CN111645096A - 一种滑块推动型机器人手指结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑块推动型机器人手指结构，手指主体由基座、指根、指中节和指尖组成，基座、指根和指尖依次串联连接；指根连接基座与指尖，在指根中布置步进电机带动丝杆进行旋转，丝杆旋转驱动滑块在指根方向进行往复直线运动。滑块与指尖通过连杆相连，连杆即指中节也起到辅助抓取的作用，本发明结构设计新颖，与传统曲柄滑块机构不同的是将运动的主动件由曲柄改为了滑块；本发明可通过齿轮实现手指姿态的快速调整，通过丝杆滑块结构实现对指尖姿态的精细调整。
Description
技术领域
本发明涉及机器人手指技术领域，具体为一种滑块推动型机器人手指结构。
背景技术
受机械手体积限制，Pisa/IIT SoftHand和Ritsumeikan Hand此类的机械手都是将电机布置在掌心或指根部。采用腱-滑轮的耦合结构，该结构由张紧装置、钢丝绳、张紧螺钉、钢丝轮等组成，可以将力和运动传递到较远的位置。腱结构的关键在于要限制腱绳使其与滑轮间不滑动且能承受较大拉力，这对腱绳的布置和固定有很高的要求。随使用时间增长，该结构预紧力会而降低，钢丝绳会出现松动的情况，日常维护时需经常调整预紧力大小。Robotiq三指连杆式机械手与Pisa/IIT SoftHand和Ritsumeikan Hand一样单个电机控制单个或多个手指，手指动作方式单一，手指姿态没有太多可调性。
在指中布置电机，可以增加手指姿态的可调性，但受到机械手尺寸的限制，只能选用小电机。小电机有驱动力不足，堵转易烧毁等问题。
实发明内容
本发明的目的在于提供一种滑块推动型机器人手指结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种滑块推动型机器人手指结构，手指结构包括基座、指根、指中节和指尖，所述指根安装在基座上，所述指尖安装在指根上，指中节连接指尖，并通过滑块连接指根，所述指根与指根齿轮传动连接，所述指根齿轮与驱动齿轮啮合连接，所述指中节与滑块通过销轴连接，所述滑块与丝杆螺纹滑动连接，所述丝杆与步进电机传动连接。
优选的，所述基座包括基座上盖板和基座下盖板，所述主动齿轮和从动齿轮啮合连接，所述主动齿轮与联轴器连接，所述从动齿轮和指根驱动轴通过键相固定，所述主动齿轮带动从动齿轮和指根驱动轴旋转，基座的上盖板与下盖板通过四根支撑柱定位，所述指根驱动轴与指根固定连接，所述指根驱动轴安装在基座上盖板的轴承与基座下盖板的轴承之间；还包括电机和电机支座，所述电机固定在电机支座上，所述电机支座固定在基座下盖板上，电机支座有一对。
优选的，所述指根包括指根主体，所述指根主体采用截面为U型的铝型材，所述指根内部留有空间用于安装步进电机与丝杆滑台，所述步进电机与丝杆滑台传动连接，所述丝杆滑台外部套有滑块，所述滑块在指根内部沿指根方向作直线往复运动，在U型的铝型材上部留出安装槽，安装槽内安装指尖轴，下部留有轴承槽用于安装轴承，指尖轴装入轴承后，在上端套上轴承，并装上轴承盖板，将其固定。
优选的，所述指尖上的指尖轴安装在指根U型材上，指中节一端与滑块铰接，另一端与轴相连；所述指尖轴与轴在指尖上盖板和指尖下盖板之间，轴相对盖板旋转；所述滑块直线移动可带动指中节绕滑块上的轴旋转，指中节旋转又带动指尖绕指尖轴旋转，指尖上盖板和下盖板外端安装指尖套，所述指尖套采用可拆卸替换的结构，所述指中节上安装拓展片增大接触面积。
优选的，所述指根上的指根驱动轴留有第一凸台和第二凸台用于指根的轴向定位，安装槽用于指根的径向定位；第一凸台用作轴承凸台，第二凸台留有安装孔用于与指根固定孔相固定，保证指根与指根驱动轴固定。
优选的，滑块与滑块为同一物体；步进电机与步进电机为同一物体；指根齿轮与从动齿轮为同一物体；驱动齿轮与主动齿轮为同一物体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计新颖，与传统不同的是将运动的主动件由曲柄改为了滑块；本发明可通过齿轮实现手指姿态的快速调整，通过丝杆滑块结构实现对指尖姿态的精细调整；本发明解决了机器人手爪上的小电机驱动力不足、堵转易烧毁的问题，并且结构简单、成本低廉、便于调试安装推广应用。也解决了传统单电机驱动的机械手指，姿态单一的问题。
附图说明
图1为本发明手指整体机构结构示意图；
图2为本发明局部结构示意图；
图3为本发明滑块推动型机器人手指结构全景图；
图4为本发明基座结构图；
图5为本发明指根结构图；
图6为本发明指中节与指尖连接示意图；
图7为本发明指根轴装配图；
图8为本发明圆柱体抓取图；
图9为本发明包络抓取点分布示意图；
图10为本发明不规则物体精细抓取图。
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实发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实发明中的实施例，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，都属于本实发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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实发明和简化描述，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实发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实发明中的具体含义。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种滑块推动型机器人手指结构，手指结构包括基座1、指根2、指中节3和指尖4，所述指根2安装在基座1上，所述指尖4安装在指指根2上，指中节连接指尖4，并通过滑块20连接指根2，所述指根2与指根齿轮32传动连接，所述指根齿轮32与驱动齿轮8啮合连接，所述指中节3与滑块33通过销轴连接，所述滑块33与丝杆34螺纹滑动连接，所述丝杆34与步进电机35传动连接。
本发明中，基座1包括基座上盖板12和基座下盖板10，所述基座上盖板12内侧分别安装主动齿轮5和从动齿轮11，所述主动齿轮5和从动齿轮11啮合连接，所述主动齿轮5与联轴器6连接，所述从动齿轮11和指根驱动轴15通过键13相固定，所述主动齿轮带动从动齿轮和指根驱动轴旋转，基座的上盖板12与下盖板10通过四根支撑柱7定位，所述指根驱动轴15与指根固定连接，所述指根驱动轴15安装在基座上盖板的轴承14与基座下盖板的轴承16之间；还包括电机8和电机支座9，所述电机8固定在一对电机支座9上，所述电机支座9固定在基座下盖板10上。
舵机与传动齿轮轴连线方向相垂直以减小基座长度。在满足电机尺寸的情况下尽可能控制支撑柱长度以限制基座体积，使得手的结构尽可能紧凑。舵机本身高度达到40.5mm，配上联轴器高度可达47.5mm，齿轮厚度为5mm，为此将整体封装在基座内会使得基座体积冗杂。若将齿轮部分置于基座内，舵机相对于下盖板整体下移，则基座整体重心将在本体之外。因此选取如下设计方案：支撑柱长度设定为34mm，舵机上平面与基座上盖板底面距离为0.3mm。基座上盖板留有联轴器安装孔，下盖板留有舵机孔，为了方便舵机接线下盖板留有接线安装槽。电机座高为21mm，电机座高度决定舵机在基座中的相对位置。
本发明中，指根2包括指根主体，所述指根主体采用截面为U型的铝型材17，所述指根2内部留有空间用于安装步进电机18与丝杆滑台19，所述步进电机18与丝杆滑台19传动连接，所述丝杆滑台19外部套有滑块20，丝杆滑台19由一根丝杆，两根光杆组成，三个杆平行。滑块套在三根杆子上，防止滑块转动。所述滑块20在指根内部沿指根方向作直线往复运动，在U型的铝型材17上部留出安装槽，安装槽内安装指尖轴23，下部留有轴承槽用于安装轴承24，指尖轴装入轴承24后，在上端套上轴承22，并装上轴承盖板21，将其固定。
本发明中，指尖4上的指尖轴25安装在指根U型材上，指中节27一端与滑块20铰接，另一端与轴30相连；所述指尖轴25与轴30在指尖上盖板29和指尖下盖板26之间，轴相对盖板旋转；所述滑块20直线移动可带动指中节27绕滑块上的轴旋转，指中节旋转又带动指尖绕指尖轴旋转，指尖上盖板29和下盖板26外端安装指尖套31，所述指尖套31采用可拆卸替换的结构，所述指中节27上安装拓展片28增大接触面积；拓展片28和指尖套31可用于铺设一层橡胶材料，增大表面接触摩擦系数，以增强抓取稳定性。
指根上的指根驱动轴留有第一凸台a和第二凸台c用于指根的轴向定位，安装槽e用于指根的径向定位；第一凸台a用作轴承凸台，第二凸台c留有安装孔d用于与指根固定孔b相固定，保证指根与指根驱动轴固定。
如图8，对圆柱体进行包络抓取，抓取过程中，通过调节齿轮驱动，可以快速调整手指位置，通过步进电机细分驱动，调整滑块能对指尖位置进行精细微调，实现手掌以及中指节拓展片与物体的良好接触，所以抓取比较稳定也容易控制实现。接触点分布如图9，对柱状体可类进行包络抓取。
以图10不规则物体鼠标为例，鼠标两侧相对平整但也存在细微弧度，与前后面相比两侧更适合作为抓取面。抓取过程中，调整手指姿态与目标物相适应。齿轮驱动指根张开，在手爪中留出目标物空间。可由滑块推动结构，调整指尖到合适倾角，与鼠标侧边微小的斜度相适应，在齿轮与滑块的协同控制作用下对目标物进行抓取。对不同的目标物采取不同的抓取方式，齿轮与滑块推动结构可以协同调整手指的姿态，以实现对不同形状、不同弧度的物体抓取。
综上所述，本发明结构设计新颖，与传统不同的是将运动的主动件由曲柄改为了滑块；本发明可通过齿轮实现手指姿态的快速调整，通过丝杆滑块结构实现对指尖姿态的精细调整；本发明解决了机器人手爪上的小电机驱动力不足、堵转易烧毁的问题，并且结构简单、成本低廉、便于调试安装推广应用。也解决了传统单电机驱动的机械手指，姿态单一的问题。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
对于本领域技术人员而言，显然本实发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：手指结构包括基座(1)、指根(2)、指中节(3)和指尖(4)，所述指根(2)安装在基座(1)上，所述指尖(4)安装在指根(2)上，指中节连接指尖(4)，并通过滑块(20)连接指根(2)，所述指根(2)与指根齿轮(32)传动连接，所述指根齿轮(32)与驱动齿轮(36)啮合连接，所述指中节(3)与滑块(33)通过销轴连接，所述滑块(33)与丝杆(34)螺纹滑动连接，所述丝杆(34)与步进电机(35)传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：所述基座(1)包括基座上盖板(12)和基座下盖板(10)，上盖板(12)预留安装孔，方便将主动齿轮(5)通过联轴器(6)安装在电机(8)上，所述主动齿轮(5)和从动齿轮(11)啮合连接，主动齿轮(5)和从动齿轮(11)均置于上盖板(12)外侧，所述从动齿轮(11)和指根驱动轴(15)通过键(13)相固定，所述主动齿轮带动从动齿轮和指根驱动轴旋转，基座的上盖板(12)与下盖板(10)通过四根支撑柱(7)定位，所述指根驱动轴(15)与指根固定连接，所述指根驱动轴(15)安装在基座上盖板的轴承(14)与基座下盖板的轴承(16)之间；还包括电机(8)和电机支座(9)，所述电机(8)固定在电机支座(9)上，所述电机支座(9)固定在基座下盖板(10)上。
3.根据权利要求1所述的一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：所述指根(2)包括指根主体，所述指根主体采用截面为U型的铝型材(17)，所述指根(2)内部留有空间用于安装步进电机(18)与丝杆滑台(19)，所述步进电机(18)与丝杆滑台(19)传动连接，所述丝杆滑台(19)外部套有滑块(20)，所述滑块(20)在指根内部沿指根方向作直线往复运动，在U型的铝型材(17)上部留出安装槽，安装槽内安装指尖轴(23)，下部留有轴承槽用于安装轴承(24)，指尖轴装入轴承(24)后，在上端套上轴承(22)，并装上轴承盖板(21)，将其固定。
4.根据权利要求1所述的一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：所述指尖(4)上的指尖轴(25)安装在指根U型材上，指中节(27)一端与滑块(20)铰接，另一端与轴(30)相连；所述指尖轴(25)与轴(30)在指尖上盖板(29)和指尖下盖板(26)之间，轴相对盖板旋转；所述滑块(20)直线移动可带动指中节(27)绕滑块上的轴旋转，指中节旋转又带动指尖绕指尖轴旋转，指尖上盖板(29)和下盖板(26)外端安装指尖套(31)，所述指尖套(31)采用可拆卸替换的结构，所述指中节(27)上安装拓展片(28)增大接触面积。
5.根据权利要求1所述的一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：所述指根上的指根驱动轴留有第一凸台(a)和第二凸台(c)用于指根的轴向定位，安装槽(e)用于指根的径向定位；第一凸台(a)用作轴承凸台，第二凸台(c)留有安装孔(d)用于与指根固定孔(b)相固定，保证指根与指根驱动轴固定。
6.根据权利要求1所述的一种滑块推动型机器人手指结构，其特征在于：滑块(20)与滑块(33)为同一物体；步进电机(18)与步进电机(35)为同一物体；指根齿轮(32)与从动齿轮(11)为同一物体；驱动齿轮(36)与主动齿轮(5)为同一物体。
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