CN112025744A - 机械手指和机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械手指和机械手，涉及机械手技术领域，以解决现有机械指力感知能力不足、轨迹不确定、驱动传递效率低、不利于进行精细而复杂的操作的技术问题。该机械手指包括手指座、至少一个机械指节以及机械指尖，至少一个机械指节连接在手指座和机械指尖之间；还包括驱动装置，驱动装置的输出端连接至机械指节和机械指尖，用于驱动机械指节和机械指尖运动。本发明不仅使机械手指具有多方向、多维度的精确力/力矩感知，而且使机械手指的驱动传递更及时，运动轨迹更精确，使机械手能够在复杂工况下进行精细而复杂的操作。

Description

机械手指和机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种机械手指和机械手。

背景技术

随着工业化的发展，多指机械手作为操作机器人与外部环境的交互工具，得到了大力的发展。多指机械手与人手结构相仿，在工业环境下，它可代替人进行重复性工作以实现生产的机械化和自动化，能在危险环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于自动化生产制造、电子、汽车及电力等领域。

现阶段的多指机械手指，大都采用欠驱动的驱动形式，欠驱动***是指***的独立控制变量个数小于***自由度个数的一类非线性***。驱动电机布置于灵巧机械手底座内，指节通过滚轮及驱动绳进行驱动。

这种多指机械手指，指尖轨迹具有不确定性、驱动传递效率低，并且机械手结构庞大，不利于机械手进行精细而复杂的操作。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个问题，本发明提供一种机械手指和机械手，不仅能够使机械手指具有多方向、多维度的力感知和力矩感知，还能使机械手指进行复杂和精细的操作。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种机械手指，包括手指座、至少一个机械指节以及机械指尖，至少一个机械指节连接在手指座和机械指尖之间。

还包括驱动装置，驱动装置的输出端连接至机械指节和机械指尖，用于驱动机械指节和机械指尖运动。

在上述的机械手指中，可选的是，驱动装置包括第一驱动件和第二驱动件。

第一驱动件位于手指座中，第一驱动件的输出端连接至与手指座连接的机械指节；第二驱动件位于机械指节中，第二驱动件的输出端连接至与机械指节连接的机械指尖。

在上述的机械手指中，可选的是，机械指节有多个，多个机械指节包括与机械指尖连接的第一机械指节和多个第二机械指节，多个第二机械指节依次首尾连接在第一机械指节和手指座之间。

驱动装置包括第三驱动件，每个第二机械指节中均设置有第三驱动件，第三驱动件的输出端连接至与该第二机械指节连接的下一个第二机械指节。

在上述的机械手指中，可选的是，手指座和第二机械指节，相邻的第二机械指节，第二机械指节和第一机械指节以及第一机械指节和机械指尖均转动连接。

在上述的机械手指中，可选的是，手指座和第二机械指节的连接处，相邻的第二机械指节的连接处以及第二机械指节和第一机械指节的连接处均设置有第一转动连接件。

第一转动连接件具有第一转动轴，第一转动连接件沿第一转动轴的第一方向和第二方向转动，第一方向和第二方向分别为第一转动轴的周向上的两个相反的方向。

第一转动连接件沿第一方向转动的角度范围，以及第一转动连接件沿第二方向转动的角度范围均为0-90°。

在上述的机械手指中，可选的是，第一机械指节和机械指尖的连接处设置有第二转动连接件，第二转动连接件具有第二转动轴，第二转动连接件沿第二转动轴的第三方向和第四方向转动，第三方向和第四方向分别为第二转动轴的周向上的两个相反的方向。

第二转动连接件沿第三方向转动的角度范围为0-90°，第二转动连接件沿第四方向转动的角度范围为0-45°。

在上述的机械手指中，可选的是，第一驱动件和机械指节的连接处，第二驱动件和机械指尖的连接处以及第三驱动件和第一机械指节的连接处均设置有传动装置。

传动装置包括主动齿轮和与主动齿轮啮合的从动齿轮。

在上述的机械手指中，可选的是，机械指尖的端部具有指尖端面，指尖端面与机械指尖的轴向的夹角范围为30-60°。

在上述的机械手指中，可选的是，机械指尖的指尖端面上设置有转动件，转动件转动连接在指尖端面上。

转动件与指尖端面通过指尖转轴连接，指尖转轴为直轴或万向轴。

第二方面，本发明提供了一种机械手，包括多个上述机械指。

本发明提供的机械手指和机械手，该机械手指在手指座和机械指节中均设置驱动件，并且通过齿轮传动，进而分别驱动机械指节和机械指尖进行运动，使机械手指具备全驱动能力，在机械指节和机械指尖周向均设置多维力/力矩传感器，并且在机械指尖设置被动旋转装置。本发明通过上述设置，不仅使机械手指具有多方向、多维度的精确力/力矩感知，而且使机械手指的驱动传递更及时，运动轨迹更精确，最终使机械手能够在复杂工况下进行精细而复杂的操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的机械手指的组装状态的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机械手指的分解状态的结构示意图。

附图标记说明：

100-机械手指；

10-手指座；

20-机械指节；

30-机械指尖；

40-第一转动连接件；

41-第一固定部；

42-第一转动部；

50-第二转动连接件；

51-第二固定部；

52-第二转动部。

具体实施方式

在机械手领域，随着工业化的发展，多指机械手作为操作机器人与外部环境的交互工具，得到了大力的发展。现阶段的多指机械手，大都采用欠驱动的驱动形式，欠驱动***是指***的独立控制变量个数小于***自由度个数的一类非线性***。驱动电机布置于机械手底座内，指节通过滚轮及驱动绳进行驱动，这些驱动均属于带驱动，然而，现有的多指机械手指，指尖轨迹具有不确定性、驱动传递有迟滞现象，并且机械手结构庞大，不利于多指机械手进行精细而复杂的操作。

本发明提供了一种机械手指和机械手，该机械手指在手指座和机械指节中均设置驱动件，并且通过齿轮传动，进而分别驱动机械指节和机械指尖进行运动，使机械手指具备全驱动能力，在机械指节和机械指尖周向均设置多维力/力矩传感器，并且在机械指尖设置被动旋转装置。本发明通过上述设置，不仅使机械手指具有多方向、多维度的精确力/力矩感知，而且使机械手指的驱动传递更及时，运动轨迹更精确，最终使机械手能够在复杂工况下进行精细而复杂的操作。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的机械手指的组装状态的结构示意图；图2为本发明实施例提供的机械手指的分解状态的结构示意图。参照图1和图2所示，本发明实施例提供了一种机械手指。

机械手指100包括手指座10、至少一个机械指节20以及机械指尖30，至少一个机械指节20连接在手指座10和机械指尖30之间。

机械手指100还包括驱动装置，驱动装置的输出端连接至机械指节20和机械指尖30，用于驱动机械指节20和机械指尖30运动。

本发明实施例提供了一种只包括一个机械指节20的机械手指100，机械指节20的数量可以根据实际需要设置一个或多个，本发明对此不作限制。

如图1所示，机械手指100包括手指座10、机械指节20和机械指尖30，手指座10上的驱动装置的输出端和机械指节20连接，机械指节20上的驱动装置的输出端和机械指尖30连接，驱动装置的作用是驱动机械指节20和机械指尖30进行运动。

驱动装置的组成有：驱动电机、增量式编码器和减速箱，驱动电机带动减速箱，减速箱进行匹配转速和传递扭矩，进而驱动下一指节进行运动。增量式编码器将指节的位移转换成电信号，再把电信号转变成计数脉冲，驱动电机可以采用无刷直流电机、盘式无刷电机和舵机，本实施例驱动电机采用的是无刷直流电机，驱动电机可以根据用户需要进行选用，本发明对此不作限制。

其中，驱动装置包括第一驱动件和第二驱动件。第一驱动件位于手指座10中，第一驱动件的输出端连接至与手指座10连接的机械指节20；第二驱动件位于机械指节20中，第二驱动件的输出端连接至与机械指节20连接的机械指尖30。

驱动装置有第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件布置在手指座10中，第一驱动件的输出端与机械指节20连接并驱动机械指节20运动，第二驱动件布置在机械指节20中，第二驱动件的输出端与机械指尖30连接并驱动机械指尖30运动。

机械指节20有多个，多个机械指节20包括与机械指尖30连接的第一机械指节和多个第二机械指节，多个第二机械指节依次首尾连接在第一机械指节和手指座10之间。

驱动装置包括第三驱动件，每个第二机械指节中均设置有第三驱动件，第三驱动件的输出端连接至与该第二机械指节连接的下一个第二机械指节。

作为一种可实现的实施方式，机械手指100设置有多个机械指节20，多个机械指节20包括一个第一机械指节和多个第二机械指节。按照手指座10到机械指尖30的方向对多个第二机械指节进行排序，其中，手指座10和第一个第二机械指节连接，第一个第二机械指节和其余的第二机械指节依次首尾连接，最后一个第二机械指节和第一机械指节连接，第一机械指节和机械指尖30连接。每个第二机械指节中均设置有第三驱动件，第三驱动件的输出端与该第二机械指节连接的下一个第二机械指节连接并驱动下一机械指节进行运动。手指座10中的第一驱动件的输出端与第一个第二机械指节连接，并驱动第一个第二机械指节进行运动，最后一个第二机械指节的第三驱动件的输出端与第一机械指节连接并驱动第一机械指节运动，第一机械指节中的第二驱动件的输出端与机械指尖30连接并驱动机械指尖30运动。

其中，手指座10和第二机械指节，相邻的第二机械指节，第二机械指节和第一机械指节以及第一机械指节和机械指尖30均转动连接。

具体的，手指座10和第二机械指节的连接处，相邻的第二机械指节的连接处以及第二机械指节和第一机械指节的连接处均设置有第一转动连接件40。

手指座10和第二机械指节通过第一转动连接件40连接，第二机械指节和第二机械指节通过第一转动连接件40连接，第二机械指节和第一机械指节通过第一转动连接件40连接。

第一转动连接件40具有第一转动轴，第一转动连接件40沿第一转动轴的第一方向和第二方向转动，第一方向和第二方向分别为第一转动轴的周向上的两个相反的方向。

如图2所示，在本实施例中，手指座10上设置有第一转动连接件40的第一固定部41，第一固定部41上设置有第一转动轴，机械指节20上设置有第一转动连接件40的第一转动部42，第一转动部42带动机械指节20绕着第一转动轴转动，图2中的a方向表示“上”，b方向表示“下”。

第一转动连接件40沿第一方向转动的角度范围，以及第一转动连接件40沿第二方向转动的角度范围均为0-90°。第一转动部42带动机械指节20绕着第一转动轴转动，向“上”最大为90°，向“下”最大为90°，即机械指节20在朝“上”与朝“下”转动过程中，最大角度均为机械指节20轴线与手指座10轴线垂直。当第一转动连接件40向“下”转动角度为90°时，此时机械指节20为“握紧”状态，当第一转动连接件40向“上”转动角度为90°时，此时机械指节20为最大抓取状态。机械指节20根据实际工况在这个角度范围内进行自由调节，来达到最优抓取手指构型。

第一机械指节和机械指尖30的连接处设置有第二转动连接件50，第二转动连接件50具有第二转动轴，第二转动连接件50沿第二转动轴的第三方向和第四方向转动，第三方向和第四方向分别为第二转动轴的周向上的两个相反的方向。

第二转动连接件50沿第三方向转动的角度范围为0-90°，第二转动连接件50沿第四方向转动的角度范围为0-45°。

如图2所示，在本实施例中，机械指节20上设置有第二转动连接件50的第二固定部51，第二固定部51上设置有第二转动轴，机械指尖30上设置有第二转动连接件50的第二转动部52，第二转动部52带动机械指尖30绕着第二转动轴转动，转动方向为图2中的“上”和“下”两个方向。

第二转动部52带动机械指尖30绕着第二转动轴转动，向“上”最大为45°，向“下”最大为90°，即机械指尖30在朝“上”转动过程中，最大角度为机械指尖30轴线与机械指节20轴线夹角为45°；机械指尖30在朝“下”转动过程中，最大角度为机械指尖30轴线与机械指节20轴线夹角为90°。

当第二转动连接件40向“下”转动角度为90°时，此时机械指尖30为“握紧”状态，当第二转动连接件40向“上”转动角度为45°时，此时机械指尖30为最大抓取状态。机械指尖30根据实际工况在这个角度范围内进行自由调节，来达到最优抓取手指构型。

在本实施例中，第一驱动件和机械指节20的连接处，第二驱动件和机械指尖30的连接处以及第三驱动件和第一机械指节的连接处均设置有传动装置。具体的，传动装置包括主动齿轮和与主动齿轮啮合的从动齿轮。

第一驱动件和机械指节20通过齿轮进行传动，第一驱动件上设置主动齿轮，机械指节20上设置从动齿轮，第一驱动件通过主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮带动机械指节20运动。第二驱动件和机械指尖30通过齿轮进行传动，第二驱动件上设置主动齿轮，机械指尖30上设置从动齿轮，第二驱动件通过主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮带动机械指尖30运动。第三驱动件和第一机械指节通过齿轮进行传动，第三驱动件上设置主动齿轮，第一机械指节上设置从动齿轮，第三驱动件通过主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮带动第一机械指节运动。

齿轮传动和现有技术中使用的带传动相比，具有传动精度高、传动效率高、使用寿命长等优点，所以指节间的传动采用齿轮传动。

本实施例采用的是一级齿轮传动，在实际工作中也可以采用多级齿轮传动或者蜗轮蜗杆传动。

进一步地，机械指尖30的端部具有指尖端面，指尖端面与机械指尖30的轴向的夹角范围为30-60°。

如图2所示，在机械指尖30设置有指尖端面，指尖端面与机械指尖30的轴向夹角范围为30-60°，设置指尖端面的作用是使机械手可以实现精确的捏取动作，当二者夹角为45°时，机械手的精确捏取效果最优。

机械指尖30的指尖端面上设置有转动件，转动件转动连接在指尖端面上。转动件与指尖端面通过指尖转轴连接，指尖转轴为直轴或万向轴。

机械指尖30的指尖端面上设置有指尖转轴，指尖转轴可以为直轴或万向轴，在本实施例中，指尖转轴是直轴，转动件为转动圆盘，转动圆盘在指尖端面上绕着指尖转轴可以360°自由旋转。此外，指尖转轴还可以是万向轴，转动件为球体，球体绕着万向轴立体方向360°自由旋转。转动件的设置可以使机械手在抓取时，自由调整指尖端面与抓取物的接触面，使抓取过程更稳定。

在本实施例中，机械指节20和机械指尖30的壳体周向表面均设置有多维力/力矩传感器，其中机械指尖30的壳体上具有4个平面和4个弧面，在这8个面和机械指尖30的转动件的平面上均设置有多维力/力矩传感器，多维力/力矩传感器的设置使机械指节20和机械指尖30对外界的力信息与力矩信息的感知更精确，使机械手指100的抓取力分布更均匀，抓取过程更稳定。

在本实施例中，机械指节20壳体上设置有信号线出口，机械指节20和机械指尖30内部分别设置有第一信号线通道和第二信号线通道，机械指节20和机械指尖30中间分别设置有第一信号线孔和第二信号线孔，机械指尖30的第二信号线经过第二信号线通道，分别穿过第二信号线孔和第一信号线孔，在机械指节20内部和机械指节20的第一信号线汇合后，二者一起经过第一信号线通道，到达信号线出口后引出通向机械手控制端。

第二方面，本发明提供了一种机械手，包括多个上述机械手指100，多个机械手指100连接在同一机械手底座上构成机械手，该机械手通过机械手指100上的机械指尖30和机械指节20对抓取物进行多方向、多维度的力/力矩感知，通过机械手指100上的多个驱动装置驱动每个机械指节20和机械指尖30进行动作，通过机械指尖30的转动件来调整机械指尖30与抓取物的接触面，使机械手不仅具有多方向、多维度的力感知和力矩感知，还能使机械手进行复杂和精细的操作。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种机械手指，其特征在于，包括手指座、至少一个机械指节以及机械指尖，至少一个所述机械指节连接在所述手指座和所述机械指尖之间；

还包括驱动装置，所述驱动装置的输出端连接至所述机械指节和机械指尖，用于驱动所述机械指节和所述机械指尖运动。

2.根据权利要求1所述的机械手指，其特征在于，所述驱动装置包括第一驱动件和第二驱动件；

所述第一驱动件位于所述手指座中，所述第一驱动件的输出端连接至与所述手指座连接的所述机械指节；所述第二驱动件位于所述机械指节中，所述第二驱动件的输出端连接至与所述机械指节连接的所述机械指尖。

3.根据权利要求2所述的机械手指，其特征在于，所述机械指节有多个，多个所述机械指节包括与所述机械指尖连接的第一机械指节和多个第二机械指节，多个所述第二机械指节依次首尾连接在所述第一机械指节和所述手指座之间；

所述驱动装置包括第三驱动件，每个所述第二机械指节中均设置有第三驱动件，所述第三驱动件的输出端连接至与该所述第二机械指节连接的下一个所述第二机械指节。

4.根据权利要求3所述的机械手指，其特征在于，所述手指座和所述第二机械指节，相邻的所述第二机械指节，所述第二机械指节和所述第一机械指节以及所述第一机械指节和所述机械指尖均转动连接。

5.根据权利要求4所述的机械手指，其特征在于，所述手指座和所述第二机械指节的连接处，相邻的所述第二机械指节的连接处以及所述第二机械指节和所述第一机械指节的连接处均设置有第一转动连接件；

所述第一转动连接件具有第一转动轴，所述第一转动连接件沿所述第一转动轴的第一方向和第二方向转动，所述第一方向和所述第二方向分别为所述第一转动轴的周向上的两个相反的方向；

所述第一转动连接件沿所述第一方向转动的角度范围，以及所述第一转动连接件沿所述第二方向转动的角度范围均为0-90°。

6.根据权利要求4所述的机械手指，其特征在于，所述第一机械指节和所述机械指尖的连接处设置有第二转动连接件，所述第二转动连接件具有第二转动轴，所述第二转动连接件沿所述第二转动轴的第三方向和第四方向转动，所述第三方向和所述第四方向分别为所述第二转动轴的周向上的两个相反的方向；

所述第二转动连接件沿所述第三方向转动的角度范围为0-90°，所述第二转动连接件沿所述第四方向转动的角度范围为0-45°。

7.根据权利要求3所述的机械手指，其特征在于，所述第一驱动件和所述机械指节的连接处，所述第二驱动件和所述机械指尖的连接处以及所述第三驱动件和所述第一机械指节的连接处均设置有传动装置；

所述传动装置包括主动齿轮和与所述主动齿轮啮合的从动齿轮。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的机械手指，其特征在于，所述机械指尖的端部具有指尖端面，所述指尖端面与所述机械指尖的轴向的夹角范围为30-60°。

9.根据权利要求8所述的机械手指，其特征在于，所述机械指尖的所述指尖端面上设置有转动件，所述转动件转动连接在所述指尖端面上；

所述转动件与所述指尖端面通过指尖转轴连接，所述指尖转轴为直轴或万向轴。

10.一种机械手，其特征在于，包括多个权利要求1-9中任一项所述的机械手指。

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