TW201345676A - 機械手機構 - Google Patents

Abstract

一種機械手機構，至少包含一機械手指，並設置於一手掌基座，該機械手指主要包括一手指基座、一第二關節、一中部指段、一第一關節、一末端指段、兩組蝸桿蝸輪、一繩索組件、一第一關節致動器以及一第二關節致動器，該兩組蝸桿蝸輪設置於第二關節，第一蝸輪與第一蝸桿驅動第一關節，第二蝸輪與第二蝸桿驅動第二關節，繩索組件連接於第一關節與第一蝸輪及第一蝸桿。

Description

機械手機構

本發明為建構一具有高抓取力、高靈活度及高工作空間之抓取動作之機械手機構。

在日常生活中，手對人類來說是一個極重要的部分，隨著現在科技越來越進步，機器人也逐漸的取代人力，進入人類的生產、救援及看護等…不只讓我們生活更便利，也相對了提高效率。機器手在機器人領域中是必不可缺的。在機器手方面也有很多學者研究，通常都會有手掌體積及自由度多寡的問題，有為了減少機械手體積，使用微小馬達直接驅動，使抓取力無法達到要求，也有想減少馬達數量，但自由度減少，使得機械手只能做簡單的抓取。

本發明設計目的為提供一種具有高抓取力、高靈活度及高工作空間之抓取動作之機械手機構。不僅改善了微小馬達直接驅動，使抓取力無法達到要求的缺點外，也在自由度沒有任何改變下，讓機械手抓取物體的動作與人手指很相似，可以達到人手該有的基本功能。

本發明機械手機構的較佳實施例共有三指六個指節自由度，並外加另一自由度，該自由度提供第一指與第三指可相對於第二指進行三指併靠或三指張開的功能；上述的每個自由度皆以致動器直接或間接驅動蝸桿蝸輪，利用蝸齒輪特性動力之傳遞方向為單向，當抓取物體時，手指並不會因致動器停止運轉，而影響抓取物體之動作，結構簡單，傳動過程精確。致動器基本上是指馬達，選自電動馬達、油壓馬達、氣壓馬達，也可進一步包含一減速機。

圖一為機械手19，主要包括一機械手掌基座18，三個機械手指1，機械手指1的基部設置在機械手掌基座18上；如圖二所示機械手掌基座18主要包括一基座致動器24、一基座正齒輪組25及兩組基座蝸桿蝸輪組26，機械手兩側機械手指基座聯接件27分別聯結於左右兩側的基座蝸桿蝸輪組26，利用基座致動器24來驅動基座正齒輪25，基座正齒輪25旋轉帶動左右兩側的基座蝸桿蝸輪組26，使機械手兩側機械手指可以相對旋轉，機械手19可適應任何物體，再利用機械手指1彎曲做抓取的動作，圖七為機械手19抓取物體29示意圖。

雖然圖一顯示的機械手指有三個，但事實上本發明機械手19只要兩個機械手指1便可以抓取物體，當然也可依照需求來增加固定的機械手指1的數量，如圖八所示的機械手指有四個；另外也可依需求改變每個機械手指個別的尺寸寬度讓整體機械手可穩固的抓取物體或執行特殊功能。

每一機械手指1的做動方式，如圖二、三所示，每一機械手指1包括一末端指段2、一第一關節3、一第一關節軸4、一中部指段5、一第二關節6、一第二關節軸7、一軸承8、一繩索組件9、一第二蝸輪10、一第二蝸桿11、一第一馬達12、一第二馬達13、一馬達減速機14、一手指基座15、一第一蝸輪16、一第一蝸桿17、一第一關節致動器20、一第二關節致動器21。第一關節致動器20主要係由第一馬達12所組成；第二關節致動器21係由第二馬達13與馬達減速機14所組成。

夾取物體時，第二關節致動器21驅動第二蝸桿11帶動第二蝸輪10，第二蝸輪10轉動第二關節軸7跟著旋轉，使中部指段5擺動，靠近物體。碰到物體時第一關節致動器20開始驅動第一蝸桿17帶動第一蝸輪16，第一蝸輪16轉動使繩索組件9開始做動。繩索組件9連結第一蝸輪16與末端指段2，利用繩索一邊拉線，一邊放線，轉動第一關節軸4，使末端指段2擺動，抓取物體。

第一關節致動器20與第二關節致動器21驅動蝸桿蝸輪，蝸桿蝸輪可以產生極大之齒輪比，並且蝸輪在高齒輪比下會產生鎖緊作用，亦即動力之傳遞方向為單向-由蝸桿到蝸輪，若要蝸輪之旋轉方向改變，即會由於摩擦力很大而鎖緊，所以當手指抓取到物體時，手指並不會因致動器停止運轉，而影響抓取物體之動作。

綜上所述，本發明之機械手19利用繩索組件9及蝸桿蝸輪組件來控制機械手指彎曲，進一步，如圖五、圖六所示，在各關節旋轉軸安裝角位置感測器30，分別回饋各關節旋轉的角度，在抓取物體的時候，可配合物體的形狀在指節之間形成不同的抓取角度，使其與物體接觸可以達到零間隙。另外圖二中的兩組基座蝸桿蝸輪組26其中之一也可進一步於其旋轉軸安裝角位置感測器(未顯示於圖二中)，回饋機械手兩側機械手指的張開角度。上述的機械手的中部指段及末端指段的內側與外側至少其中之一可結合軟性壓力感測器22感知機械手接觸或抓取的力量，進行力量回饋控制，達到更準確的接觸或抓取物體操作；再進一步結合溫度感測器23，使手指可以感知抓取物體的溫度或是環境溫度，可作類似人手之基本感知及操作，特別是當抓取高溫的物體提供給人員使用時，可事先告知使用者其危險性。進一步，在手掌基座的內側板28也可設置軟性壓力感測器(未顯示於圖一中)。

再者，為使本發明的機械手的致動器能作動，與感測器能回饋，可進一步加裝控制器與致動器所需的驅動電路於該機械手的手掌基座或手掌基座的延伸裝置處(未顯示於圖一到圖九中)。而整體主要之機械手系統架構示意圖如圖九所示，控制器為機器手之控制核心，接收感測器的回饋值，經由運算來控制每個關節之運動位置及速度，手指與接觸物體的力量或溫度，指揮機械手進行各種動作。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．機械手指

2．．．末端指段

3．．．第一關節

4．．．第一關節軸

5．．．中部指段

6．．．第二關節

7．．．第二關節軸

8．．．軸承

9．．．繩索組件

10．．．第二蝸輪

11．．．第二蝸桿

12．．．第一致動器

13．．．第二致動器

14．．．減速機

15．．．手指基座

16．．．第一蝸輪

17．．．第一蝸桿

18．．．機械手掌基座

19．．．機械手

20．．．第一關節致動器

21．．．第二關節致動器

22．．．軟性壓力感測器

23．．．溫度感測器

24．．．基座致動器

25．．．基座正齒輪組

26．．．基座蝸桿蝸輪組

27．．．機械手指基座聯接件

28．．．機械手掌基座內側板

29．．．抓取物體

30．．．角位置感測器

圖一　本發明之機械手示意圖；

圖二　本發明之機械手掌基座爆炸示意圖；

圖三　本發明之單根機械手指以及致動器之俯視圖；

圖四　本發明之單根機械手指以及致動器之側視圖；

圖五　本發明之機械手指結合軟性壓力感測器及溫度感測器內側示意圖；

圖六　本發明之機械手指結合軟性壓力感測器外側示意圖；

圖七　本發明之機械手抓取物體示意圖；

圖八　本發明之機械手加裝機械手指示意圖；

圖九　本發明之機械手系統架構示意圖

1．．．機械手指

2．．．末端指段

3．．．第一關節

4．．．第一關節軸

5．．．中部指段

6．．．第二關節

7．．．第二關節軸

8．．．軸承

9．．．繩索組件

10．．．第二蝸輪

11．．．第二蝸桿

12．．．第一致動器

13．．．第二致動器

14．．．減速機

15．．．手指基座

16．．．第一蝸輪

17．．．第一蝸桿

20．．．第一關節致動器

21．．．第二關節致動器

Claims (10)

1. 一種機械手，包含一手掌基座，以及至少一機械手指，設置於該手掌基座；該機械手指主要包括一手指基座、一第二旋轉關節，設置於該手指基座、一中部指段，其一端聯結於該第二旋轉關節、一第一旋轉關節，聯結於該中部指段的另一端、一末端指段，其底端聯結於該第一旋轉關節、第一組蝸桿蝸輪，設置於該手指基座、第二組蝸桿蝸輪，設置於該手指基座，聯結該第二旋轉關節、一繩索組件，連接第一旋轉關節的軸與第一組蝸桿蝸輪的蝸輪軸、一第一致動器、以及一第二致動器；該第二致動器轉動第二組蝸桿蝸輪驅動第二旋轉關節，使中部指段擺動，該第一致動器轉動第一組蝸桿蝸輪，再經由蝸輪與第一旋轉關節軸之間的繩索組件，利用繩索的拉線放線拉動第一旋轉關節軸轉動，讓末端指段擺動。
2. 如申請專利範圍第1項之機械手，進一步加裝控制器與致動器所需的驅動電路於該機械手的手掌基座或手掌基座的延伸裝置處。
3. 如申請專利範圍第1與2項之機械手，其中該機械手指的中部指段及末端指段的內側與外側至少其中之一，進一步結合壓力感測器，感知機械手指接觸或抓取的力量，進行回饋控制，達到更準確的接觸或抓取物體。
4. 如申請專利範圍第1與2項之機械手，進一步結合溫度感測器使該機械手指可以感知接觸或抓取物體的溫度或是環境溫度，可作類似人手之基本感知及操作。
5. 如申請專利範圍第1項之機械手，其中該手掌基座進一步包括一基座致動器、一基座正齒輪組及兩組基座蝸桿蝸輪組，機械手兩側機械手指基座聯接件分別聯結於左右兩側的基座蝸桿蝸輪組，利用基座致動器來驅動基座正齒輪，基座正齒輪旋轉帶動左右兩側的基座蝸桿蝸輪組，使機械手兩側機械手指可以相對旋轉，再利用機械手指彎曲做抓取的動作，對於不同形狀之物體可以有不同之手勢抓取物體。
6. 如申請專利範圍第5項之機械手，其中該手掌基座加裝至少一固定的機械手指，使其左右兩側的機械手指相對於該固定的機械手指旋轉，產生手指併靠或張開的動作。
7. 如申請專利範圍第5項之機械手，其中該手掌基座進一步結合壓力感測器，感知機械手掌接觸或抓取的力量，進行回饋控制，達到更準確的接觸或抓取物體。
8. 如申請專利範圍第1與5項之機械手，其中第一旋轉關節、第二旋轉關節、與基座正齒輪進一步於其旋轉軸安裝角位置感測器，分別回饋末端指段、中部指段擺動的角度、與機械手兩側機械手指的張開角度。
9. 如申請專利範圍第1與5項之機械手，其中的致動器選自電動馬達、油壓馬達、氣壓馬達，也可進一步包含一減速機。
10. 如申請專利範圍第2項之機械手，其中該控制器經由各感測器回饋及運算來控制每個關節之運動位置及速度，或手指與物體接觸的力量或溫度，指揮機械手進行各種動作。