CN108098804A - 仿人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手技术领域，公开了一种仿人机械手，包括手掌组件、第一手指组件、多个第二手指组件；第一手指组件和多个第二手指组件均通过连接件活动连接在手掌组件上，多个第二手指组件并排设置，第一手指组件与其中一个第二手指组件相对设置；第一手指组件和第二手指组件各设有两个指节，每个指节通过一个驱动单元单独驱动；第一手指组件与第二手指组件在驱动单元的驱动下能实现抓握运动。本发明提供的仿人机械手，可实现抓握、捏、提等动作，满足日常使用需求；机械手每个指节均由一个电机单独驱动，能在机械手工作时提供足够的驱动力，增大指节间的弯曲度和抓握力，提升机械手抓握性能。

Description

仿人机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别是涉及一种仿人机械手。

背景技术

作为机器人与环境相互作用的最后环节，机器人末端操作器直接影响机器人的可操作性能和智能化水平。作为机器人末端操作器的多指机器人使得工业机器人在非结构环境中与目标物体近距离安全接触。多指仿人型灵巧手对于服务型机器人在特殊环境诸如危险品检测、设备检修、水下作业、空间站物品搬运及装配、残障辅助等领域具有重要应用价值。

多指机器人灵巧手可以代替人手来执行复杂的任务，故要求灵巧手具有与人手相似的大小和活动能力，目前的机械手通常采用钢丝传动或腱传动，如专利号为CN105291134A的专利存在如下缺陷和不足：

1、采用腱传动方式，使得机械手需要实现力矩与运动的耦合；此外，钢丝自身刚度有限，会影响手指位置的精度，进而加大控制难度。

2、机械手的弯曲度和抓握力较小，不能满足较大负载需求，且不能很好地适应不同形状的被抓取物。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种仿人机械手，以解决现有的仿人机械手控制精度低、抓握力较小的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种仿人机械手，包括：手掌组件、第一手指组件、多个第二手指组件；

所述第一手指组件和多个所述第二手指组件均通过连接件活动连接在所述手掌组件上，多个所述第二手指组件并排设置，所述第一手指组件与其中一个所述第二手指组件相对设置；所述第一手指组件和所述第二手指组件各设有两个指节，每个指节通过一个驱动单元单独驱动；所述第一手指组件与所述第二手指组件在所述驱动单元的驱动下能实现抓握运动。

其中，所述手掌组件包括主支撑件和控制板；所述主支撑件设有安装所述控制板的控制板安装部，以及安装所述连接件的连接件安装部。

其中，所述连接件包括第一连接件；所述第一连接件用于连接第一手指组件和所述手掌组件；所述第一连接件包括固定所述驱动单元的圆环和连接所述第一手指组件的圆板，所述圆环外壁与所述圆板通过连接臂连接为一体结构，所述驱动单元安装后与所述第一手指组件的转轴同轴或平行。

其中，所述第一手指组件包括第一指节、第二指节和锥齿轮传动单元；所述第一指节与所述第一连接件连接，一个所述驱动单元直接驱动所述第一指节相对所述第一连接件转动；所述第一指节与所述第二指节的连接处设有所述锥齿轮传动单元，另一个所述驱动单元的输出轴通过所述锥齿轮传动单元换向后驱动所述第二指节相对所述第一指节转动。

其中，所述连接件包括第二连接件；所述第二连接件用于连接所述第二手指组件和所述手掌组件；所述第二连接件上设有固定驱动单元的固定部，所述驱动单元固定后其输出轴与所述第二手指组件的转轴垂直。

其中，所述第二手指组件包括第三指节、第四指节和两个锥齿轮传动单元；所述第三指节与所述第二连接件的连接处设有一个锥齿轮传动单元，一个所述驱动单元通过所述锥齿轮传动单元驱动所述第三指节相对所述第二连接件转动；所述第三指节与所述第四指节的连接处设有另一个锥齿轮传动单元，另一个所述驱动单元通过所述锥齿轮传动单元驱动所述第四指节相对所述第三指节转动。

其中，所述第一手指组件和/或所述第二手指组件的指尖和/或指肚处设有压力传感器。

其中，所述压力传感器外粘贴有防滑垫。

其中，所述第一手指组件与所述第二手指组件的旋转连接处均设有电位器组件。

其中，所述第二手指组件为三个，所述第一手指组件与位于两侧的任意一个所述第二手指组件相对设置。

(三)有益效果

本发明提供的仿人机械手，每个手指均具有两个自由度，可实现抓握、捏、提等动作，实现机器人在日常生活中的应用需求；机械手手指的每个指节均由一个电机单独驱动，能在机械手工作时提供足够的驱动力，增大指节间的弯曲度和抓握力，使得手指的每个自由度在动作时，具有优良的抓握性能。

附图说明

图1为本发明实施例中机械手整体结构示意图；

图2为图1中的手掌组件结构***图；

图3为图1中第一手指组件结构示意图；

图4为图3的***示意图；

图5为图1中第二手指组件结构示意图；

图6为图5的***示意图；

图7为机械手控制功能图；

图中，1-手掌组件；101-手掌支撑板；1011-第一连接件安装部；1012-第二连接件安装部；102-手掌固定板；103-控制板；2-第一手指组件；201-第一指节；202、302-第一直齿锥齿轮；203、303-第二直齿锥齿轮；204、304-转轴；205-第二指节；206-薄膜压力传感器；207、307-防滑垫；3-第二手指组件；301-第三指节；305、第四指节；4-直流有刷电机；401-行星减速箱；50-第一连接件；501-连接臂；502-圆环；503-圆板；51-第二连接件；6-电位器组件；7-主控制器；8-机械手；9-旋转角度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“上”“下”“左”“右”“内”“外”等指示的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“固定”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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发明中的具体含义。

图1为本发明实施例中机械手整体结构示意图；图2为图1中的手掌组件结构***图；图3为图1中第一手指组件结构示意图；图4为图3的***示意图；图5为图1中第二手指组件结构示意图；图6为图5的***示意图；图7为机械手控制功能图。

如图1-6中所示，本发明实施例提供了一种仿人机械手的具体实施例。

如图1中所示，本实施例的仿人机械手包括：手掌组件1、第一手指组件2、多个第二手指组件3。

第一手指组件2和多个第二手指组件3均通过连接件活动连接在手掌组件1上，优选地，第二手指组件3为三个，即本实施例中采用四手指结构。多个第二手指组件3并排设置，作用类似食指、中指、无名指，第一手指组件2作用类似大拇指。第一手指组件2与其中一个第二手指组件3相对设置，本实施例中与食指相对设置。第一手指组件2和第二手指组件3各设有两个指节，每个指节通过驱动单元单独驱动。第一手指组件2与第二手指组件3在驱动单元驱动下能实现抓握运动。

如图2中所示，手掌组件1包括手掌支撑板101、手掌固定板102和控制板103。控制板103用于控制各驱动单元运动；手掌固定板102主要用于将机械手连接在机械手臂上，手掌支撑板101主要用于将各手指连接在手掌上。手掌支撑板101设有安装控制板103的控制板103安装部，以及安装连接件的连接件安装部。连接件包括第一连接件50和第二连接件51，第一连接件50用于连接第一手指组件2和手掌组件1，第二连接件51用于连接第二手指组件3和手掌组件1。因此，连接件安装部也分为连接第一连接件50的第一连接件50第一连接件50安装部1011，以及安装第二连接件51的第二连接件51第二连接件51安装部1012。第一连接件50第一连接件50安装部1011为一个突起的小平台，与第一连接件50中的连接臂501通过螺栓或螺钉固定。第二连接件51第二连接件51安装部1012为位于平面下端的一排连接孔。控制板103安装部为一个平面，控制板103通过螺栓或螺钉等紧固件固定在该平面上。

如图2中所示，第一连接件50包括固定驱动单元的圆环502和连接第一手指组件2的圆板503，圆环502外壁与圆板503通过连接臂501连接为一体结构，驱动单元安装后与第一指节201的转轴同轴或平行。同轴是指与第一指节201的转轴同轴，平行是指与第二指节205的转轴204平行。驱动单元包括电机和行星减速箱401。电机采用直流有刷电机4，直流有刷电机4连接行星减速箱401后，通过平头螺丝固定在第一连接件50的圆环502内，横向放置在第一手指组件2中第一指节201的内侧，行星减速箱401的输出轴从第一指节201和第一连接件50的一侧同心穿入，与第一指节201相接触的位置通过紧固件相连接，第一指节201另一侧连接旋转角度传感器9及其电路板。

如图3和图4中所示，第一手指组件2包括第一指节201、第二指节205和锥齿轮传动单元。锥齿轮传动单元包括第一直齿锥齿轮202和第二直齿锥齿轮203。第一指节201与第一连接件50转动连接，一个驱动单元直接驱动第一指节201相对第一连接件50转动。第一指节201与第二指节205的连接处设有锥齿轮传动单元，另一个驱动单元的输出轴通过锥齿轮传动单元换向后驱动第二指节205相对第一指节201转动。第一手指组件2与第二手指组件3的旋转连接处均设有电位器组件6，电位器组件6用于测量各指节的弯曲角度。每根手指指节的转轴均与旋转角度传感器同轴同心相连，可以及时检测指节角度变化，二者共同作用，使得机械手能够及时准确地动作，提高机械手的动作精度。

如图4中所示，第二指节205与第一指节201连接处的孔位同心对齐，第二直齿锥齿轮203固定在转轴204上，转轴204穿入第一指节201和第二指节205同心孔位中，转轴204一侧为圆形固定片，另一侧穿入旋转角度传感器及其电路板，旋转角度传感器及其电路板共同组成电位器组件6。旋转角度传感器用两个平头螺丝固定在第二指节205上，转轴204依次穿过第二指节205、第二直齿锥齿轮203、连接垫片、电位器组件6并固定。

行星减速箱401输出轴连接第一直齿锥齿轮202，第一直齿锥齿轮202与第二直齿锥齿轮203相啮合，带动第二指节205伸展与收缩。第一手指组件2的第一指节201可以与手掌最大呈90°弯曲夹角，第二指节205可以与第一指节201弯曲最大可以呈100°的夹角。

如图1、图5和6中所示，第二连接件51上设有固定驱动单元的固定部，驱动单元固定后其输出轴与第二手指组件3的转轴垂直。第二手指组件3包括第三指节301、第四指节305和两个锥齿轮传动单元。第三指节301与第二连接件51的连接处设有一个锥齿轮传动单元，一个驱动单元通过锥齿轮传动单元驱动第三指节301相对第二连接件51转动；第三指节301与第四指节305的连接处设有另一个锥齿轮传动单元，另一个驱动单元通过锥齿轮传动单元驱动第四指节305相对第三指节301转动。

具体地，直流有刷电机4配合行星减速箱401穿入第二连接件51的固定部固定。第三指节301的转轴304依次穿入第三指节301、第二连接件51、第一直齿锥齿轮302、连接垫片、电位器组件6并互相固定住。直流有刷电机4配合行星减速箱401由第四指节305上方***第三指节301和第四指节305的连接处，减速箱输出轴连接第一直齿锥齿轮302，转轴304穿入第三指节301、第四指节305、第二直齿锥齿轮303、连接垫片、手指电位器及电位器板并固定。

优选地，在第一手指组件2和第二手指组件3的指尖或指肚位置处设有压力传感器。具体地，第一指节201指肚位置处覆盖有薄膜压力传感器206，在第二指节205的指尖位置处设置有薄膜压力传感器206，第三指节301指肚位置处覆盖有薄膜压力传感器206，在第四指节305的指尖位置处设置有薄膜压力传感器206。通过设置压力传感器，可以稳定检测手指中受力，可以更敏锐地感知外力大小。更优选地，压力传感器外粘贴有防滑垫，例如第二指节的指尖处粘贴有防滑垫207，第四指节的指尖处粘贴有用橡胶制成的防滑垫307，设置防滑垫,不仅能增大机械手抓握过程中的摩擦力，增强机械手的抓握能力，而且能有效保护压力传感器。

如图7所示，该仿人机械手通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)通信接受整个机械***的主控制器7发送的控制信号，机械手9的控制板103通过控制各驱动单元，使得机械手8能完成如提、捏、抓等手部动作。动作过程中，指关节处的旋转角度传感器9通过测量转轴的旋转角度，并将所得数据传输给控制板103，再通过控制板103实现对驱动单元的调节控制，进而调整指节的旋转角度和速度，实现转速环的反馈功能；同时，薄膜压力传感器206获得指尖或指肚处的压力，并将压力信号传输至控制板103，实现压力的调节，作为电流环的反馈之一。传感器能辅助实现转矩的精确控制，实现抓握力度的调节，二者进行动作的校正，使得动作控制更加精准，传感器的设置实现了机械手的闭环控制。

本发明提供的仿人机械手，每个手指均具有两个自由度，可实现抓握、捏、提等动作，实现机器人在日常生活中的应用需求；机械手手指的每个指节均由一个电机单独驱动，能在机械手工作时提供足够的驱动力，增大指节间的弯曲度和抓握力，使得手指的每个自由度在动作时，具有优良的抓握性能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机械手，其特征在于，包括：手掌组件、第一手指组件、多个第二手指组件；

所述第一手指组件和多个所述第二手指组件均通过连接件活动连接在所述手掌组件上，多个所述第二手指组件并排设置，所述第一手指组件与其中一个所述第二手指组件相对设置；所述第一手指组件和所述第二手指组件各设有两个指节，每个指节通过一个驱动单元单独驱动；所述第一手指组件与所述第二手指组件在所述驱动单元的驱动下能实现抓握运动。

2.如权利要求1所述的仿人机械手，其特征在于，所述手掌组件包括主支撑件和控制板；所述主支撑件设有安装所述控制板的控制板安装部，以及安装所述连接件的连接件安装部。

3.如权利要求1所述的仿人机械手，其特征在于，所述连接件包括第一连接件；所述第一连接件用于连接第一手指组件和所述手掌组件；所述第一连接件包括固定所述驱动单元的圆环和连接所述第一手指组件的圆板，所述圆环外壁与所述圆板通过连接臂连接为一体结构，所述驱动单元安装后与所述第一手指组件的转轴同轴或平行。

4.如权利要求3所述的仿人机械手，其特征在于，所述第一手指组件包括第一指节、第二指节和锥齿轮传动单元；所述第一指节与所述第一连接件连接，一个所述驱动单元直接驱动所述第一指节相对所述第一连接件转动；所述第一指节与所述第二指节的连接处设有所述锥齿轮传动单元，另一个所述驱动单元的输出轴通过所述锥齿轮传动单元换向后驱动所述第二指节相对所述第一指节转动。

5.如权利要求1所述的仿人机械手，其特征在于，所述连接件包括第二连接件；所述第二连接件用于连接所述第二手指组件和所述手掌组件；所述第二连接件上设有固定驱动单元的固定部，所述驱动单元固定后其输出轴与所述第二手指组件的转轴垂直。

6.如权利要求5所述的仿人机械手，其特征在于，所述第二手指组件包括第三指节、第四指节和两个锥齿轮传动单元；所述第三指节与所述第二连接件的连接处设有一个锥齿轮传动单元，一个所述驱动单元通过所述锥齿轮传动单元驱动所述第三指节相对所述第二连接件转动；所述第三指节与所述第四指节的连接处设有另一个锥齿轮传动单元，另一个所述驱动单元通过所述锥齿轮传动单元驱动所述第四指节相对所述第三指节转动。

7.如权利要求1所述的仿人机械手，其特征在于，所述第一手指组件和/或所述第二手指组件的指尖和/或指肚处设有压力传感器。

8.如权利要求7所述的仿人机械手，其特征在于，所述压力传感器外粘贴有防滑垫。

9.如权利要求1-8任一项所述的仿人机械手，其特征在于，所述第一手指组件与所述第二手指组件的旋转连接处均设有电位器组件。

10.如权利要求1-8任一项所述的仿人机械手，其特征在于，所述第二手指组件为三个，所述第一手指组件与位于两侧的任意一个所述第二手指组件相对设置。