TWI633986B - 機械手 - Google Patents

Abstract

一種機械手，包括一手掌基座及至少一機械手指。機械手指包括一手指基座、一第一旋轉關節、一第二旋轉關節、一第一指段、一第二指段及一傳動機構。手指基座配置於手掌基座。第一旋轉關節及第二旋轉關節配置於手指基座，第一旋轉關節與第二旋轉關節同軸。第一指段連接於第一旋轉關節與第二指段之間，第一旋轉關節適於控制第一指段搖擺。傳動機構連接於第二旋轉關節與第二指段之間，第二旋轉關節適於藉由傳動機構控制第二指段搖擺。當第一旋轉關節作動且第二旋轉關節不作動時，第二指段相對於手指基座的搖擺角度為固定。

Description

機械手

本發明是有關於一種機械手，且特別是有關於一種可進行抓取動作的機械手。

隨著現在科技越來越進步，機器人逐漸取代人力而應用於人類的生產、救援及看護等工作，以提升人類生活的便利性及工作效率。在日常生活中，手對人類來說是一個極重要的部分。相應地，機器手在機器人領域中是必不可缺的。以機器手而言，其手掌體積及自由度多寡為研發上的重要議題，從而在一些設計中為了減少機械手體積而使用微小馬達進行直接驅動，然此舉使其抓取力無法達到要求，亦有一些設計為了減少機械手體積而減少馬達數量，然此舉使其作動自由度減少，而僅能進行簡單的抓取。以下舉例說明目前常見之機械手的不足之處。

ROBOTIQ公司生產的ADAPTIVE ROBOT GRIPPER 2-FINGER，其兩爪式的構造為機構及控制簡單的設計，作動上的變化較少而於抓取物品的種類及姿態上有所限制。在中國專利編號CN103659809A中，其二爪式機械手爪僅能做夾持的動作，未能達到精確的手爪位置控制。在中國專利編號CN204546551U中，其三爪式機械手爪為三爪同動，僅有一自由度，無法夾持多種物品。

本發明提供一種機械手，具有高抓取力、高靈活度及高工作空間之抓取動作。

本發明的機械手包括一手掌基座及至少一機械手指。機械手指包括一手指基座、一第一旋轉關節、一第二旋轉關節、一第一指段、一第二指段及一傳動機構。手指基座配置於手掌基座。第一旋轉關節及第二旋轉關節配置於手指基座，第一旋轉關節與第二旋轉關節同軸。第一指段連接於第一旋轉關節與第二指段之間，第一旋轉關節適於控制第一指段搖擺。傳動機構連接於第二旋轉關節與第二指段之間，第二旋轉關節適於藉由傳動機構控制第二指段搖擺。當第一旋轉關節作動且第二旋轉關節不作動時，第二指段相對於手指基座的搖擺角度為固定。

在本發明的一實施例中，上述的第二指段具有一樞接端並藉由樞接端而樞接於第一指段，傳動機構包括皮帶輪、齒輪或繩輪且連接於樞接端與第二旋轉關節之間，傳動機構在樞接端與第二旋轉關節的齒數比為1:1，當第一旋轉關節作動且第二旋轉關節不作動時，樞接端繞第一旋轉關節的轉動角度為θ度，且樞接端被傳動機構帶動的轉動角度為-θ度，以使第二指段相對於手指基座的搖擺角度為固定。

在本發明的一實施例中，上述的第一旋轉關節包括一第一致動器、一第一蝸桿及一第一蝸輪，第二旋轉關節包括一第二致動器、一第二蝸桿及一第二蝸輪，第一致動器連接第一蝸桿，第一蝸輪連接於第一蝸桿與第一指段之間，第二致動器連接第二蝸桿，第二蝸輪連接於第二蝸桿與傳動機構之間，第一致動器適於透過第一蝸桿及第一蝸輪帶動第一指段作動，第二致動器適於透過第二蝸桿、第二蝸輪及傳動機構帶動第二指段作動。

在本發明的一實施例中，上述的機械手包括一導螺桿，其中導螺桿配置於手指基座，且適於調整第一蝸桿與第一蝸輪之間的間隙及第二蝸桿與第二蝸輪之間的間隙。

在本發明的一實施例中，上述的至少一機械手指的數量為多個，機械手包括一齒輪機構，齒輪機構連接於手掌基座與各機械手指之間，且適於帶動這些機械手指相對開合。

在本發明的一實施例中，上述的機械手包括多個角位置感測器，這些角位置感測器分別配置於第一旋轉關節、第二旋轉關節及齒輪機構，且分別適於感測第一指段的搖擺角度、第二指段的搖擺角度及這些機械手指的相對開合角度。

在本發明的一實施例中，上述的機械手指具有一外殼，外殼可替換為具有不同材質或形狀的另一外殼。

在本發明的一實施例中，上述的機械手包括至少一壓力感測器，其中壓力感測器配置於第一指段的內側、第一指段的外側、第二指段的內側、第二指段的外側、手掌基座的內側及手掌基座的外側的至少其中之一。

在本發明的一實施例中，上述的至少一壓力感測器的數量為多個，這些壓力感測器分別配置於第一指段的外側、第二指段的外側及手掌基座的外側。

在本發明的一實施例中，上述的壓力感測器具有多個感測點，這些感測點適於分別產生感測訊號。

在本發明的一實施例中，上述的機械手包括一驅動電路，其中驅動電路配置於手掌基座且適於控制機械手指作動。

基於上述，在本發明的機械手中，機械手指的第一指段及第二指段可分別藉由第一旋轉關節及第二旋轉關節而獨立地被控制，亦即，單一機械手指具有兩個作動自由度。進一步而言，本發明的機械手的較佳實施例包括三個機械手指而具有六個作動自由度，且其中左、右的兩個機械手指可相對於中間的機械手指進行併合或張開的作動，以增加另一自由度。機械手指的上述作動皆以致動器直接透過蝸桿來驅動蝸輪以帶動機械手指作動，其中由於蝸桿可驅動蝸輪而蝸輪無法驅動蝸桿，故其動力傳遞方向為單向。據此，當機械手抓取物體時，機械手指並不會因致動器停止運轉而影響抓取物體之動作，故有結構簡單、傳動過程精確的優點。所述致動器例如是電動馬達、油壓馬達、氣壓馬達或其他適當種類之馬達，且可進一步包含一減速機。此外，在本發明中，用以分別控制第一指段及第二指段的第一旋轉關節及第二旋轉關節皆配置於手指基座上，而非分別在不同位置利用多個微小馬達直接驅動各指段，故可改善機械手利用微小馬達直接驅動而使抓取力無法達到要求的缺點。另外，在本發明的機械手中，當第一旋轉關節作動且第二旋轉關節不作動時，第一指段帶動第二指段的旋轉角度可被傳動機構帶動第二指段的旋轉角度抵銷，使第二指段相對於手指基座的搖擺角度為固定，以達成特定的抓取動作，從而在不減少作動自由度的情況下讓機械手抓取物體的動作與人類手指相似，而可達到人類手指所具有的基本功能。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例的機械手的立體圖。圖2是圖1的機械手指的部分構件立體圖。請參考圖1及圖2，本實施例的機械手100包括一手掌基座110及至少一機械手指120(繪示為三個)。機械手指120包括一手指基座122、一第一旋轉關節120a、一第二旋轉關節120b、一第一指段124、一第二指段126及一傳動機構128。為使圖式較為清楚，圖1中的第一指段124未完全繪示於圖2，圖2係繪示出第一指段124內部的連接桿124a，連接桿124a可視為第一指段124的一部分。

手指基座122配置於手掌基座110上。第一旋轉關節120a及第二旋轉關節120b配置於手指基座122，且第一旋轉關節120a與第二旋轉關節120b同軸。第一指段124連接於第一旋轉關節120a與第二指段126之間，第一旋轉關節120a適於控制第一指段124以第一軸A1為轉動中心而搖擺。傳動機構128連接於第二旋轉關節120b與第二指段126之間，第二旋轉關節120b適於藉由傳動機構128控制第二指段126以第二軸A2為轉動中心而搖擺。

詳細而言，第一旋轉關節120a包括一第一致動器121a、一第一蝸桿G11及一第一蝸輪G12，第二旋轉關節120b包括一第二致動器121b、一第二蝸桿G21及一第二蝸輪G22。第一致動器121a連接第一蝸桿G11，第一蝸輪G12連接於第一蝸桿G11與第一指段124的連接桿124a之間，第二致動器121b連接第二蝸桿G21，第二蝸輪G22連接於第二蝸桿G21與傳動機構128之間。第一致動器121a用以驅動第一蝸桿G11帶動第一蝸輪G12以第一軸A1為轉動中心轉動，以帶動第一指段124的連接桿124a以第一軸A1為轉動中心而搖擺。亦即，第一致動器121a適於透過第一蝸桿G11及第一蝸輪G12帶動第一指段124作動。第二致動器121b用以驅動第二蝸桿G21帶動第二蝸輪G22以第二軸A2為轉動中心轉動，以透過傳動機構128帶動第二指段126以第二軸A2為轉動中心而搖擺。亦即，第二致動器121b適於透過第二蝸桿G21、第二蝸輪G22及傳動機構128帶動第二指段126作動。

在此配置方式之下，機械手指120的第一指段124及第二指段126可分別藉由第一旋轉關節120a及第二旋轉關節120b而獨立地被控制，亦即，單一機械手指120具有兩個作動自由度。進一步而言，本實施例的機械手100包括三個機械手指120而具有至少六個作動自由度。機械手指120的上述作動皆以第一致動器121a及第二致動器121b直接透過第一蝸桿G11、第二蝸桿G21來驅動第一蝸輪G12、第二蝸輪G22以帶動機械手指120作動，其中由於蝸桿可驅動蝸輪而蝸輪無法驅動蝸桿，故其動力傳遞方向為單向而具自鎖特性。據此，當機械手100抓取物體時，機械手指120並不會因第一致動器121a及第二致動器121b停止運轉而影響抓取物體之動作，故有結構簡單、傳動過程精確的優點。所述第一致動器121a及第二致動器121b例如是電動馬達、油壓馬達、氣壓馬達或其他適當種類之馬達，且可進一步包含一減速機。此外，用以分別控制第一指段124及第二指段126的第一旋轉關節120a及第二旋轉關節120b皆配置於手指基座122，而非分別在不同位置利用多個微小馬達直接驅動各指段，故可改善機械手利用微小馬達直接驅動而使抓取力無法達到要求的缺點。

圖3是圖2的機械手指的部分構件的轉動示意圖。請參考圖2及圖3，在本實施例中，第二指段126具有一樞接端126a並藉由樞接端126a而樞接於第一指段124的連接桿124a。傳動機構128包括皮帶輪、齒輪或繩輪(繪示為皮帶輪)且連接於樞接端126a與第二旋轉關節120b之間，且傳動機構128在樞接端126a與第二旋轉關節120b的齒數比為1:1。據此，當第一旋轉關節120a作動且第二旋轉關節120b不作動時，連接桿124a被第一旋轉關節120a帶動而以第一軸A1為轉動中心順時針轉動θ度，連接於連接桿124a的樞接端126a繞第一旋轉關節(即繞第一軸A1)的轉動角度亦隨之為θ度，傳動機構128相較於其初始狀態亦產生轉動量而帶動樞接端126a以第二軸A2為轉動中心逆時針轉動θ度(亦即，樞接端126a被傳動機構128帶動的轉動角度為-θ度)。如上所述，第一指段124帶動第二指段126的旋轉角度(θ度)可被傳動機構128帶動第二指段126的旋轉角度(-θ度)抵銷，使第二指段126相對於手指基座122的搖擺角度為固定，以達成特定的抓取動作，從而在不減少作動自由度的情況下讓機械手100抓取物體的動作與人類手指相似，而可達到人類手指所具有的基本功能。圖4A及圖4B繪示圖1的各機械手指的作動方式。更具體而言，藉由上述配置方式，當機械手指120如圖4A至圖4B所示方式作動時，第二指段126與水平線的夾角可維持為ψ度。

圖5A及圖5B繪示圖1的兩機械手指相對開合。請參考圖5A及圖5B，在本實施例中，機械手100包括一齒輪機構130，齒輪機構130連接於手掌基座110與兩機械手指120之間，且適於帶動此兩機械手指120如圖5A及圖5B所示相對開合。此兩機械手指120藉由齒輪機構130的兩正齒輪132配合時旋轉轉向相反的特性，達到相對於中間之機械手指120併靠或張開之動作，以增加機械手100的另一作動自由度。

圖6繪示圖2的機械手指增設導螺桿。請參考圖6，在本實施例中，機械手100可更包括一導螺桿140，導螺桿140配置於手指基座122，且適於調整第一蝸桿G11與第一蝸輪G12之間的間隙及第二蝸桿G21與第二蝸輪G22之間的間隙。詳細而言，可將圖1所示的手指基座122如圖6所示改成分為第一座體122a與第二座體122b兩個部件，第一蝸桿G11及第二蝸桿G21配置於第二座體122b，第一蝸輪G12及第二蝸輪G22配置於第一座體122a，藉由旋轉導螺桿140可調整第一座體122a與第二座體122b之間距，因此可改變第一蝸桿G11與第一蝸輪G12之間的間隙及第二蝸桿G21與第二蝸輪G22之間的間隙。承上，利用蝸桿與蝸輪之所述自鎖特性，機械手100斷電時可保持原本姿態，且利用導螺桿140可將第一座體122a與第二座體122b完全分離，來解除蝸桿與蝸輪之所述自鎖特性，使其在斷電時可被拆卸。

進一步而言，因蝸桿為剛性材料(如中碳鋼)所製且蝸輪為相對於蝸桿較低剛性的材料(如銅材)所製，故當蝸桿與蝸輪配合並受到強大外力時，蝸輪容易損毀。而藉由導螺桿140的上述作用方式，可先將蝸輪與蝸桿分離再進行更替零件的動作，以避免蝸輪因上述原因而損毀。

圖7繪示圖1的第二指段搭配多種外殼。請參考圖1及圖7，本實施例的機械手指120具有一外殼C1，外殼C1例如可替換為具有不同材質或形狀的另一外殼C2或另一外殼C3。具體而言，外殼C1為一般抓取用指腹，其可更替為具有特殊外型或材質的組件，如更換成具有橫向刀片S1的外殼C2以進行剝線動作，或更換成具有縱向刀片S2的外殼C3以進行裁切動作，以因應更多元的應用場合。

圖8繪示圖1的機械手增設壓力感測器。請參考圖8，本實施例的機械手100包括至少一壓力感測器150(繪示為多個)，壓力感測器150可配置於第一指段124的內側、第一指段124的外側、第二指段126的內側、第二指段126的外側、手掌基座110的內側或手掌基座110的外側，本發明不對此加以限制。舉例來說，如圖8所示，於機械手指120的第一指段124、第二指段126及手掌基座110內側安裝壓力感測器150，可量測機械手指120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。機械手100藉其可更替外殼特性，可因應與使用者共處的工作環境而替換為在其他特定區域設置壓力感測器150的外殼，以藉其感測能力而避免非預期地傷害到使用者，使機械手100能與使用者安全地共處。舉例來說，於其他實施例中，可將壓力感測器150分別配置於第一指段124的外側、第二指段126的外側及手掌基座110的外側或其他適當位置，以感測機械手100在工作時與外在環境或使用者的碰撞，從而保障使用上的安全。

圖9是圖8的第二指段的立體圖。請參考圖9，本實施例的壓力感測器150例如具有多個感測點152，這些感測點152適於分別產生感測訊號，以依照各個感測點152回傳的感測訊號之數值大小，判斷抓取物體的姿態是否為理想狀態。此外，在本實施例中，機械手100可更包括多個角位置感測器，這些角位置感測器分別配置於圖2所示的第一旋轉關節120a、第二旋轉關節120b及圖5A、5B所示的齒輪機構130，分別用以感測第一指段124的搖擺角度、第二指段126的搖擺角度及這些機械手指120的相對開合角度。

圖10繪示圖1的手掌基座增設驅動電路。請參考圖10，機械手100可更包括一驅動電路160，驅動電路160例如是驅動電路板，其配置於手掌基座110處且適於控制機械手指120作動。如圖8所示將驅動電路160配置於機械手100的手掌基座110或手掌基座110的延伸裝置處，則無須再外接其他控制盒。此外，驅動電路160可預留接點，因應額外之不同控制需求。

綜上所述，在本發明的機械手中，機械手指的第一指段及第二指段可分別藉由第一旋轉關節及第二旋轉關節而獨立地被控制，亦即，單一機械手指具有兩個作動自由度。進一步而言，本發明的機械手的較佳實施例包括三個機械手指而具有六個作動自由度，且其中左、右的兩個機械手指可相對於中間的機械手指進行併合或張開的作動，以增加另一自由度。機械手指的上述作動皆以致動器直接透過蝸桿來驅動蝸輪以帶動機械手指作動，其中由於蝸桿可驅動蝸輪而蝸輪無法驅動蝸桿，故其動力傳遞方向為單向。據此，當機械手抓取物體時，機械手指並不會因致動器停止運轉而影響抓取物體之動作，故有結構簡單、傳動過程精確的優點。所述致動器例如是電動馬達、油壓馬達、氣壓馬達或其他適當種類之馬達，且可進一步包含一減速機。此外，在本發明中，用以分別控制第一指段及第二指段的第一旋轉關節及第二旋轉關節皆配置於手指基座上，而非分別在不同位置利用多個微小馬達直接驅動各指段，故可改善機械手利用微小馬達直接驅動而使抓取力無法達到要求的缺點。另外，在本發明的機械手中，當第一旋轉關節作動且第二旋轉關節不作動時，第一指段帶動第二指段的旋轉角度可被傳動機構帶動第二指段的旋轉角度抵銷，使第二指段相對於手指基座的搖擺角度為固定，以達成特定的抓取動作，從而在不減少作動自由度的情況下讓機械手抓取物體的動作與人類手指相似，而可達到人類手指所具有的基本功能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電子裝置
110‧‧‧手掌基座
120‧‧‧機械手指
120a‧‧‧第一旋轉關節
120b‧‧‧第二旋轉關節
121a‧‧‧第一致動器
121b‧‧‧第二致動器
122‧‧‧手指基座
122a‧‧‧第一座體
122b‧‧‧第二座體
124‧‧‧第一指段
124a‧‧‧連接桿
126‧‧‧第二指段
126a‧‧‧樞接端
128‧‧‧傳動機構
130‧‧‧齒輪機構
132‧‧‧正齒輪
140‧‧‧導螺桿
150‧‧‧壓力感測器
152‧‧‧感測點
160‧‧‧驅動電路
A1‧‧‧第一軸
A2‧‧‧第二軸
C1、C2、C3‧‧‧外殼
G11‧‧‧第一蝸桿
G12‧‧‧第一蝸輪
G21‧‧‧第二蝸桿
G22‧‧‧第二蝸輪
S1‧‧‧橫向刀片
S2‧‧‧縱向刀片

圖1是本發明一實施例的機械手的立體圖。

圖2是圖1的機械手指的部分構件立體圖。

圖3是圖2的機械手指的部分構件的轉動示意圖。

圖4A及圖4B繪示圖1的各機械手指的作動方式。

圖5A及圖5B繪示圖1的兩機械手指相對開合。

圖6繪示圖2的機械手指增設導螺桿。

圖7繪示圖1的第二指段搭配多種外殼。

圖8繪示圖1的機械手增設壓力感測器。

圖9是圖8的第二指段的立體圖。

圖10繪示圖1的手掌基座增設驅動電路。

Claims (11)

1. 一種機械手，包括：一手掌基座；以及至少一機械手指，包括：一手指基座，配置於該手掌基座；一第一旋轉關節及一第二旋轉關節，配置於該手指基座，其中該第一旋轉關節與該第二旋轉關節同軸；一第一指段及一第二指段，該第一指段連接於該第一旋轉關節與該第二指段之間，該第一旋轉關節適於控制該第一指段搖擺；以及一傳動機構，連接於該第二旋轉關節與該第二指段之間，其中該第二旋轉關節適於藉由該傳動機構控制該第二指段搖擺，其中該第二指段具有一樞接端並藉由該樞接端而樞接於該第一指段，該傳動機構連接於該樞接端與該第二旋轉關節之間，且該傳動機構在該樞接端與該第二旋轉關節的齒數比為1：1，其中當該第一旋轉關節作動且該第二旋轉關節不作動時，該第二指段相對於該手指基座的搖擺角度為固定。
2. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，其中該傳動機構包括皮帶輪、齒輪或繩輪，當該第一旋轉關節作動且該第二旋轉關節不作動時，該樞接端繞該第一旋轉關節的轉動角度為θ度，且該樞接端被該傳動機構帶動的轉動角度為-θ度，以使該第二指段相對於該手指基座的搖擺角度為固定。
3. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，其中該第一旋轉關節包括一第一致動器、一第一蝸桿及一第一蝸輪，該第二旋轉關節包括一第二致動器、一第二蝸桿及一第二蝸輪，該第一致動器連接該第一蝸桿，該第一蝸輪連接於該第一蝸桿與該第一指段之間，該第二致動器連接該第二蝸桿，該第二蝸輪連接於該第二蝸桿與該傳動機構之間，該第一致動器適於透過該第一蝸桿及該第一蝸輪帶動該第一指段作動，該第二致動器適於透過該第二蝸桿、該第二蝸輪及該傳動機構帶動該第二指段作動。
4. 如申請專利範圍第3項所述的機械手，包括一導螺桿，其中該導螺桿配置於該手指基座，且適於調整該第一蝸桿與該第一蝸輪之間的間隙及該第二蝸桿與該第二蝸輪之間的間隙。
5. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，其中該至少一機械手指的數量為多個，該機械手包括一齒輪機構，該齒輪機構連接於該手掌基座與各該機械手指之間，且適於帶動該些機械手指相對開合。
6. 如申請專利範圍第5項所述的機械手，包括多個角位置感測器，該些角位置感測器分別配置於該第一旋轉關節、該第二旋轉關節及該齒輪機構，且分別適於感測該第一指段的搖擺角度、該第二指段的搖擺角度及該些機械手指的相對開合角度。
7. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，其中該機械手指具有一外殼，該外殼可替換為具有不同材質或形狀的另一外殼。
8. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，包括至少一壓力感測器，其中該壓力感測器配置於該第一指段的內側、該第一指段的外側、該第二指段的內側、該第二指段的外側、該手掌基座的內側及該手掌基座的外側的至少其中之一。
9. 如申請專利範圍第8項所述的機械手，其中該至少一壓力感測器的數量為多個，該些壓力感測器分別配置於該第一指段的外側、該第二指段的外側及該手掌基座的外側。
10. 如申請專利範圍第8項所述的機械手，其中該壓力感測器具有多個感測點，該些感測點適於分別產生感測訊號。
11. 如申請專利範圍第1項所述的機械手，包括一驅動電路，其中該驅動電路配置於該手掌基座且適於控制該機械手指作動。