TWI736467B - 機械手掌及其手指裝置 - Google Patents

Abstract

一種手指裝置，包括一指段、一手指基座、一第一轉向控制機構、一第一致動器、一第二轉向控制機構、一萬向接頭以及一第二致動器。手指基座連接指段的一端部，第一轉向控制機構設置於手指基座。第一致動器用以提供一第一運動力矩至第一轉向控制機構，使指段及手指基座具有一第一運動方向的自由度。第二轉向控制機構設置於手指基座。第二致動器用以提供一第二運動力矩至萬向接頭，其中萬向接頭可轉動地連接於第二致動器與與第二轉向控制機構之間，使指段具有一第二運動方向的自由度。

Description

機械手掌及其手指裝置

本發明是有關於一種機械手，且特別是有關於一種機械手掌及其手指裝置。

隨著科技的進步，機器人的研發與應用也取得深遠的進步。在自動化生產設備中，機械手是不可或缺的，且機械手的靈活性及體積最小化更是研發的重點。習知的機械手因自由度不足，僅能做簡單的抓取，而難以實現適形抓取各種物體的動作。此外，由於機械手的機構空間有限，習知的機械手難以在有限的機構空間內實現使用微小電機與傳動元件進行直接驅動，因而抓取效果有限，且習知的機械手無法產生模仿人手指捲曲與調整指距的動作，有待進一步改善。

本發明係有關於一種手指裝置，具有體積小、高靈活度的指段以模仿人手指的蜷曲及擺動。

根據本發明之一方面，提出一種手指裝置，包括一指段、一手指基座、一第一轉向控制機構、一第一致動器、一第二轉向控制機構、一萬向接頭以及一第二致動器。手指基座連接指段的一端部，第一轉向控制機構設置於手指基座。第一致動器用以提供一第一運動力矩至第一轉向控制機構，其中第一轉向控制機構可轉動地連接 於第一致動器與手指基座之間，第一運動力矩經由第一轉向控制機構及手指基座而傳送至指段，使指段及手指基座具有一第一運動方向的自由度。第二轉向控制機構設置於手指基座。萬向接頭連接第二轉向控制機構。第二致動器用以提供一第二運動力矩至萬向接頭，其中萬向接頭可轉動地連接於第二致動器與與第二轉向控制機構之間，第二運動力矩經由萬向接頭及第二轉向控制機構傳送至指段，使指段具有一第二運動方向的自由度。

根據本發明之一方面，提出一種機械手掌，包括一手掌基座以及複數個手指裝置，設置於手掌基座上，其中此些手指裝置的擺動以及蜷曲運動分別經由第一致動器及第二致動器控制。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100:機械手掌

108:手掌基座

110:手指裝置

111:手指裝置

112:指段

113:手指基座

114:第一轉向控制機構

115:蝸桿

116:蝸輪

117:第一致動器

118:第二轉向控制機構

119:第一斜齒輪(傘齒輪)

120:第二斜齒輪(傘齒輪)

121:萬向接頭

122:第一動件

123:第二動件

124:第二致動器

1121:端部

1171:驅動軸

1191:第一桿體

1201:第二桿體

1221:連桿

1231:連桿

D:指距

A1:第一運動方向

A2:第二運動方向

第1A及1B圖分別繪示依照本發明一實施例的手指裝置的正面示意圖及側面示意圖；第2A及2B圖分別繪示依照本發明一實施例的第一轉向控制機構的正面示意圖及擺動示意圖；及第3A及3B圖分別繪示依照本發明一實施例的第二轉向控制機構的正面示意圖及蜷曲運動示意圖。

第4A、4B及4C圖分別繪示依照本發明一實施例的機械手掌的正面示意圖、指距調整示意圖及蜷曲運動示意圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

請參照第1A及1B圖，其分別繪示依照本發明一實施例的手指裝置110的正面示意圖及側面示意圖。第2A及2B圖分別繪示依照本發明一實施例的第一轉向控制機構114的正面示意圖及擺動示意圖，第3A及3B圖分別繪示依照本發明一實施例的第二轉向控制機構118的正面示意圖及蜷曲運動示意圖。第4A、4B及4C圖分別繪示依照本發明一實施例的機械手掌100的正面示意圖、指距調整示意圖及蜷曲運動示意圖。

手指裝置110可包括一指段112、一手指基座113、一第一轉向控制機構114、一第一致動器117、一第二轉向控制機構118、一萬向接頭121以及一第二致動器124。其中，手指裝置110的左右擺動(指距調整)以及前後擺動(蜷曲運動)分別經由第一致動器117及第二致動器124控制。如第4A、4B及4C圖所示，複數個手指裝置110設置於手掌基座108上，以組成一機械手掌100，機械手掌100用以產生模仿人手指伸直、側向轉動、調整指距D與蜷曲運動的動作，以抓取物體。本實施例的手指裝置110僅繪示3個，然而，手指裝置110的數量不限，可為2至5個，且複數個手指裝置110的長度可以彼此不同， 如同人的手指長度彼此不同一般。上述的指段112可包含上指段、中指段及下指段，各指段之間可設置關節，以產生蜷曲運動。

如第1A及1B圖所示，在一實施例中，手指基座113連接於指段112的一端部1121(例如是關節部)，且手指基座113位於指段112的下方。第一轉向控制機構114設置於手指基座113且鄰近於端部1121，第一轉向控制機構114例如包括一蝸桿115以及一蝸輪116，蝸桿115及蝸輪116嚙合。如第2A及2B圖所示，蝸桿115設置於第一致動器117的驅動軸1171上，而蝸輪116設置於手指基座113上。第一轉向控制機構114用以控制指段112及手指基座113於第一運動方向A1上擺動。指段112及手指基座113例如以蝸輪116為中心於第一運動方向A1上擺動。

在一實施例中，第一致動器117用以提供一第一運動力矩至第一轉向控制機構114。第一轉向控制機構114可轉動地連接於第一致動器117與手指基座113之間，且第一運動力矩可經由第一轉向控制機構114及手指基座113而傳送至指段112，使指段112及手指基座113具有第一運動方向A1的自由度。也就是說，指段112及手指基座113可同時受到第一致動器117的驅動而左右擺動，以供調整複數手指裝置110間的指距D，如第4B圖。

第一致動器117例如為步進馬達，第一轉向控制機構114不限定為蝸桿115以及蝸輪116，其他類型的轉向元件(例如斜齒輪組、傘齒輪組或其他以二旋轉軸相互正交的機構組合)亦可適用。手指裝置110可經由編碼器計算步進馬達每分鐘旋轉的圈數，再經由換 算步進馬達每分鐘旋轉的圈數與手指移動的距離或角度的關係，即可得知複數手指裝置間的指距D的大小，如第4B圖。同理，手指裝置110亦可經由編碼器計算蝸桿115及蝸輪116每分鐘旋轉的圈數，再經由換算蝸桿115及蝸輪116每分鐘旋轉的圈數與手指移動的距離或角度的關係，即可得知複數手指裝置間的指距D的大小。此外，步進馬達的轉速穩定且能精確定位，故可實現適形抓取各種物體的動作。

如第3A及3B圖所示，第二轉向控制機構118設置於手指基座113，用以控制指段112於第二運動方向A2上擺動。第二轉向控制機構118包括一第一斜齒輪119(或傘齒輪)以及一第二斜齒輪120(或傘齒輪)，第一斜齒輪119與第二斜齒輪120嚙合，第一斜齒輪119連接萬向接頭121，且萬向接頭121與第一斜齒輪119之間設有一第一桿體1191，第二斜齒輪120連接指段112，且指段112與第二斜齒輪120之間設有一第二桿體1201。指段112例如以第二斜齒輪120為中心於第二運動方向A2上擺動，如第3B圖。

在一實施例中，如第1B、3A與3B圖所示，第二致動器124用以提供一第二運動力矩至萬向接頭121，其中萬向接頭121可轉動地連接於第二致動器124與第二轉向控制機構118之間，第二運動力矩經由萬向接頭121及第二轉向控制機構118傳送至指段112，使指段112具有第二運動方向A2的自由度。也就是說，指段112可受到第二致動器124的驅動而前後擺動，以供手指裝置110的蜷曲運動。由於第一斜齒輪119的第一桿體1191由手指基座113的內部穿過手指基座113而連接至萬向接頭121，第二斜齒輪120的第二桿體1201由手指基座113 的內部穿過手指基座113而連接至指段112，因此手指基座113不會以第二斜齒輪120為中心於第二運動方向A2上擺動。也就是說，手指基座113僅在第一運動方向A1上擺動，不會在第二運動方向A2上擺動。

第二致動器124例如為步進馬達，第二轉向控制機構118不限定為斜齒輪組，其他類型的轉向元件(例如蝸桿115及蝸輪116)亦可適用。也就是說，在另一實施例中，上述的蝸桿115及蝸輪116可適用於第二轉向控制機構118中，而第一斜齒輪119及第二斜齒輪120可適用於第一轉向控制機構114中，或者，第一轉向控制機構114及第二轉向控制機構118均採用蝸桿115及蝸輪116，又或者，第一轉向控制機構114及第二轉向控制機構118均採用第一斜齒輪119及第二斜齒輪120，本發明對此不加以限制，只要二旋轉軸互相正交的機構組合皆可適用。此外，手指裝置110亦可經由編碼器計算第一斜齒輪119及第二斜齒輪120每分鐘旋轉的圈數，再經由換算第一斜齒輪119及第二斜齒輪120每分鐘旋轉的圈數與手指移動的距離或角度的關係，即可得知各手指蜷曲的角度。

此外，請參照第3A及3B圖，萬向接頭121例如為具有十字接頭(圖未繪示)的聯結器，十字接頭的一連桿1221連接第一動件122，且十字接頭的另一連桿1231連接第二動件123。第一動件122經由第一桿體1191連接第一斜齒輪119，第二動件123連接第二致動器124的驅動軸(如第1B圖)。當第二動件123受第二致動器124驅動而轉動時，第一動件122也會隨第二動件123而轉動。萬向接頭121可使指段112及手指基座113於第一運動方向A1上擺動的同時，使指段112於 第二運動方向A2上擺動。因此，指段112可同時於第一運動方向A1及第二運動方向A2上擺動，或單獨於第一運動方向A1或第二運動方向A2上擺動，第一運動方向A1及第二運動方向A2例如相互垂直且不相互干擾。同時，萬向接頭121具有體積小、容易安裝及多軸向運動的特性，因此適合用在需要多個自由度動作的手指裝置110上。

當指段112同時於第一運動方向A1及第二運動方向A2上擺動時，指段112的運動軌跡例如為一圓錐形(同時進行左右擺動和前後蜷曲運動)，當指段112單獨於第一運動方向A1或第二運動方向A2上擺動，指段112的運動軌跡例如為扇形(進行左右擺動或前後蜷曲運動)，因此，各指段112皆可依照需求獨立運動，且各指段112的運動方向不會相互干擾。此外，手指裝置110更可藉由各個指段112間的關節的蜷曲運動而增加更多的自由度。

另外，在一種實施例中，請參照第4A、4B及4C圖的機械手掌100，位於中間的手指裝置111只執行伸直及蜷曲的動作，故只設有單一個致動器，而位於兩側的手指裝置110則還可以執行指距D調整的動作，故各別設有兩個致動器。當多個手指裝置110、111同時運動時，各個手指裝置110、111的致動器可獨立控制或由單一手掌控制器(圖未繪示)統一控制，並且各指段112可相互配合以進行伸直、打開、閉合、蜷曲及抓取物體等動作，以模仿人手指蜷曲與/或指距調整等的動作，進而提高機械手掌100的靈活度。

由上述的說明可知，本發明上述實施例的手指裝置及機械手掌，可克服習知的機械手因自由度不足，僅能做簡單的抓取，而 難以實現適形抓取各種物體的動作的問題。此外，本發明上述實施例的手指裝置及機械手掌的體積可縮小，克服習知的機械手的機構空間有限，難以在有限的機構空間內實現使用微小電機與傳動元件進行直接驅動的問題，且能產生模仿人手指捲曲與指距調整的動作，進而提高機械手掌的靈活度。

綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。

110:手指裝置

112:指段

1121:端部

113:手指基座

114:第一轉向控制機構

115:蝸桿

116:蝸輪

117:第一致動器

124:第二致動器

Claims (11)

1. 一種手指裝置，包括：一指段；一手指基座，該手指基座連接該指段的一端部；一第一轉向控制機構，設置於該手指基座；一第一致動器，用以提供一第一運動力矩至該第一轉向控制機構，其中該第一轉向控制機構可轉動地連接於該第一致動器與該手指基座之間，該第一運動力矩經由該第一轉向控制機構及該手指基座而傳送至該指段，使該指段及該手指基座具有一第一運動方向的自由度；一第二轉向控制機構，設置於該手指基座；一萬向接頭，連接該第二轉向控制機構；以及一第二致動器，用以提供一第二運動力矩至該萬向接頭，其中該萬向接頭可轉動地連接於該第二致動器與與該第二轉向控制機構之間，該第二運動力矩經由該萬向接頭及該第二轉向控制機構傳送至該指段，使該指段具有一第二運動方向的自由度。
2. 如請求項1所述之手指裝置，其中該第一轉向控制機構包括一蝸桿以及一蝸輪，該蝸桿及該蝸輪嚙合，該蝸桿設置於該第一致動器的驅動軸上，該蝸輪設置於該手指基座上。
3. 如請求項2所述之手指裝置，其中該指段及該手指基座以該蝸輪為中心於該第一運動方向上擺動。
4. 如請求項1所述之手指裝置，其中該第一轉向控制機構包括一第一斜齒輪以及一第二斜齒輪，該第一斜齒輪與該第二斜齒輪嚙合，該第一斜齒輪連接該第一致動器，該第二斜齒輪連接該手指基座。
5. 如請求項4所述之手指裝置，其中該指段及該手指基座以該第二斜齒輪為中心於該第一運動方向上擺動。
6. 如請求項1所述之手指裝置，其中該第二轉向控制機構包括一第一斜齒輪以及一第二斜齒輪，該第一斜齒輪與該第二斜齒輪嚙合，該第一斜齒輪連接該萬向接頭，該第二斜齒輪連接該指段。
7. 如請求項6所述之手指裝置，其中該指段以該第二斜齒輪為中心於該第二運動方向上擺動。
8. 如請求項1所述之手指裝置，其中該第二轉向控制機構包括一蝸桿以及一蝸輪，該蝸桿及該蝸輪嚙合，該蝸桿設置於該第二致動器的驅動軸上，該蝸輪設置於該指段上。
9. 如請求項8所述之手指裝置，其中該指段以該蝸輪為中心於該第二運動方向上擺動。
10. 一種機械手掌，包括：一手掌基座；以及複數個如請求項1至9其中之一所述的手指裝置，設置於該手掌基座上，其中該些手指裝置的擺動以及蜷曲運動分別經由該第一致動器及該第二致動器控制。
11. 如請求項10所述之機械手掌，其中該第一運動方向與該第二運動方向相互垂直。

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