CN111590615A - 一种柔性多自由度机械手 - Google Patents

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CN111590615A CN202010482580.8A CN202010482580A CN111590615A CN 111590615 A CN111590615 A CN 111590615A CN 202010482580 A CN202010482580 A CN 202010482580A CN 111590615 A CN111590615 A CN 111590615A
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王明锋
李冲
方记文
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Jiangsu University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种柔性多自由度机械手，抓取模块与手臂模块通过舵机模块连接；所述抓取模块包括：手指模块和手腕模块，包括：滑轮、滑轮盘、手腕舵机、手腕支架、线绳、指节Ⅰ、指节Ⅱ、指节Ⅲ和弹簧，指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ用圆柱销活动连接，指关节背部连接有弹簧；手腕支架上端外侧设置有连接器，指节Ⅲ与连接器通过圆柱销活动连接；手腕支架内固定有滑轮和手腕舵机，手腕舵机的输出轴上固定有滑轮盘，线绳的一端连接指节Ⅰ的上端，线绳穿过指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ内侧及手腕支架上端的孔，经过滑轮导向缠绕于滑轮盘上。有益效果为：可灵活选择多种抓取位姿，具有结构简单、灵活性高、适用性广、成本低等优点。

Description

一种柔性多自由度机械手
技术领域
本发明属于柔性机械手技术领域,具体涉及一种柔性多自由度机械手。
背景技术
随着现代化工业生产的发展，机械手已经被广泛的应用于代替技术人员完成一些简单和重复性的劳动。目前来说，机械手的应用场合不仅仅局限于工业生产，在航空航天、医药、生化等高科技领域以及餐饮、商场、医疗康复等服务业领域中都发挥了无与伦比的作用。然而，目前的机械手成本较高，结构复杂，对所抓物品的形状和尺寸要求较高，且抓取力矩多为恒定的，抓取易碎物品时容易对物品造成损伤，不能满足人们的所有需求。
针对以上问题，设计一款由线绳驱动的柔性多自由度机械手，以减少对易碎物品的损伤，同时简化结构、降低成本、提高抓取物品的通用性。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括底座、手臂模块和抓取模块，所述底座用于机械手的支撑与固定，手臂模块安装在底座上，抓取模块与手臂模块连接；其特征在于，还包括舵机模块，抓取模块与手臂模块通过舵机模块连接；所述抓取模块包括：手指模块和手腕模块，所述手指模块包括：指节Ⅰ、指节Ⅱ、指节Ⅲ和弹簧，指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ用圆柱销活动连接，指关节背部连接有弹簧；所述手腕模块包括：滑轮、滑轮盘、手腕舵机、手腕支架和线绳，手腕支架上端外侧设置有连接器，指节Ⅲ与连接器通过圆柱销活动连接；手腕支架内固定有滑轮和手腕舵机，手腕舵机的输出轴上固定有滑轮盘，线绳的一端连接指节Ⅰ的上端，线绳穿过指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ内侧及手腕支架上端的孔，经过滑轮导向缠绕于滑轮盘上。
使用固定于手腕支架内侧的舵机拉动线绳来驱动手指握紧物品，利用牵引绳来代替连杆机构或者齿轮机构传递力和运动，减小了机构的重量和复杂程度，同时使机械手获得更快的反应速度，也减少了舵机的负荷。
机械手手指关节的背侧安装有弹簧，当手指受到恒定的驱动力而弯曲抓取时，被拉长的弹簧能够产生逐渐增大的弹性力，因此逐渐降低了手指接近物体时的速度，从而起缓冲、减震的作用。同时手指表面附有橡胶材料，能够进一步减少对物品的损伤。
每个手指设计有三个指节。避免了指节数量多造成的控制困难和指节数量少造成的柔顺性差。抓取物品时，三个柔软的指节随着物品的形状和尺寸互成一定角度，提高了抓取物品的通用性。
使用42系列减速步进电机控制机械手绕腰部竖直轴线360°旋转，三个舵机模块分别控制手臂根部、中部和腕部的关节旋转，每个关节均可独立控制，在-90°到90°范围内旋转任意角度，从而可实现机械手多种抓取位姿。
本发明与现有技术相比，通过舵机拉动线绳驱动四根手指共十二个指节半包裹抓取物品，通过指关节背部的弹簧复位松开手指。通过三个舵机及一个步进电机控制旋转关节角度，每个关节可独立控制，因此可灵活选择多种抓取位姿，具有结构简单、灵活性高、适用性广、成本低等优点。
附图说明
图1为柔性抓取机械手的结构示意图；
图2为柔性抓取机械手手指模块的结构示意图；
图3为柔性抓取机械手手腕支架模块的结构示意图；
图4为柔性抓取机械手舵机模块的爆炸示意图；
图5为柔性抓取机械手手臂模块的爆炸示意图；
图6为柔性抓取机械手底座模块的爆炸示意图。
其中，1-手指模块、11-指节Ⅰ、12-指节Ⅱ、13-指节Ⅲ、14-弹簧、15-牵引绳、16-圆柱销、2-手腕模块、21-滑轮、22-滑轮盘、23-手腕支架、24-手腕舵机、3-舵机模块、31-舵机、32-长U型架、33-短U型架、4-手臂模块、41-手臂、5-底座模块、51-转盘Ⅰ、52-转盘Ⅱ、53-大支柱、54-小支柱、55-稳定盘、56-42系列减速步进电机、57-电机座、58-吸盘、6-螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，一种柔性多自由度机械手，其包括指节Ⅰ11、指节Ⅱ12、指节Ⅲ13、弹簧14、牵引绳15、圆柱销16、滑轮21、滑轮盘22、手腕支架23、舵机模块3、舵机31、长U型架32、短U型架33、手臂模块4、手臂41、底座模块5、转盘Ⅰ51、转盘Ⅱ52、大支柱53、小支柱54、稳定盘55、42系列减速步进电机56、电机座57、吸盘58、螺钉6，所述
舵机31上端通过螺钉6连接长U型架32，下端通过螺钉6连接短U型架33，组成舵机模块3；指节Ⅰ11、指节Ⅱ12和指节Ⅲ13通过上下端孔中插入的圆柱销16连接，指关节背部连接有弹簧14，组成手指模块1；所述手指模块1共4个，分别通过圆柱销16连接于手腕支架23上端外侧；所述牵引绳15共4根，每个手指模块1各一根。其一端连接指节Ⅰ11上端，穿过指节Ⅰ11、指节Ⅱ12和指节Ⅲ13内侧以及手腕支架23上端的孔，经过滑轮21导向，另一端缠绕于手腕舵机24输出轴上的滑轮盘22；所述滑轮21通过螺钉6固定于手腕支架23内侧；所述手腕舵机24输出轴通过螺钉6与滑轮盘22连接，下端通过中间的螺纹孔利用螺钉6固定于手腕支架23侧边内测；所述两条手臂41上下端分别通过螺钉6与舵机模块3连接，组成手臂模块4；所述手腕支架23下端外侧通过螺钉6连接于手臂模块4上端；所述手臂模块4下端通过螺钉6连接于转盘Ⅰ中心；所述小支柱54上端通过过盈配合固定于转盘Ⅰ51两侧圆孔，下端通过过盈配合固定于转盘Ⅱ52两侧圆孔；所述转盘Ⅰ51通过间隙配合插入稳定盘55中心孔中；所述大支柱53上端通过过盈配合插入稳定盘55圆孔中，下端通过过盈配合插入电机座57圆孔中；所述吸盘58通过过盈配合插入电机座57圆孔中；所述42系列步进电机56的旋转轴通过过盈配合连接于转盘Ⅱ52中心孔，电机体固定于电机座57中心的U形挡板中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种柔性多自由度机械手，包括底座、手臂模块和抓取模块，所述底座用于机械手的支撑与固定，手臂模块安装在底座上，抓取模块与手臂模块连接；其特征在于，还包括舵机模块，抓取模块与手臂模块通过舵机模块连接；所述抓取模块包括：手指模块和手腕模块，所述手指模块包括：指节Ⅰ、指节Ⅱ、指节Ⅲ和弹簧，指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ用圆柱销活动连接，指关节背部连接有弹簧；所述手腕模块包括：滑轮、滑轮盘、手腕舵机、手腕支架和线绳，手腕支架上端外侧设置有连接器，指节Ⅲ与连接器通过圆柱销活动连接；手腕支架内固定有滑轮和手腕舵机，手腕舵机的输出轴上固定有滑轮盘，线绳的一端连接指节Ⅰ的上端，线绳穿过指节Ⅰ、指节Ⅱ和指节Ⅲ内侧及手腕支架上端的孔，经过滑轮导向缠绕于滑轮盘上。
2.根据权利要求1所述的柔性多自由度机械手，其中，舵机模块包括舵机、长U型架和短U型架，短U型架固定在舵机的下端，长U型架通过两侧螺纹孔用螺钉连接于舵机上端。
3.根据权利要求2所述的柔性多自由度机械手，其中，手臂模块包括上臂、下臂和舵机模块，所述上臂和下臂通过舵机模块连接，下臂通过舵机模块连接在底座上。
4.根据权利要求1所述的柔性多自由度机械手，其中，所述底座包括转盘Ⅰ、转盘Ⅱ、大支柱、小支柱、稳定盘、步进电机和电机座，所述小支柱上端通过过盈配合固定于转盘Ⅰ两侧圆孔，下端通过过盈配合固定于转盘Ⅱ两侧圆孔；所述转盘Ⅰ通过间隙配合插入稳定盘中心孔中；所述大支柱上端通过过盈配合插入稳定盘圆孔中，下端通过过盈配合插入电机座圆孔中；所述步进电机的旋转轴通过过盈配合连接于转盘Ⅱ中心孔，电机体固定于电机座中心的U形挡板中。
5.根据权利要求4所述的柔性多自由度机械手，其中，还包括吸盘，所述吸盘通过过盈配合插入电机座圆孔中。
6.根据权利要求4所述的柔性多自由度机械手，其中，所述大支柱有三个，小支柱有四个。
7.根据权利要求1所述的柔性多自由度机械手，其中，手指模块有四组。
8.根据权利要求4所述的柔性多自由度机械手，其中，所述步进电机为42系列步进电机。
9.根据权利要求1-8任一项所述的柔性多自由度机械手，其中，所述手指模块的内侧附有缓冲材料。
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