CN218905406U - 一种机械手关节驱动结构及机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械手技术领域，公开了一种机械手关节驱动结构及机械手。机械手关节驱动结构包括多个手指模块，手指模块包括多个指节和关节；多个指节依次排列为线型，相邻的指节之间通过关节相连，各个关节通过绳线连接并驱动；沿一个手指模块纵向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接纵向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接。上述机械手手关节驱动结构，采用一个电机驱动多个关节的方法，在保持机械手多关节设计以保证功能灵活的前提下，降低了机械手配重以及其占据空间的体积；同时机械手通过柔性贴合来适应被抓取物体的表面形状，实现超越传统设计的抓取效果。

Description

一种机械手关节驱动结构及机械手

技术领域

本实用新型涉及机械手技术领域，尤其涉及一种机械手关节驱动结构及机械手。

背景技术

仿生机械手是一种能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。目前仿生机械手的常用驱动形式有绳线驱动型、连杆驱动型、指关节电机驱动型、气压驱动型等。其中绳线驱动型是通过拉绳拉动机械手指的关节实现抓取动作，因其结构简单、成本低廉、重量较轻以及驱动效果良好而被广泛应用。

绳线驱动型的机械手为了实现高自由度，需要安装大量可独立驱动的电机。对于不限制机械手体积和重量的场景，可以采用这种大量安装伺服电机的方案。但是对于某一些特定的工作环境，只允许小型、轻量化的机械手进行作业，这时候需要对原有的复杂设计进行简化，同时尽量保留原有机械手设计所能实现的功能：即在保持机械手多关节设计以保证功能灵活的前提下，降低机械手配重和其占据空间的体积以达到适应各种不同的工作环境的目的。

实用新型内容

基于上述现有技术中的问题,本实用新型提供一种机械手手关节驱动结构，采用一个电机驱动多个关节的方法，在保持机械手多关节设计以保证功能灵活的前提下，降低了机械手配重以及其占据空间的体积；同时机械手通过柔性贴合来适应被抓取物体的表面形状，实现超越传统设计的抓取效果。

本实用新型提供一种机械手关节驱动结构，包括：

多个手指模块，所述手指模块包括多个指节和关节；多个指节依次排列为线型，相邻的指节之间通过所述关节相连，各个关节通过绳线连接并驱动；

沿一个手指模块纵向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接纵向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接；和/或

沿多个手指模块横向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接横向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接。

在一个实施例中，沿一个手指模块纵向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接。

在一个实施例中，沿多个手指模块横向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接。

在一个实施例中，纵向排列的关节两两之间分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第一正向驱动绳线和第一反向驱动绳线，分别用于驱动关节正向转动和反向转动；第一正向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接；第一反向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接。

在一个实施例中，横向排列的关节两两之间分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第二正向驱动绳线和第二反向驱动绳线，分别用于驱动关节正向转动和反向转动；第二正向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接；第二反向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接。

在一个实施例中，所述关节包括转轴部、第一转轮部和连接部；所述转轴部与第一转轮部同轴设置；所述连接部位于所述第一转轮部径向方向的一侧，与所述第一转轮部固定连接，所述连接部的两侧与所述指节固定连接；

所述第一转轮部上设置有固线结构，用于将绳线固定于第一转轮部上；

所述连接部上设置有穿轴通道，所述穿轴通道垂直于所述第一转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述穿轴通道位于所述第一转轮部径向侧面的一侧。

在一个实施例中，所述连接部上还设置有连通通道，所述连通通道垂直于所述第一转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述连通通道与所述第一转轮部的轮槽相对。

在一个实施例中，所述关节还包括与第一转轮部同轴设置的第二转轮部，所述第二转轮部和穿轴通道分别位于第一转轮部的两侧；

所述连接部上设置有套轴通道，所述套轴通道垂直于所述第二转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述套轴通道与所述第二转轮部的轮槽相对；

在一个实施例中，所述固线结构包括紧固件、沿转轴部轴线设置的第一穿线通道和沿第一转轴部径向设置的第二穿线通道，所述第一穿线通道和第二穿线通道连通形成T型穿线通道；绳线的一端经过所述第二穿线通道、由所述第一穿线通道穿出，所述紧固件固定于所述第一穿线通道内进而将绳线固定于第一转轮部上。

本实用新型还包括一种机械手，其包括上述的机械手关节驱动结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：

上述的机械手关节驱动结构，采用一个电机驱动多个关节的方法，即一种由关节所受的转动阻力决定受驱动关节的多关节联动的驱动方案，减少了电机数量，同时可保持机械手具有多个可运动关节，即在保持机械手多关节设计以保证功能灵活的前提下，降低了机械手配重以及其占据空间的体积，能够更好地适应各种不同的工作环境；同时，由所受转动阻力决定对多关节中的某一个关节实现驱动的方式，可使机械手通过柔性贴合来适应被抓取物体的表面形状，实现超越传统设计的抓取效果。

附图说明

图1为本实用新型机械手关节驱动结构中纵向驱动电机驱动多个纵向排列的关节的示意图；

图2为本实用新型机械手关节驱动结构中横向驱动电机驱动多个横向排列的关节的示意图；

图3为本实用新型机械手关节驱动结构中关节的立体图；

图4为本实用新型机械手关节驱动结构中关节的俯视图；

图5为本实用新型机械手关节驱动结构中纵向关节的"穿轴法"中正向驱动绳线的走线示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为本实用新型机械手关节驱动结构中纵向关节的"穿轴法"中反向驱动绳线的走线示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为本实用新型机械手关节驱动结构中横向关节的"穿轴法"中正向驱动绳线和反向驱动绳线的走线示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为本实用新型机械手关节驱动结构中纵向关节的"套轴法"中正向驱动绳线的走线示意图；

图12为本实用新型机械手关节驱动结构中"套轴法"的局部放大图；

附图标记说明：

关节100；转轴部110；第一转轮部120；第一穿线通道121；第二穿线通道122；第二转轮部130；连接部140；穿轴通道141；连通通道142；套轴通道143；

第一正向驱动绳线210；第一反向驱动绳线220；

第二正向驱动绳线310；第二反向驱动绳线320；

中间线环400；

电机上的线环500；

纵向驱动电机610；横向驱动电机620。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。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用新型中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1-图12，为本实用新型机械手关节驱动结构的一个实施例。机械手关节驱动结构，包括多个手指模块、纵向驱动电机610、横向驱动电机620。

手指模块包括多个指节和关节100。多个指节依次排列为线型，相邻的指节之间通过关节00相连，各个关节00通过绳线连接并驱动。

参见图1，沿一个手指模块纵向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接纵向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与纵向驱动电机610连接。即每一个手指模块中纵向排列的多个关节可通过一个纵向驱动电机610驱动。

参见图2，沿多个手指模块横向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接横向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与横向驱动电机620驱动。即多个手指模块中横向相对应的一排关节可通过一侧横向驱动电机620驱动。

为实现关节100的正向（顺时针）和反向（逆时针）驱动，纵向排列的关节100两两之间分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第一正向驱动绳线210和第一反向驱动绳线220，分别用于驱动关节正向转动和反向转动。第一正向驱动绳线210形成的线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与纵向驱动电机610连接；第一反向驱动绳线220形成的线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与纵向驱动电机610连接。

同理，横向排列的关节100两两之间也分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第二正向驱动绳线310和第二反向驱动绳线320，分别用于驱动关节正向转动和反向转动。第二正向驱动绳线310形成的线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与横向驱动电机620连接；第二反向驱动绳线320形成的线环并联设置并通过中间线环400两两连接后与横向驱动电机620连接。

不同于传统的直线式连接，本实施例中的关节驱动结构使用线环连接。即环与环相互连接。电机与电机上的线环500的连接方式是简单的线连接，电机具有顺时针和逆时针两个转动方向，一个转动方向上连接线环的两根线，顺时针和逆时针转动方向上共连接两个线环。机械手的受驱动关节与线环的连接方式较为复杂：任意一个具体的受驱动关节与另一个具体的受驱动关节各自连接一根绳线的两端以此形成一个线环。该线环可与电机上的线环500相连接，也可以与由其他采用相同结构的关节上面的绳线构成的线环同时连接一个中间线环400，该中间线环400可以与电机线环连接，使得电机可以驱动所有与中间线环400连接的关节；该中间线环400也可以其他相类似的中间线环400结构同时再与一个新的中间线环400连接，该新的中间线环400再与电机上的线环500连接...以此类推，如此一个电机可以驱动任意偶数数量的关节。

本实施例中的关节驱动结构，能够使得一个电机有能力驱动任意偶数数量的机械手关节。在实际操作中，受转动阻力最小的关节会先于其他关节发生转动，当该关节转动到受转动阻力较大的位置时，例如已经转动到极限位置，或在抓取物体过程中与该物体之间产生相互作用力时而导致转动阻力增大的情况下，此时其他受转动阻力较小的关节会继续被上述电机驱动而发生转动，最终实现一个电机对多个关节中的每一个关节的产生驱动效果。

这种由所受转动阻力决定对机械手多关节中的某一个关节实现驱动的设计，其优于采用简单的一个电机同时驱动多个机械手关节的设计的地方在于：实现了一种空间自由度的冗余设计，摆脱了传统"齐次线性"设计的单一性；由于受转动阻力较小的机械手关节一般情况下属于是还没有与被抓取物体表面接触的部分，这部分关节更容易驱动，使得机械手各个关节部位能不断向被抓取物体靠拢，以一种柔性的贴合来适应被抓取物体的表面形状，实现超越传统设计的抓取效果。其中，纵向多关节可以增加手指模块的柔韧性，横向多关节可以调动各个手指模块，增强协调性。

综上所述，上述的机械手关节驱动结构，采用一个电机驱动多个关节的方法，即一种由关节所受的转动阻力决定受驱动关节的多关节联动的驱动方案，减少了电机数量，同时可保持机械手具有多个可运动关节，即在保持机械手多关节设计以保证功能灵活的前提下，降低了机械手配重以及其占据空间的体积，能够更好地适应各种不同的工作环境；同时，由所受转动阻力决定对多关节中的某一个关节实现驱动的方式，可使机械手通过柔性贴合来适应被抓取物体的表面形状，实现超越传统设计的抓取效果。

在本实施例中，为了便于绳线驱动，沿一个手指模块纵向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接；沿多个手指模块横向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接。

参见图3，本实施例的关节100包括转轴部110、第一转轮部120和连接部140。转轴部110与第一转轮部120同轴设置。转轴部110与下一节指节的一端转动连接。第一转轮部120用于与绳线固定，绳线通过拉动第一转轮部120转动进而实现关节的转动。连接部140位于第一转轮部120径向方向的一侧，与第一转轮部120固定连接，连接部140的两侧与上一节指节固定连接。即指节的一端与一个关节的连接部140的两侧固定连接，另一端与另一个关节的转轴部110转动连接。

在第一转轮部120上设置有固线结构，固线结构用于将绳线固定于第一转轮部120上。

具体地，如图3和图4所示，固线结构包括紧固件（未示出）、沿转轴部110轴线设置的第一穿线通道121和沿第一转轴部110径向设置的第二穿线通道122，第一穿线通道121和第二穿线通道122连通形成T型穿线通道。绳线的一端经过第二穿线通道122、由第一穿线通道121穿出，紧固件固定于第一穿线通道121内进而将绳线固定于第一转轮部120上。紧固件可以为螺栓、销钉等。

连接部140上设置有穿轴通道141，穿轴通道141垂直于第一转轮部120的轴线贯穿连接部140，穿轴通道141位于第一转轮部120径向侧面的一侧。穿轴通道141与第一转轮部120的圆心位于同一平面内。

通过设置穿轴通道141，本实施例中的绳线走线方式可采用"穿轴法"，即前面关节组成的两个线环（正向驱动绳线和反向驱动绳线组成的两个线环）的四段绳线穿过后面各个关节的穿轴通道141后与中间线环400和电机连接。

在本实施例中，图5和图6为纵向关节的"穿轴法"中正向驱动绳线的走线示意图，图7和图8为纵向关节的"穿轴法"中反向驱动绳线的走线示意图。此处为方便标示，将正向驱动绳线和反向驱动绳线在不同的附图中进行示意。图9和图10为横向关节的"穿轴法"中正向驱动绳线和反向驱动绳线的走线示意图。

正向驱动绳线和反向驱动绳线一上一下绕过第一转轮部120，然后穿过后面关节的穿轴通道141，当后面关节运动（圆周运动）后，由于圆上任意一点距离圆心距离相同，因此前面关节上的正向驱动绳线和反向驱动绳线仍会保持与第一转轮部120的贴合状态，不会松弛或张紧，因此不会影响前面关节的运动。

绳线驱动采用"穿轴法"，后面的关节运动时，不会影响前面的关节运动，可以提高机械手的准确性。

另外，连接部140上还设置有连通通道142，连通通道142垂直于第一转轮部120的轴线贯穿连接部140，连通通道142与第一转轮部120的轮槽相对。通过设置连通通道142，在前后两个关节共用一根绳线组成线环时，前侧关节的线可穿过连通通道142，使线环的两段线在空间位置共线平行。

进一步地，本实施例的关节还包括与第一转轮部120同轴设置的第二转轮部130，第二转轮部130和穿轴通道141分别位于第一转轮部120的两侧。

连接部140上还设置有套轴通道143，套轴通道143垂直于第二转轮部130的轴线贯穿连接部140，套轴通道143与第二转轮部130的轮槽相对。

通过设置第二转轮部130和套轴通道143，本实施例中的绳线走线方式可采用"套轴法"，即前面关节组成的两个线环（正向驱动绳线和反向驱动绳线组成的两个线环）的四段绳线穿过后面各个关节的套轴通道143后，同一牵引受力运动方向的两根绳线一上一下套设于第一转轮部120上，最后与中间线环400和电机连接。

参见图11和图12，前面两个关节的正向驱动绳线组成的线环穿过后面关节的套轴通道143后，线环的两段线一上一下与后面关节的第二转轮部130的圆周面相切，如图12。套轴通道143的高度高于第二转轮部130的圆心高度，可提供约束使上下两段线始终与第二转轮部130的圆周面相切。当后面关节运动（圆周运动）后，由于上下两段线始终与第二转轮部130相切，上侧线段与下侧线段的行程差大小相等、方向相反，相互抵消，因此前面关节上的绳线仍会保持与第二转轮部130的贴合状态，不会松弛或张紧，因此不会影响前面关节的运动。

在本实施例中，套轴通道143设置于连接部140的顶面，为缺口槽结构，可以保证关节运动过程中，线环的下侧线段始终与第二转轮部130的圆周面相切。

本实施例中的绳线驱动可以采用"穿轴法"或"套轴法"，在后面的关节运动时，不会影响前面的关节运动，有效提高机械手的动作准确性。

本实用新型还包括一种机械手，机械手包括上述的机械手关节驱动结构。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机械手关节驱动结构，其特征在于，包括：

多个手指模块，所述手指模块包括多个指节和关节；多个指节依次排列为线型，相邻的指节之间通过所述关节相连，各个关节通过绳线连接并驱动；

沿一个手指模块纵向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接纵向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接；和/或

沿多个手指模块横向排列的关节两两之间分别与绳线的两端连接，连接横向排列的两个关节的绳线形成一个线环，多个线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接。

2.根据权利要求1所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，沿一个手指模块纵向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接。

3.根据权利要求1所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，沿多个手指模块横向排列且相邻的两个关节与绳线的两端连接。

4.根据权利要求1所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，纵向排列的关节两两之间分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第一正向驱动绳线和第一反向驱动绳线，分别用于驱动关节正向转动和反向转动；第一正向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接；第一反向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与纵向驱动电机连接。

5.根据权利要求1所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，横向排列的关节两两之间分别通过两条绳线连接，两条绳线分别为第二正向驱动绳线和第二反向驱动绳线，分别用于驱动关节正向转动和反向转动；第二正向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接；第二反向驱动绳线形成的线环并联设置并通过中间线环两两连接后与横向驱动电机连接。

6.根据权利要求1所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，所述关节包括转轴部、第一转轮部和连接部；所述转轴部与第一转轮部同轴设置；所述连接部位于所述第一转轮部径向方向的一侧，与所述第一转轮部固定连接，所述连接部的两侧与所述指节固定连接；

所述第一转轮部上设置有固线结构，用于将绳线固定于第一转轮部上；

所述连接部上设置有穿轴通道，所述穿轴通道垂直于所述第一转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述穿轴通道位于所述第一转轮部径向侧面的一侧。

7.根据权利要求6所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，所述连接部上还设置有连通通道，所述连通通道垂直于所述第一转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述连通通道与所述第一转轮部的轮槽相对。

8.根据权利要求6所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，所述关节还包括与第一转轮部同轴设置的第二转轮部，所述第二转轮部和穿轴通道分别位于第一转轮部的两侧；

所述连接部上设置有套轴通道，所述套轴通道垂直于所述第二转轮部的轴线贯穿所述连接部，所述套轴通道与所述第二转轮部的轮槽相对。

9.根据权利要求6所述的机械手关节驱动结构，其特征在于，所述固线结构包括紧固件、沿转轴部轴线设置的第一穿线通道和沿第一转轴部径向设置的第二穿线通道，所述第一穿线通道和第二穿线通道连通形成T型穿线通道；绳线的一端经过所述第二穿线通道、由所述第一穿线通道穿出，所述紧固件固定于所述第一穿线通道内进而将绳线固定于第一转轮部上。

10.一种机械手，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的机械手关节驱动结构。

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