CN111745668A - 一种模块化机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多自由度的机械手，该机械手的手指除了如常规机械手指沿第一轴转动和/或弯曲外，还能够平移或沿着不同于第一轴的第二轴公转，从而增加了手指活动的自由度，以更好地适应被抓取物体的形状和尺寸。机械手指上优选附着有膨胀组件和吸附组件，在汽泵的作用下，膨胀组件膨胀，从而增加对被抓取物体的摩擦力，减小对被抓取物体的压强；并且，吸附组件能够产生负压，以增加对被抓物体的吸附力。

Description

一种模块化机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其涉及一种多模块、多自由度并且刚软体混合变构型模块化机械手。

背景技术

机械手作为机器人的操作执行机构，在航空航天、工业生产、医疗等方面均具有广泛的应用。如在航空航天领域，机械手可以在极端环境下，通过遥操作方式进行远程抓取和操作，在工业生产领域，利用机械手实现零部件的组装和搬运，提高生产效率，在医疗领域可以代替人手实现精密手术操作。

机械手的抓取能力是衡量其性能的重要指标，主要取决于对目标识别能力，机械手构型及控制方法。其中，机械手的构型对抓取能力具有较大影响。在抓取不同体积、重量、表面形状及长度的物体时，往往难以通过单一的构型的机械手实现。因此，有必要通过设计可以变化的手部构型提高其抓取能力。

现有的技术中，张福海等人在专利“一种可变构型的三指机械手爪”(专利号：201510367511.1)中提出了一种三指机械手爪，该机械手爪具有三个旋转轴，每个旋转轴可以独立旋转，具有结构灵活小巧的优点，但是其构型变化形式较为单一。张秋菊等人在专利“一种可变构型机械手掌”(专利号：201510073327.6)中提出了一种具有四根手指的可变构型机械手掌，该机构由多跟连杆构成，具有机械结构简单的特点，但是仅能实现一种变形方式。

发明内容

本发明提出了一种刚软体混合变构型模块化机械手，实现抓取和操作多种目标物体的功能。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有多自由度的机械手，该机械手指除了如常规机械手指沿第一轴转动和/或弯曲外，还能够平移或沿着不同于第一轴的第二轴公转，从而增加了手指活动的自由度，以更好地适应被抓取物体的形状和尺寸。具体来说，根据本发明的一个方面的机械手包括底座(200)和安装在底座上的多个机械手指，所述多个机械手指能够转动或弯曲以抓取物体，此外，该底座(200)设置有直线型轨道，以及设置在该直线型轨道的能够沿着该轨道直线运动的手指连接滑块(4)，其中，一些所述机械手指安装在该手指连接滑块(4)上，从而能够沿着所述直线型轨道前后移动；另外，该底座(200)还设置有能够转动的手指连接件(2、3)，所述多个机械手指中的另外一些机械手指安装在该手指连接件(2、3)上，从而能够绕着所述手指连接件(2、3)的转轴公转。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械手，机械手指的表面设置有具有内部腔体的膨胀组件(280)，该膨胀组件(280)设置有与所述内部腔体联通的导气管(281)，在由气泵经过该导气管(281)向所述内部腔体充气时，该膨胀组件(280)膨胀。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械手，机械手指的表面设置有吸附组件(270)，该吸附组件(270)设置朝向待抓取物体的凹陷，并设置有与该凹陷联通的导气管(271)，在使用气泵经过该导气管(271)对所述凹陷抽气时，在所述凹陷中形成负压。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械手，该机械手包括：掌形构件(319)；多指旋转件(318)，通过转轴安装在掌形构件(319)的一侧，能够绕转轴相对于掌形构件(319)转动；多个机械手指(302、303、304、305)，安装在所述多指旋转件(318)上，每个手指能够独立地相对于该多指旋转件(318)转动；拇指旋转件(331)，通过转轴安装在所述掌形构件(319)的另一侧，能够相对于掌形构件(319)转动；拇指(301)，安装在拇指旋转件(331)的端部，能够相对于拇指旋转件(331)转动；其中，拇指旋转件(331)的转动方向不同于多指旋转件(318)的转动方向，从而拇指和所述多个手指从不同的方向抓握物体。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，附图中：

图1是根据本发明一个实施例的机械手的透视图；

图2是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指位于同一侧，排成一排；

图3是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指位于同一侧，但没有排成一排；

图4是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指位于相对的两侧；

图5是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指位于相对的两侧，相互之间距离更远；

图6是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指处于分散的状态，设置在直线型轨道上的机械手指处于轨道的近端；

图7是图1所示实施例的机械手的另一种状态的透视图，其中各手指处于分散的状态，设置在直线型轨道上的机械手指处于轨道的远端；

图8示出了一个示例的底座支架210的底视透视图；

图9示出了一个示例中的连接板217的俯视透视图；

图10从一个观察角度示出了没有安装机械手指的底座的透视图；

图11是根据本发明一个实施例的机械手的一个手指组件的透视图；

图12是根据本发明一个实施例的机械手指的一个手指模块的分解透视图；

图13是根据本发明一个实施例的显示了长手指模块的定位销、定位弹簧的分解透视图；

图14示出了根据本发明一个实施例的用于卷绕连接绳或滑块连接绳的卷线轮的透视图；

图15以不同于图10的观察角度示出了没有安装机械手指的底座的透视图；

图16是机械手底部状态的透视图；

图17是本发明一个优选实施例的机械手的侧视图；

图18示出了根据本发明另一实施例的仿真机械手的形态；

图19示出了根据本发明另一实施例的仿真机械手的另一种形态；

图20示出了根据本发明一个实施例的仿真机械手的四指旋转件的透视图；

图21示出了根据本发明一个实施例的仿真机械手的掌形结构件的透视图；

图22示出了根据一个实施例的拇指旋转件的透视图；

图23示出了根据本发明一个实施例的使用弹性丝联结的机械手指的透视图；

图24示出了根据本发明一个实施例的膨胀组件的分解透视图；

图25示出了根据本发明一个实施例的吸附组件的分解透视图；

图26示出了根据本发明一个实施例的软体组件的透视图，该软体组件包括并列地形成在一起的一个吸附组件和一个膨胀组件；

图27-29示出了根据本发明实施例的几种机械手，各个机械手指具有不同手指模块，并且各机械手指上附着有图26所示的软体组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1至图7示出了根据本发明实施例的机械手，其中机械手的各个手指处于各种不同形态。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的机械手包括底座200(或机器人末端执行器)，和固定在底座200上的4个手指101、102、103和104。应当理解，本发明的机械手不限于4个手指，也可以根据需要设置任意其他数量的手指。

支撑手指的底座200可以安装在机器人臂的末端。在一个实施例中，底座200包括底座支架210和连接板217，底座支架210和连接板217固定安装在一起，在二者之间形成空间，可以在该内部空间容纳和安装其他部件，也可以在底座200外侧安装、连接其他部件。底座200的上述独立的底座支架210和连接板217的设置是示例性的，底座200也可以一体地形成。

再次参照图1，在底座支架210上设置有直线型轨道201；手指连接滑块4(图10更清楚地示出了手指连接滑块4)上安装有机械手指101、104，并且手指连接滑块4上设有通孔(或导向槽)，将手指连接滑块4安装在轨道201上，使轨道201穿过所述通孔(或导向槽)，因而手指连接滑块4能够沿着轨道201直线往复运动，从而使得机械手指101、104随着手指连接滑块4沿着轨道201做直线往复运动。

底座支架210上还设置有两个通孔202、203。另外，底座200还包括两个手指连接件2、3(图10更清楚地示出了指连接件2、3)，两个手指连接件2、3分别布置在通孔202、203的下侧。两个手指连接件2、3能够围绕各自的转轴转动。穿过通孔202、203，机械手指102和103分别安装到两个手指连接件2、3，并能够分别绕手指连接件2、3的转轴公转。需要注意，机械手指102和103分别偏离手指连接件2、3的转轴而安装在手指连接件2、3上，从而当手指连接件2、3转动时，分别带动机械手指102和103绕手指连接件2、3的转轴公转。

根据以上的描述，手指连接滑块4能够带动机械手指101和104沿着轨道201做一个自由度的直线运动；两个手指连接件2、3能够分别带动机械手指102和103做围绕手指连接件2、3的转轴的公转，这是两个自由度的运动。在不考虑手指弯曲等其他运动的情况下，手指连接滑块4和两个手指连接件2、3的运动具有三个自由度，这对调整各个手指的形态、位置提供了很大的灵活性和更多的选择，从而能够更好地适应要抓取的各种形状和尺寸的物体。

图1到图7示出了随着手指连接滑块4的直线运动和两个手指连接件2、3的旋转运动而形成的手指的不同形态。

在图1所示的示例中，手指101和104位于一个方位，手指102和103位于两个不同方位，这适于抓取位于四根手指之间的例如块状物体；在图2所示的示例中，四根手指排成一排，适于抓取例如，细长的棒状物体；图3所示的示例中，四根手指位于同一侧，但机械手指101和104沿着轨道向后移动，适于抓取例如球形物体或块状物体的一侧，露出另一侧，以方便对露出的另一侧做进一步处理；图4所示的示例中，四根手指两两相对布置，能够增大握力；图5所示的示例中，四根手指两两相对布置，但相对于图4所示的情况，两对手指之间的距离增大，适于抓取体积更大的物体；图6和图7所示的示例中，四根手指的布置和图1中的机械手类似，但手指101和104的前后位置有所调整，手指102和103的转动角度有所改变，这样，通过精细调整各手指的位置能够更准确地适应被抓取物体的形状。

在另外的实施例中，可以将图1所示机械手取消手指连接件2、3和通孔202、203，取而代之的是两条直线型轨道和手指连接滑块4类似的两个手指连接滑块，即，手指连接滑块2、3。这样，手指连接滑块2、3、4分别设置在三条直线形轨道上，这三条轨道呈辐射状向三个方向延伸，或者，向三个不同方向延伸。并且，三个手指连接滑块2、3、4能够独立地沿着各自的轨道往复运动，从而调节各手指之间的距离，以适应不同尺寸的被抓取物体。此外，在该实施例的变型中，直线轨道的数量不限于三个，可以根据需要设置为其他数量的轨道。各条轨道向不同方向延伸，并且，其中可以有部分轨道平行布置。

由以上结合图1-7的描述可以看到，根据本发明一个方面的机械手，除了其手指可以如常规的机械手指旋转、弯曲外，部分手指可以做直线平移(例如，安装在连接滑块4的手指101、104)，另外部分手指可以绕竖直轴转动(公转)(例如，分别安装在手指连接件2、3上的手指102、103)。也就是说，本发明机械手的各个手指具有更多的自由度，这使得本发明机械手的各个手指可以呈现更多种不同的形态，从而能更好地适应不同形状、不同尺寸的被抓取物体，提高抓取的可靠性。

下面介绍本发明一个实施例中的用于支撑机械手指的底座。图8示出了一个示例的底座支架210的底视透视图，图9示出了一个示例中的连接板217的俯视透视图。在图8所示实施例中，底座支架210是一种带有多个通孔及支撑板的框架结构。在图9所示实施例中，连接板217是一种带有多个通孔及支撑板的框架结构，用于支撑卷线轮14及舵机15等。底座支架210和连接板217固定安装在一起，构成了底座200的框架，该框架可以固定在机械臂末端，支撑机械手指，并可以在其中安装其他部件。

上述关于底座的描述只是示例性的。在另外的实施例中，底座支架210可以不具有通孔202、203。手指连接件2、3可以直接安装在底座支架210上表面，然后，手指102、103分别安装在手指连接件2、3。这样，就不需要穿过底座支架210上的通孔来将机械手指和手指连接件联结在一起。

为了更清楚地展示底座200的结构，图10示出了没有安装机械手指的底座200的透视图。在图10中可以更清楚地看到设置在底座支架210上的直线型轨道201、通孔202和203，以及设置在轨道201上的滑块4和分别位于通孔202和203下面的手指连接件2、3。在图10中可以看到，手指连接件2、3上分别设置有燕尾槽351，用于安装机械手指102、103。机械手指102的一端上的梯形凸起251(参见图11)，该梯形凸起能够插入到手指连接件2上的燕尾槽351中，从而固定到手指连接件2上。机械手指103以同样的方式安装到手指连接件3上。此外，在图10中可以看到，手指连接滑块4上也设置有两个燕尾槽351，用于分别安装手指101和104，同样，手指101和104的下端也设置有梯形凸起251(参见图11、12)。

在以上各实施例中，做直线运动的手指连接滑块4上安装了两个手指，但本发明不限于此，也可以在手指连接滑块4上设置其他数目的手指。

另外，如前所述，手指连接件2、3可以分别绕自身的转轴转动，从而带动安装在其上的机械手指102和103转动。在图10中还可以看到，手指连接件2、3的燕尾槽351的位置分别偏离手指连接件2、3各自的转轴，使得通过燕尾槽分别安装在手指连接件2、3上的手指102和103能够分别绕着手指连接件2、3的转轴公转而不是自转。在公转时，机械手指102和103的位置发生移动，从而能够更有效地调节各个机械手指之间的位置。

在附图所示的实施例中，通孔202和203沿着轨道201的延长线对称布置，并且各自包括一段270度的弧线，从而限定机械手指102和103在270度的范围内公转。但本发明不限于此，通孔202和203不一定对称布置，另外，也可以限定机械手指102和103也可以在例如90度、180度和360度或其他范围内公转。

图1-8、10中所示的直线型轨道201是双轨型，但也可以是单轨，或本领域技术人员可以想到的其他类型的合适轨道。在图10所示实施例以及本文其他各实施例中，直线型轨道和做直线往复运动的指连接滑块4只有一个，做旋转运动的手指连接件有两个(2、3)，但本发明不限于此，直线型轨道和手指连接滑块(4)和手指连接件(2、3)的数量可以根据需要调整。此外，虽然附图中的各机械手包括4根手指，但也可以设置其他数目的手指。

图11至13显示了本发明实施例中的机械手指组件。下面参照图11至13描述本发明的机械手指组件。

图11是根据本发明一个实施例的机械手的一个手指组件的透视图，其包括两截手指，即两个手指模块，两截手指(也就是两个手指模块)之间可以相对转动。每一截手指模块包括短手指模块1和长手指模块5，如图12所示。短手指模块1的一端(图12中端手指模块1的下端)具有梯形凸起251，该梯形凸起251能够插入到手指连接件2、3或手指连接滑块4的如前所述的燕尾槽351中，从而将机械手指固定到手指连接件2、3或手指连接滑块4。短手指模块1的另一端(图12中端手指模块1的上端)具有一个凸起，与此对应，长手指模块5的一端具有两个凸起，短手指模块1的所述凸起能够插入到长手指模块5的所述两个凸起之间，并且一个转轴(未示出)横向穿过这三个凸起中的通孔，从而将短手指模块1和长手指模块5联结起来，使得短手指模块1和长手指模块5可以相对于彼此转动。此外，优选将扭簧8安装在短手指模块1和长手指模块5之间的联结部位处，扭簧8两端的两脚分别附着到短手指模块1和长手指模块5，当短手指模块1和长手指模块5受外力作用而相对转动时，短手指模块1和长手指模块5通过扭簧8的两脚而对扭簧8施加扭矩，使得扭簧8发生弹性形变。反过来，扭簧8对短手指模块1与长手指模块5施加大小相等方向相反的扭矩，该扭矩抵抗短手指模块1与长手指模块5之间的相对转动。当施加在短手指模块1与长手指模块5之间的外力消失后，扭簧8产生的扭矩使短手指模块1与长手指模块5反向转动，恢复到平衡位置。

如上所述，在一截手指(即手指模块)中，长手指模块5的一端与短手指模块1的一端可转动地联结在一起。此外，该长手指模块5的另一端设置有燕尾槽351，用于容纳另一截手指的短手指模块1的梯形凸起251，从而使得两个指模块连接起来。图11示出了两截机械手指联结在一起的状态，其中，每一截手指均包括一个长手指模块5的一段与短手指模块1。如图11所示，两截机械手指呈上下位置分布。上面一截机械手指的短手指模块1的下部的梯形凸起251插入到下面一截机械手指的长手指模块5上端的燕尾槽351，从而将这两截手指(手指模块)安装在一起。以这样的方式，本发明不仅可以容易地将机械手指安装到底座200上的手指连接件2、3以及手指连接滑块4，还可以容易地将多截手指联结在一起。

图11还示出了连接绳9。根据本发明实施例的机械手通过连接绳9控制手指的弯曲以抓取物体。连接绳9穿过长手指模块5和短手指模块1的引导槽，在穿过长手指模块5和短手指模块1的连接绳9的末端，例如可以打上结扣，该结扣阻挡连接绳9从长手指模块5和短手指模块1被反向拉出，另一端缠绕在设置在例如底座200中的卷线轮14(图14、15、16)上。卷线轮14在电机(例如舵机)驱动下旋转，从而更多地缠绕连接绳9，或放出连接绳9，以控制手指的转动/弯曲程度。在机械手抓住物体时，连接绳9能够控制机械手指的抓力。连接绳9上的拉力越大，机械手指的抓力越大。每个手指设置一个连接绳9，一个机械手指的四根手指共设置四根连接绳9。另外，连接绳9是一种软绳，例如，可以是在市场上购买的普通软绳。

在实施例中，引导槽沿机械手指的纵向布置在长手指模块5和短手指模块1的表面，连接绳9被布置在引导槽中。引导槽在长手指模块5和短手指模块1的表面位置处或接近表面位置处，设置有锯齿状交错的部件或等同部件，以封挡住引导槽，用于防止引导槽中的连接绳9脱离引导槽。该锯齿状交错的部件优选是具有弹性的，当将连接绳9安装到引导槽中时，将连接绳9放置在该锯齿状交错的部件上，向下按压，该锯齿状交错的部件在压力下弹性变形，以使连接绳9通过以进入到引导槽中。同样，当需要将连接绳9从引导槽中取出时，向外拉连接绳9，该锯齿状交错的部件弹性变形，使得连接绳9通过而离开引导槽。

图1至图7以及图11中示出的每个手指均包括两截手指，但本发明不限于此，也可以仅设置一截手指，或根据实际需要增加更多截手指。按照本发明，只需将一截手指的短手指模块1的下部的梯形凸起251插入另一截手指的长手指模块5上端的燕尾槽351中，即可将两截手指联结起来。另外，增加了一截手指后，需要将连接绳9按压到新增加的手指模块的引导槽中，使连接绳9仍贯穿整根手指。另一方面，只需将一截手指的短手指模块1的下部的梯形凸起251从另一截手指的长手指模块5上端的燕尾槽351中拔出，从而将两截手指分开，也就是说从手指上去除一截手指。在另一实施例中，在具有上中下三截手指的一根手指中，如果需要去除中间的一截手指，则将中间手指的短手指模块1的下部的梯形凸起251从下面一截手指的长手指模块5上端的燕尾槽351中拔出；然后，将上面手指的短手指模块1的下部的梯形凸起251从中间一截手指的长手指模块5上端的燕尾槽351中拔出；最后将连接绳9从中间手指模块的引导槽拔出即可。这种操作简单易行。

图13示出了本发明一个优选实施例的长手指模块5的详细结构。长手指模块5优选包括定位销6和定位弹簧7，定位销6是一种带有凸起的圆柱销。在长手指模块5的主体中沿着长手指模块5的长度方向形成有容纳定位销6和定位弹簧7的柱形孔，该柱形孔在长手指模块5的端部形成有端口。定位弹簧7和定位销6依次通过该端口插入该柱形孔中。该柱形孔的另一端阻挡住定位弹簧7向前的进一步移动。在长手指模块5的侧壁上设有细长开口，用于露出定位销6的凸起。该开口的长度方向与长手指模块5的长度方向一致，使得装入柱形孔的定位销6的凸起从该开口延伸出来，如图12所示。该凸起的高度使得该凸起穿过该开口从长手指模块5的侧壁伸出，使得可以用人的手指拨动该凸起从而沿着所述柱形孔移动该定位销6。在没有外力的情况下，例如不通过人手拨动定位销6的所述凸起的情况下，在定位弹簧7的作用下，定位销6一端延伸出柱形孔的位于长手指模块5的一端的端口，也就是说，定位销6一端从长手指模块5的端面凸出。

在要与长手指模块5联结的短手指模块1的相应端面上，与长手指模块5的所述柱形孔相对应地形成有柱形孔，使得当短手指模块1安装到长手指模块5上，即，如图11所示，当短手指模块1的梯形凸起251插入到长手指模块5的燕尾槽351中时，定位销6的从长手指模块5的端面凸出的部分插入到短手指模块1的相应的柱形孔中，从而将所述短手指模块1和长手指模块5锁定在一起，使得短手指模块1不能与长手指模块5脱离。

另一方面，在将短手指模块1从长手指模块5移除时，借助外力，例如人手，向下拨动定位销6上的凸起来挤压定位弹簧7，使得定位销6完全容纳在长手指模块5的柱形孔中，从而可以将短手指模块1的梯形凸起251沿侧向从长手指模块5的燕尾槽351拔出。

本领域技术人员可以理解，上述定位销6和位弹簧7只是优选的，用于将联结在一起的两截手指锁定，使之无法脱离。本发明也可以不采用上述定位销6和位弹簧7。或者，也可以使用本领技术人员容易想到的其他方案来阻止联结在一起的两截手指的脱离。

本发明采用马达(或航机)作为动力，来驱动手指连接件2、3的转动，驱动手指连接滑块4的平移，以及驱动机械手指的弯曲和在机械手指上产生抓握力。在一个示例中，手指连接件2、3直接与马达(或航机)的末端输出轴连接，当马达(或航机)进行旋转运动时，手指连接件2、3也进行相应旋转运动。下面参照图15介绍手指连接滑块4在马达驱动下移动的实施例。

图15示出了没有安装机械手指的底座200的透视图。请注意，图15的观看角度与图10的角度不同，具体说，图10示出了在底座200一侧的透视图，图15示出了在底座200相反一侧的透视图。

由图15可见，滑动轨道的一端设置有固定在底座支架10上的支撑杆13，弹簧11的一端固定到支撑杆13上，弹簧11的另一端连接到固定在滑动轨道上的手指连接滑块4的一侧。在手指连接滑块4的另一侧连接着滑块连接绳12的一端。滑块连接绳12的另一端缠绕在卷线轮14上。底座200上还安装有航机15。在航机15能够驱动卷线轮14转动，从而更多地缠绕滑块连接绳12，以拉动手指连接滑块4移动。由于手指连接滑块4的移动，拉长弹簧11，从而弹簧11对手指连接滑块4施加相反的拉力。另一方面，在航机15被切断电源的情况下，航机15停止对手指连接滑块4的驱动，在弹簧11的拉力下，手指连接滑块4反向移动，同时卷线轮14在连接滑块4的拉动下反向转动，以释放出滑块连接绳12。

可以理解，上述实施例中还可以采用其他方式替代支撑杆13来固定弹簧11的一端。

本领域技术人员还可以采用公知的方法，利用航机15驱动手指连接件2、3的转动。在一只机械手上，可以根据需要采用不同数量的航机15和卷线轮14。用于驱动手指连接滑块4的移动、手指连接件2-3的转动，以及各手指的运动。图16示出了机机械手底座的底视透视图。在图16所示的实施例中，在底座的连接板17上安装有四个航机15和四个卷线轮14。但本发明不限于此，也可以采用其他数量的航机15和卷线轮14。

图17是本发明一个优选实施例的机械手的侧视图。在图17可以看到，在底座支架210和连接板217之间设置有一个或多个连接管16，连接管16一端与底座支架210连接，另一端与连接板217连接，连接绳9或滑块连接绳12穿过连接管16内部。所述的连接管16是一种不可压缩、但可弯曲的管状结构，用于辅助传递连接绳9或滑块连接绳12的拉力。当连接绳9或滑块连接绳12在卷线轮14的卷动下而沿着其长度方向移动时，连接绳9或滑块连接绳12穿过连接管16而移动，同时连接管16的位置保持不变。容易理解，除了对在底座支架210和连接板217之间的连接绳9和/或滑块连接绳12应用连接管16外，还可以对在机械手或机械臂的其他设置的连接绳9和/或滑块连接绳12或类似的动力传送绳应用连接管16。

以上参照附图介绍了具有底座200的机械手或机器人末端执行器。本发明的另一方面提供了另一种类似于人手的仿真机械手。在该仿真机械手中，替代如上所描述的基座200，采用了类似人的手掌的掌形结构件，各机械手指安装在该掌形结构件上，而不是如上述各实施例那样安装在基座200上。

图18、19示出了根据本发明另一实施例的机械手的不同形态。如图18所示，根据该实施例的机械手包括掌形构件319、安装在掌形结构件319上端的能够相对于掌形结构件319旋转的四指旋转件318(或多指旋转件)、安装在掌形结构件319侧边的手指301(类似于拇指)、并列安装在四指旋转件318上端的四根手指302、303、304和305(分别相当于人食指、中指、无名指和小指)。另外，掌形结构件319的侧边形成有凹口，拇指旋转件331通过一个竖直向的转轴(未示出)固定在该凹口，从而拇指旋转件331能够绕该转轴在水平面内转动。拇指301安装在该拇指旋转件331的端部，从而能够随着拇指旋转件331的转动而转动。

图18、19示出了拇指旋转件331安装到掌形结构件319的状态，图22示出了根据一个实施例的单独的拇指旋转件331的示意图。在图22所示的拇指旋转件331上可以看到竖直方向的通孔341在拇指旋转件331的上表面的圆形开口，该通孔用于穿过竖直向延伸的转轴，拇指旋转件331能够绕着该转轴转动；图中还示出了用于容纳拇指301的短手指模块上的梯形凸起251的燕尾槽351。

图19示出了图18所示的仿真机械手的另一种形态，其中，四指旋转件318相对于掌形结构件319向前倾斜了。四指旋转件318向前倾斜或转动，能够同时带动四根手指302、303、304和305向前倾斜。此外，四根手指302、303、304和305在四指旋转件318的基础上又能够各自独立地进一步向前转动或弯曲，这样进一步提高了改变机械手形态或构型的灵活性，使得机械手能够更好地适应待抓取物体的形状。另外，相对于图18，图19的拇指301沿着竖直转轴向前(向掌心)发生了转动。

图20是根据本发明一个实施例的四指旋转件(或多指旋转件)318的透视图，图21是根据本发明一个实施例的掌形结构件319的透视图。由图21可以看到，掌形结构件319的上端具有两个凸起340，与此对应，在图20所示的四指旋转件318的下端具有形成在三个凸起之间的两个凹槽350。掌形结构件319的所述两个凸起340能够分别插入到两个凹槽350中。掌形结构件319的所述两个凸起340形成有通孔，另外，四指旋转件318的所述三个凸起也形成有通孔，当掌形结构件319的所述两个凸起340能够分别插入到两个凹槽350中后，使用转轴(未示出)插入到所述通孔中，从而将四指旋转件318与掌形结构件319联结在一起，并且使得二者能够绕着该转轴相对彼此转动。

此外，如图20所示，在四指旋转件318的上端分别设置有四个燕尾槽，用于安装四个机械手指。在本实施例中可以仍然采用以上各个实施例中方法来安装机械手指，也就是说，将机械手指下端(即短手指模块下端)的梯形凸起251插入到四指旋转件318的上端的燕尾槽中。同样，拇指旋转件331的末端也形成有燕尾槽，拇指301端部的梯形凸起251插入到拇指旋转件331的燕尾槽中，从而安装在拇指旋转件331上。

图18、19所示的机械手的每个手指包括两截手指(手指模块)，也可以根据实际需要调整每个手指的指截数。本实施例中，每个手指的手指模块的安装可以采用和前述实施例相同的方法，即，在一截手指模块的长手指模块的末端形成有燕尾槽351，在另一截手指模块的短手指模块上形成有梯形凸起251。将该短手指模块上的梯形凸起251插入该长手指模块的燕尾槽351中，从而将两截手指模块安装在一起。

在本实施例中，与前述各实施例一样，也可以采用连接绳9、马达(或航机)15和卷线轮14来独立地驱动各个手指的转动，驱动四指旋转件318和拇指旋转件331的转动。本领域技术人员容易理解，各个连接绳9可以根据需要穿过形成在机械手指、四指旋转件318、掌形结构件319和/或拇指旋转件331中的通孔或引导槽中。航机15和卷线轮14可以根据需要设置在掌形结构件319或机器人臂等合适的位置。

在上述参照图18至图21所述的实施例中，四指旋转件318上可以安装四个机械手指。本发明不限于此，四指旋转件318上还可以安装其他数量的机械手指，因此，四指旋转件318也可以成为多指旋转件318。

此外，在上述各实施例中，已经参照图12描述了同一手指模块所包括的短手指模块1和长手指模块5的结构和联结关系。本发明不限于此，在另一种实施方式中，如图23所示，短手指模块1和长手指模块5之间也可以采用弹性丝21联结，当在连接绳9的拉动下，手指转动或弯曲时，长手指模块5相对于短手指模块1转动，使得弹性丝21发生弹性弯曲，当连接绳9上的拉力消失后，弹性丝21的弹力使得长手指模块5相对于短手指模块1反向转动，恢复到连接绳9没有产生拉力的状态。

在以上结合附图描述的各个实施例中，机械手指的主体以及底座200(包括底座支架210和连接板217)、四指旋转件318、掌形结构件319可以使用硬的材料制成，所述硬的材料包括聚乳酸(PLA)材料。作为一个例子，这些硬的构件可以使用3D打印机打印。

根据本发明的另一方面，还可以优选地在机械手指以及四指旋转件318、掌形结构件319的硬材料模块上增加一层软材料(例如，下面要详细描述的软体组件)，以增加摩擦力，减小对被抓取物体的压强。该软材料，例如，可以是硅树脂。

本发明的发明者通过实验发现，在其他条件相同的情况下，与机械手的表面上没有施加软材料的机械手相比，在表面上增加了软材料的机械手，对物体的抓握更牢靠，被抓的物体更难以从机械手脱离。这可能是因为，软材料增加了机械手和被抓取物体之间的摩擦力。

另外，在机械手表面附着一层软材料层(例如硅树脂)的情况下，软材料层更容易贴敷到被抓物体表面，增加了机械手和被抓物体的接触面积，从而减小了机械手对被抓物体施加的压强，这样，在抓取易碎物体时，如鸡蛋，不容易破坏被抓取物体。

本发明的另一方面提供了一种能够和机械手指相结合的软体组件，该软体组件与汽泵或外部气源连接，可以在在软体组件内产生负压或正压，以增强抓取效果。

在进一步优选的实施例中，上述附着到机械手指或附着到机械手上的软材料是与气泵连接的能够被充气的膨胀组件。图24示出了根据一个实施例的该膨胀组件280的示意性分解透视图。如图24所示，膨胀组件280包括用来附着到机械手上的内层26，和联结在内层26上的外层27，在内层26和外层27之间形成内部腔体。内层26的一侧设有导气管281与该内部腔体联通，并且，导气管281与气泵(未示出)连接。当气泵通过导气管281向膨胀组件280的内部腔体充气时，较软的和/或具有弹性的外层27膨胀。在使用机械手抓取物体时，膨胀柔性的外层27接触被抓取物体表面，这进一步增大了机械手和被抓取物体的接触面积，增加了机械手和被抓取物体之间的摩擦力，进一步提高了抓取的稳定性。

可以理解，上述实施例中的内层26和外层27也可以一体地形成，并在其中形成有内部腔体。

另一方面，在本发明的机械手或机械手指的表面上还可以附着有能够产生负压以吸附被抓取物体的吸附组件。图25示出了根据本发明一个实施例的吸附组件270的分解透视图。由图25可见，吸附组件270包括依次设置的基底层22、空腔层23、吸附层24与边缘层25。不透气的基底层22用于附着在机械手或机械手指的表面上。空腔层23附着到基底层22，空腔层23形成为大致环形的框架，框架上形成有导气管271，与外部气泵(未示出)联通。形成有一个或若干过气孔的吸附层24附着在空腔层23上。在空腔层23的外层附着柔性的边缘层25，边缘层25也形成为大致环形结构。边缘层25与被抓取表面接触。其中，基底层22、空腔层23和吸附层24之间形成第一腔体，该第一腔体通过导气管271与气泵气体联通。吸附层24、边缘层25和被抓取物体表面形成第二腔体。第二腔体通过吸附层24上的气孔与第一腔体气体联通。气泵通过导气管271抽气时，在第一腔体内形成负压，进而在第二腔体形成负压，从而对被抓取物体产生吸附力。

可以理解，图25所示的吸附组件270只是示例性的而不是限定性。在图25所示吸附组件270的结构的基础上可以有各种变形。例如，可以省略吸附层24，从而第一腔和第二腔合并为一个腔体，或者说，在吸附组件上形成一侧敞开的凹陷，吸附组件形成有导气管271。或者，也可以省略边缘层25。

总之，吸附组件270内部具有空腔，或一侧开口的凹陷，管状气体接口271与该内部空腔或凹陷气体联通。所示开口朝向和/或接触被抓取物体，当与气体接口271连接的汽泵抽气时，在吸附组件270内部空腔/凹陷产生负压，从而对被抓取物体产生吸附力。在抓取轻的物体，如纸张时，这种吸附组件270尤为有利，通过吸附组件270内部空腔的负压能够把例如纸张的轻的物体吸附起来。即使抓取重的物体时，在硬的机械手指施加的作用力下，吸附组件270的吸附力能够更加增强抓取的牢靠性。

在另一优选的实施例中，在本发明的机械手上，机械手或机械手指上既布置有吸附组件270，也布置有膨胀组件280，以进一步增强抓取的牢靠性。

在优选的实施例中，可以并列地布置吸附组件270和膨胀组件280。图26示出了本发明的一个实施例的软体组件的示意图，该软体组件包括并列地形成在一起的一个吸附组件270和膨胀组件280。

图27-29示出了根据本发明实施例的几种机械手，其中，图26所示的软体附着在各个机械手的各个机械手指上。

本发明的发明者通过实验发现，在机械手指上并列地或交替地步骤吸附组件270和膨胀组件280能够更进一步地增强抓取的可靠性，被抓取物体更不易滑脱。

此外，可以理解，多个吸附组件270和膨胀组件280可以以各种方式布置在机械手的表面。

需要说明的是附组件270和膨胀组件280也可以布置在本发明的除图27-29所示实施例的其他实施例中的机械手上，例如，可以布置在图1-7、19、23所示的机械手或机械手指上，以进一步地增强抓取的可靠性。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的范围的情况下，还可以对本发明进行各种变化及同等替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (17)

1.一种机械手，包括底座(200)和安装在底座上的多个机械手指，所述多个机械手指能够转动或弯曲以抓取物体，其特征在于，

该底座(200)设置有直线型轨道，该机械手还包括设置在该直线型轨道的手指连接滑块(4)，并且，一些所述机械手指安装在该手指连接滑块(4)上，从而能够随着该手指连接滑块(4)沿着所述直线型轨道前后移动；

该底座(200)还设置有手指连接件(2、3)，每个手指连接件(2、3)能够绕着各自的转轴转动，所述多个机械手指中的另外一些机械手指分别安装在该手指连接件(2、3)上，从而能够绕着所述手指连接件(2、3)的所述转轴公转。

2.如权利要求1所述的机械手，其中，所述直线型轨道为一条，所述手指连接件(2、3)为两个，该两个手指连接件(2、3)布置在所述直线型轨道或其延长线的两侧。

3.如权利要求2所述的机械手，其中，当分别安装在两个所述手指连接件(2、3)的两个机械手指各自公转到一定角度时，与安装在手指连接滑块(4)上的机械手指排成一排，用于抓取细长的杆状物体。

4.如权利要求2所述的机械手，其中，当分别安装在两个所述手指连接件(2、3)的两个机械手指各自公转到另一角度时，这两个机械手指与安装在手指连接滑块(4)上的机械手指相对，用于从相反的两个方向抓取物体。

5.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，所述多个机械手指中的至少部分机械手指的每一个包括多个手指模块，每个手指模块包括短手指模块(1)和长手指模块(5)，短手指模块(1)和长手指模块(5)通过转轴和扭簧(8)连接，从而长手指模块(5)能够相对于短手指模块(1)转动。

6.如权利要求5所述的机械手，其中，该机械手还包括：

用于各个机械手指的连接绳(9)，用于控制各机械手指的转动，每条连接绳(9)布置为穿过机械手指中的引导槽；

分别连接到手指连接滑块(4)两侧的滑块连接绳(12)和滑块连接弹簧(11)，用于控制手指连接滑块(4)的移动。

7.如权利要求6所述的机械手，其中，所述连接绳(9)和滑块连接绳(12)的一端缠绕在卷线轮(14)上，该卷线轮(14)在航机的驱动下能够正向和反向转动。

8.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，所述多个机械手指中的至少部分机械手指的每一个包括多个手指模块，每个手指模块包括短手指模块(1)和长手指模块(5)，短手指模块(1)和长手指模块(5)通过能够弹性地弯曲的弹性丝(21)连接，从而长手指模块(5)能够相对于短手指模块(1)转动。

9.如权利要求7所述的机械手，其中，一个机械手指模块的长手指模块(5)的端部形成有燕尾槽(351)，另一个机械手指模块的短手指模块(1)的端部具有梯形凸起(251)，通过将该梯形凸起(251)插入所述燕尾槽(351)而将将所述另一个手指模块安装到所述一个手指模块上。

10.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，机械手指的表面设置有软材料层。

11.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，

机械手指的表面设置有具有内部腔体的膨胀组件(280)，该膨胀组件(280)设置有与所述内部腔体联通的导气管(281)，在由气泵经过该导气管(281)向所述内部腔体充气时，该膨胀组件(280)膨胀。

12.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，

机械手指的表面设置有吸附组件(270)，该吸附组件(270)设置朝向待抓取物体的凹陷，并设置有与该凹陷联通的导气管(271)，在使用气泵经过该导气管(271)对所述凹陷抽气时，在所述凹陷中形成负压。

13.如权利要求1至4的任一项所述的机械手，其中，

机械手指的表面设置有吸附组件(270)和膨胀组件(280)，其中，

所述吸附组件(270)设置朝向待抓取物体的凹陷，并设置有与该凹陷联通的导气管(271)，在使用气泵经过该导气管(271)对所述凹陷抽气时，在所述凹陷中形成负压；

所述膨胀组件(280)设置有与所述内部腔体联通的导气管(281)，在由气泵经过该导气管(281)向所述内部腔体充气时，该膨胀组件(280)膨胀。

14.一种机械手，包括，底座(200)和安装在底座上的多个机械手指，所述多个机械手指能够转动或弯曲以抓取物体，其特征在于，

该底座(200)设置有多条直线型轨道，该机械手还包括设置在各个直线型轨道的多个手指连接滑块(4)，并且，所述机械手指分别安装在该手指连接滑块(4)上，从而能够沿着各个直线型轨道前后移动。

15.一种机械手，包括，

掌形构件(319)，

多指旋转件(318)，通过转轴安装在掌形构件(319)的一侧，能够绕转轴相对于掌形构件(319)转动；

多个机械手指(302、303、304、305)，安装在所述多指旋转件(318)上，每个手指能够独立地相对于该多指旋转件(318)转动；

拇指旋转件(331)，通过转轴安装在所述掌形构件(319)的另一侧，能够相对于掌形构件(319)转动；

拇指(301)，安装在拇指旋转件(331)的端部，能够相对于拇指旋转件(331)转动；

其中，拇指旋转件(331)的转动方向不同于多指旋转件(318)的转动方向。

16.如权利要求14或15所述的机械手，其中，

机械手指的表面设置有具有内部腔体的膨胀组件(280)，该膨胀组件(280)设置有与所述内部腔体联通的导气管(281)，在由气泵经过该导气管(281)向所述内部腔体充气时，该膨胀组件(280)膨胀。

17.如权利要求14或15所述的机械手，其中，

机械手指的表面设置有吸附组件(270)，该吸附组件(270)设置朝向待抓取物体的凹陷，并设置有与该凹陷联通的导气管(271)，在使用气泵经过该导气管(271)对所述凹陷抽气时，在所述凹陷中形成负压。

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