CN112123358B - 可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，属于机器人、自动化技术领域，双驱动五杆滑块并联机构的曲柄转动电机和摇杆的铰链座移动的丝杠电机协同，丝杠正反转动使四根摇杆的两个铰链座相向或北向背向直线移动，与并联机构的四根曲柄转动组合，使四手指均向机械手中心运动，四根手指部件安装在连杆或摇杆上，捏取被抓物体；且对于水平放置圆柱体、球体、椭球体这些曲面形状的被抓物体，手指侧面接近、或较小接触力接触到被抓物体后机械手运动前，通过软轴驱动指尖部分转动，在被抓物体侧底处勾取，从而大大减少捏取的夹持力、并可靠抓取。

Description

可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手

技术领域

本发明涉及机器人、自动化应用技术领域，尤其是一种可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手。

背景技术

抓取机械手又称末端执行器、末端抓持器，是机器人抓取物体的操作工具。由于抓取对象的复杂性，除了一些造价高昂、装置复杂的仿人灵巧机械手外，其余末端执行器并不能通用地、可靠地抓取不同类别的对象。就接触状态看，为了适应长方体、圆柱体、球体等被抓物体形状的不同，需要手指的指根部位进行转位，以便手指接触面更好地适应不同形状的被抓物体，这个转位动作是手掌的基本功能。

对于农产品、食品等抓取对象，由于尺寸变化与形状不一(物形)、软硬韧脆(物性)和距离密疏与相互叠放(物态)的原因，适配而有一定通用性的末端执行器就更难以实现。

为此，授权专利“手指变位并转位的双驱动曲柄摇杆滑块并联机构手掌式机械手”(专利号：201710220457.7)，提出了一种“并联机构手掌式机械手”的方案。该机械手有四指，其中一根手指是固定的，采用并联的二套曲柄摇杆滑块并联机构使得另外二根动手指变位并转位(变位与转位的关系是唯一的，即动手指的坐标位置确定了动手指的转位角度)，靠二电机协同驱动并联机构手掌选择最终手指的位姿而夹持物体，并且选择动手指的运动轨迹以避障。

经算法测试、样机制作、抓取试验及性能分析等流程，得出该机械手的缺陷是：①靠单个固定手指来定位抓取物体，机械手与机械臂的基准不重合，机械手坐标原点与大小物体质心的偏移量大，机械手偏心力距较大；②靠单手指来定位抓取物体，由于机械臂定位精度，抓取过程中被抓物体有一点移动；③二根动手指而不是三根手指同时向被抓物体运动，夹紧过程的效率低；④双驱动五杆滑块并联机构驱动二手指变位，因其x、y坐标所确定的位置上转位的角度是确定的，被抓物体的曲面接触而采用横截面为平面的手指，或被抓物体的平面接触而采用横截面为曲面的手指，同时垂直抓取圆柱体与长方体的通用性不够好。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，适用范围较广、灵活性好、抓取可靠、敏捷。

本发明所采用的技术方案如下：一种可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，包括底板、电机、联轴器、大平行带座轴承、正反螺纹丝杠、正螺纹丝杠螺母、直角板滑块、导轨座、铰链轴、耐磨垫圈、从动摇杆、主动摇杆、连杆、销轴、短手指座、手指部件、开槽曲柄、齿轮盖板、带蜗轮减速器步进电机、主动齿轮、平键、驱动轴、长套筒、带座轴承、直线滑座、从动轴、直线导轨、锥孔齿轮、锥套、扁圆螺母、小带座轴承、短导向螺柱、反螺纹丝杠螺母、中手指座、厚垫块、长短导向螺柱、U形安装板、锥齿轮支撑板、电机行星轮减速器、大锥齿轮、小锥齿轮、小锥齿轮轴、小平行带座轴承和软轴部件；手指部件的组成零件是指根、铰链芯轴、指尖；软轴部件的组成零件是圆锥压头、滚花螺母套、软轴体；

包括位于同一平面上的前左、前右、后左、后右这四个杆件尺寸相同的曲柄摇杆机构，带蜗轮减速器步进电机驱动的四个曲柄的角位移相等，前左和前右的摇杆铰链同轴、固定在前面的直角板滑块上、后左和后右的摇杆铰链同轴、固定在后面的直角板滑块上；电机驱动正反螺纹丝杠使两个直角板滑块以相等速度相向靠近或反向远离，摇杆铰链移动形成并联机构；

二根直线导轨的两端各由两个导轨座固定，四个导轨座安装在底板上，二根直线导轨同轴安装，直线滑座穿过直线导轨而直线移动，直角板滑块固定在直线滑座上；与二根直线导轨平行的正反螺纹丝杠上有正螺纹丝杠螺母和反螺纹丝杠螺母；

正螺纹丝杠螺母和反螺纹丝杠螺母分别固定在两个直角板滑块上，在直线导轨导向下，电机驱动正反螺纹丝杠带动正螺纹丝杠螺母和反螺纹丝杠螺母，使两个直角板滑块实现相向抓持或背向松持直线移动；二根铰链轴分别靠螺母固定在两个直角板滑块上，铰链轴上穿过从动摇杆和主动摇杆上的孔，从动摇杆左右侧均有耐磨垫圈，从动摇杆和主动摇杆在铰链轴上旋向相反的相对转动；

主动摇杆的水平面上同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，主动摇杆与左侧的连杆靠销轴铰链联结，销轴的导向圆柱面直径与主动摇杆的宽腰形槽宽度间隙配合，销轴螺母拧紧后销轴和主动摇杆成一体，连杆厚度上有间隙，连杆可以在销轴中相对主动摇杆转动；移动销轴位置螺母固定后，可以手工调节摇杆的工作长度；连杆的另一端与开槽曲柄通过销轴铰链联结，开槽曲柄也同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，同主动摇杆与连杆联结原理一样，用来调节手工开槽曲柄的工作偏心距；

主动的开槽曲柄的另一端套在驱动轴上，靠螺钉紧固在驱动轴一端的削扁面上，传递驱动轴转动扭矩；驱动轴装有开槽曲柄、长套筒、两个带座轴承、主动齿轮，驱动轴另一端的削扁圆柱段间隙配合地插进带蜗轮减速器步进电机驱动轴的孔内，带蜗轮减速器步进电机通过这削扁圆柱段传递扭矩到驱动轴，驱动轴上的平键将扭矩传递到主动齿轮上；修磨长套筒轴向尺寸，可调节主动齿轮的轴向位置；一个带座轴承固定在齿轮盖板上，被抓持物体产生轴向的重力由驱动轴的轴肩面传递到这个带座轴承的内圈承受，同轴心线的另一个带座轴承固定在底板，齿轮盖板由两个短导向螺柱和底板联结成整体结构，短导向螺柱两端均为与相应孔间隙配合的圆柱面，再用螺母拧紧而不是短导向螺柱旋紧在底板和齿轮盖板上；

从动轴由带座轴承和小带座轴承支撑，带座轴承和小带座轴承分别固定在齿轮盖板和底板上，轴向由从动轴的轴肩面、锥孔齿轮、锥套，扁圆螺母构成转动体；主动齿轮与锥孔齿轮啮合，锥孔齿轮孔内有锥套，旋紧扁圆螺母，从而通过圆锥接触面的斜锲作用，将扭矩传递到从动轴上；从动的开槽曲柄的另一端套在从动轴上，靠螺钉紧固在从动轴一端的削扁面上，从动轴转动扭矩再传递给从动的开槽曲柄；反向拧松扁圆螺母，锥孔齿轮和锥套脱开，可以调节主动的开槽曲柄和从动的开槽曲柄之间的相位角；

连杆上开有腰型槽，腰形槽的宽度与短手指座螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座可以在连杆的腰形槽任意位置、且短手指座可以相对连杆转动任意角度，再用螺母固定在连杆上；短手指座上装有手指部件；

位于机械手左侧的前左、后左两个曲柄摇杆机构是主动的曲柄摇杆机构，位于机械手右侧的前右、后右两个曲柄摇杆机构是从动的曲柄摇杆机构；一个短手指座安装在左侧的连杆上，也有一个中手指座对应安装在右侧的连杆；短手指座、中手指座上的四个手指部件的结构和尺寸完全相同，短手指座、中手指座这四个安装手指部件的平面共面；

主动摇杆上安装短手指座，从动摇杆上安装中手指座；主动摇杆的窄腰形槽的宽度与短手指座螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座安装在主动摇杆的腰形槽任意位置，短手指座可以相对主动摇杆转动任意角度，再用螺母固定在主动摇杆；主动的连杆比主动摇杆的位置高，从动的连杆比从动摇杆的位置高，安装手指部件的安装面上垫上厚垫块，短手指座、中手指座这四个安装手指部件的平面共面。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述正反螺纹丝杠两端靠大平行带座轴承支撑，大平行带座轴承固定在底板上，电机固定在底板上，电机和正反螺纹丝杠之间靠联轴器联结。

所述U形安装板上开设有与机器人本体相联结的孔系，U形安装板通过四根长短导向螺柱固定在底板上实现锥齿轮支撑板和底板的连接。

所述手指部件的指根固定在短手指座或中手指座上，指根与指尖靠铰链芯轴形成铰链联结，指尖与铰链芯轴过盈配合、指根与铰链芯轴间隙配合，指根与指尖与被抓物体接触面均粘贴橡胶，指尖上有左右两个凸起翘翅，限制指尖相对指根向外转动的极限角度为零度，即为伸直状态、也是手指的初始状态；铰链芯轴一个外端有锥孔，软轴体的另一头的圆锥压头***这个锥孔、靠滚花螺母套压紧而传递扭矩；

在捏取方式中靠指尖或指根夹持被抓物体，复杂结构：驱动软轴部件使指尖相对于指根是伸直状态，也是手指的初始状态；或者简单结构：卸除软轴部件，由于重力作用，指尖相对于指根是伸直状态。

所述U形安装板固定在锥齿轮支撑板上，电机行星轮减速器固定在锥齿轮支撑板，大锥齿轮套在电机行星轮减速器输出轴上并用螺钉、垫片固定；四根小锥齿轮分别靠紧定螺钉压紧在小锥齿轮轴轴端的平面上，每根小锥齿轮轴由两个小平行带座轴承支撑，八个小平行带座轴承均固定在锥齿轮支撑板上；每根小锥齿轮轴的另一轴端均有锥孔，软轴部件的软轴体一头的圆锥压头***这个锥孔、靠滚花螺母套压紧而传递扭矩；两个圆锥压头与一个软轴体辊压固定在一起，软轴体上套有相反方向的两个滚花螺母套，形成联结一体的软轴部件；

勾取方式中，通过锥齿轮机构和软轴部件的传动，电机行星轮减速器驱动四个小锥齿轮轴、使四根指尖同步转动，从侧面下部勾取水平放置圆柱体或球体或椭球体；

通过控制机械臂的高度，以及协同控制机械手上的三个电机，有三种勾取方式：指根不接触被抓物体，指尖从下部勾取物体的方式；对于软脆的被抓物体，指根刚刚接触被抓物体、接触力为零或较小，指尖从下部勾取物体的方式；对重量大的被抓物体，指根接触力较大，同时指尖从下部勾取物体的方式，更加可靠抓持。

通过手动调节，可以改变：①通过调整连杆两端的销轴在从动摇杆、主动摇杆、开槽曲柄上的位置，实现改变从动摇杆、主动摇杆、开槽曲柄工作长度，②松开扁圆螺母，通过调节锥孔齿轮与锥套之间的相位角，调整左右侧曲柄相对直线导轨轴心线的不对称程度，③四个短手指座或中手指座分别在四个连杆上的位置，④四个短手指座或中手指座分别在四个连杆上的角度，⑤四个短手指座或中手指座分别在二个从动摇杆、二个主动摇杆上的位置，⑥四个短手指座或中手指座分别在二个从动摇杆、二个主动摇杆上的角度，共六种手工调整途径；这六种途径可单独改变，或以任何组合方式改变，形成具体实施方式。

本发明的有益效果如下：

①形状的适应性：两步进电机的驱动协同，对于长方体、圆柱体、球体、椭球体等形状适应性好。

②尺寸适应性：机械手有四个手指，通过手动调节，可以改变曲柄偏心距、四个手指分别在两个连杆或摇杆上的位置和角度，尺寸适应性好。

③操作灵活性：手工调节后四个运动手指的自动抓取，抓取过程机械手的定位坐标原点不变。

④抓取敏捷性：驱动滑块移动的丝杠步进电机主要起定位作用，驱动曲柄转动的带蜗轮减速器步进电机主要起抓持作用，曲柄转动角位移迅速。

⑤使用节能性：曲柄转动采用蜗轮蜗杆机构减速器自锁，滑块直线运动采用丝杠螺母机构自锁，抓持过程中两驱动步进电机断电。

⑥抓取可靠性：对于水平放置圆柱体、球体、椭球体这些曲面形状的被抓物体，手指侧面接近、或较小接触力接触到被抓物体后机械手运动前，通过软轴驱动指尖部分转动，在被抓物体侧底处勾取，从而大大减少捏取的夹持力并可靠抓取。

附图说明

图1为本发明并联机构手掌机械手的A-A剖视展开图。

图2为本发明并联机构手掌机械手的仰视图。

图3为本发明并联机构手掌机械手的B-B剖视展开图。

图4为本发明并联机构手掌机械手的C向局部放大图。

图5为本发明并联机构手掌机械手的D-D局部视剖放大图。

图6为本发明并联机构手掌机械手的手指部件左视图。

图7为本发明并联机构手掌机械手的手指部件主视图。

图8为本发明并联机构手掌机械手的手指部件右剖视图。

图9为本发明并联机构手掌机械手的软轴部件主剖视图。

图10为本发明并联机构手掌机械手的直角板滑块零件主剖视图。

图11为本发明并联机构手掌机械手的铰链轴零件主视图。

图12为本发明并联机构手掌机械手的主动摇杆零件剖视图。

图13为本发明并联机构手掌机械手的主动摇杆零件主视图。

图14为本发明并联机构手掌机械手的连杆零件剖视图。

图15为本发明并联机构手掌机械手的连杆零件主视图。

图16为本发明并联机构手掌机械手的驱动轴零件主视图。

图17为本发明并联机构手掌机械手的从动轴零件主视图。

图18为本发明并联机构手掌机械手的短手指座零件右视图。

图19为本发明并联机构手掌机械手的短手指座零件主视图。

图20为本发明并联机构手掌机械手的短手指座零件左视图。

图21为本发明并联机构手掌机械手的中手指座零件右视图。

图22为本发明并联机构手掌机械手的中手指座零件主视图。

图23为本发明并联机构手掌机械手的中手指座零件左视图。

图24为本发明并联机构手掌机械手的手指部件16的指尖16c零件左视图。

图25为本发明并联机构手掌机械手的手指部件16的指尖16c零件主视图。

图26为本发明并联机构手掌机械手的手指部件16的指尖16c零件剖视图。

图27为本发明并联机构手掌机械手连杆平动方式从前后方向捏取大长方体、大直径水平放置圆柱体的实施例。

图28为本发明并联机构手掌机械手连杆平动方式从前后方向捏取小长方体、小直径水平放置圆柱体的实施例。

图29为本发明并联机构手掌机械手连杆平动方式从左右方向捏取薄长方体、小直径水平放置圆柱体的实施例。

图30为本发明并联机构手掌机械手连杆平动方式从左右方向捏取厚长方体、大直径水平放置圆柱体的实施例。

图31为本发明并联机构手掌机械手垂直捏取垂直放置圆柱体的位姿。

图32为本发明并联机构手掌机械手垂直捏取垂直放置圆柱体的另一位姿。

图33为本发明并联机构手掌机械手垂直大尺寸的勾取球体或水平放置圆柱体的指根非接触方式。

图34为本发明并联机构手掌机械手垂直小尺寸的勾取球体或水平放置圆柱体的指根非接触方式。

图35为本发明并联机构手掌机械手垂直勾取大尺寸的球体或水平放置圆柱体的指根接触方式。

其中：1、底板；2、电机；3、联轴器；4、大平行带座轴承；5、正反螺纹丝杠；6、正螺纹丝杠螺母；7、直角板滑块；8、导轨座；9、铰链轴；10、耐磨垫圈；11、从动摇杆；12、主动摇杆；13、连杆；14、销轴；15、短手指座；16、手指部件；17、开槽曲柄；18、齿轮盖板；19、带蜗轮减速器步进电机；20、主动齿轮；21、平键；22、驱动轴；23、长套筒；24、带座轴承；25、直线滑座；26、从动轴；27、直线导轨；28、锥孔齿轮；29、锥套；30、扁圆螺母；31、小带座轴承；32、短导向螺柱；33、反螺纹丝杠螺母；34、中手指座；35、厚垫块；36、长短导向螺柱；37、U形安装板；38、锥齿轮支撑板；39、电机行星轮减速器；40、大锥齿轮；41、小锥齿轮；42、小锥齿轮轴；43、小平行带座轴承；44、软轴部件。手指部件16中，16a、指根；16b、铰链芯轴16c、指尖。软轴部件44中，44a、圆锥压头；44b、滚花螺母套；44c、软轴体。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如附图1-5所示，本发明可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，包括底板1、电机2、联轴器3、大平行带座轴承4、正反螺纹丝杠5、正螺纹丝杠螺母6、直角板滑块7、导轨座8、铰链轴9、耐磨垫圈10、从动摇杆11、主动摇杆12、连杆13、销轴14、短手指座15、手指部件16、开槽曲柄17、齿轮盖板18、带蜗轮减速器步进电机19、主动齿轮20、平键21、驱动轴22、长套筒23、带座轴承24、直线滑座25、从动轴26、直线导轨27、锥孔齿轮28、锥套29、扁圆螺母30、小带座轴承31、短导向螺柱32、反螺纹丝杠螺母33、中手指座34、厚垫块35、长短导向螺柱36、U形安装板37、锥齿轮支撑板38、电机行星轮减速器39、大锥齿轮40、小锥齿轮41、小锥齿轮轴42、小平行带座轴承43和软轴部件44。其中，手指部件16的组成零件是指根16a、铰链芯轴16b、指尖16c；软轴部件44组成零件是圆锥压头44a、滚花螺母套44b、软轴体44c。

如附图1-5所示，本发明可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，包括位于同一平面上的前左、前右、后左、后右这四个杆件尺寸相同的曲柄摇杆机构，带蜗轮减速器步进电机19驱动的四个曲柄的角位移相等，前左和前右的摇杆铰链同轴、固定在前面的直角板滑块7上、后左和后右的摇杆铰链同轴、固定在后面的直角板滑块7上；电机2驱动正反螺纹丝杠5使两个直角板滑块7以相等速度相向靠近或反向远离，摇杆铰链移动形成并联机构；

二根直线导轨27的两端各由两个导轨座8固定，四个导轨座8安装在底板1上，二根直线导轨27是同轴安装的，直线滑座25穿过直线导轨27而直线移动，直角板滑块7固定在直线滑座25上；与二根直线导轨27平行的正反螺纹丝杠5上有正螺纹丝杠螺母6和反螺纹丝杠螺母33，正反螺纹丝杠5两端靠大平行带座轴承4支撑，大平行带座轴承4固定在底板1上，电机2固定在底板1上，电机2和正反螺纹丝杠5之间靠联轴器3联结；

正螺纹丝杠螺母6和反螺纹丝杠螺母33分别固定在两个直角板滑块7上，因此在直线导轨27导向下，电机2驱动正反螺纹丝杠5、带动正螺纹丝杠螺母6和反螺纹丝杠螺母33，使两个直角板滑块7相向抓持或背向松持直线移动；二根铰链轴9分别靠螺母固定在两个直角板滑块7上，铰链轴9上穿过从动摇杆11和主动摇杆12上的孔，从动摇杆11左右侧均有耐磨垫圈10，从动摇杆11和主动摇杆12在铰链轴9上旋向相反的相对转动；

主动摇杆12的水平面上同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，主动摇杆12与左侧的连杆13靠销轴14铰链联结，销轴14的导向圆柱面直径与主动摇杆12的宽腰形槽宽度间隙配合，销轴14螺母拧紧后销轴14和主动摇杆12成一体，连杆13厚度上有间隙，连杆13可以在销轴14中相对主动摇杆12转动；移动销轴14位置螺母固定后，可以手工调节摇杆的工作长度；连杆13的另一端与开槽曲柄17通过销轴14铰链联结，开槽曲柄17也同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，同主动摇杆12与连杆13联结原理一样，用来调节手工开槽曲柄17的工作偏心距；

主动的开槽曲柄17的另一端套在驱动轴22上，靠螺钉紧固在驱动轴22一端的削扁面上，传递驱动轴22转动扭矩；驱动轴22装有开槽曲柄17、长套筒23、两个带座轴承24、主动齿轮20，驱动轴22另一端的削扁圆柱段间隙配合地插进带蜗轮减速器步进电机19驱动轴的孔内，带蜗轮减速器步进电机19通过这削扁圆柱段传递扭矩到驱动轴22，驱动轴22上的平键21将扭矩传递到主动齿轮20上；修磨长套筒23轴向尺寸，可调节主动齿轮20的轴向位置；一个带座轴承24固定在齿轮盖板18上，被抓持物体产生轴向的重力由驱动轴22的轴肩面传递到这个带座轴承24的内圈承受，同轴心线的另一个带座轴承24固定在底板1，齿轮盖板18由两个短导向螺柱32和底板1联结成整体结构，短导向螺柱32两端均为与相应孔间隙配合的圆柱面，再用螺母拧紧而不是短导向螺柱32旋紧在底板1和齿轮盖板18上；

从动轴26由带座轴承24和小带座轴承31支撑，带座轴承24和小带座轴承31分别固定在齿轮盖板18和底板1上，轴向由从动轴26的轴肩面、锥孔齿轮28、锥套29，扁圆螺母30构成转动体；主动齿轮20与锥孔齿轮28啮合，锥孔齿轮28孔内有锥套29，旋紧扁圆螺母30，从而通过圆锥接触面的斜锲作用，将扭矩传递到从动轴26上；从动的开槽曲柄17的另一端套在从动轴26上，靠螺钉紧固在从动轴26一端的削扁面上，从动轴26转动扭矩再传递给从动的开槽曲柄17；反向拧松扁圆螺母30，锥孔齿轮28和锥套29脱开，可以调节主动的开槽曲柄17和从动的开槽曲柄17之间的相位角，亦即：主动的开槽曲柄17和从动的开槽曲柄17可以在水平面方向左右对称，也可以左右不对称；

连杆13上开有腰型槽，腰形槽的宽度与短手指座15螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座15可以在连杆13的腰形槽任意位置、且短手指座15可以相对连杆13转动任意角度，再用螺母固定在连杆13上；短手指座15上装有手指部件16；

如附图2所示，位于机械手左侧的前左、后左两个曲柄摇杆机构是主动的曲柄摇杆机构，位于机械手右侧的前右、后右两个曲柄摇杆机构是从动的曲柄摇杆机构；一个短手指座15安装在左侧的连杆13上，也有一个中手指座34对应安装在右侧的连杆13；短手指座15、中手指座34上的四个手指部件16的结构和尺寸完全相同，本机械手的结构须保证短手指座15、中手指座34这四个安装手指部件16的平面共面；

如附图1、3中的双点划线所示，主动摇杆12和从动摇杆11上也可以分别安装短手指座15和中手指座34；主动摇杆12的窄腰形槽的宽度与短手指座15螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座15也可以在主动摇杆12的腰形槽任意位置、且短手指座15可以相对主动摇杆12转动任意角度，再用螺母固定在主动摇杆12，同样一个中手指座34对应安装从动摇杆11上；由于主动的连杆13比主动摇杆12的位置高，从动的连杆13比从动摇杆11的位置高，因此在主动摇杆12安装一个短手指座15和在从动摇杆11安装一个中手指座34后，安装手指部件16的安装面上都要垫上厚垫块35，才能保证短手指座15、中手指座34这四个安装手指部件16的平面共面；

正反螺纹丝杠5两端靠大平行带座轴承4支撑，大平行带座轴承4固定在底板1上，电机2固定在底板1上，电机2和正反螺纹丝杠5之间靠联轴器3联结。

U形安装板37上开设有与机器人本体相联结的孔系，U形安装板37通过四根长短导向螺柱36固定在底板1上实现锥齿轮支撑板38和底板1的连接。

手指部件16的指根16a固定在短手指座15或中手指座34上，指根16a与指尖16c靠铰链芯轴16b形成铰链联结，指尖16c与铰链芯轴16b过盈配合、指根16a与铰链芯轴16b间隙配合，指根16a与指尖16c与被抓物体接触面均粘贴橡胶，指尖16c上有左右两个凸起翘翅，限制指尖16c相对指根16a向外转动的极限角度为零度(手指伸直状态、也是手指的初始状态)，铰链芯轴16b一个外端有锥孔，软轴体44c的另一头的圆锥压头44a***这个锥孔、靠滚花螺母套44b压紧而传递扭矩；

在捏取方式中靠指尖16c或指根16a夹持被抓物体，复杂结构：驱动软轴部件44使指尖16c相对于指根16a是伸直状态，也是手指的初始状态；或者简单结构：卸除软轴部件44，由于重力作用，指尖16c相对于指根16a是伸直状态。

如图4所示，U形安装板37固定在锥齿轮支撑板38上，电机行星轮减速器39固定在锥齿轮支撑板38，大锥齿轮40套在电机行星轮减速器39输出轴上并用螺钉、垫片固定；四根小锥齿轮41分别靠紧定螺钉压紧在小锥齿轮轴42轴端的平面上，每根小锥齿轮轴42由两个小平行带座轴承43支撑，八个小平行带座轴承43均固定在锥齿轮支撑板38上；每根小锥齿轮轴42的另一轴端均有锥孔，软轴部件44的软轴体44c一头的圆锥压头44a***这个锥孔、靠滚花螺母套44b压紧而传递扭矩；两个圆锥压头44a与一个软轴体44c辊压固定在一起，软轴体44c上套有相反方向的两个滚花螺母套44b，形成联结一体的软轴部件44；

勾取方式中，通过锥齿轮机构和软轴部件44的传动，电机行星轮减速器39驱动四个小锥齿轮轴42、使四根指尖16c同步转动，从侧面下部勾取水平放置圆柱体或球体或椭球体；

通过控制机械臂的高度，以及协同控制机械手上的三个电机，有三种勾取方式：指根16a不接触被抓物体，指尖16c从下部勾取物体的方式；对于软脆的被抓物体，指根16a刚刚接触被抓物体、接触力为零或较小，指尖16c从下部勾取物体的方式；对重量大的被抓物体，指根16a接触力较大，同时指尖16c从下部勾取物体的方式，更加可靠抓持。

通过手动调节，可以改变：①通过调整连杆13两端的销轴14在从动摇杆11、主动摇杆12、开槽曲柄17上的位置，实现改变从动摇杆11、主动摇杆12、开槽曲柄17工作长度，②松开扁圆螺母30，通过调节锥孔齿轮28与锥套29之间的相位角，调整左右侧曲柄相对直线导轨27轴心线的不对称程度，③四个短手指座15或中手指座34分别在四个连杆上的位置，④四个短手指座15或中手指座34分别在四个连杆上的角度，⑤四个短手指座15或中手指座34分别在二个从动摇杆11、二个主动摇杆12上的位置，⑥四个短手指座15或中手指座34分别在二个从动摇杆11、二个主动摇杆12上的角度，共六种手工调整途径；这六种途径可单独改变，或以任何组合方式改变，形成具体实施方式。

下面为本发明的工作原理及工作过程：

如图5所示，同步驱动四根曲柄的同一平面的齿轮系中，两个主动齿轮20和两个锥孔齿轮28的模数、齿数均相等，两个主动齿轮20是正变位齿轮、且齿顶高系数大，两个锥孔齿轮28是负变位齿轮、且齿顶高系数小；主动齿轮20啮合的一对齿轮的中心距较大，主动齿轮20与锥孔齿轮28啮合的二对齿轮的中心距较小，两个主动齿轮20上和二根驱动轴22上各两个键槽的相位角有或无加工匹配(有加工匹配，变位系数小，主动齿轮20齿顶圆直径大于中心距，齿顶在轮齿缝隙中相对移动而不干涉；无加工匹配，变位系数大，主动齿轮20齿顶圆直径小于中心距，两个齿轮的齿顶圆之间有间隙而不干涉)；因此，两个锥孔齿轮28之间没有干涉，在同一平面的齿轮系中实现了四根曲柄角位移相等，达到结构简单的轻量化效果。

如图在所述同一平面的齿轮系中，机械手的定位坐标原点O，为主动齿轮20与锥孔齿轮28这二对相啮合齿轮副节点连线的中点。

对于长方体、垂直放置圆柱体，垂直抓取的机械手的每个手指部件16均处于伸直状态，只能采用手指夹持的捏取方式；对于水平放置圆柱体、球体、椭球体这些曲面形状的被抓物体，垂直抓取的机械手不仅可采用捏取方式，还可以在手指侧面接触被抓物体后，通过软轴驱动指尖部分转动，在被抓物体侧底处勾取，从而大大减少捏取的夹持力、并可靠抓取。

本发明可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，实施过程中，除了电机2、带蜗轮减速器步进电机19协同控制，到达最终的抓取位姿、抓取物体之外，电机2、带蜗轮减速器步进电机19还可以与机械臂一起、协同控制手指的运动轨迹，避免手指干涉其他物体，如紧密靠近的多个被抓物体的抓取。

通过手动调节，可以改变：①通过调整连杆13两端的销轴14在从动摇杆11、主动摇杆12、开槽曲柄17上的位置，实现改变从动摇杆11、主动摇杆12、开槽曲柄17工作长度，②松开扁圆螺母30，通过调节锥孔齿轮28与锥套29之间的相位角，调整左右侧曲柄相对直线导轨27轴心线的不对称程度，③四个短手指座15或中手指座34分别在四个连杆上的位置，④四个短手指座15或中手指座34分别在四个连杆上的角度，⑤四个短手指座15或中手指座34分别在二个从动摇杆11、二个主动摇杆12上的位置，⑥四个短手指座15或中手指座34分别在二个从动摇杆11、二个主动摇杆12上的角度，共六种手工调整途径；这六种途径可单独改变，或以任何组合方式改变，形成具体实施方式。

如图27-28所示，靠电机2、带蜗轮减速器步进电机19的协同控制，采用连杆13平动方式，从而实现四指从前后方向自动捏取大或小长方体、大或小直径水平放置圆柱体的一种实施例；抓取大小物体时，最终抓取位姿是四个短手指座15均平动而不转动，过程中四指的运动轨迹可以不同，图27-28中的双点画线表示的是被抓物体。

如图29-30所示，将四个短手指座15分别转动九十度再固定后，靠电机2、带蜗轮减速器步进电机19的协同控制，采用连杆平动方式，从左右方向自动捏取薄或厚长方体、小或大直径水平放置圆柱体的另一种实施例；抓取大小物体时，最终抓取位姿同样是四个短手指座15均平动而不转动，过程中四指的运动轨迹可以不同，图29-30中的双点画线表示的是被抓物体。

图31-32所示，本发明并联机构手掌机械手垂直捏取同一垂直放置圆柱体的二种位姿的接触状态，捏取方式靠夹持产生的摩擦力克服被抓物体的重力、因此接触力大；图31-32中的双点画线表示的是被抓物体。

通过控制电机行星轮减速器39的输出角位移，及按照本发明并联机构手掌机械手机械臂的高度，指根16a的运动不会干涉支撑平面，其勾取方式有两种：①如图33所示的指根16a非接触方式，垂直勾取大尺寸的球体或水平放置圆柱体的位姿的指根16a非接触被抓物体方式、以及如图34所示的垂直勾取小尺寸的球体或水平放置圆柱体的位姿的指根16a非接触状态，四个指根16a的变位与转位的定位精度可很低，勾取方式靠托举的接触力直接克服被抓物体的重力、接触力小，定位控制简单，且手指封闭、可靠性高；②如图35所示的指根16a和指尖16c均接触被抓物体方式，垂直勾取大尺寸的球体或水平放置圆柱体的位姿的指根16a接触状态，接触力最小，可靠性最高；图33-35中的双点画线表示的是被抓物体。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.一种可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，其特征在于：包括底板(1)、电机(2)、联轴器(3)、大平行带座轴承(4)、正反螺纹丝杠(5)、正螺纹丝杠螺母(6)、直角板滑块(7)、导轨座(8)、铰链轴(9)、耐磨垫圈(10)、从动摇杆(11)、主动摇杆(12)、连杆(13)、销轴(14)、短手指座(15)、手指部件(16)、开槽曲柄(17)、齿轮盖板(18)、带蜗轮减速器步进电机(19)、主动齿轮(20)、平键(21)、驱动轴(22)、长套筒(23)、带座轴承(24)、直线滑座(25)、从动轴(26)、直线导轨(27)、锥孔齿轮(28)、锥套(29)、扁圆螺母(30)、小带座轴承(31)、短导向螺柱(32)、反螺纹丝杠螺母(33)、中手指座(34)、厚垫块(35)、长短导向螺柱(36)、U形安装板(37)、锥齿轮支撑板(38)、电机行星轮减速器(39)、大锥齿轮(40)、小锥齿轮(41)、小锥齿轮轴(42)、小平行带座轴承(43)和软轴部件(44)；手指部件(16)的组成零件是指根(16a)、铰链芯轴(16b)、指尖(16c)；软轴部件(44)的组成零件是圆锥压头(44a)、滚花螺母套(44b)、软轴体(44c)；

包括位于同一平面上的前左、前右、后左、后右这四个杆件尺寸相同的曲柄摇杆机构，带蜗轮减速器步进电机(19)驱动的四个曲柄的角位移相等，前左和前右的摇杆铰链同轴、固定在前面的直角板滑块(7)上、后左和后右的摇杆铰链同轴、固定在后面的直角板滑块(7)上；电机(2)驱动正反螺纹丝杠(5)使两个直角板滑块(7)以相等速度相向靠近或反向远离，摇杆铰链移动形成并联机构；

二根直线导轨(27)的两端各由两个导轨座(8)固定，四个导轨座(8)安装在底板(1)上，二根直线导轨(27)同轴安装，直线滑座(25)穿过直线导轨(27)而直线移动，直角板滑块(7)固定在直线滑座(25)上；与二根直线导轨(27)平行的正反螺纹丝杠(5)上有正螺纹丝杠螺母(6)和反螺纹丝杠螺母(33)；

正螺纹丝杠螺母(6)和反螺纹丝杠螺母(33)分别固定在两个直角板滑块(7)上，在直线导轨(27)导向下，电机(2)驱动正反螺纹丝杠(5)带动正螺纹丝杠螺母(6)和反螺纹丝杠螺母(33)，使两个直角板滑块(7)实现相向抓持或背向松持直线移动；二根铰链轴(9)分别靠螺母固定在两个直角板滑块(7)上，铰链轴(9)上穿过从动摇杆(11)和主动摇杆(12)上的孔，从动摇杆(11)左右侧均有耐磨垫圈(10)，从动摇杆(11)和主动摇杆(12)在铰链轴(9)上旋向相反的相对转动；

主动摇杆(12)的水平面上同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，主动摇杆(12)与左侧的连杆(13)靠销轴(14)铰链联结，销轴(14)的导向圆柱面直径与主动摇杆(12)的宽腰形槽宽度间隙配合，销轴(14)螺母拧紧后销轴(14)和主动摇杆(12)成一体，连杆(13)厚度上有间隙，连杆(13)可以在销轴(14)中相对主动摇杆(12)转动；移动销轴(14)位置螺母固定后，可以手工调节摇杆的工作长度；连杆(13)的另一端与开槽曲柄(17)通过销轴(14)铰链联结，开槽曲柄(17)也同轴心线地铣削加工了两层宽窄不同的腰形槽，同主动摇杆(12)与连杆(13)联结原理一样，用来调节手工开槽曲柄(17)的工作偏心距；

主动的开槽曲柄(17)的另一端套在驱动轴(22)上，靠螺钉紧固在驱动轴(22)一端的削扁面上，传递驱动轴(22)转动扭矩；驱动轴(22)装有开槽曲柄(17)、长套筒(23)、两个带座轴承(24)、主动齿轮(20)，驱动轴(22)另一端的削扁圆柱段间隙配合地插进带蜗轮减速器步进电机(19)驱动轴的孔内，带蜗轮减速器步进电机(19)通过这削扁圆柱段传递扭矩到驱动轴(22)，驱动轴(22)上的平键(21)将扭矩传递到主动齿轮(20)上；修磨长套筒(23)轴向尺寸，可调节主动齿轮(20)的轴向位置；一个带座轴承(24)固定在齿轮盖板(18)上，被抓持物体产生轴向的重力由驱动轴(22)的轴肩面传递到这个带座轴承(24)的内圈承受，同轴心线的另一个带座轴承(24)固定在底板(1)，齿轮盖板(18)由两个短导向螺柱(32)和底板(1)联结成整体结构，短导向螺柱(32)两端均为与相应孔间隙配合的圆柱面，再用螺母拧紧而不是短导向螺柱(32)旋紧在底板(1)和齿轮盖板(18)上；

从动轴(26)由带座轴承(24)和小带座轴承(31)支撑，带座轴承(24)和小带座轴承(31)分别固定在齿轮盖板(18)和底板(1)上，轴向由从动轴(26)的轴肩面、锥孔齿轮(28)、锥套(29)，扁圆螺母(30)构成转动体；主动齿轮(20)与锥孔齿轮(28)啮合，锥孔齿轮(28)孔内有锥套(29)，旋紧扁圆螺母(30)，从而通过圆锥接触面的斜锲作用，将扭矩传递到从动轴(26)上；从动的开槽曲柄(17)的另一端套在从动轴(26)上，靠螺钉紧固在从动轴(26)一端的削扁面上，从动轴(26)转动扭矩再传递给从动的开槽曲柄(17)；反向拧松扁圆螺母(30)，锥孔齿轮(28)和锥套(29)脱开，可以调节主动的开槽曲柄(17)和从动的开槽曲柄(17)之间的相位角；

连杆(13)上开有腰型槽，腰形槽的宽度与短手指座(15)螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座(15)可以在连杆(13)的腰形槽任意位置、且短手指座(15)可以相对连杆(13)转动任意角度，再用螺母固定在连杆(13)上；短手指座(15)上装有手指部件(16)；

位于机械手左侧的前左、后左两个曲柄摇杆机构是主动的曲柄摇杆机构，位于机械手右侧的前右、后右两个曲柄摇杆机构是从动的曲柄摇杆机构；一个短手指座(15)安装在左侧的连杆(13)上，也有一个中手指座(34)对应安装在右侧的连杆(13)；短手指座(15)、中手指座(34)上的四个手指部件(16)的结构和尺寸完全相同，短手指座(15)、中手指座(34)这四个安装手指部件(16)的平面共面；

主动摇杆(12)上安装短手指座(15)，从动摇杆(11)上安装中手指座(34)；主动摇杆(12)的窄腰形槽的宽度与短手指座(15)螺纹端的一段圆柱面直径是间隙配合关系，短手指座(15)安装在主动摇杆(12)的腰形槽任意位置，短手指座(15)可以相对主动摇杆(12)转动任意角度，再用螺母固定在主动摇杆(12)；主动的连杆(13)比主动摇杆(12)的位置高，从动的连杆(13)比从动摇杆(11)的位置高，安装手指部件(16)的安装面上垫上厚垫块(35)，短手指座(15)、中手指座(34)这四个安装手指部件(16)的平面共面；

所述正反螺纹丝杠(5)两端靠大平行带座轴承(4)支撑，大平行带座轴承(4)固定在底板(1)上，电机(2)固定在底板(1)上，电机(2)和正反螺纹丝杠(5)之间靠联轴器(3)联结；

所述U形安装板(37)上开设有与机器人本体相联结的孔系，U形安装板(37)通过四根长短导向螺柱(36)固定在底板(1)上实现锥齿轮支撑板(38)和底板(1)的连接；

同步驱动四根曲柄的同一平面的齿轮系中，两个主动齿轮(20)和两个锥孔齿轮(28)的模数、齿数均相等，两个主动齿轮(20)是正变位齿轮、且齿顶高系数大，两个锥孔齿轮(28)是负变位齿轮、且齿顶高系数小；主动齿轮(20)啮合的一对齿轮的中心距较大，主动齿轮(20)与锥孔齿轮(28)啮合的二对齿轮的中心距较小，两个主动齿轮(20)上和二根驱动轴(22)上各两个键槽的相位角有或无加工匹配；有加工匹配，变位系数小，主动齿轮(20)齿顶圆直径大于中心距，齿顶在轮齿缝隙中相对移动而不干涉；无加工匹配，变位系数大，主动齿轮(20)齿顶圆直径小于中心距，两个齿轮的齿顶圆之间有间隙而不干涉；使得两个锥孔齿轮(28)之间没有干涉，在同一平面的齿轮系中实现四根曲柄角位移相等。

2.如权利要求1所述的可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，其特征在于：所述手指部件(16)的指根(16a)固定在短手指座(15)或中手指座(34)上，指根(16a)与指尖(16c)靠铰链芯轴(16b)形成铰链联结，指尖(16c)与铰链芯轴(16b)过盈配合、指根(16a)与铰链芯轴(16b)间隙配合，指根(16a)与指尖(16c)与被抓物体接触面均粘贴橡胶，指尖(16c)上有左右两个凸起翘翅，限制指尖(16c)相对指根(16a)向外转动的极限角度为零度，即为伸直状态、也是手指的初始状态；铰链芯轴(16b)一个外端有锥孔，软轴体(44c)的另一头的圆锥压头(44a)***这个锥孔、靠滚花螺母套(44b)压紧而传递扭矩；

在捏取方式中，靠指尖(16c)或指根(16a)夹持被抓物体，复杂结构：驱动软轴部件(44)使指尖(16c)相对于指根(16a)是伸直状态，也是手指的初始状态；或者简单结构：卸除软轴部件(44)，由于重力作用，指尖(16c)相对于指根(16a)是伸直状态。

3.如权利要求1所述的可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，其特征在于：所述U形安装板(37)固定在锥齿轮支撑板(38)上，电机行星轮减速器(39)固定在锥齿轮支撑板(38)，大锥齿轮(40)套在电机行星轮减速器(39)输出轴上并用螺钉、垫片固定；四根小锥齿轮(41)分别靠紧定螺钉压紧在小锥齿轮轴(42)轴端的平面上，每根小锥齿轮轴(42)由两个小平行带座轴承(43)支撑，八个小平行带座轴承(43)均固定在锥齿轮支撑板(38)上；每根小锥齿轮轴(42)的另一轴端均有锥孔，软轴部件(44)的软轴体(44c)一头的圆锥压头(44a)***这个锥孔、靠滚花螺母套(44b)压紧而传递扭矩；两个圆锥压头(44a)与一个软轴体(44c)辊压固定在一起，软轴体(44c)上套有相反方向的两个滚花螺母套(44b)，形成联结一体的软轴部件(44)；

勾取方式中，通过锥齿轮机构和软轴部件(44)的传动，电机行星轮减速器(39)驱动四个小锥齿轮轴(42)、使四根指尖(16c)同步转动，从侧面下部勾取水平放置圆柱体或球体或椭球体；

通过控制机械臂的高度，以及协同控制机械手上的三个电机，有三种勾取方式：指根(16a)不接触被抓物体，指尖(16c)从下部勾取物体的方式；对于软脆的被抓物体，指根(16a)刚刚接触被抓物体、接触力为零或较小，指尖(16c)从下部勾取物体的方式；对重量大的被抓物体，指根(16a)接触力较大，同时指尖(16c)从下部勾取物体的方式，更加可靠抓持。

4.如权利要求1所述的可勾取和捏取的四指向心运动并联机构手掌机械手，其特征在于：通过手动调节，可以改变：①通过调整连杆(13)两端的销轴(14)在从动摇杆(11)、主动摇杆(12)、开槽曲柄(17)上的位置，实现改变从动摇杆(11)、主动摇杆(12)、开槽曲柄(17)工作长度，和/或②松开扁圆螺母(30)，通过调节锥孔齿轮(28)与锥套(29)之间的相位角，调整左右侧曲柄相对直线导轨(27)轴心线的不对称程度，和/或③四个短手指座(15)或中手指座(34)分别在四个连杆上的位置，和/或④四个短手指座(15)或中手指座(34)分别在四个连杆上的角度，和/或⑤四个短手指座(15)或中手指座(34)分别在二个从动摇杆(11)、二个主动摇杆(12)上的位置，和/或⑥四个短手指座(15)或中手指座(34)分别在二个从动摇杆(11)、二个主动摇杆(12)上的角度。

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