CN205521458U - 一种五指末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五指末端执行器，包括拇指（1）、手掌（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6），其特征在于：食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）的结构相同，且分别具有基关节第一电机（30）、基关节第二电机（32）和差动机构（34），基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）固定在手掌（2）上，手指的近指节通过差动机构（34）与手掌（2）连接，基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）驱动差动机构（34）从而实现手指的侧摆运动和俯仰运动。本实用新型五指末端执行器可以实现对多种果实的采摘，降低采摘成本。且本实用新型运动空间大，操作灵活，维修简单。

Description

一种五指末端执行器

技术领域

本实用新型属于农业机器人装备技术领域，具体涉及一种五指末端执行器。

背景技术

现有的圆形水果、蔬菜采摘自动化作业中，大部分采用两指或三指末端执行器，但是对于多个果实聚集的情况下，两指或三指的末端执行器，很可能就夹不住果实，实现不了后续的采摘。另外，如果圆形果实长在枝杈附近的时候，两指或三指的末端执行器对果实进行夹持的角度比较苛刻，作业效率不高，而且后续的采摘作业也不好操作，因此，需要一种能在复杂环境中进行采摘夹持的类人手五指末端执行器。

目前的圆形果蔬分级，大部分是把农产品放到一个容器中，然后左右晃动，再通过重力作用，让水果通过一个预设的圆形漏斗，掉到对应直径的水果筐内，这种分级方法，导致水果表皮破坏，不利于长久保存，可以模仿人手分类的方法，对圆形果蔬分类。在分类过程中，圆形果蔬的摆放不是很规整，如果继续采用两指或三指末端执行器加持分类，对识别、分类果蔬的传感器，要求就比较高，因此，也需要一种能完成分拣的类人手五指末端执行器。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种五指末端执行器。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种五指末端执行器，包括拇指（1）、手掌（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6），其特征在于：食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）的结构相同，且分别具有基关节第一电机（30）、基关节第二电机（32）和差动机构（34），基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）固定在手掌（2）上，手指的近指节通过差动机构（34）与手掌（2）连接，基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）驱动差动机构（34）从而实现手指的侧摆运动和俯仰运动。

进一步，差动机构（34）包括第一锥齿轮（340）、左轴（341）、第二锥齿轮（342）、上轴（343）、第三锥齿轮（344）、第四锥齿轮（346）、右轴（347）和下轴（348）；左轴（341）和右轴（347）相对设置在手掌（2）上组成基关节俯仰转动轴，第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）相对且分别设置在左轴（341）和右轴（347）的内端，左轴（341）和右轴（347）的外端分别由基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）驱动；上轴（343）和下轴（348）的外端分别和相对应手指的近指节连接组成基关节侧摆转动轴，第二锥齿轮（342）和第四锥齿轮（346）相对且分别设置在上轴（343）和下轴（348）的内端，第二锥齿轮（342）与第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）的上部啮合，第四锥齿轮（346）与第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）的下部啮合。

进一步，基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）与差动机构（34）之间分别通过皮带（33）传动，差动机构（34）左轴（341）和右轴（347）的外端分别设置有带轮（345）。

进一步，基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）安装于电机槽（31）中的一端并通过电机槽（31）固定在手掌（2），差动机构（34）设置在电机槽（31）的另一端。

进一步，左轴（341）和右轴（347）相对且分别设置在电机槽（31）两壁上。

进一步，拇指（1）包括基关节大齿轮（10）、基关节电机（11）、基关节小齿轮（12）和基关节连接轴（13）；基关节电机（11）固定在手掌（2）上，基关节大齿轮（10）设置在基关节电机（11）的输出端，拇指的近指节通过基关节连接轴（13）和手掌（2）连接，基关节大齿轮（10）和设置在基关节连接轴(13)上的基关节小齿轮(12)配合工作从而实现拇指(1)基关节的转动。

进一步，拇指（1）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）均包括近指节、中指节、远指节和连接轴，近指节通过近指节电机和相对应的连接轴与中指节连接，中指节通过中指节电机和相对应的连接轴与远指节连接。

进一步，近指节电机嵌于近指节内部并直接驱动中指节转动；中指节电机嵌于中指节内部并直接驱动远指节转动。

进一步，近指节、中指节和远指节的长度比例为4:3:2。

本实用新型中的食指、中指、无名指、小指四个手指，中指节电机固定在远指节关节处，置于手指内部，带动远指节做俯仰运动。近指节电机固定在中指节关节处，置于手指内部，带动中指节做俯仰运动。基关节电机固定在电机座中，置于手掌底部，带动近指节做俯仰和侧摆运动。拇指，中指节电机固定在远指节关节处，置于手指内部，带动远指节做俯仰运动。近指节电机固定在中指节关节处，置于手指内部，带动中指节做俯仰运动。基关节电机固定在手掌上，置于手掌底部，带动近指节做俯仰运动。

按照本实用新型提供的设计方案，本装置共有19个自由度，拇指各指节分别由电机直接驱动，实现拇指的弯曲。其余四指远指节和中指节由电机直接驱动，实现相应指节的弯曲，近指节由基关节电机通过带传动驱动差动机构进而驱动近指节，实现相应近指节的弯曲和侧摆。各个关节电机的协调运动实现采摘末端执行器的张合，可以实现对大多数果实进行采摘。

该五指末端执行器具有以下有益效果：

（1）本实用新型五指末端执行器可以实现对多种类圆形果实的采摘，降低采摘成本。且本发明运动空间大，操作灵活，维修简单。

（2）本实用新型采用差动机构实现手指基关节的俯仰转动和侧摆转动，结构轻巧紧凑且对称，工作安全稳定。

（3）本实用新型基关节电机和差动机构采用带传动，抗震、抗冲击能力强，工作过程中能适应各种直径大小不同差异大的被采摘果实，且不对果实造成伤害。

（4）本实用新型中近指节、中指节和远指节的长度比例为4:3:2，优化了手指的结构，既灵活又有力。

（5）本实用新型针对不同水果，利用差动机构实现其侧摆方向的微调，避免了对水果表皮的损伤。

（6）本实用新型利用差动机构和带传动结合的方式，实现了力的较远距离的传输，减小了基关节的体积，同时也对电机和机械手起到了一定的保护作用。

（7）本实用新型五指末端执行器自由度多，可以一种末端执行器实现对不同种类、不同品种的类圆形水果、蔬菜的采摘、分拣，减小了设备的投入。

（8）本实用新型对于一些蘑菇、草莓等形状复杂以及体积较小的果实，通过各个关节的配合，也可以实现初步采摘。

附图说明

图1：本实用新型五指末端执行器的立体结构示意图；

图2：本实用新型中食指结构的主视图；

图3：本实用新型中差动机构的结构示意图；

图4：图2中近指节关节的局部剖放大图；

图5：本实用新型中拇指结构的剖视图。

附图标记说明：

1—拇指；10—基关节大齿轮；11—基关节电机；12—基关节小齿轮；13—基关节连接轴；2—手掌；3—食指； 30—基关节第一电机；31—电机槽；32—基关节第二电机；33—皮带；34—差动机构；340—第一锥齿轮；341—左轴；342—第二锥齿轮；343—上轴；344—第三锥齿轮；345—带轮；346—第四锥齿轮；347—右轴；348—下轴；35—近指节；36—近指节电机；37—中指节；38—中指节电机；39—远指节；40—连接轴；4—中指；5—无名指；6—小指。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图5示出了一种五指末端执行器，包括拇指1、手掌2、食指3、中指4、无名指5和小指6。拇指1、食指3、中指4、无名指5、小指6和手掌2固连。其中，食指3、中指4、无名指5和小指6结构相同，本实施例中如图2所示，以食指3为例来说明它们的结构特点。食指3包括基关节第一电机30、电机槽31、基关节第二电机32、皮带33、差动机构34、近指节35、近指节电机36、中指节37、中指节电机38、远指节39和两个连接轴40。基关节第一电机30和基关节第二电机32安装于电机槽31中且位于电机槽31的一端，电机槽31固定在手掌2的背面，差动机构34设置在电机槽31的另一端。差动机构34与近指节35固连，近指节35通过近指节电机36和连接轴40与中指节37连接，中指节37通过中指节电机38和另一个连接轴40与远指节39连接。基关节第一电机30和基关节第二电机32的输出端分别通过皮带33和差动机构34的输入端带轮345连接从而驱动差动机构34带动近指节35的转动和侧摆运动。近指节35、中指节37和远指节39的长度比例为4:3:2。

食指3近指节关节和中指节关节的结构相同，如图4所示为近指节关节的局部剖结构图，近指节电机36嵌于近指节35内部并直接驱动中指节37转动。同理，中指节电机38嵌于中指节37内部并直接驱动远指节39转动。

差动机构34如图3所示，包括第一锥齿轮340、左轴341、第二锥齿轮342、上轴343、第三锥齿轮344、两个带轮345、第四锥齿轮346、右轴347和下轴348。左轴341和右轴347分别设置在电机槽31两壁上。其中一个带轮345设置在左轴341外端，左轴341内端还设置有第一锥齿轮340，其中另一个带轮345设置在右轴347外端，右轴347内端还设置有第三锥齿轮344。第一锥齿轮340和第三锥齿轮344相对设置，第二锥齿轮342和第四锥齿轮346 分别设置在第一锥齿轮340和第三锥齿轮344之间的上部和下部。第二锥齿轮342与第一锥齿轮340和第三锥齿轮344的上部啮合，第四锥齿轮346与第一锥齿轮340和第三锥齿轮344的下部啮合，第二锥齿轮342设置在上轴343上，第四锥齿轮346设置在下轴348上。上轴343和下轴348分别和近指节35连接。近指节35与上轴343固连，近指节35与下轴348转动连接只起配合作用。

差动机构34中，第一锥齿轮340和第三锥齿轮344为主动轮，第二锥齿轮342和第四锥齿轮346是被动轮。基关节第一电机30和基关节第二电机32分别带动相对应的皮带33和带动带轮345，将运动传送到左轴341和右轴347，进而传递给第一锥齿轮340和第三锥齿轮344，第一锥齿轮340和第三锥齿轮344通过和第二锥齿轮342和第四锥齿轮346啮合，将运动传递给第二锥齿轮342和第四锥齿轮346，进而传递给上轴343和下轴348。本实施例中，差动机构34中的第四锥齿轮346和下轴348主要起到平衡整个机构的作用。

当基关节第一电机30和基关节第二电机32同时正转或同时反转时，左轴341和右轴347也同时正转或同时反转从而带动第一锥齿轮340和第三锥齿轮344同时正转或同时反转；第二锥齿轮342和第四锥齿轮346受到大小相等、方向相反的力矩作用，保持动态平衡不产生自转，而第一锥齿轮340和第三锥齿轮344的转动带动整个手指进行俯仰运动。当基关节第一电机30和基关节第二电机32一个正传、一个反转时，从而带动第一锥齿轮340和第三锥齿轮344一个正转、一个反转，第二锥齿轮342和第四锥齿轮346分别被作用了两倍的反转、正转扭转转矩，分别绕上轴343、下轴348反转、正转，由于近指节与上轴343固连，近指节与下轴348转动连接只起配合作用，从而带动手指进行侧摆运动。

拇指1的结构示意图如图5所示，包括基关节大齿轮10、基关节电机11、基关节小齿轮12、基关节连接轴13、近指节35、近指节电机36、中指节37、中指节电机38、远指节39和两个连接轴40。基关节电机11固定在手掌2背面，基关节电机11的输出端设置有基关节大齿轮10；近指节35通过基关节连接轴13和手掌2连接；基关节大齿轮10和设置在基关节连接轴13上的基关节小齿轮12配合工作从而实现拇指1基关节的转动。近指节35通过近指节电机36和连接轴40与中指节37连接，中指节37通过中指节电机38和另一个连接轴40与远指节39连接。近指节电机36嵌于近指节35内部并直接驱动中指节37转动。中指节电机38嵌于中指节37内部并直接驱动远指节39转动。基关节电机11驱动基关节大齿轮10带动基关节小齿轮12转动，近指节电机36直接驱动中指节37转动，中指节电机38直接驱动远指节39转动，从而实现拇指1的转动。

本实用新型末端执行器具有19个自由度， 食指3，中指4，无名指5，小指6各四个自由度，拇指1有三个自由度。食指，中指，无名指，小指的基关节第一电机30，基关节第二电机32通过皮带33传动将动力传动到差动机构34的左轴341和右轴347，从而驱动第二锥齿轮342和第四锥齿轮346的同向或反向转动，实现其基关节的转动或侧摆运动。近指节电机36直接驱动中指节37转动，中指节电机38直接驱动远指节39转动。

本实施例中，末端执行器的食指、中指、无名指、小指，结构一致，各有4个自由度，分别为远指关节、中关节、基关节的俯仰,以及基关节的侧摆运动，各个手指间隔18mm。其中，远指节长度20mm、宽18mm，中指节长30mm、宽24mm，近指节长40mm，宽18mm。拇指不需要侧摆运动，故拇指有3个俯仰自由度，各指节的长度、宽度，和其余四指相同。

本实用新型通过各个电机的转动和相互配合实现末端执行器的张开和闭合，使末端执行器能够完成复杂的动作，从而完成多种果实的采摘。

本实用新型五指末端执行器，结构简单，使用方便，成本低廉，动作灵活，能完成多种果实的采摘。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种五指末端执行器，包括拇指（1）、手掌（2）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6），其特征在于：食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）的结构相同，且分别具有基关节第一电机（30）、基关节第二电机（32）和差动机构（34），基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）固定在手掌（2）上，手指的近指节通过差动机构（34）与手掌（2）连接，基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）驱动差动机构（34）从而实现手指的侧摆运动和俯仰运动。

2.根据权利要求1所述的五指末端执行器，其特征在于：差动机构（34）包括第一锥齿轮（340）、左轴（341）、第二锥齿轮（342）、上轴（343）、第三锥齿轮（344）、第四锥齿轮（346）、右轴（347）和下轴（348）；左轴（341）和右轴（347）相对设置在手掌（2）上组成基关节俯仰转动轴，第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）相对且分别设置在左轴（341）和右轴（347）的内端，左轴（341）和右轴（347）的外端分别由基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）驱动；上轴（343）和下轴（348）的外端分别和相对应手指的近指节连接组成基关节侧摆转动轴，第二锥齿轮（342）和第四锥齿轮（346）相对且分别设置在上轴（343）和下轴（348）的内端，第二锥齿轮（342）与第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）的上部啮合，第四锥齿轮（346）与第一锥齿轮（340）和第三锥齿轮（344）的下部啮合。

3.根据权利要求2所述的五指末端执行器，其特征在于：基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）与差动机构（34）之间分别通过皮带（33）传动，差动机构（34）左轴（341）和右轴（347）的外端分别设置有带轮（345）。

4.根据权利要求1、2或3所述的五指末端执行器，其特征在于：基关节第一电机（30）和基关节第二电机（32）安装于电机槽（31）中的一端并通过电机槽（31）固定在手掌（2），差动机构（34）设置在电机槽（31）的另一端。

5.根据权利要求4所述的五指末端执行器，其特征在于：左轴（341）和右轴（347）相对且分别设置在电机槽（31）两壁上。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的五指末端执行器，其特征在于：拇指（1）包括基关节大齿轮（10）、基关节电机（11）、基关节小齿轮（12）和基关节连接轴（13）；基关节电机（11）固定在手掌（2）上，基关节大齿轮（10）设置在基关节电机（11）的输出端，拇指的近指节通过基关节连接轴（13）和手掌（2）连接，基关节大齿轮（10）和设置在基关节连接轴(13)上的基关节小齿轮(12)配合工作从而实现拇指(1)基关节的转动。

7.根据权利要求1、2、3或5所述的五指末端执行器，其特征在于：拇指（1）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）均包括近指节、中指节、远指节和连接轴，近指节通过近指节电机和相对应的连接轴与中指节连接，中指节通过中指节电机和相对应的连接轴与远指节连接。

8.根据权利要求6所述的五指末端执行器，其特征在于：拇指（1）、食指（3）、中指（4）、无名指（5）和小指（6）均包括近指节、中指节、远指节和连接轴，近指节通过近指节电机和相对应的连接轴与中指节连接，中指节通过中指节电机和相对应的连接轴与远指节连接。

9.根据权利要求7所述的五指末端执行器，其特征在于：近指节电机嵌于近指节内部并直接驱动中指节转动；中指节电机嵌于中指节内部并直接驱动远指节转动。

10.根据权利要求7所述的五指末端执行器，其特征在于：近指节、中指节和远指节的长度比例为4:3:2。