CN109746934A - 一种直线超声电机驱动的机械灵巧手 - Google Patents

Abstract

一种直线超声电机驱动的机械灵巧手，它包括电机安装通道、前指节、中指节和根指节，其特征是所述的根指节通过虎克铰链与电机安装通道相连，中指节与根指节铰接相连，前指节与中指节铰接相连，在根指节与电机安装通道之间、中指节与根指节之间、前指节与中指节之间均安装有复位弹簧，前指节、中指节和根指节均连接有驱动轮，各驱动轮通过各自的驱动绳或驱动杆与安装在电机安装通道的驱动电机相连以实现各指节的弯曲变形；所述的虎克铰链的水平轴还连接有二力杆，二力杆由也安装在电机安装通道是的左右摆动电机、驱动并带动整个机械手左右摆动。本发明驱动大，结构紧凑，体积小，手指运动灵活。

Description

一种直线超声电机驱动的机械灵巧手

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其是一种机械手指技术，具体地说是一种直线超声电机驱动的机械灵巧手。

背景技术

近几十年来，科研人员和相关公司一直都在机械手的研究上做了巨大的投入，机械手不仅仅可以用于危险作业，还可以为残疾人士提供义肢。不管应用于什么领域，人们都希望机械手能够结构紧凑轻巧，能够提供尽可能大的力或力矩，能够提供精准姿态。从这四点来看，当今几乎没有任何一款机械手能达到此要求。究其原因，多是因为缺乏小而强劲的驱动源。传统电磁电机在小巧的基础上要有大扭矩必须加减速器，而减速器又增大了体积。近年来兴起的人工肌肉小巧强劲，但是难以控制，控制复杂，难以提供精确定位。而气动驱动又需要繁杂的气缸、阀门和管道，***更加复杂笨重。超声电机具有体积小功率密度高，无噪音，定位精准。已有旋转行波超声电机应用在机械手上，但是旋转行波超声电机能提供的力矩极其有限，几乎不能进行带负载操作。

为了解决上述问题，本发明提供了一种直线超声电机驱动的机械灵巧手能够提供高功率密度，且结构紧凑，定位精准，轻便小巧，运行无噪声，综合性能良好，具有很好的市场应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有的机械手指结构复杂，体积大的问题，设计一种驱动力大、结构紧凑，体积小的直线超声电机驱动的机械灵巧手。

本发明的技术方案是：

一种直线超声电机驱动的机械灵巧手，它包括电机安装通道5、前指节1、中指节2和根指节3，其特征是所述的根指节3通过虎克铰链11与电机安装通道5相连，中指节2与根指节3铰接相连，前指节1与中指节2铰接相连，在根指节3与电机安装通道5之间、中指节2与根指节3之间、前指节1与中指节2之间均安装有复位弹簧4，前指节1、中指节2和根指节3均连接有驱动轮，各驱动轮通过各自的驱动绳或驱动杆与安装在电机安装通道5的驱动电机相连以实现各指节的弯曲变形；所述的虎克铰链11的水平轴还连接有二力杆8，二力杆8由也安装在电机安装通道5是的左右摆动电机9驱动并带动整个机械手左右摆动。

所述的工型电机通道5之间有隔板以防止手指之间的直线电机有干涉。

所述前指节1上安装的前指节驱动轮6上缠绕有前指节驱动绳7，前指节驱动绳7的驱动端与前指节驱动电机10固定，前指节驱动电机10转动前指节驱动绳7，从而拉动前指节驱动轮6转动，最终带动前指节1弯曲变形，前指节驱动轮6上安装有前指节编码器18；根指节3上固定有根指节驱动轮19，中指节2上固定有中指节驱动轮20，根指节驱动绳14的一端缠绕定位在根指节驱动轮19上，它的另一端与根指节驱动电机13固连，根指节驱动轮19上安装有根指节编码器16；中指节驱动绳15的一端缠绕定位在中指节驱动轮20上，它的另一端与中指节驱动电机12固定相连，中指节驱动轮20上安装有中指节编码器17。

所述中指节驱动电机12、左右摆驱动电机9、前指节驱动电机10、根指节驱动电机13上均设置悬臂梁21，悬臂梁21上安装有柔性铰链22，悬臂梁21的下端与各自的驱动绳或驱动杆固连；柔性铰链22上还贴有应变片用来测量驱动绳或驱动杆的拉力。

所述驱动电机都是直线超声电机，包括尺蠖直线超声电机，纵弯模态复合型直线超声电机。

所述的编码器为贴片式编码器，以实现指节姿态信息的传感。

本发明的有益效果是：

单根手指利用直线超声电机直接拉动腱绳，从而驱动单手指的四自由度运动。

直线超声电机驱动的机械灵巧手能够提供高功率密度，且结构紧凑，定位精准，轻便小巧，运行无噪声，综合性能良好，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1为本发明的灵巧手总体图。

图2为本发明的详细部件左视图。

图3为本发明的手指根部结构示意图。

图4为本发明中隐藏左搓动原动杆后的结构示意图。

图5为本发明的根、中指节放大示意图。

图6为本发明的中指节驱动电机放大图。

图中：1为前指节；2为中指节；3为根指节；4为连接弹簧；5为工型电机通道；6为前指节驱动轮；7为前指节驱动绳；8为二力杆；9为左右摆驱动电机；10为前指节驱动电机；11为虎克铰链；12为中指节驱动电机；13为根指节超声电机；14为根指节驱动绳；15为中指节驱动绳；16为根指节编码器；17为中指节编码器；18为前指节编码器；19这根指节驱动轮；20为中指节驱动轮；21为悬臂梁；22为柔性铰链。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示。

一种直线超声电机驱动的机械灵巧手，整体结构如图1所示，每个手指包括一个电机安装通道5、前指节1、中指节2和根指节3，如图2所示，根指节3通过虎克铰链11与电机安装通道5相连（图3），中指节2与根指节3铰接相连，前指节1与中指节2铰接相连，在根指节3与电机安装通道5之间、中指节2与根指节3之间、前指节1与中指节2之间均安装有复位弹簧4，前指节1、中指节2和根指节3均连接有驱动轮，各驱动轮通过各自的驱动绳或驱动杆与安装在电机安装通道5的驱动电机相连以实现各指节的弯曲变形；所述的虎克铰链11的水平轴还连接有二力杆8，二力杆8由也安装在电机安装通道5是的左右摆动电机9驱动并带动整个机械手左右摆动。如图2所示。

为防止手指之间的直线电机有干涉，相邻的工型电机通道5之间有隔板，根指节3通过虎克铰链11与工型电机通道5铰接，中指节2与根指节3铰接，前指节1与中指节2铰接，前指节1与中指节2、中指节2与根指节3以及根指节3与工型电机通道5之间有弹簧4连接以保证机械手能够保持初始位置，前指节驱动轮6与前指节1固定，前指节驱动绳7末端与前指节驱动轮6固定，前指节驱动绳7的另一端与前指节驱动电机10固定，虎克铰链11的横向轴的一端与二力杆8铰接，二力杆8另一端与左右摆驱动电机9铰接，左右摆驱动电机9和前指节驱动电机10只能在工型电机通道5的一侧通道中运动。工型电机通道5的另外一侧通道内有中指节驱动电机12和根指节驱动电机13，中指节驱动电机12和根指节驱动电机13只能在工型电机通道5中运动，19固定在根指节3上，中指节驱动轮20固定在中指节2上（图5），根指节驱动绳14的一端与根指节驱动轮19固定，根指节驱动绳14的另外一端13固连，根指节编码器16安装在根指节驱动轮19上，15的一端与中指节驱动轮20固定，中指节驱动绳15的另外一端与中指节驱动电机12固定，中指节编码器17安装在中指节驱动轮20上，前指节编码器18安装在前指节1的旋转轴上，如图4所示。中指节驱动电机12上设置悬臂梁21，如图6所示，悬臂梁21上有柔性铰链22，悬臂梁21的下端与中指节驱动绳15固连。左右摆驱动电机9、前指节驱动电机10、根指节驱动电机13都和中指节驱动电机12一样设置悬臂梁21，悬臂梁21上有柔性铰链22，柔性铰链22上有应变片，前指节驱动绳7、根指节驱动绳14、中指节驱动绳15所经过的部件需开孔或槽以便前指节驱动绳7、根指节驱动绳14、中指节驱动绳15通过。

工作过程：工作时，通过左右摆驱动电机9拉动二力杆8，进而拉动根指节3实现手指左右摆动。通过前指节驱动电机10拉动前指节驱动绳7，进而拉动前指节1。通过根指节驱动电机13拉动根指节驱动绳14，进而拉动根指节3。通过中指节驱动电机12拉动中指节驱动绳15，进而拉动中指节2。通过前指节编码器18、中指节编码器17、根指节编码器16分别测量前指节1、中指节2、根指节3的角度，通过四个驱动电机的悬臂梁21上设置的柔性铰链22和柔性铰链22上贴附的应变片测量绳拉力，这样就可以完成位置和力的传感。手指松开时，驱动电机反向运动，通过弹簧4的恢复力使得指节恢复原来的姿态。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种直线超声电机驱动的机械灵巧手，它包括电机安装通道（5）、前指节（1）、中指节（2）和根指节（3），其特征是所述的根指节（3）通过虎克铰链（11）与电机安装通道（5）相连，中指节（2）与根指节（3）铰接相连，前指节（1）与中指节（2）铰接相连，在根指节（3）与电机安装通道（5）之间、中指节（2）与根指节（3）之间、前指节（1）与中指节（2）之间均安装有复位弹簧（4），前指节（1）、中指节（2）和根指节（3）均连接有驱动轮，各驱动轮通过各自的驱动绳或驱动杆与安装在电机安装通道（5）的驱动电机相连以实现各指节的弯曲变形；所述的虎克铰链（11）的水平轴还连接有二力杆（8），二力杆（8）由也安装在电机安装通道（5）是的左右摆动电机（9）驱动并带动整个机械手左右摆动。

2.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的机械灵巧手，其特征在于所述的工型电机通道5之间有隔板以防止手指之间的直线电机有干涉。

3.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的机械灵巧手，其特征在于所述前指节（1）上安装的前指节驱动轮（6）上缠绕有前指节驱动绳（7），前指节驱动绳（7）的驱动端与前指节驱动电机（10）固定，前指节驱动电机（10）转动前指节驱动绳（7），从而拉动前指节驱动轮（6）转动，最终带动前指节（1）弯曲变形，前指节驱动轮（6）上安装有前指节编码器（18）；根指节（3）上固定有根指节驱动轮（19），中指节（2）上固定有中指节驱动轮（20），根指节驱动绳（14）的一端缠绕定位在根指节驱动轮（19）上，它的另一端与根指节驱动电机（13）固连，根指节驱动轮19上安装有根指节编码器（16）；中指节驱动绳（15）的一端缠绕定位在中指节驱动轮（20）上，它的另一端与中指节驱动电机（12）固定相连，中指节驱动轮20上安装有中指节编码器（17）。

4.根据权利要求3所述的直线超声电机驱动的机械灵巧手，其特征在于所述中指节驱动电机（12）、左右摆驱动电机（9）、前指节驱动电机（10）、根指节驱动电机（13）上均设置悬臂梁（21），悬臂梁（21）上安装有柔性铰链（22），悬臂梁（21）的下端与各自的驱动绳或驱动杆固连；柔性铰链（22）上还贴有应变片用来测量驱动绳或驱动杆的拉力。

5.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的机械灵巧手，其特征在于:所述驱动电机都是直线超声电机，包括尺蠖直线超声电机，纵弯模态复合型直线超声电机。

6.根据权利要求4所述的直线超声电机驱动的机械灵巧手，其特征在于所述的编码器为贴片式编码器，以实现指节姿态信息的传感。