仿生三指機械手的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種仿生三指機械手，包括指根、指中、指尖三個關節組成手指，手指設置有三根，指尖通過第一轉軸與指中鉸接，指中通過第二轉軸與指根鉸接，手指驅動裝置通過驅動推桿驅動機構使指中和指尖進行聯動；還包括，用于安裝手指的圓柱形骨架，用于控制手指在水平方向進行旋轉的手掌控制裝置；安裝在指根與圓柱形骨架之間的手掌。本專利采用手指驅動裝置、手掌控制裝置的新型傳動方式，用國產化電機實現低成本設計完成高精度的控制需求；本實用新型的指尖控制由平行四邊形推桿驅動機構實現指中、指尖的固定比例搖擺，此設計傳遞效率高，傳動精度高，不會出現因打滑產生的傳動誤差。
【專利說明】
仿生三指機械手
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及仿生機器手技術領域，尤其是涉及一種仿生三指機械手。
【背景技術】
[0002]機器人飛速發展，已經成為工業4.0的核心技術之一，機械手是機器人與外界進行交互和操作的主要手段之一，起著不可替代的作用，特別是與人類的手一樣具有通用性和靈活性的靈巧手已迫在眉睫。
[0003]當前，很多文獻已經著力于機械手方面的研究，有針對具體問題的專用機械手，也有仿人手的5指機械手；比如:北航的bh系列手、清華的th系列手。但前者是針對具體操作對象而設計的專用性機械手，脫離具體目標后無法使用，無法充當機器人手這樣一個高度仿生的部件；后者性能并不能滿足通用、靈巧等實際需求。當然，有一些研究已經著力于仿生機械手的研究，比如國外的barretthand機械手。但是此機械手存在結構復雜、靈活性低、通用性差、力度掌控能力差等問題，尤其是對加工工藝、材料的耐磨性要求較高、對使用年限有較高限制的問題。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是為了克服已有技術的缺陷，基于barrettband機械手的外形，為了解決機器人手靈活性低、通用性差、力度掌控能力差等問題，提出一種仿生三指形封閉機械手。
[0005]為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的:
[0006]本實用新型提供的仿生三指機械手，包括:
[0007]手指，包括指根、指中、指尖、推桿驅動機構和手指驅動裝置，所述指尖通過第一轉軸與指中鉸接，所述指中通過第二轉軸與指根鉸接，所述推桿驅動機構包括安裝在指尖上的與所述第一轉軸連接的被動擺臂、安裝在第二轉軸上的與所述驅動結構嚙合連接的被動齒輪、安裝在指中上的與所述被動齒輪嚙合連接的主動擺臂以及分別與被動擺臂和主動擺臂相連接的兩根連桿;手指驅動裝置安裝在指根內部，手指驅動裝置通過驅動被動齒輪旋轉進而驅使指中和指尖的聯動；
[0008]圓柱形骨架，用于安裝所述手指；
[0009]手掌控制裝置，安裝于所述圓柱形骨架內，所述手掌控制裝置與所述指根連接;所述手掌控制裝置用于控制所述手指在水平方向進行旋轉；
[0010]手掌，安裝在指根與圓柱形骨架之間。
[0011]進一步的，所述手指驅動裝置包括電機、扭矩保護器、離合器、減速齒輪組、絲杠、滑塊和用于與被動齒輪嚙合連接的主動齒條;所述電機依次通過離合器、減速齒輪組驅動絲杠旋轉，所述滑塊安裝在絲杠上，所述主動齒條設置在滑塊上。
[0012]進一步的，所述手掌為矩形殼體。
[0013]進一步的，在所述手掌中心位置安裝有用于拍攝圖像的高清攝像頭。
[0014]進一步的，所述手掌的一組對角處分別設置有用于預判抓取目標或者環境深度信息的深度傳感器。
[0015]進一步的，所述指尖表面安裝有觸覺傳感器。
[0016]進一步的，所述手指包括一根安裝在圓柱形骨架的固定手指以及分別安裝在圓柱形骨架上并與手掌控制裝置連接的兩根活動手指。
[0017]進一步的，所述手掌控制裝置包括底盤以及安裝在所述底盤內的蝸桿、蝸輪、與蝸輪嚙合的第一齒輪以及通過齒輪系與蝸輪嚙合的第二齒輪;所述蝸桿驅動蝸輪旋轉，所述蝸輪驅動所述第一齒輪和第二齒輪旋轉。
[0018]進一步的，所述第一齒輪和第二齒輪分別與活動手指進行軸連接。
[0019]進一步的，還包括用于與外部機械臂連接的螺紋連接器，所述螺紋連接器安裝于所述圓柱形骨架底部。
[0020]相對于現有技術，本實用新型具有以下優勢:
[0021]1、采用手指驅動裝置、手掌控制裝置的新型傳動方式，用國產化電機實現低成本設計完成高精度的控制需求；
[0022]2、本實用新型的指尖控制由平行四邊形推桿驅動機構實現指中、指尖的固定比例搖擺，此設計傳遞效率高，傳動精度高，不會出現因打滑產生的傳動誤差；
[0023]3、本實用新型采用齒輪傳動、絲杠傳動、齒輪齒條組合實現斷電保護功能使得機械手成本進一步降低，效率進一步提升。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本實用新型【具體實施方式】或現有技術中的技術方案，下面將對【具體實施方式】或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1為本實用新型的結構不意圖；
[0026]圖2為本實用新型提供的手指的結構示意圖；
[0027]圖3為本實用新型提供的手掌控制裝置的結構示意圖；
[0028]其中:1、手指，2、圓柱形骨架，3、手掌控制裝置;4、手掌;5、第一轉軸，6、第二轉軸，
7、高清攝像頭，8、深度傳感器，9、觸覺傳感器，1、螺紋連接器，11、指根，12、指中，13、指尖，14、推桿驅動機構，15、手指驅動裝置，31、底盤，32、蝸桿，33、蝸輪，34、第一齒輪，35、第二齒輪，141、被動擺臂，142、被動齒輪，143、主動擺臂，144、連桿，151、電機，152、扭矩保護器，153、離合器，154、減速齒輪組，155、絲杠，156、滑塊。
【具體實施方式】
[0029]下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0030]在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0031]請參照圖1-圖3，本實用新型提供的仿生三指機械手，包括:手指1、圓柱形骨架2、手掌控制裝置3和手掌4;
[0032]所述手指I設置有三根具有三個關節的手指，包括一根安裝在圓柱形骨架2上的固定手指以及分別安裝在圓柱形骨架2上并與手掌控制裝置3活動連接的兩根活動手指，所述兩根活動手指可以在手掌控制裝置3驅動下進行旋轉;所述手掌4安裝在指根11與圓柱形骨架2之間。
[0033]請參照圖2，本實施例的手指I包括指根11、指中12、指尖13、推桿驅動機構14和手指驅動裝置15。
[0034]所述指尖13通過第一轉軸5與指中12鉸接，所述指中12通過第二轉軸6與指根11鉸接，所述推桿驅動機構14包括被動擺臂141、被動齒輪142、主動擺臂143以及兩根連桿144;
[0035]所述被動擺臂141安裝在指尖13上，被動擺臂141與第一轉軸5連接；
[0036]所述被動齒輪142安裝在第二轉軸6上，并且被動齒輪142與手指驅動裝置15嚙合連接；
[0037]所述主動擺臂143安裝在指中12上，主動擺臂143與所述被動齒輪142嚙合連接；
[0038]所述兩根連桿144分別與被動擺臂141和主動擺臂143相連接;優選地，將兩根連桿144分別設置在被動擺臂141和主動擺臂143左右兩側，形成平行四邊形機構實現對指尖13關節定傳動比的搖擺運動；
[0039]所述手指驅動裝置15安裝在指根11內部，手指驅動裝置15包括電機151、扭矩保護器152、離合器153、減速齒輪組154、絲杠155、滑塊156和用于與被動齒輪142嚙合連接的主動齒條;所述電機151采用伺服電機，伺服電機151依次通過扭矩保護器152、離合器153、減速齒輪組154驅動絲杠155旋轉，伺服電機151與減速齒輪組154之間采用離合器153，以保證手指抓緊并且壓力傳感器尚未動作時，電機151不會堵轉。所述滑塊156安裝在絲杠155上，滑塊156在絲杠155的帶動在做水平運動，所述主動齒條設置在滑塊156上，主動齒條與安裝在指中12上的被動齒輪142嚙合連接，該齒條將水平運動通過被動齒輪142轉變成指中12的旋轉擺動運動，所述指中12通過連桿144帶動指尖13進行聯動;實現手指的抓取動作。
[0040]本實施例中，指中12、指尖13的運動是由冋個電機151元成，因此手指傳動屬于欠驅動控制。由于扭矩保護器152的作用，手指不會因為繼續運行而損傷物體或電機151。同時，扭矩保護器152啟動后，由于系統自鎖的原因，機械手也不會因為物體的伸縮把手指彈回，從而實現了形封閉抓穩物體的功能。
[0041]本實施中，要實現指中12和指尖13這兩個關節的不同運動，則需要指中12和指尖13這兩個關節之間存在機械耦合。該耦合為角度耦合，即為指中12的相對固定部分指根11轉動140度時，末端關節指尖13轉動45度，角度比例為28/9，約為3.1倍。
[0042]作為一個優選實施例，本實施例中還包括指甲，所述指甲分別安裝在三根手指的指尖上。
[0043]本實施例的手掌控制裝置3安裝于所述圓柱形骨架2內，所述手掌控制裝置3與所述兩根活動手指的指根連接;所述手掌控制裝置3用于控制所述兩根活動手指在水平方向進行旋轉。
[0044]請參照圖3;具體的，所述手掌控制裝置3包括底盤31以及安裝在所述底盤31內的蝸桿32、蝸輪33、與蝸輪33嚙合的第一齒輪34以及通過齒輪系與蝸輪33嚙合的第二齒輪35;所述蝸桿32驅動蝸輪33旋轉，所述蝸輪33驅動所述第一齒輪34和第二齒輪35旋轉，所述第一齒輪34和第二齒輪35上分別與活動手指進行軸連接。所述第一齒輪34和第二齒輪35分別帶動活動手指的進行擺動，在表觀上即三個手指的擺放位置的改變，實現對不同目標抓取策略的轉變。
[0045]作為一個優選實施例，所述手掌4設置為矩形殼體，本領域技術人員均知，該手掌4并不局限于矩形，還可以根據實際應用情況設置為圓形、橢圓形、梯形等其他形狀，理應在本專利的保護范圍之內。
[0046]作為一個優選實施例，所述在手掌4中心位置安裝有用于拍攝圖像的高清攝像頭7;高清攝像頭7可以增強手指的抓取功能，利用其實現復雜抓取策略，設計基于圖像信息的多信息融合抓取策略；
[0047]作為一個優選實施例，所述手掌4的一組對角處分別設置有用于預判抓取目標或者環境深度信息的深度傳感器8。所述深度傳感器8可以預判抓取目標或者環境的深度信息，與圖像信息相結合，可以實現目標相對于機械手掌4的空間坐標。
[0048]作為一個優選實施例，所述指尖13表面安裝有觸覺傳感器9。所述觸覺傳感器9可以采集抓取物體時手指使用力的大小，以實現對易碎性物體的抓取，體現靈巧手的柔順性。
[0049]本實施例中提到的高清攝像頭7、深度傳感器8以及觸覺傳感器9，這三者的結合讓機械手更為精巧，可以更好的控制和設計抓取策略。
[0050]作為一個優選實施例，還包括用于與外部機械臂連接的螺紋連接器10，所述螺紋連接器10安裝于所述圓柱形骨架2底部。
[0051 ]作為一個優選實施例，為了更好的進行密封，防止腐蝕性液體、粉塵等對機械手內、外部構成損傷，集成在內部的電氣部分的發熱元器件使用機械手外殼進行散熱。
[0052]相對于現有技術，本實用新型具有以下優勢:
[0053]1、采用手指驅動裝置、手掌控制裝置的新型傳動方式，用國產化電機實現低成本設計完成高精度的控制需求；
[0054]2、本實用新型的指尖控制由平行四邊形推桿驅動機構實現指中、指尖的固定比例搖擺，此設計傳遞效率高，傳動精度高，不會出現因打滑產生的傳動誤差；
[0055]3、在barretthand機械手中利用蝸輪蝸桿傳動實現此功能，但蝸輪蝸桿32機械效率低，特別是具備自鎖的蝸輪蝸桿，正向機械效率η小于50 % ；蝸桿傳動齒面的螺旋線方向滑動速度很大，因此容易引起磨損和發熱，常用貴重的耐磨材料(如青銅合金)作蝸輪，而且還要有良好的潤滑和散熱條件;蝸桿的導程角小，故其螺旋角大，因此所受軸向力大，故其軸承結構也較復雜;本實用新型采用齒輪傳動、絲杠傳動、齒輪齒條組合實現斷電保護功能避免了以上諸多問題。使得靈巧手成本進一步壓低，效率進一步提升。
[0056]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸地連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0057]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種仿生三指機械手，其特征在于，包括: 手指，包括指根、指中、指尖、推桿驅動機構和手指驅動裝置;所述指尖通過第一轉軸與指中鉸接，所述指中通過第二轉軸與指根鉸接，所述推桿驅動機構包括安裝在指尖上的與所述第一轉軸連接的被動擺臂、安裝在第二轉軸上的與所述驅動結構嚙合連接的被動齒輪、安裝在指中上的與所述被動齒輪嚙合連接的主動擺臂以及分別與被動擺臂和主動擺臂相連接的兩根連桿;所述手指驅動裝置安裝在指根內部，手指驅動裝置通過驅動被動齒輪旋轉進而驅使指中和指尖的聯動； 圓柱形骨架，用于安裝所述手指； 手掌控制裝置，安裝于所述圓柱形骨架內，所述手掌控制裝置與所述指根連接;所述手掌控制裝置用于控制所述手指在水平方向進行旋轉； 手掌，安裝在指根與圓柱形骨架之間。2.根據權利要求1所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述手指驅動裝置包括電機、扭矩保護器、離合器、減速齒輪組、絲杠、滑塊和用于與被動齒輪嚙合連接的主動齒條;所述電機依次通過扭矩保護器、離合器、減速齒輪組驅動絲杠旋轉，所述滑塊安裝在絲杠上，所述主動齒條設置在滑塊上。3.根據權利要求2所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述手掌為矩形殼體。4.根據權利要求3所述的仿生三指機械手，其特征在于，在所述手掌中心位置安裝有用于拍攝圖像的高清攝像頭。5.根據權利要求4所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述手掌的一組對角處分別設置有用于預判抓取目標或者環境深度信息的深度傳感器。6.根據權利要求5所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述指尖表面安裝有觸覺傳感器。7.根據權利要求6所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述手指包括一根安裝在圓柱形骨架的固定手指以及分別安裝在圓柱形骨架上并與手掌控制裝置連接的兩根活動手指。8.根據權利要求7所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述手掌控制裝置包括底盤以及安裝在所述底盤內的蝸桿、蝸輪、與蝸輪嚙合的第一齒輪以及通過齒輪系與蝸輪嚙合的第二齒輪;所述蝸桿驅動蝸輪旋轉，所述蝸輪驅動所述第一齒輪和第二齒輪旋轉。9.根據權利要求8所述的仿生三指機械手，其特征在于，所述第一齒輪和第二齒輪分別與活動手指進行軸連接。10.根據權利要求1-9任一項所述的仿生三指機械手，其特征在于，還包括用于與外部機械臂連接的螺紋連接器，所述螺紋連接器安裝于所述圓柱形骨架底部。
【文檔編號】B25J13/00GK205415678SQ201620108398
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】宋永博, 席鉉洋, 楊愛龍, 喬紅, 鄒俊成, 趙向, 陳通翰, 雷凡
【申請人】中國科學院自動化研究所