CN117001706A - 一种机械灵巧手手指及灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械灵巧手手指及灵巧手，该机械灵巧手手指包括：手掌基座；手指指节，其包括依次连接的指根节、中指节与远指节；指根组件，其包括转动安装在所述手掌基座上的指根转轴、设置于所述指根转轴上并匹配安装所述指根节的球面轴承；弯曲传动机构，其包括主动锥齿轮、从动锥齿轮、指根传动件和屈指轴；侧摆传动机构，其包括安装在手掌基座上的侧摆驱动件、与所述侧摆驱动件连接的侧摆传动轴，所述侧摆传动轴在侧摆工作中与所述指根节保持接触。与现有技术相比，本发明可以满足灵巧手指关节的侧摆，弯曲，同时保证占据体积小的同时提供一定的抓握力和耐久性。

Description

一种机械灵巧手手指及灵巧手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种机械灵巧手手指及灵巧手。

背景技术

机器人灵巧手是一种具备高度灵活性和精确控制能力的机器人手部装置。它模仿人类手的结构和功能，具备多个关节和指节，并且能够实现精确的运动和抓取能力。根据驱动方式，灵巧手分为线驱和电动驱动两种。线驱的灵巧手结构紧凑、高灵敏度但耐久性和可靠性差，同时装配困难，目前无法应用在工业化生产中。而电动驱动的灵巧手具备耐久性和可靠性，但无法做到结构紧凑和高自由度。

灵巧手的手指根据关节可以分为近指关节、中指关节、远指关节。而目前机器人的指关节结构创新大多在中指关节和远指关节满足弯曲功能的传动结构上。例如专利CN101088721A公开的机器人灵巧手手指基关节机构，通过双带轮交叉传动，满足两个指节的解耦控制；而受限手部空间，大多数灵巧手手指可实现指节的弯曲，但是无法实现指节的侧摆。同时无法满足手的抓握力。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种机械灵巧手手指及灵巧手，以实现手指弯曲转动和侧向摆动这两个自由度的解耦，满足两个自由度的手指单独控制等。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种机械灵巧手手指，包括：

手掌基座；

手指指节，其包括依次连接的指根节、中指节与远指节；

指根组件，其包括转动安装在所述手掌基座上的指根转轴、设置于所述指根转轴上并匹配安装所述指根节的球面轴承；

弯曲传动机构，其包括主动锥齿轮、从动锥齿轮、指根传动件和屈指轴，所述从动锥齿轮固定套在所述指根转轴上，所述主动锥齿轮安装在所述手掌基座上，并与所述从动锥齿轮啮合，所述屈指轴固定安装在所述指根转轴上，并在弯曲转动工作中与固定连接在所述指根节上的所述指根传动件保持接触；

侧摆传动机构，其包括安装在手掌基座上的侧摆驱动件、与所述侧摆驱动件连接的侧摆传动轴，所述侧摆传动轴在侧摆工作中与所述指根节保持接触。

进一步的，所述指根传动件包括固定在指根节上的U型槽结构件，所述屈指轴伸入所述U型槽结构件内，并在弯曲转动工作中抵住所述U型槽结构件的侧壁，从而带动指根节随屈指轴一起弯曲转动。

更进一步的，所述屈指轴上还套设有轴承套筒，其与U型槽结构件两侧内壁接触，以带动指根节随屈指轴弯曲转动。

进一步的，当指根节呈竖立状态时，所述主动锥齿轮的转动中心轴线与所述屈指轴的中心轴线共线。

进一步的，所述手掌基座上还安装有弯曲电机，该弯曲电机的输出轴端与所述主动锥齿轮连接，并用于带动主动锥齿轮转动。

进一步的，所述侧摆传动轴包括与所述侧摆驱动件的输出轴相连接的侧摆转动支架、以及安装在所述侧摆转动支架上并位于同一平面内的两个传动轴承，所述传动轴承保持抵住所述指根节，以通过侧摆传动轴转动，带动指根节绕球面轴承侧摆。

更进一步的，所述指根节上还固定设有轴承压板(用于固定住球面轴承外圈)，所述传动轴承与所述轴承压板保持接触，当侧摆转动支架由侧摆驱动件带动转动时，所述传动轴承带动所述轴承压板与指根节随动侧摆。

进一步的，所述指根组件还包括用于防止指根转轴沿其轴向窜动的转轴紧固件。

更进一步的，所述转轴紧固件包括沿垂直指根转轴轴向加工于所述指根转轴侧表面的弧形槽、以及相对于所述手掌基座轴向固定并伸入所述弧形槽中的止动螺丝，在所述指根转轴的端部还安装有轴用卡环。

进一步的，所述指根节还依次连接中指节与远指节，所述中指节与指根节、所述远指节与所述中指节之间还分别转动连接以实现关节处的可弯曲。

本发明的技术方案之二提供了一种灵巧手，其包括如上任一所述的机械灵巧手手指。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可以满足灵巧手指关节的侧摆，弯曲，同时保证占据体积小的同时提供一定的抓握力和耐久性。核心转轴采用关节轴承(即球面轴承)设计，作为主要承力件，可以承受大冲击负载。

(2)实现手指弯曲转动和侧向摆动这两个自由度的解耦，满足两个自由度的手指单独控制，保证了灵活性。同时侧向摆动角度可以达到30°，可以扩大手掌包络线。

(3)采用锥齿轮传动保证手指控制精度高，力传动大，抓握力大。

(4)弯曲转动与侧摆的传动结构设计巧妙，小体积下实现了手指大范围的活动。

(5)利用关节轴承耐用性强，接触面大抗冲击特点，保证了手指关节的耐用。

附图说明

图1为本发明的灵巧手手指的主视结构示意图；

图2为本发明的灵巧手手指的左视结构示意图；

图3为本发明的弯曲传动机构部分的结构示意图；

图4为本发明的弯曲传动机构部分的剖视示意图；

图5为屈指轴部分的连接示意图；

图6为屈指轴与轴承套筒部分的俯视示意图；

图7为屈指轴与轴承套筒部分的连接示意图；

图8为主动锥齿轮的上方视角的安装示意图；

图9为主动锥齿轮的安装示意图；

图10为侧摆传动轴部分的示意图；

图11为侧摆传动轴部分的俯视示意图；

图12为侧摆传动机构的示意图；

图13为机器人指节部分的示意图；

图14为机器人指节部分的左视示意图；

图中标记说明：

1-手掌基座；

2-手指指节，21-指根节，22-中指节，23-远指节；

3-指根组件，31-指根转轴，32-球面轴承，33-弧形槽，34-止动螺丝，35-轴用卡环；

4-弯曲传动机构，41-主动锥齿轮，42-从动锥齿轮，43-指根传动件，44-屈指轴，45-轴承套筒，46-弯曲电机；

5-侧摆传动机构，51-侧摆电机，52-侧摆转动支架，53-传动轴承，54-轴承压板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

为实现手指弯曲转动和侧向摆动这两个自由度的解耦，满足两个自由度的手指单独控制等，本发明提供了一种机械灵巧手手指，其结构可参见图1至图14所示，包括：

手掌基座1；

手指指节2，其包括依次连接的指根节21、中指节22与远指节23；

指根组件3，其包括转动安装在所述手掌基座1上的指根转轴31、设置于所述指根转轴31上并匹配安装所述指根节21的球面轴承32；

弯曲传动机构4，其包括主动锥齿轮41、从动锥齿轮42、指根传动件43和屈指轴44，所述从动锥齿轮42固定套在所述指根转轴31上，所述主动锥齿轮41安装在所述手掌基座1上，并与所述从动锥齿轮42啮合，所述屈指轴44固定安装在所述指根转轴31上，并在弯曲转动工作中与固定连接在所述指根节21上的所述指根传动件43保持接触；

侧摆传动机构5，其包括安装在手掌基座1上的侧摆驱动件、与所述侧摆驱动件连接的侧摆传动轴，所述侧摆传动轴在侧摆工作中与所述指根节21保持接触。

本发明在具体工作时，指根弯曲功能实现的传动机构主要是圆锥齿轮副，通过弯曲电机46带动主动锥齿轮41旋转，从而带动从动锥齿轮42沿其正交平面转动，从动锥齿轮42与指根转轴31固定配合，指根转轴31又跟屈指轴44固定配合，则从动锥齿轮42传输过来的动力经过指根转轴31，传递给屈指轴44，从而实现指根的前后弯曲动作。另外，侧摆动作的实现具体为：侧摆驱动件(如侧摆电机51)固定在手掌基座1上，将侧摆电机51的输出轴的转动传递给侧摆传动轴，侧摆传动轴可以做为一个横臂绕侧摆电机51的输出轴旋转，输出相应的扭矩，从而带动与其保持接触的指根节21摆动旋转，轴从而带动整根手指左右侧摆，本发明机构的核心是球面轴承32，既可以满足前后弯曲的自由度需求，同时也可以依靠其自身的结构特点，在电机的驱动下，实现左右摆动的行程需求。

在一些具体的实施方式中，请再参见图3等所示，所述指根传动件43包括固定在指根节21上的U型槽结构件，所述屈指轴44伸入所述U型槽结构件内，并在弯曲转动工作中抵住所述U型槽结构件的侧壁，从而带动指根节21随屈指轴44一起弯曲转动。更具体的，U型槽结构件可以通过在指根节21上安装指节压板，从而与指根节21上向屈指轴44方向突出的凸起部分，构成一个U型槽，即得到U型槽结构件。该U型槽结构件除了可以作为屈指轴44与指根节21之间的传力部件外，还可以作为限制侧摆幅度的限位元件，即在指根节21被驱动侧摆时，通过U型槽结构件的U型底部与屈指轴44部分的接触，产生限位作用，从而限定摆动行程。另外，请在参见图6等所示，屈指轴44可以通过螺丝与指根转轴31固定连接。

更具体的实施方式中，所述屈指轴44上还套设有轴承套筒45，其与U型槽结构件两侧内壁接触，以带动指根节21随屈指轴44弯曲转动。另外，轴承套筒45上会与U型槽结构件接触的外侧壁面可设置一层柔性材质，其可以提供缓冲，同时可以提供力传递推动指根运动。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4等所示，当指根节21呈竖立状态时，所述主动锥齿轮41的转动中心轴线与所述屈指轴44的中心轴线共线，以增强机构的可靠性等。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4等所示，所述手掌基座1上还安装有弯曲电机46，该弯曲电机46的输出轴端与所述主动锥齿轮41连接，并用于带动主动锥齿轮41转动。

在一些具体的实施方式中，请再参见图10至图12等所示，所述侧摆传动轴包括与所述侧摆驱动件的输出轴相连接的侧摆转动支架52、以及安装在所述侧摆转动支架52上并位于同一平面内的两个传动轴承53，所述传动轴承53保持抵住所述指根节21，以通过侧摆传动轴转动，带动指根节21绕球面轴承32侧摆。具体的，侧摆传动轴可以在侧摆驱动件(例如侧摆电机51)的带动下转动，从而对与其保持稳定接触的指根节21产生扭矩，带动其侧摆转动。请再参见图10和图11等所示，侧摆传动轴可以采用正方形主体结构的侧摆传动支架，同时，在正方形主体结构上可以带上两个平行并位于同一侧的外凸起的圆柱体，在圆柱体上还固定套设传动轴承53(具体可以采用深沟球轴承)，在正方形主体结构内可以开孔，供侧摆驱动件的输出轴连接。

更具体的实施方式中，请再参见图3等所示，所述指根节21上还固定设有轴承压板54，所述传动轴承53与所述轴承压板54保持接触，当侧摆转动支架52由侧摆驱动件带动转动时，所述传动轴承53带动所述轴承压板54与指根节21随动侧摆。在侧摆传动轴转动的过程中，与轴承压板始终保持连续接触，非固定连接。此时，需要指出的时，两个传动轴承53优选位于接触轴承压板54，并分别位于球面轴承偏上方与偏下方的位置。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4等所示，所述指根组件3还包括用于防止指根转轴31沿其轴向窜动的转轴紧固件。

更具体的实施方式中，所述转轴紧固件包括沿垂直指根转轴31轴向加工于所述指根转轴31侧表面的弧形槽33、以及相对于所述手掌基座1轴向固定并伸入所述弧形槽33中的止动螺丝34，在所述指根转轴31的端部还安装有轴用卡环35。这样，在具体安装时，当指根转轴31穿过球面轴承32、从动锥齿轮42、屈指轴44，以及用于转动安装在手掌基座1上的深沟球轴承后，再被两枚止动螺丝34在轴向锁住，防止左右窜动，同时，在端部进一步套有轴用卡环35，可以进一步防止窜动，指根转轴31的上下窜动则安装的深沟球轴承顶住，外侧则被轴用卡环35等锁紧，因此指根组件3结构牢固，更好的抵抗冲击载荷。

在一些具体的实施方式中，请再参见图13和图14所示，所述指根节21还依次连接中指节22与远指节23，所述中指节22与指根节21、所述远指节23与所述中指节22之间还分别转动连接以实现关节处的可弯曲。具体的，这两处指关节的弯曲用两电机分别驱动弯曲，也可以用本领域常见连接方式如连杆，齿轮结构等驱动指节的弯曲。例如，手指的中部关节(即指根节21与中指节22之间的关节)的弯曲实现主要是依靠手指电机实现，手指电机固定在中指节22上，手指电机带动两侧的指中节传动板转动，实现手指中部关节的弯曲状态。同样示例性的，手指末端关节(即中指节22与远指节23之间的关节)的弯曲实现主要可以依靠手指电机实现，手指电机固定在手指中节传动板上，手指电机带动两侧的指尖节传动板转动，实现手指末端关节的弯曲状态。

另外，在一些实施方式中，本发明还提供了一种灵巧手，其包括如上任一所述的机械灵巧手手指。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

为实现手指弯曲转动和侧向摆动这两个自由度的解耦，满足两个自由度的手指单独控制等，本实施例提供了一种机械灵巧手手指，其结构可参见图1至图14所示，包括：

手掌基座1；

手指指节2，其包括依次连接的指根节21、中指节22与远指节23；

指根组件3，其包括转动安装在手掌基座1上的指根转轴31、设置于指根转轴31上并匹配安装指根节21的球面轴承32；

弯曲传动机构4，其包括主动锥齿轮41、从动锥齿轮42、指根传动件43和屈指轴44，从动锥齿轮42固定套在指根转轴31上，主动锥齿轮41安装在手掌基座1上，并与从动锥齿轮42啮合，屈指轴44固定安装在指根转轴31上，并在弯曲转动工作中与固定连接在指根节21上的指根传动件43保持接触；

侧摆传动机构5，其包括安装在手掌基座1上的侧摆驱动件、与侧摆驱动件连接的侧摆传动轴，侧摆传动轴在侧摆工作中与指根节21保持接触。

本实施例在具体工作时，指根弯曲功能实现的传动机构主要是圆锥齿轮副，通过弯曲电机46带动主动锥齿轮41旋转，从而带动从动锥齿轮42沿其正交平面转动，从动锥齿轮42与指根转轴31固定配合，指根转轴31又跟屈指轴44固定配合，则从动锥齿轮42传输过来的动力经过指根转轴31，传递给屈指轴44，从而实现指根的前后弯曲动作。另外，侧摆动作的实现具体为：侧摆驱动件(如侧摆电机51)固定在手掌基座1上，将侧摆电机51的输出轴的转动传递给侧摆传动轴，侧摆传动轴可以做为一个横臂绕侧摆电机51的输出轴旋转，输出相应的扭矩，从而带动与其保持接触的指根节21摆动旋转，轴从而带动整根手指左右侧摆，本发明机构的核心是球面轴承32，既可以满足前后弯曲的自由度需求，同时也可以依靠其自身的结构特点，在电机的驱动下，实现左右摆动的行程需求。

请再参见图3等所示，指根传动件43包括固定在指根节21上的U型槽结构件，屈指轴44伸入U型槽结构件内，并在弯曲转动工作中抵住U型槽结构件的侧壁，从而带动指根节21随屈指轴44一起弯曲转动。更具体的，U型槽结构件可以通过在指根节21上安装指节压板，从而与指根节21上向屈指轴44方向突出的凸起部分，构成一个U型槽，即得到U型槽结构件。该U型槽结构件除了可以作为屈指轴44与指根节21之间的传力部件外，还可以作为限制侧摆幅度的限位元件，即在指根节21被驱动侧摆时，通过U型槽结构件的U型底部与屈指轴44部分的接触，产生限位作用，从而限定摆动行程。另外，请在参见图6等所示，屈指轴44可以通过螺丝与指根转轴31固定连接。屈指轴44上还套设有轴承套筒45，其与U型槽结构件两侧内壁接触，以带动指根节21随屈指轴44弯曲转动。另外，轴承套筒45上会与U型槽结构件接触的外侧壁面可设置一层柔性材质，其可以提供缓冲，同时可以提供力传递推动指根运动。

请再参见图4等所示，当指根节21呈竖立状态时，主动锥齿轮41的转动中心轴线与屈指轴44的中心轴线共线，以增强机构的可靠性。

请再参见图4等所示，手掌基座1上还安装有弯曲电机46，该弯曲电机46的输出轴端与主动锥齿轮41连接，并用于带动主动锥齿轮41转动。

请再参见图10至图12等所示，侧摆传动轴包括与侧摆驱动件的输出轴相连接的侧摆转动支架52、以及安装在侧摆转动支架52上并位于同一平面内的两个传动轴承53，传动轴承53保持抵住指根节21，以通过侧摆传动轴转动，带动指根节21绕球面轴承32侧摆。具体的，侧摆传动轴可以在侧摆驱动件(例如侧摆电机51)的带动下转动，从而对与其保持稳定接触的指根节21产生扭矩，带动其侧摆转动。请再参见图10和图11等所示，侧摆传动轴可以采用正方形主体结构的侧摆传动支架，同时，在正方形主体结构上可以带上两个平行并位于同一侧的外凸起的圆柱体，在圆柱体上还固定套设传动轴承53(具体可以采用深沟球轴承)，在正方形主体结构内可以开孔，供侧摆驱动件的输出轴连接。

请再参见图3等所示，指根节21上还固定设有轴承压板54，传动轴承53与轴承压板54保持接触，当侧摆转动支架52由侧摆驱动件带动转动时，传动轴承53带动轴承压板54与指根节21随动侧摆。

请再参见图4等所示，指根组件3还包括用于防止指根转轴31沿其轴向窜动的转轴紧固件。转轴紧固件包括沿垂直指根转轴31轴向加工于指根转轴31侧表面的弧形槽33、以及相对于手掌基座1轴向固定并伸入弧形槽33中的止动螺丝34，在指根转轴31的端部还安装有轴用卡环35。这样，在具体安装时，当指根转轴31穿过球面轴承32、从动锥齿轮42、屈指轴44，以及用于转动安装在手掌基座1上的深沟球轴承后，再被两枚止动螺丝34在轴向锁住，防止左右窜动，同时，在端部进一步套有轴用卡环35，可以进一步防止窜动，指根转轴31的上下窜动则安装的深沟球轴承顶住，外侧则被轴用卡环35等锁紧，因此指根组件3结构牢固，更好的抵抗冲击载荷。

请再参见图13和图14所示，指根节21还依次连接中指节22与远指节23，中指节22与指根节21、远指节23与中指节22之间还分别转动连接以实现关节处的可弯曲。具体的，这两处指关节的弯曲用两电机分别驱动弯曲，也可以用本领域常见连接方式如连杆，齿轮结构等驱动指节的弯曲。例如，手指的中部关节(即指根节21与中指节22之间的关节)的弯曲实现主要是依靠手指电机实现，手指电机固定在中指节22上，手指电机带动两侧的指中节传动板转动，实现手指中部关节的弯曲状态。同样示例性的，手指末端关节(即中指节22与远指节23之间的关节)的弯曲实现主要可以依靠手指电机实现，手指电机固定在手指中节传动板上，手指电机带动两侧的指尖节传动板转动，实现手指末端关节的弯曲状态。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械灵巧手手指，其特征在于，包括：

手掌基座；

手指指节，其包括依次连接的指根节、中指节与远指节；

指根组件，其包括转动安装在所述手掌基座上的指根转轴、设置于所述指根转轴上并匹配安装所述指根节的球面轴承；

弯曲传动机构，其包括主动锥齿轮、从动锥齿轮、指根传动件和屈指轴，所述从动锥齿轮固定套在所述指根转轴上，所述主动锥齿轮安装在所述手掌基座上，并与所述从动锥齿轮啮合，所述屈指轴固定安装在所述指根转轴上，并在弯曲转动工作中与固定连接在所述指根节上的所述指根传动件保持接触；

侧摆传动机构，其包括安装在手掌基座上的侧摆驱动件、与所述侧摆驱动件连接的侧摆传动轴，所述侧摆传动轴在侧摆工作中与所述指根节保持接触。

2.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述指根传动件包括固定在指根节上的U型槽结构件，所述屈指轴伸入所述U型槽结构件内，并在弯曲转动工作中抵住所述U型槽结构件的侧壁，从而带动指根节随屈指轴一起弯曲转动。

3.根据权利要求2所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述屈指轴上还套设有轴承套筒，其与U型槽结构件两侧内壁接触，以带动指根节随屈指轴弯曲转动。

4.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，当指根节呈竖立状态时，所述主动锥齿轮的转动中心轴线与所述屈指轴的中心轴线共线。

5.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述手掌基座上还安装有弯曲电机，该弯曲电机的输出轴端与所述主动锥齿轮连接，并用于带动主动锥齿轮转动。

6.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述侧摆传动轴包括与所述侧摆驱动件的输出轴相连接的侧摆转动支架、以及安装在所述侧摆转动支架上并位于同一平面内的两个传动轴承，所述传动轴承保持抵住所述指根节，以通过侧摆传动轴转动，带动指根节绕球面轴承侧摆。

7.根据权利要求6所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述指根节上还固定设有轴承压板，所述传动轴承与所述轴承压板保持接触，当侧摆转动支架由侧摆驱动件带动转动时，所述传动轴承带动所述轴承压板与指根节随动侧摆。

8.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述指根组件还包括用于防止指根转轴沿其轴向窜动的转轴紧固件；

所述转轴紧固件包括沿垂直指根转轴轴向加工于所述指根转轴侧表面的弧形槽、以及相对于所述手掌基座轴向固定并伸入所述弧形槽中的止动螺丝，在所述指根转轴的端部还安装有轴用卡环。

9.根据权利要求1所述的一种机械灵巧手手指，其特征在于，所述中指节与指根节、所述远指节与所述中指节之间还分别转动连接，以实现关节处的可弯曲。

10.一种灵巧手，其包括如权利要求1-9任一所述的机械灵巧手手指。