CN219311294U - 一种三自由度机械手指 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三自由度机械手指，包括沿Z轴延伸的第一基座、可转动地连接至第一基座的第一指节、可转动地连接至第一指节的第二指节，所述第一指节包括第二基座和第三传动组件，第二基座通过第一转动部可转动地连接至第一基座；驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，第一驱动单元和第二驱动单元通过连接至第二基座的第二转动部和第三转动部驱动第一指节绕第一转动部屈伸运动和侧摆运动；第三驱动单元的旋转运动穿过第一基座传递至设置于第一指节的第三传动组件，第三传动组件产生直线运动以驱动第二指节屈伸运动。本实用新型具体实施例的机械手指具备三个主动自由度，并且结构紧凑、尺寸较小。

Description

一种三自由度机械手指

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，特别是涉及一种三自由度机械手指。

背景技术

为了辅助或替代人手在人类工作环境中进行操作，机械手要实现灵活、精确的运动。根据机械手运动自由度和驱动数量的关系，通常分为欠驱动机械手和全驱动机械手。现有的欠驱动机械手主要分为耦合手、平夹手、自适应手、耦合自适应手和平夹自适应手，欠驱动机械手能够通过减少驱动单元数量降低机械手的重量以及结构复杂度。

机械手指的传动方式主要采用线传动和连杆传动，线传动方式具备重量轻、占据空间小的优点，但线传动的机械手指负载能力不足，且传动效率和精度较低；连杆传动方式具备抓取力强、运动精度高的优点，但刚性连杆的机械手指适应性较差，难以贴合不同尺寸和形状的物体。

机械手的灵活性、准确性和结构紧凑性是其关键性能表现，目前对机械手的研究主要包括仿人灵巧机械手的研究，以开发能够精确运动的仿人机械手为目标。传统的机械手指大多采用关节串联结构，其驱动单元数量少，机械手的灵活性受到极大限制，同时，机械手指的指节重量大、体积大，不利于机械手指的控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三自由度机器人关节，通过串并混联连杆传动方式，第一指节采用并联驱动结构实现屈伸运动和侧摆运动，相较于串联方式尺寸小、刚度大、惯量低，第二指节采用跨关节远程驱动方式实现屈伸运动，相较于驱动单元设置于第一指节直驱的方式能够减小第一指节的尺寸、重量和惯量，此外，机械手指具有三个主动自由度，灵活性较好。

为解决上述技术问题，本实用新型可采用如下技术方案：一种三自由度机械手指，包括：沿Z轴延伸的第一基座、可转动地连接至第一基座的第一指节、可转动地连接至第一指节的第二指节，所述第一指节包括第二基座和第三传动组件，第二基座通过第一转动部可转动地连接至第一基座；驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，第一驱动单元和第二驱动单元通过连接至第二基座的第二转动部和第三转动部驱动第一指节绕第一转动部屈伸运动和侧摆运动；第三驱动单元的旋转运动穿过第一基座传递至第三传动组件，第三传动组件产生直线运动以驱动第二指节屈伸运动。

进一步的，所述第三驱动单元通过支座传动轴、第四转动部和支座输出轴传递旋转运动，所述支座传动轴沿Z轴延伸穿透第一基座连接至第四转动部，以将旋转运动传递至连接于第四转动部的支座输出轴，所述支座输出轴连接至第三传动组件。

进一步的，所述第四转动部和第一转动部的旋转中心重合。

进一步的，所述支座输出轴通过第五转动部和第三传动组件连接，所述第五转动部形成为十字轴万向节以限制第三传动组件沿轴向自旋。

进一步的，所述第三传动组件包括第三直线运动件和第三传动杆，第三直线运动件将第三驱动单元的旋转运动转化为直线运动以通过第三传动杆传递至第二指节，所述第三传动杆为至少部分设置于第三直线运动件外周的空心杆件。

进一步的，所述第三直线运动件包括相互配合的丝杠和螺母，第三传动杆和螺母固定连接，当第三驱动单元驱动时，螺母带动第三传动杆在丝杠的外周沿轴向运动以驱动第二指节屈伸运动。

进一步的，所述第一驱动单元通过第一传动组件连接并移动第二转动部，所述第二驱动单元通过第二传动组件连接并移动第三转动部，所述驱动部设置于第一基座的后端，所述第一传动组件和第二传动组件设置于第一基座。

进一步的，当第一驱动单元和第二驱动单元同向且同步驱动时，所述第一指节屈伸运动；当所述第一驱动单元和第二驱动单元反向驱动时，所述第一指节侧摆运动。

进一步的，所述第一驱动单元和第二驱动单元同步驱动时，所述第一指节屈伸运动；当第二驱动单元驱动且第一驱动单元不驱动时，所述第一指节侧摆运动。

与现有技术相比，本实用新型具体实施例的有益效果至少在于：1、机械手指的第一指节能够主动屈伸运动和主动侧摆运动，第二指节能够主动屈伸运动，机械手指具有三个主动自由度，灵活性较好；2、第二指节采用跨关节远程驱动的方式，第三驱动单元后置于第一基座，设置于第一指节的第三传动组件转化直线运动以驱动第二指节屈伸运动，减小了第一指节的重量和尺寸；3、第三传动组件通过十字轴万向节连接至支座输出轴，第三传动杆周向套设于第三直线运动件外侧，限制第三传动组件沿轴向自旋，无需设置导向件，进一步简化结构、减小重量。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的机械手指的示意图；

图2是图1所示的机械手指的剖视图；

图3是本实用新型一个实施例的机械手指的第一运动状态示意图；

图4是本实用新型一个实施例的机械手指的第二运动状态的示意图；

图5是本实用新型一个实施例的机械手指的第三运动状态的示意图；

图6是本实用新型一个实施例的机械手指的第四运动状态的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本实用新型的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本实用新型，而不是用于穷举本实用新型的所有可行方式，更不是用于限制本实用新型的具体实施范围。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应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，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”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用新型和简化描述，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、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本领域技术人员可以理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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；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用新型中的具体含义。

本实用新型具体实施例保护一种三自由度机械手指，参图1-2，包括：沿Z轴延伸的第一基座10、可转动地连接至第一基座10的第一指节61、可转动地连接至第一指节61的第二指节62以及提供动力的驱动部，可理解的，所述机械手指100还可以包括可转动地连接至第二指节62的第三指节63。

第一指节61连接至第一基座10，第一指节61和第一基座10之间可产生相对运动，第一指节61和第一基座10之间基于基关节产生相对运动，其中，第一指节61包括第二基座20和第三传动组件43，所述第二基座20通过第一转动部51可转动地连接至第一基座10。

驱动部包括第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33，第一驱动单元31和第二驱动单元32通过连接至第二基座20的第二转动部52和第三转动部53驱动第二基座20绕第一转动部51旋转，也即驱动第一指节61绕第一转动部51旋转以执行屈伸运动和侧摆运动，也即，机械手指100的基关节具有主动屈伸运动和主动侧摆运动的自由度。

第一驱动单元31通过第一传动组件41连接至第二转动部52，当第一驱动单元31驱动时，所述第一传动组件41通过第二转动部52驱动第二基座20以使得第一指节61运动；第二驱动单元32通过第二传动组件42连接至第三转动部53，当第二驱动单元32驱动时，所述第二传动组件42通过第三转动部53驱动第二基座20以使得第一指节61运动。

具体的，驱动单元用于产生旋转运动，所述第一传动组件41将第一驱动单元31的旋转运动转化为直线运动，通过移动第二转动部52驱动第二基座20运动；所述第二传动组件42将第二驱动单元32的旋转运动转化为直线运动，通过移动第三转动部53驱动第二基座20运动。具体的，所述驱动部设置于第一基座10的后端，对应的，第一指节61设置于第一基座10的前端，也即驱动部后置于机械手指100进而能够减小机械手指100的惯量，所述第一传动组件41和第二传动组件42设置于第一基座10沿Z轴延伸。

第三驱动单元33的旋转运动穿过第一基座10传递至第三传动组件43，第一指节61包括第三传动组件43，所述第三传动组件43产生直线运动以驱动第二指节62屈伸运动。也即，参图3，第三驱动单元33设置于第一基座10的后端，旋转运动传递至设置于第一指节61的第三传动组件43，第三传动组件43将第三驱动单元33的旋转运动转化为直线运动以驱动第二指节62屈伸运动。具体的，第三驱动单元33通过支座传动轴452、第四转动部54和支座输出轴451将旋转运动传递至第三传动组件43，支座传动轴452设置于第一基座10沿Z轴延伸穿透第一基座10连接于第四转动部54，通过第四转动部54传递至支座输出轴451，所述第四转动部54设置于第一基座10和第二基座20之间，所述第四转动部54和第一转动部51的旋转中心重合，图3示出了第一驱动单元31和第二驱动单元32不驱动，第三驱动单元33处于驱动状态的示意图，此时，第二指节62屈伸运动，第一指节61不运动。

通过第一驱动单元31和第二驱动单元32实现第一指节61的主动屈伸运动和主动侧摆运动，设置于第一基座10的第一传动组件41和第二传动组将旋转运动转化为直线运动并传递至第二基座20；通过第三驱动单元33实现第二指节62的主动屈伸运动，第三驱动单元33后置于第一基座10，通过设置于第一指节61的第三传动组件43将第三驱动单元33的旋转运动转化为直线运动以驱动第二指节62屈伸运动，也即第二指节62采用跨关节远程驱动方式，进而能够将第三驱动单元33后置能够减小第一指节61的尺寸、重量和惯量。此外，上述具体实施例的机械手指100具有3个主动自由度，灵活性较好。

将第四转动部54和第一转动部51的旋转中心重合，保证第三驱动单元33的运动传递，当第二基座20绕第一转动部51旋转时，第四转动部54提供相应自由度以适应第二基座20的运动。

进一步的，参图3，所述第三驱动单元33的旋转运动传递至设置于第一指节61的第三传动组件43，第三传动组件43接收旋转运动转化为直线运动以使得第二指节62屈伸运动，所述第三传动组件43第五转动部55连接至支座输出轴451，所述支座输出轴451经由第五转动部55将第三驱动单元33的旋转运动传递至第三传动组件43。在一个具体的实施例中，所述第五转动部55形成为十字轴万向节，以限制第三转动部53的轴向自旋。示例性的，所述第三传动组件43一端通过第五转动部55连接支座输出轴451，另一端通过铰链连接第二指节62，示例性的，第二指节62包括第四传动杆441，第三传动组件43的直线运动推动第四传动杆441使得第二指节62屈伸运动。

具体的，所述第三传动组件43包括第三直线运动件和第三传动杆431，所述第三直线运动件将第三驱动单元33的旋转运动转化为直线运动以通过第三传动杆431传递至第二指节62，具体的，由第三传动杆431传递至第二指节62的第四传动杆441，所述第三传动杆431为至少部分设置于第三直线运动件外周的空心杆件，所述第三传动杆431固定连接于第三直线运动件，当第三驱动单元33驱动时，第三直线运动件产生直线运动，第三传动杆431传递第三直线运动件的直线运动以使得第二指节62屈伸运动。

在一个具体的实施例中，参图3，所述第三直线运动件形成为丝杠螺母机构，第三直线运动件包括丝杠402和螺母403，第三传动杆431和螺母403固定连接，当第三驱动单元33驱动时，丝杠螺母机构转化直线运动，进而将运动传递至固定于螺母403的第三传动杆431，所述第三传动杆431在丝杠402的外周沿轴向运动以驱动第二指节62屈伸运动。

第三传动组件43的第三直线运动件通过第五转动部55连接支座输出轴451，第三传动杆431通过铰链连接第四传动杆441，丝杠螺母机构通常需要配合导向件，防止螺母沿轴向自旋，通过第五转动部55设置为十字轴万向节，限制了螺母沿轴向的自旋，因而可以不用设置导向件，简化了第三传动组件43的结构，并且减小了第一指节61的体积和重量。

进一步的，第一传动组件41和第二传动组件42设置于第一基座10沿Z轴延伸，第一传动组件41和第二传动组件42示例性的各自包括丝杠螺母机构，第一传动组件41包括第一传动杆411将丝杠螺母机构的直线运动通过第二转动部52传递至第二基座20，第二传动组件42包括第二传动杆421将丝杠螺母机构的直线运动通过第三转动部53传递至第二基座20。

当第一驱动单元31、第二驱动单元32驱动使得第二基座20屈伸运动，且第三驱动单元33做补偿驱动时，参图4，机械手指100整体屈伸运动；当第一驱动单元31、第二驱动单元32驱动使得第二基座20屈伸运动，且第三驱动单元33独立驱动时，参图5，第一指节61和第二指节62均屈伸运动；当驱动部驱动第二基座20侧摆运动时，参图6，第一指节61带动后续指节侧摆运动。

进一步的，机械手指100的基关节具有屈伸运动和侧摆运动的主动自由度，基关节可以采用多种设计以提供屈伸运动和侧摆运动的自由度。

在一个具体的实施例中，参图1，所述基关节可采用U-2USP机构，第一驱动单元31和第二驱动单元32同步且同向驱动时，第二基座20绕第一转动部51的X轴旋转，第一指节61屈伸运动；当第一驱动单元31和第二驱动单元32反向驱动时，第二基座20绕第一转动部51的Y轴旋转，第一指节61侧摆运动。可理解的，当第一驱动单元31和第二驱动单元32同向且不同步驱动时，第二基座20绕第一转动部51旋转使得第一指节61执行屈伸运动和侧摆运动的复合运动。此时，第二转动部52和第三转动部53相对于第一转动部51对称设置，第二转动部52和第三转动部53的X轴共线，第一转动部51设置于第二转动部52和第三转动部53的下方中间。

在另一个具体的实施例中，所述基关节可采用U-URR-USP机构，第一驱动单元和第二驱动单元同步驱动时，第二基座绕第一转动部的X轴旋转，第一指节屈伸运动；当第二驱动单元驱动，且第一驱动单元不驱动时，第二基座绕第一转动部的Y轴旋转，第一指节侧摆运动。当第一驱动单元和第二驱动单元不同步地驱动时，第二基座绕第一转动部旋转使得第一指节执行屈伸运动和侧摆运动的复合运动。此时，第二转动部和第三转动部的X轴共线，第一转动部和第二转动部的X轴平行、Y轴共线，第一指节的屈伸运动和侧摆运动解耦。

示例性的，机械手指100包括第三指节63，第三指节63和第二指节62包括耦合机构，当第二指节62屈伸运动时，第三指节63耦合屈伸运动，进而使得机械手指的抓握性能较好。

以上本实用新型的优选实施例，第一指节能够主动屈伸运动和侧摆运动，第二指节能够主动屈伸运动，机械手指具有三个主动运动自由度，灵活性较好；驱动部后置于第一基座，第一指节设置第三传动组件，第二指节通过跨关节远程驱动的方式实现屈伸运动，减小了第一指节的尺寸、重量和惯量；第三传动组件通过十字轴万向节连接支座输出轴，且第三传动杆设置于第三直线运动件外周沿轴向运动，简化了第三传动组件的结构，进一步减小了第一指节的重量和尺寸。

最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本实用新型并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本实用新型的保护范围。因此本实用新型的保护范围应以权利要求为准。

Claims (9)

1.一种三自由度机械手指，其特征在于，包括：

沿Z轴延伸的第一基座、可转动地连接至第一基座的第一指节、可转动地连接至第一指节的第二指节，所述第一指节包括第二基座和第三传动组件，第二基座通过第一转动部可转动地连接至第一基座；

驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，第一驱动单元和第二驱动单元通过连接至第二基座的第二转动部和第三转动部驱动第一指节绕第一转动部屈伸运动和侧摆运动；第三驱动单元的旋转运动穿过第一基座传递至第三传动组件，第三传动组件产生直线运动以驱动第二指节屈伸运动。

2.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述第三驱动单元通过支座传动轴、第四转动部和支座输出轴传递旋转运动，所述支座传动轴沿Z轴延伸穿透第一基座连接至第四转动部，以将旋转运动传递至连接于第四转动部的支座输出轴，所述支座输出轴连接至第三传动组件。

3.根据权利要求2所述的机械手指，其特征在于，所述第四转动部和第一转动部的旋转中心重合。

4.根据权利要求2所述的机械手指，其特征在于，所述支座输出轴通过第五转动部和第三传动组件连接，所述第五转动部形成为十字轴万向节以限制第三传动组件沿轴向自旋。

5.根据权利要求4所述的机械手指，其特征在于，所述第三传动组件包括第三直线运动件和第三传动杆，第三直线运动件将第三驱动单元的旋转运动转化为直线运动以通过第三传动杆传递至第二指节，所述第三传动杆为至少部分设置于第三直线运动件外周的空心杆件。

6.根据权利要求5所述的机械手指，其特征在于，所述第三直线运动件包括相互配合的丝杠和螺母，第三传动杆和螺母固定连接，当第三驱动单元驱动时，螺母带动第三传动杆在丝杠的外周沿轴向运动以驱动第二指节屈伸运动。

7.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述第一驱动单元通过第一传动组件连接并移动第二转动部，所述第二驱动单元通过第二传动组件连接并移动第三转动部，所述驱动部设置于第一基座的后端，所述第一传动组件和第二传动组件设置于第一基座。

8.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，当第一驱动单元和第二驱动单元同向且同步驱动时，所述第一指节屈伸运动；当所述第一驱动单元和第二驱动单元反向驱动时，所述第一指节侧摆运动。

9.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述第一驱动单元和第二驱动单元同步驱动时，所述第一指节屈伸运动；当第二驱动单元驱动且第一驱动单元不驱动时，所述第一指节侧摆运动。

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