CN111844105B - 机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械手，机械手包括手掌结构、支撑结构、大拇指组件和手指组件，支撑结构设置在手掌结构上；大拇指组件设置在手掌结构上，大拇指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置；手指组件设置在手掌结构上，手指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置，手指组件和支撑结构之间的区域形成容纳物体的抓握区域；机械手具有抓握状态和放松状态，机械手处于抓握状态的情况下，手指组件和支撑结构均和位于抓握区域内的物体限位配合，以抓握住物体。由于在手掌结构上设置有支撑结构，机械手在抓握物体时，物体可抵靠住支撑结构，从而通过支撑结构平衡手指组件的作用力，避免抓握力被泄掉，因此提高了机械手的抓握力，能够更牢靠地抓握物体。

Description

机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体而言，涉及一种机械手。

背景技术

目前机械手在工业生产领域应用很广泛，未来五指灵巧机械手代替人工，做更多的繁重劳动和家务工作，是一个趋势。

现有技术中，五指灵巧机械手通常有如下的传动方式：1.齿轮传动；2.连杆传动；3.肌腱(绳索)传动；4.材料形变。但是无论采用哪一种传动方式，都存在一个严重问题：抓握力量远远不足，无法达到实用的要求，难以满足工业生产和家务工作的需求。

在现有技术中，当抓握物体时，四个手指的近节指有一个向左的力F，虽然对侧有大拇指，但一个大拇指近节指只有一个支撑点，无法支撑四个手指的作用力。由于缺少支撑，机械手抓握力被泄掉一部分，致使抓握力量大大减弱。

发明内容

本发明提供了一种机械手，以提高机械手的抓握力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机械手，包括：手掌结构；支撑结构，设置在所述手掌结构上；大拇指组件，设置在所述手掌结构上，所述大拇指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置；手指组件，设置在所述手掌结构上，所述手指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置，所述手指组件和所述支撑结构之间的区域形成容纳物体的抓握区域；所述机械手具有抓握状态和放松状态，所述机械手处于所述抓握状态的情况下，所述手指组件和所述支撑结构均和位于所述抓握区域内的物体限位配合，以抓握住所述物体。

进一步地，所述支撑结构和所述大拇指组件间隔开，所述支撑结构位置可调地设置在所述手掌结构上。

进一步地，所述支撑结构包括至少一个凸出设置在所述手掌结构上的支撑体。

进一步地，所述支撑体由金属或非金属材料制成，所述支撑结构还包括包裹在所述支撑体上的弹性层。

进一步地，所述手指组件包括支撑件、近节指和远节指，所述支撑件设置在所述手掌结构上，所述近节指和所述支撑件铰接，所述远节指和所述近节指活动连接；所述支撑结构的高度为H，所述近节指的长度为L，2H＞L。

进一步地，所述大拇指组件和所述手指组件均为全驱动结构；或，所述大拇指组件和所述手指组件均为欠驱动结构。

进一步地，所述手指组件包括食指中指组件和无名指小指组件；所述食指中指组件包括并排设置在所述手掌结构上的两个第一手指，两个所述第一手指可同弯曲或伸直地设置；所述无名指小指组件包括并排设置在所述手掌结构上的两个第二手指，两个所述第二手指可同步弯曲或伸直地设置。

进一步地，所述第一手指包括第一支撑件、第一指节和第二指节，所述第一支撑件设置在所述手掌结构上，所述第一指节和所述第一支撑件铰接，所述第二指节和所述第一指节铰接，所述第一指节为直杆结构，所述第二指节为直杆或弯曲结构；和/或，所述第二手指包括第二支撑件、第三指节和第四指节，所述第二支撑件设置在所述手掌结构上，所述第三指节和所述第二支撑件铰接，所述第三指节为直杆状结构，所述第四指节包括相互连接的第一杆段和第二杆段，所述第一杆段和所述第二杆段之间具有夹角，所述第一杆段和所述第三指节铰接。

进一步地，所述食指中指组件还包括设置在所述手掌结构上的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括第一电机、第一减速器、第一位置感应器和第一驱动电路，所述第一电机和所述第一减速器驱动连接，所述第一减速器和两个所述第一手指驱动连接，所述第一驱动电路用于控制所述第一电机。

进一步地，所述大拇指组件包括大拇指第一节和大拇指第二节，其中，所述大拇指第一节可转动地设置在所述手掌结构上，所述大拇指第二节包括依次连接的主体段、前凸段和后仰段，所述主体段的延伸方向和所述前凸段的延伸方向之间具有夹角，所述前凸段的延伸方向和所述后仰段的延伸方向之间具有夹角，所述主体段和所述大拇指第一节铰接。

进一步地，所述食指中指组件还包括第一驱动杆、第一钢丝绳、第一紧线轮和第一复位弹簧，所述第一紧线轮可转动地设置在所述手掌结构上，所述第一驱动杆和两个所述第一手指连接，所述第一钢丝绳的一端和所述第一驱动杆连接，所述第一钢丝绳的另一端和所述第一紧线轮连接，所述第一复位弹簧的一端和所述第一手指连接，所述第一复位弹簧的另一端和所述手掌结构连接，所述第一紧线轮在转动时可卷起或展开所述第一钢丝绳，所述第一驱动杆用于驱动所述第一手指移动，所述第一复位弹簧用于使所述第一手指恢复到伸直状态。

进一步地，所述食指中指组件还包括设置在所述手掌结构上的第一驱动模块、第一驱动轴和第一定位轴承，所述第一紧线轮套设在所述第一驱动轴上，所述第一驱动模块和所述第一驱动轴的一端连接以驱动所述第一紧线轮转动，所述第一驱动轴的另一端穿设在所述第一定位轴承上。

进一步地，所述第一紧线轮的圆周面上具有环形限位槽，所述第一紧线轮内具有相互连通的第一穿绳孔和第二穿绳孔，所述第一穿绳孔和所述第二穿绳孔之间的夹角为锐角，所述第二穿绳孔的开口位于所述环形限位槽内，所述第一钢丝绳的一部分穿设在所述第一穿绳孔和所述第二穿绳孔内。

进一步地，所述大拇指第一节的转动轴线和所述大拇指第二节的转动轴线相互垂直，所述大拇指组件还包括设置在所述手掌结构上的第三驱动模块、第四驱动模块、第三钢丝绳和第三紧线轮，所述第三驱动模块与所述大拇指第一节驱动连接，所述第四驱动模块驱动所述第三紧线轮转动，所述第三钢丝绳的一端和所述大拇指第二节连接，所述第三钢丝绳的另一端和所述第三紧线轮连接。

进一步地，所述大拇指组件还包括第三复位弹簧、第三驱动轴、第三定位轴承、第四驱动轴和第四定位轴承，所述第三复位弹簧的一端和所述大拇指第一节连接，所述第三复位弹簧的另一端和所述大拇指第二节连接，所述第三驱动轴用于驱动所述大拇指第一节转动，所述第三驱动模块和所述第三驱动轴的一端连接，所述第三驱动轴的另一端穿设在所述第三定位轴承内，所述第三紧线轮套设在所述第四驱动轴上，所述第四驱动模块和所述第四驱动轴的一端连接，所述第四驱动轴的另一端穿设在所述第四定位轴承内。

进一步地，所述大拇指组件还包括第一软性防护结构，所述第一软性防护结构包裹在所述大拇指第一节和所述大拇指第二节上；所述食指中指组件还包括第二软性防护结构，所述第二软性防护结构包裹在所述第一手指上；所述无名指小指组件还包括第三软性防护结构，所述第三软性防护结构包裹在所述第二手指上。

进一步地，所述手掌结构包括手掌底板和手掌盖板，所述大拇指组件、所述食指中指组件和所述无名指小指组件均设置在所述手掌底板上，所述手掌盖板盖在所述手掌底板上，所述手掌底板包括底板本体和设置在所述底板本体边沿的至少一个折弯结构。

应用本发明的技术方案，提供了一种机械手，机械手包括手掌结构、支撑结构、大拇指组件和手指组件，支撑结构设置在手掌结构上；大拇指组件设置在手掌结构上，大拇指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置；手指组件设置在手掌结构上，手指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置，手指组件和支撑结构之间的区域形成容纳物体的抓握区域；机械手具有抓握状态和放松状态，机械手处于抓握状态的情况下，手指组件和支撑结构均和位于抓握区域内的物体限位配合，以抓握住物体。采用该方案，由于在手掌结构上设置有支撑结构，机械手在抓握物体时，物体可抵靠住支撑结构，从而通过支撑结构平衡手指组件的作用力，避免抓握力被泄掉，因此提高了机械手的抓握力，能够更牢靠地抓握物体。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例提供的机械手的结构示意图；

图2示出了图1中的支撑结构和手指组件的侧视图；

图3示出了图1中的机械手处于抓握状态的示意图；

图4示出了图1中的机械手抓握较小物体的示意图；

图5示出了图1中的机械手抓握较大物体的示意图；

图6示出了图1中的机械手的侧视图；

图7示出了图1中的大拇指组件的结构示意图；

图8示出了图7中的大拇指第二节的另一示意图；

图9示出了图7中的大拇指第二节的又一示意图；

图10示出了图1中的机械手的另一示意图；

图11示出了图1中的食指中指组件的结构示意图；

图12示出了图1中的食指中指组件的另一视图；

图13示出了图1中的无名指小指组件的结构示意图；

图14示出了图1中的无名指小指组件的另一视图；

图15示出了图1中的第一紧线轮的结构示意图；

图16示出了图1中的第一软性防护结构的示意图；

图17示出了图1中的手掌底板的结构示意图；

图18示出了图1中的手掌盖板的结构示意图；

图19示出了图1中的机械手抓握较小物体的示意图；

图20示出了图1中的机械手抓握较大物体的示意图；

图21示出了图1中的机械手捏合较小物体的示意图；

图22示出了图1中的机械手平端盘子的示意图；

图23示出了图1中的机械手拿碗、盆的示意图；

图24示出了图1中的机械手提重物的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、手掌结构；11、手掌底板；111、底板本体；112、折弯结构；12、手掌盖板；13、连动杆结构；20、大拇指组件；21、大拇指第一节；22、大拇指第二节；221、主体段；222、前凸段；223、后仰段；231、第三驱动模块；232、第四驱动模块；24、第三钢丝绳；25、第三紧线轮；26、第三复位弹簧；271、第三驱动轴；272、第三定位轴承；281、第四驱动轴；282、第四定位轴承；29、第一软性防护结构；291、粘合层；292、软性材料；293、软性保护层；30、食指中指组件；31、第一手指；311、第一支撑件；312、第一指节；313、第二指节；32、第一驱动模块；33、第一驱动杆；34、第一钢丝绳；35、第一紧线轮；351、环形限位槽；352、第一穿绳孔；353、第二穿绳孔；36、第一复位弹簧；37、第一驱动轴；38、第一定位轴承；40、无名指小指组件；41、第二手指；411、第二支撑件；412、第三指节；413、第四指节；414、第一杆段；415、第二杆段；42、第二驱动模块；43、第二驱动杆；44、第二钢丝绳；45、第二紧线轮；46、第二复位弹簧；47、第二驱动轴；48、第二定位轴承；50、支撑结构；51、支撑体；61、近节指；62、远节指。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1至图24所示，本发明的实施例提供了一种机械手，包括：手掌结构10；支撑结构50，设置在手掌结构10上；大拇指组件20，设置在手掌结构10上，大拇指组件20的至少一部分可弯曲或伸直地设置；手指组件，设置在手掌结构10上，手指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置，手指组件和支撑结构50之间的区域形成容纳物体的抓握区域；机械手具有抓握状态和放松状态，机械手处于抓握状态的情况下，手指组件和支撑结构50均和位于抓握区域内的物体限位配合，以抓握住物体。

采用该方案，由于在手掌结构10上设置有支撑结构50，机械手在抓握物体时，物体可抵靠住支撑结构50，从而通过支撑结构50平衡手指组件的作用力，避免抓握力被泄掉，因此该方案提高了机械手的抓握力，能够更牢靠地抓握物体。

在本实施例中，支撑结构50和大拇指组件20间隔开，这样支撑结构50和大拇指组件20可对物体的不同位置进行支撑。支撑结构50固定在手掌结构10上。或者，支撑结构50位置可调地设置在手掌结构10上，这样可根据需要调整支撑结构50在手掌结构10上的位置。

在本实施例中，支撑结构50包括至少一个凸出设置在手掌结构10上的支撑体51。通过支撑体51可与手指组件配合，以夹住物体。支撑体51可以为一个或多个。

在本实施例中，支撑体51由金属或非金属材料制成，支撑结构50还包括包裹在支撑体51上的弹性层。通过设置弹性层可避免较硬的支撑体51和物体直接接触。而且，设置弹性层可以增大接触面积和摩擦力，以更牢靠地抓握物体。

在本实施例中，手指组件包括支撑件、近节指61和远节指62，支撑件设置在手掌结构10上，近节指61和支撑件铰接，远节指62和近节指61活动连接；支撑结构50的高度为H，近节指61的长度为L，2H＞L。通过上述设置，支撑结构50能够更好地对物体进行支撑和限位，从而提高了机械手的抓握力。

可选地，在另一实施例中，手指组件包括四个手指，每个手指均可弯曲或伸直地设置，机械手还包括四个连动杆结构和四个承力结构件，四个连动杆结构和四个手指一一对应连接，四个承力结构件一一对应地设置在四个连动杆结构上，其中，四个连动杆结构和四个承力结构件组成支撑结构50。

其中，大拇指组件20和手指组件均为全驱动结构。或者，大拇指组件20和手指组件均为欠驱动结构。对于不同的驱动方式，上述支撑结构50均可应用。

上述方案的有益效果体现在：

在手掌前部设计了鱼际支撑体(即支撑结构)，在鱼际支撑体与近节指或者中节指中间形成一个有一定宽度和深度的虎口沟。手指抓握时，鱼际支撑体能对物品进行有力的反向支撑，相当于人类手掌大小鱼际肌肉群的作用，从而获得明显强大的抓握力。

对于全驱动齿轮传动机械手，抓握工作方式为：

当需要抓握中小物体时，手指根部驱动电机驱动近节指结构向上向左运动，逐渐靠近物体。同时驱动电机驱动中节指结构向左向下运动，准备对物体形成包络。当近节指结构接触物体后，将对物体产生一个作用力F，驱使物体向左运动，由于鱼际支撑体的支撑，将对物体产生一个反向作用力F1，这样物体就被这两股反向力所紧紧挟持，从而形成强大的抓握力。这时驱动电机继续驱动中节指结构向下运动，对物体形成包络，施加一个向下压力。同时大拇指驱动电机驱动大拇指第二节向右向下运动，最终对物体再次形成包络，施加另外一个向下压力，进一步增强了对物体的抓握力。

当需要松开物体时，手指根部驱动电机反向转动，驱动近节指结构向右向下运动，逐渐松开物体。同时驱动电机驱动中节指结构向右向上运动，松开对物体的包络。大拇指驱动电机驱动大拇指第二节向上向左运动，也松开对物体的包络。手指根部驱动电机和拇指驱动电机继续反向转动，驱动近节指结构、中节指结构和大拇指第二节恢复到平直状态，最后驱动电机停止工作。

当需要抓握较大物体时，手指根部驱动电机驱动近节指结构向上向左运动，逐渐靠近物体。同时驱动电机驱动中节指结构向左向下运动，也逐渐靠近物体。当近节指结构接触物体后，将对物体产生一个作用力F，当中节指结构接触物体后，将对物体产生另外一个作用力F*，这两个作用力共同驱使物体向左运动，由于鱼际支撑体的支撑，将对物体产生一个反向作用力F1，这样物体就被这三股反向力所紧紧挟持，从而形成强大的抓握力。同时大拇指驱动电机驱动大拇指第二节向右向下运动，最终对物体再次形成包络，施加另外一个向下压力，进一步增强了对物体的抓握力。

当需要松开物体时，手指根部驱动电机反向转动，驱动近节指结构向右向下运动，逐渐松开物体。同时驱动电机驱动中节指结构向右向上运动，逐渐松开对物体的包络。大拇指驱动电机驱动大拇指第二节向上向左运动，松开对物体的包络。手指根部驱动电机、驱动电机和拇指驱动电机继续反向转动，驱动近节指结构、中节指结构和大拇指第二节，恢复到平直状态，最后驱动电机停止工作。

对于欠驱动绳索传动机械手，抓握工作方式为：

当需要抓握物体时，驱动电机模块带动钢丝绳，拉动近节指向上向左运动，同时在连动杆的作用下，推动远节指向下向左运动，远节指接触物体后，将对物体产生一个作用力F，由于鱼际支撑体的刚性支撑，给物体一个向右的力F1，这样物体就被这两股反向力所紧紧挟持，从而形成强大的抓握力。同时大拇指驱动电机也拉动大拇指第二节向下向右运动去挤压物体，给物体一个向下向右的力，这样进一步增强了对物体的抓握力。

松开物体时，驱动电机模块反向转动，放松钢丝绳，近节指和远节指在复位弹簧牵引下回归平直状态。大拇指驱动电机模块反向转动，大拇指第二节也回归垂直向上状态。

在本实施例中，手指组件包括食指中指组件30和无名指小指组件40；食指中指组件30包括并排设置在手掌结构10上的两个第一手指31，两个第一手指31可同弯曲或伸直地设置；无名指小指组件40包括并排设置在手掌结构10上的两个第二手指41，两个第二手指41可同步弯曲或伸直地设置。

其中，大拇指组件20包括大拇指第一节21和大拇指第二节22，其中，大拇指第一节21可转动地设置在手掌结构10上，大拇指第二节22包括依次连接的主体段221、前凸段222和后仰段223，主体段221的延伸方向和前凸段222的延伸方向之间具有夹角，前凸段222的延伸方向和后仰段223的延伸方向之间具有夹角，主体段221和大拇指第一节21铰接。

采用该方案，由于大拇指第二节22包括依次连接的主体段221、前凸段222和后仰段223，这样在抓握较大物体时，大拇指组件20的前凸段和其他手指配合，能抓握有力，当需要捏合较小物体时，大拇指组件20的后仰段和其他手指配合，能增大接触面，提高摩擦力，从而获得更大的捏合力。因此，通过该方案，机械手能够可靠地抓握大尺寸和小尺寸的物体，提高了机械手的抓握能力。

在本实施例中，第一手指31包括第一支撑件311、第一指节312和第二指节313，第一支撑件311设置在手掌结构10上，第一指节312和第一支撑件311铰接，第二指节313和第一指节312铰接，第一指节312为直杆结构，第二指节313为直杆或弯曲结构。

在本实施例中，第二手指41包括第二支撑件411、第三指节412和第四指节413，第二支撑件411设置在手掌结构10上，第三指节412和第二支撑件411铰接，第三指节412为直杆状结构，第四指节413包括相互连接的第一杆段414和第二杆段415，第一杆段414和第二杆段415之间具有夹角，第一杆段414和第三指节412铰接。这样第一手指31和第二手指41有不同的形状，便于抓握不同尺寸的物体。

可选地，机械手还包括四个连动杆结构13，四个连动杆结构13和四个手指(即两个第一手指31和两个第二手指41)一一对应连接。

在本实施例中，食指中指组件30还包括设置在手掌结构10上的第一驱动模块32，第一驱动模块32包括第一电机、第一减速器、第一位置感应器和第一驱动电路，第一电机和第一减速器驱动连接，第一减速器和两个第一手指31驱动连接，第一驱动电路用于控制第一电机。这样多个结构采用模块化设计，便于拆装和维修。

可选地，食指中指组件30还包括第一驱动杆33、第一钢丝绳34、第一紧线轮35和第一复位弹簧36，第一紧线轮35可转动地设置在手掌结构10上，第一驱动杆33和两个第一手指31连接，第一钢丝绳34的一端和第一驱动杆33连接，第一钢丝绳34的另一端和第一紧线轮35连接，第一复位弹簧36的一端和第一手指31连接，第一复位弹簧36的另一端和手掌结构10连接，第一紧线轮35在转动时可卷起或展开第一钢丝绳34，第一驱动杆33用于驱动第一手指31移动，第一复位弹簧36用于使第一手指31恢复到伸直状态。第一紧线轮35在转动时拉动第一钢丝绳34移动，第一钢丝绳34拉动第一驱动杆33移动，然后第一驱动杆33带动两个第一手指31移动。通过第一复位弹簧36和第一紧线轮35的配合，可使第一手指31恢复到伸直状态。

在本实施例中，食指中指组件30还包括设置在手掌结构10上的第一驱动模块32、第一驱动轴37和第一定位轴承38，第一紧线轮35套设在第一驱动轴37上，第一驱动模块32和第一驱动轴37的一端连接以驱动第一紧线轮35转动，第一驱动轴37的另一端穿设在第一定位轴承38上。通过第一定位轴承38可对第一驱动轴37进行支撑，提高了第一驱动轴37的承载能力，避免第一驱动轴37变形。其中，第一位置感应器用于检测第一驱动轴37的转动角度。

可选地，第一紧线轮35的圆周面上具有环形限位槽351，第一紧线轮35内具有相互连通的第一穿绳孔352和第二穿绳孔353，第一穿绳孔352和第二穿绳孔353之间的夹角为锐角，第二穿绳孔353的开口位于环形限位槽351内，第一钢丝绳34的一部分穿设在第一穿绳孔352和第二穿绳孔353内。通过环形限位槽351可便于绕钢丝绳，避免钢丝绳脱出。而且，第一钢丝绳34穿设在第一穿绳孔352和第二穿绳孔353内，第一钢丝绳34发生了折弯，第一钢丝绳34的弹力使得第一钢丝绳34与穿线孔的内壁抵接，从而实现了对钢丝绳的固定。

在本实施例中，无名指小指组件40还包括设置在手掌结构10上的第二驱动模块42，第二驱动模块42包括第二电机、第二减速器、第二位置感应器和第二驱动电路，第二电机和第二减速器驱动连接，第二减速器和两个第二手指41驱动连接，第二驱动电路用于控制第二电机。这样多个结构采用模块化设计，便于拆装和维修。

可选地，无名指小指组件40还包括第二驱动杆43、第二钢丝绳44、第二紧线轮45和第二复位弹簧46，第二紧线轮45可转动地设置在手掌结构10上，第二驱动杆43和两个第二手指41连接，第二钢丝绳44的一端和第二驱动杆43连接，第二钢丝绳44的另一端和第二紧线轮45连接，第二复位弹簧46的一端和第二手指41连接，第二复位弹簧46的另一端和手掌结构10连接，第二紧线轮45在转动时可卷起或展开第二钢丝绳44，第二驱动杆43用于驱动第二手指41移动，第二复位弹簧46用于使第二手指41恢复到伸直状态。第二紧线轮45在转动时拉动第二钢丝绳44移动，第二钢丝绳44拉动第二驱动杆43移动，然后第二驱动杆43带动两个第二手指41移动。通过第二复位弹簧46和第二紧线轮45的配合，可使第二手指41恢复到伸直状态。

在本实施例中，无名指小指组件40还包括设置在手掌结构10上的第二驱动模块42、第二驱动轴47和第二定位轴承48，第二紧线轮45套设在第二驱动轴47上，第二驱动模块42和第二驱动轴47的一端连接以驱动第二紧线轮45转动，第二驱动轴47的另一端穿设在第二定位轴承48上。通过第二定位轴承48可对第二驱动轴47进行支撑，提高了第二驱动轴47的承载能力，避免第二驱动轴47变形。其中，第二位置感应器用于检测第二驱动轴47的转动角度。

可选地，大拇指第一节21的转动轴线和大拇指第二节22的转动轴线相互垂直，大拇指组件20还包括设置在手掌结构10上的第三驱动模块231、第四驱动模块232、第三钢丝绳24和第三紧线轮25，第三驱动模块231与大拇指第一节21驱动连接，第四驱动模块232驱动第三紧线轮25转动，第三钢丝绳24的一端和大拇指第二节22连接，第三钢丝绳24的另一端和第三紧线轮25连接。通过上述设置实现了大拇指组件20在两个方向的活动，活动范围大。

可选地，大拇指组件20还包括第三复位弹簧26、第三驱动轴271、第三定位轴承272、第四驱动轴281和第四定位轴承282，第三复位弹簧26的一端和大拇指第一节21连接，第三复位弹簧26的另一端和大拇指第二节22连接，第三驱动轴271用于驱动大拇指第一节21转动，第三驱动模块231和第三驱动轴271的一端连接，第三驱动轴271的另一端穿设在第三定位轴承272内，第三紧线轮25套设在第四驱动轴281上，第四驱动模块232和第四驱动轴281的一端连接，第四驱动轴281的另一端穿设在第四定位轴承282内。通过第三定位轴承272可对第三驱动轴271进行支撑，通过第四定位轴承282可对第四驱动轴281进行支撑，这样可避免驱动轴变形，提高承载能力。

可选地，大拇指组件20还包括第一软性防护结构29，第一软性防护结构29包裹在大拇指第二节22上，或第一软性防护结构29包裹在大拇指第一节21和大拇指第二节22上；食指中指组件30还包括第二软性防护结构，第二软性防护结构包裹在第一手指31上；无名指小指组件40还包括第三软性防护结构，第三软性防护结构包裹在第二手指41上。这样可避免较硬的手指与物体直接接触而损坏物体，并且可增大机械手与物体的接触面积，提高抓握物体的稳定性。

可选地，软性防护结构包括设置在手指上的粘合层291、包裹住粘合层291的软性材料292和包裹住软性材料292的软性保护层293。具体地，粘合层291为硅胶粘合剂，软性材料292为软硅胶或发泡弹性硅胶，软性保护层293为橡胶或乳胶材料。

可选地，手掌结构10包括手掌底板11和手掌盖板12，大拇指组件20、食指中指组件30和无名指小指组件40均设置在手掌底板11上，手掌盖板12盖在手掌底板11上，手掌底板11包括底板本体111和设置在底板本体111边沿的至少一个折弯结构112。这样可通过手掌底板11和手掌盖板12对多个结构进行支撑和防护。而且，通过折弯结构112可在减轻重量的情况下提高结构强度。

为了便于理解本方案，下面进一步进行说明。

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种抓握力强大，足够灵巧，结构简单，性能可靠，维修方便，成本低的欠驱动五指机械手。

本发明有以下多项创新：

针对现有技术中的抓握力量不足问题，本发明提供一种鱼际支撑体结构(即支撑结构)，其作用相当于人类的大小鱼际肌肉群，且机械手的四个手指近节指或者中节指，与鱼际支撑体结构形成一个有一定宽度和深度的虎口沟。鱼际支撑体结构和虎口沟能显著提高机械手的抓握能力。鱼际支撑体结构和虎口沟技术，能适用于各种传动方式的机械手。

针对现有机械手二节指技术中，无法兼顾抓握较大物体与捏合较小物体的问题，本发明提供一种机械手大拇指结构，其大拇指指尖采用独特的前凸后仰结构，同时机械手五个手指采用不同的形状设计。在较佳示例案中，机械手的食指、无名指、小指采用指尖弯曲设计，中指采用指尖伸直设计。当需要抓握较大物体时，食指、无名指、小指的弯曲指尖与大拇指指尖的前凸部位配合，能抓握有力；当需要捏合较小物体时，中指的直指尖与大拇指指尖的后仰部位配合，能增大接触面，提高摩擦力，获得更大的捏合力。大拇指指尖独特的前凸后仰结构，和机械手五个手指采用不同的形状设计的设计，能适用于各种传动方式的机械手。

针对现有技术中，机械手金属的手指容易造成人体受伤和机械损坏问题，本发明提供一种新的手指结构，在手指上设计有N层厚度不一的软性材料，附着在金属的手指上，软性材料包裹着的手指，形状也更圆润，这样手指更柔软，更接近人类手指。

针对现有技术中的机械手结构复杂、性能不可靠问题，本发明提供一种新设计，采用一种标准化的驱动模块，将电机、减速器、位置感应器、驱动电路集成在一个模块中，标准化生产的模块，性能可靠，安装和维修成本低。同时所有驱动模块的输出轴都设计了输出轴定位轴承，能确保输出较大拉力时，驱动模块不会因为输出轴倾斜变形而导致齿轮损坏，机械传动可靠。

针对现有肌腱(绳索)传动机械手技术中，纲丝绳安装复杂，容易从滑轮盘中脱落问题，本发明提供一种新的滑轮盘(即紧线轮)结构，滑轮盘上纲丝绳固定方式既可靠又简洁。同时采用最短绳安装方式，正常工作时钢丝绳将不会脱落。如果纲丝绳因为意外脱落，只要电机转动到手指放松状态，纲丝绳自然回位，无需人工修复。

针对现有技术中，机械手自身重量过大问题，本发明提供一种手掌底板结构，手掌底板设计成两个直角折弯，相当于增加了二个加强筋，极大提高了底板的结构性能。

本方案的有益效果体现在：

一、抓握力强大

1.在手掌前部设计了鱼际支撑体，鱼际支撑体结构其作用相当于人类的大小鱼际肌肉群，且机械手的四个手指近节指或者中节指，与鱼际支撑体结构形成一个有一定宽度和深度的虎口沟。鱼际支撑体结构和虎口沟能显著提高机械手的抓握能力，且能适用于各种传动方式的机械手。

根据实际测试，本方案的抓握力比现有技术的五指灵巧机械手的抓握力提高3倍以上。垂直抓重比指的是机械手垂直抓握物体的重量和机械手本身重量的比例，是一个比较好的衡量机械手鲁棒性(Robustness)的指标，垂直抓握物体，物体的重力仅由抓取力产生的摩擦力平衡。目前世界上一只仿人机械手，垂直抓重比能够达到2.5倍已经算是很好的性能了。本方案本身重量1.2kg，垂直抓重10kg，垂直抓重比能够达到8倍，远优于现有技术的指标。

二、兼顾抓握力与捏合力

为了满足不同的使用功能，五个手指采用了不同的形状设计，本方案中食指、无名指、小指采用指尖弯曲设计；中指采用指尖伸直设计；大拇指指尖采用单独的前凸后仰设计，这样能很好的兼顾抓握较大物体与捏合较小物体等不同的动作。

当需要抓握较大物体时，食指、无名指、小指的弯曲指尖与大拇指指尖的前凸部位配合，能抓握有力；当需要捏合较小物体时，中指的直指尖与大拇指指尖的后仰部位配合，能增大接触面，提高摩擦力，获得更大的捏合力。

三、手指更柔软，更接近人类

为了减缓减少意外碰撞造成的人体受伤和机械损坏，同时增加手指抓握摩擦力，每个手指都设计有一层厚度不一的软性材料，附着在金属的手指上，软性材料包裹着的手指，形状也更圆润，这样手指更柔软，更接近人类。

四、结构简单，性能可靠，维修方便，成本低

驱动模块采用标准化的模块设计，将电机、减速器、位置感应器、驱动电路集成在一个模块中，有利于模块标准化生产，性能可靠，安装和维修成本低。所有驱动模块的输出轴都设计了输出轴定位轴承，能确保输出较大拉力时，驱动模块不会因为输出轴倾斜变形而导致齿轮损坏，机械传动可靠。

五、滑轮盘固定纲丝绳方式可靠简洁，意外脱落能自然回位

滑轮盘新设计的纲丝绳固定方式既可靠又简洁。为了防止纲丝绳从滑轮盘中脱落，采用最短绳安装，只要电机转动到手指放松状态，纲丝绳自然回位，无需人工修复。

六、减轻了手掌底板重量

手掌底板设计成两个直角折弯，相当于增加了二个加强筋，极大提高了底板的结构性能。

上述机械手工作方式如下：

当需要抓握中小物体时，第一驱动模块带动第一钢丝绳，拉动双指同步驱动式结构向下向右运动，同时第二驱动模块也带动第二钢丝绳，拉动双指同步驱动式结构向下向右运动，共同给物体一个向下向右的力，由于承力结构件的刚性支撑，给物体一个向上向左的力，这样物体就被这两股反向力所紧紧挟持，从而形成强大的抓握力。同时大拇指前向第三驱动模块也带动第三钢丝绳，穿过滑轮拉动大拇指第二节向下向左运动去挤压物体，给物体一个向下向左的力，这样进一步增强了物体的抓握力。

松开物体时，第一驱动模块反向转动，放松第一钢丝绳，双指同步驱动式结构在复位弹簧牵引下回归平直状态。第二驱动模块也反向转动，放松第二钢丝绳，双指同步驱动式结构在复位弹簧牵引下回归平直状态。第三驱动模块反向转动，放松第三钢丝绳，大拇指第二节在复位弹簧牵引下回归垂直向上状态。

当需要大拇指横向运动定位时，第四驱动模块转动，带动大拇指第一节转动到预定角度，配合大拇指第二节完成抓握、捏合或五指平伸变掌动作。

为了满足不同的使用功能，五个手指采用了不同的形状设计，本案中食指、无名指、小指采用指尖弯曲设计；中指采用指尖伸直设计；大拇指指尖采用单独的前凸后仰设计，这样能很好的兼顾抓握较大物体与捏合较小物体等不同的动作。

当需要抓握较大物体时，通过控制食指中指组件、无名指小指组件、大拇指组件的相对移动，让食指、无名指、小指的弯曲指尖与大拇指指尖的前凸部位配合，能有力抓握较大物体。

当需要捏合较小物体时，通过控制食指中指组件、无名指小指组件、大拇指组件的相对移动，让中指的直指尖与大拇指指尖的后仰部位配合，能增大接触面，提高摩擦力，获得更大的捏合力。

当需要平端盘子类物体时，通过控制食指中指组件、无名指小指组件、大拇指组件的相对移动，让手掌和四个手指平伸托住盘子底部，大拇指指尖的前凸部位压住盘子边，就能稳稳地端平盘子。同理，当需要拿碗、盆之类物体，以及提重物时，五个手指配合，就能很好完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机械手，其特征在于，包括：

手掌结构(10)；

支撑结构(50)，设置在所述手掌结构(10)上；

大拇指组件(20)，设置在所述手掌结构(10)上，所述大拇指组件(20)的至少一部分可弯曲或伸直地设置；

手指组件，设置在所述手掌结构(10)上，所述手指组件的至少一部分可弯曲或伸直地设置，所述手指组件和所述支撑结构(50)之间的区域形成容纳物体的抓握区域；

所述机械手具有抓握状态和放松状态，所述机械手处于所述抓握状态的情况下，所述手指组件和所述支撑结构(50)均和位于所述抓握区域内的物体限位配合，以抓握住所述物体，所述支撑结构(50)、所述手指组件分别对所述物体的作用力的方向相反；

所述大拇指组件(20)包括大拇指第一节(21)和大拇指第二节(22)，其中，所述大拇指第一节(21)可转动地设置在所述手掌结构(10)上，所述大拇指第二节(22)包括依次连接的主体段(221)、前凸段(222)和后仰段(223)，所述主体段(221)的延伸方向和所述前凸段(222)的延伸方向之间具有夹角，所述前凸段(222)的延伸方向和所述后仰段(223)的延伸方向之间具有夹角，所述主体段(221)和所述大拇指第一节(21)铰接；

所述大拇指第一节(21)的转动轴线和所述大拇指第二节(22)的转动轴线相互垂直，所述大拇指组件(20)还包括设置在所述手掌结构(10)上的第三驱动模块(231)、第四驱动模块(232)、第三钢丝绳(24)和第三紧线轮(25)，所述第三驱动模块(231)与所述大拇指第一节(21)驱动连接，所述第四驱动模块(232)驱动所述第三紧线轮(25)转动，所述第三钢丝绳(24)的一端和所述大拇指第二节(22)连接，所述第三钢丝绳(24)的另一端和所述第三紧线轮(25)连接；

所述大拇指组件(20)还包括第三复位弹簧(26)、第三驱动轴(271)、第三定位轴承(272)、第四驱动轴(281)和第四定位轴承(282)，所述第三复位弹簧(26)的一端和所述大拇指第一节(21)连接，所述第三复位弹簧(26)的另一端和所述大拇指第二节(22)连接，所述第三驱动轴(271)用于驱动所述大拇指第一节(21)转动，所述第三驱动模块(231)和所述第三驱动轴(271)的一端连接，所述第三驱动轴(271)的另一端穿设在所述第三定位轴承(272)内，所述第三紧线轮(25)套设在所述第四驱动轴(281)上，所述第四驱动模块(232)和所述第四驱动轴(281)的一端连接，所述第四驱动轴(281)的另一端穿设在所述第四定位轴承(282)内。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述支撑结构(50)和所述大拇指组件(20)间隔开，所述支撑结构(50)位置可调地设置在所述手掌结构(10)上。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述支撑结构(50)包括至少一个凸出设置在所述手掌结构(10)上的支撑体(51)。

4.根据权利要求3所述的机械手，其特征在于，所述支撑体(51)由金属或非金属材料制成，所述支撑结构(50)还包括包裹在所述支撑体(51)上的弹性层。

5.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述手指组件包括支撑件、近节指(61)和远节指(62)，所述支撑件设置在所述手掌结构(10)上，所述近节指(61)和所述支撑件铰接，所述远节指(62)和所述近节指(61)活动连接；所述支撑结构(50)的高度为H，所述近节指(61)的长度为L，2H＞L。

6.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述手指组件包括食指中指组件(30)和无名指小指组件(40)；所述食指中指组件(30)包括并排设置在所述手掌结构(10)上的两个第一手指(31)，两个所述第一手指(31)可同弯曲或伸直地设置；所述无名指小指组件(40)包括并排设置在所述手掌结构(10)上的两个第二手指(41)，两个所述第二手指(41)可同步弯曲或伸直地设置。

7.根据权利要求6所述的机械手，其特征在于，

所述第一手指(31)包括第一支撑件(311)、第一指节(312)和第二指节(313)，所述第一支撑件(311)设置在所述手掌结构(10)上，所述第一指节(312)和所述第一支撑件(311)铰接，所述第二指节(313)和所述第一指节(312)铰接，所述第一指节(312)为直杆结构，所述第二指节(313)为直杆或弯曲结构；和/或，

所述第二手指(41)包括第二支撑件(411)、第三指节(412)和第四指节(413)，所述第二支撑件(411)设置在所述手掌结构(10)上，所述第三指节(412)和所述第二支撑件(411)铰接，所述第三指节(412)为直杆状结构，所述第四指节(413)包括相互连接的第一杆段(414)和第二杆段(415)，所述第一杆段(414)和所述第二杆段(415)之间具有夹角，所述第一杆段(414)和所述第三指节(412)铰接。

8.根据权利要求7所述的机械手，其特征在于，所述食指中指组件(30)还包括设置在所述手掌结构(10)上的第一驱动模块(32)，所述第一驱动模块(32)包括第一电机、第一减速器、第一位置感应器和第一驱动电路，所述第一电机和所述第一减速器驱动连接，所述第一减速器和两个所述第一手指(31)驱动连接，所述第一驱动电路用于控制所述第一电机。

9.根据权利要求6所述的机械手，其特征在于，

所述大拇指组件(20)包括大拇指第二节(22)和第一软性防护结构(29)，所述第一软性防护结构(29)包裹在所述大拇指第二节(22)上；

所述食指中指组件(30)还包括第二软性防护结构，所述第二软性防护结构包裹在所述第一手指(31)上；

所述无名指小指组件(40)还包括第三软性防护结构，所述第三软性防护结构包裹在所述第二手指(41)上。