转动，避免第一柔性牵引件50与其它部件干涉。滑轮82固定于转轴83，支座81具有过孔811，过孔811内设有用于支承转轴83的轴承84，让滑轮82可靠工作。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，驱动器70包括安装架71、安装于安装架71的电机72、同轴固定于电机72的输出轴的主动齿轮73、与主动齿轮73啮合传动的从动齿轮74、同轴固定于从动齿轮74的丝杠75、及与丝杠75螺纹传动配合且滑动安装于安装架71的螺母76，第一柔性牵引件50的一端固定于螺母76。主动齿轮73与从动齿轮74啮合传动，作为减速器使用。电机72的转动通过减速器减速，齿轮的传动带动丝杠75转动。丝杠75带动螺母76做直线运动。螺母76牵引第一柔性牵引件50，实现拉动手指的弯曲，该结构容易控制第一柔性牵引件50的移动量。电机72设于安装架71的一侧，主动齿轮73与从动齿轮74位于安装架71的端部，整体结构紧凑。
螺母76具有安装轴761，安装轴761转动设置有滚轮77，滚轮77滚动安装于安装架71上，便于导引螺母76。安装架71具有供螺母76滑动的滑槽711，滑槽711的长度方向与丝杠75的长度方向相互平行。
螺母76固定有夹持结构90，夹持结构90包括第一夹持块91、及安装于第一夹持块91的第二夹持块92，第一夹持块91具有供第一柔性牵引件50绕接的绕接轴911，第一夹持块91与第二夹持块92共同夹持第一柔性牵引件50的一端。夹持结构90容易装配，并能方便固定于螺母76的安装槽762内，能将第一柔性牵引件50夹持固定。
进一步地，作为本发明提供的机器人手指的一种具体实施方式，还包括首尾依次枢接于第二活动指节40的附加活动指节(图未示)；附加活动指节一一对应连接有附加柔性牵引件(图未示)，用于在第二活动指节40转动时牵引对应的附加活动指节以使附加活动指节转动。该方案便于增加更多的活动指节，而且包括第一活动指节30、第二活动指节40、附加活动指节在内的所有活动指节能同时绕各自转动副的轴线转动。相邻两个附加活动指节之间形成转动副，通过一个附加柔性牵引件耦合相邻两个转动副的转动运动。
附加柔性牵引件与相邻两个转动副之间的装配关系，可参考固定指节20、第一活动指节30、第二活动指节40与第二柔性牵引件60之间的装配关系。在逐渐靠近手掌骨架的方向上，前一个活动指节、中间活动指节、后一个活动指节依次枢接，该相邻的三个活动指节形成有两个转动副，配置一个附加柔性牵引件。前一个活动指节具有前绕线轴，前绕线轴具有同轴线的前安装孔；中间活动指节的两端分别具有中枢接轴与中绕线轴，中绕线轴具有同轴线的中安装孔；后一个活动指节具有后枢接轴。中枢接轴插设于前安装孔；后枢接轴插设于中安装孔，形成两个转动副。附加柔性牵引件的一端固定并绕设在前一个活动指节的前绕线轴，该附加柔性牵引件的另一端固定于后一个活动指节的后枢接轴，耦合相邻两个转动副的转动运动。
值得说明的是，附加柔性牵引件耦合的转动副个数不受限制，前后的两个转动副都可通过一个附加柔性牵引件耦合，比如具备三个转动副的手指可通过两条柔性牵引件耦合这三个转动副的转动，再通过一根柔性牵引件连接驱动器70实现可控驱动。可以理解地，通过(n-1)根柔性牵引件可以耦合n个转动副的转动运动，使n个自由度简化为1个自由度。还有，每个转动副相对其它转动副的角速度可以通过调节柔性牵引件绕过的对应绕线轴的直径来设定，实现每个转动副相对于其余转动副的定比例的转动。
本发明还提供机器人，包括上述任一实施例的机器人手指。手掌骨架10固定有固定指节20，第一活动指节30枢接于固定指节20，第二活动指节40枢接于第一活动指节30。第一活动指节30与固定指节20之间、第二活动指节40与第一活动指节30之间分别形成转动副，通过第二柔性牵引件60耦合两个转动副的转动运动，通过驱动器70驱动第一柔性牵引件50移动，驱动耦合后的一个自由度的手指，从而实现手指在整个握紧行程上的可控运动。该机器人手指整体结构占用体积小，成本低，不增加额外的体积和重量，通过机械的方式耦合自由度，不增加额外的驱动器70，解决了欠驱动手指运动不可控、握紧不一致的问题。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.机器人手指，其特征在于，包括：
手掌骨架；
固定于所述手掌骨架的固定指节，所述固定指节具有第一枢接轴；
枢接于所述固定指节的第一活动指节；
枢接于所述第一活动指节的第二活动指节；
用于牵引所述第一活动指节以使所述第一活动指节转动的第一柔性牵引件；
用于在所述第一活动指节转动时牵引所述第二活动指节以使所述第二活动指节转动的第二柔性牵引件；以及
用于驱动所述第一柔性牵引件移动的驱动器；
所述第一活动指节具有第二枢接轴；所述第二活动指节具有第二绕线轴，所述第二绕线轴具有同轴线的第二安装孔，所述第二枢接轴插设于所述第二安装孔；
所述第二柔性牵引件的一端在所述第二绕线轴的底侧绕过所述第二绕线轴并固定于所述第二绕线轴，所述第二柔性牵引件的另一端在所述第一枢接轴的顶侧绕过所述第一枢接轴并固定于所述第一枢接轴。
2.如权利要求1所述的机器人手指，其特征在于，所述第一活动指节具有第一绕线轴，所述第一绕线轴具有同轴线的第一安装孔，所述第一枢接轴插设于所述第一安装孔；所述第一柔性牵引件的一端固定于所述第一绕线轴并绕过所述第一绕线轴。
3.如权利要求2所述的机器人手指，其特征在于，所述第二柔性牵引件的一端通过绕线环固定于所述第一枢接轴，所述绕线环同轴固定于所述第一枢接轴。
4.如权利要求2所述的机器人手指，其特征在于，所述第一绕线轴的直径与所述第二绕线轴的直径具有预定比例关系。
5.如权利要求1至4任一项所述的机器人手指，其特征在于，所述第一活动指节与所述第二活动指节具有同步达到的极限位置。
6.如权利要求1至4任一项所述的机器人手指，其特征在于，还包括滑轮组件，所述滑轮组件包括安装于所述手掌骨架的支座、及转动安装于所述支座的滑轮，所述第一柔性牵引件绕过所述滑轮。
7.如权利要求1至4任一项所述的机器人手指，其特征在于，所述驱动器包括安装架、安装于所述安装架的电机、同轴固定于所述电机的输出轴的主动齿轮、与所述主动齿轮啮合传动的从动齿轮、同轴固定于所述从动齿轮的丝杠、及与所述丝杠螺纹传动配合且滑动安装于所述安装架的螺母，所述第一柔性牵引件的一端固定于所述螺母。
8.如权利要求1至4任一项所述的机器人手指，其特征在于，还包括首尾依次枢接于所述第二活动指节的附加活动指节；所述附加活动指节一一对应连接有附加柔性牵引件，用于在所述第二活动指节转动时牵引对应的所述附加活动指节以使所述附加活动指节转动。
9.机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的机器人手指。
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