CN104908056B - 一种可变构型的三指机械手爪 - Google Patents
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Abstract
一种可变构型的三指机械手爪，它涉及一种三指机械手爪。本发明解决了现有的三指机械手爪存在体积大、维护保养成本高以及整个手爪存在一定的抓取构型局限性的问题。旋转底座上均布设置有三个旋转轴，每个手指底端电机的输出轴与相应的一个蜗杆固接，每个蜗杆与相应的一个涡轮相互啮合，每个小直齿轮与相应的一个大直齿轮相互啮合；每个手指关节电机的输出轴上固套有一个耦合连杆，耦合连杆的一端通过第一驱动杆与第二指节的短边末端连接，耦合连杆的另一端通过第二驱动杆与第一连接杆的一端和第二连接杆的一端连接，第一连接杆的另一端与第二指节连接，第二指节的长边末端、第二连接杆的另一端均与第一指节连接。本发明用于机器人技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种三指机械手爪，具体涉及一种可变构型的三指机械手爪。
背景技术
模仿人类的手来设计机器人的末端执行器以使其具有类似人类手的工作能力，从而使这些机械手爪可以替代人类完成工作任务，增强了机器人末端执行器的通用性和灵活性。在设计机械手爪的过程中，机械手爪结构和机械手爪抓取构型是实现抓取稳定性和适应性的重要研究内容。
在机械手爪的研究中，机器人末端执行器的设计结构需要考虑如何使机械手爪具有接近人手的灵活度，具有多种抓取构型，并且体积小、重量轻。当机器人的关节数量增多的时候，关节驱动器的体积和重量成为一个重要的考量。此时，可以通过减少驱动器数量使其构成一个具有耦合关节的机构，降低了对控制系统的要求。为了适应不同形状的被作用物体，可以设计机器人末端执行器具备多种抓取构型。通过控制输入变量实现机构的确定运动，使手爪作业时针对物体形状构成确定的抓取构型，从而可以增强抓取稳定性，并提高机器人在实际作业环境中的工作能力。
美国专利US5762390A中公开了经典的具有非固定式耦合关节的三指手爪。这款三指手爪利用单点固定四杆机构原理，结合两个指关节之间的弹簧拉伸作用，使三指手爪在执行不同的抓取任务过程中可以适应被抓取物体的形状，直至保持一定的抓取姿态。但是该专利中的三指手爪采用了液压驱动的方式，会出现油路密封问题，系统体积也较大，同时维护和保养成本较高。
中国专利CN101844358B中公开了一种具有三个手指的变构型机械手爪旋转移动装置，该手爪利用构成四边形机构的两个扇形齿轮以及两个连杆来改变手指的指向，从而构成不同的抓取构型，但是其中两个手指之间存在耦合，另一个不耦合的手指由于底部结构固定而不能改变手指的指向，整个手爪存在一定的抓取构型局限性。
从机构学方面来看，采用耦合关节的机械手爪使机构的控制输入变量的数目小于机构的关节数目，机构也可以确定手指指节的运动路径和轨迹。为了使机械手爪具有较高的灵活性并简化控制系统，需要机构具有较多的自由度，同时使驱动器数量较少。如果机械手爪满足机构实现确定运动的条件，当机械手爪在进行抓取操作时，每个关节都参与驱动工作，那么就可以节省一定的能量，并且在抓取物体时有利于实现形封闭和力封闭。
综上，现有的三指机械手爪存在体积大、维护保养成本高以及整个手爪存在一定的抓取构型局限性的问题。
发明内容
本发明为解决现有的三指机械手爪存在体积大、维护保养成本高以及整个手爪存在一定的抓取构型局限性的问题，进而提供一种可变构型的三指机械手爪。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的可变构型的三指机械手爪包括手掌、旋转底座、中心圆柱、三个旋转轴、三个旋转台、三个手指底端电机、三个蜗轮、三个蜗杆、三个大直齿轮、三个小直齿轮和三个手指，旋转底座上设置有三个手指，手掌由手掌下平板、手掌上平板和多个连接圆柱组成，手掌上平板通过多个连接圆柱固装在手掌下平板的上端面上，手掌上平板与手掌下平板平行设置，手掌下平板的下端通过中心圆柱固装在旋转底座上端面中心处；
每个手指包括第一指节、第二指节、第一连接杆、第二连接杆、第一驱动杆、第二驱动杆、耦合连杆和手指关节电机，第二指节的形状呈“L”形，每个旋转台上安装有一个手指关节电机，每个手指关节电机的输出轴上固套有一个耦合连杆，耦合连杆的一端通过第一驱动杆与第二指节的短边末端连接，耦合连杆的另一端通过第二驱动杆与第一连接杆的一端和第二连接杆的一端连接，第一连接杆的另一端与第二指节连接，第二指节的长边末端、第二连接杆的另一端均与第一指节连接；
旋转底座上均布设置有三个旋转轴，每个旋转轴上固装有一个旋转台，每个旋转台上安装有一个大直齿轮，每个手指底端电机的输出轴与相应的一个蜗杆固接，每个蜗杆与相应的一个蜗轮相互啮合，每个蜗轮与相应的一个小直齿轮同轴设置，每个小直齿轮与相应的一个大直齿轮相互啮合。
本发明具有以下有益效果：
本发明的可变构型的三指机械手爪的每个手指的主体为单点固定的多连杆机构，每个手指具有三个关节，手指关节电机带动两个驱动连杆控制手指的伸展和弯曲；手指底端电机驱动蜗轮蜗杆带动小直齿轮旋转，小直齿轮带动大直齿轮旋转，即可以分别调整三个手指的指向，旋转到所需的角度后手指底端电机将手指的位置锁定；并且三个手指之间不存在机构耦合，与现有的三指机械手爪相比，可实现平行抓取、三指对心抓握和两指捏取等不同的抓取构型，适应对不同形状物体的抓取操作，并且提高了手爪抓取的稳定性；
本发明结构紧凑、整体结构尺寸小、重量轻，驱动数目少，从而降低了对控制系统的要求，可靠性高，维护保养成本低。
附图说明
图1是本发明的可变构型的三指机械手爪的整体机构立体图，图2是本发明具体实施方式一中手指的立体图，图3是本发明具体实施方式一中旋转底座8的立体图，图4是本发明的可变构型的三指机械手爪采用两个手指夹持物体示意图，图5是本发明的可变构型的三指机械手爪采用三个手指对心抓取球体示意图，图6是本发明的可变构型的三指机械手爪采用三个手指平行抓取圆棒示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式的可变构型的三指机械手爪包括手掌、旋转底座8、中心圆柱7、三个旋转轴21、三个旋转台20、三个手指底端电机6、三个蜗轮23、三个蜗杆24、三个大直齿轮22、三个小直齿轮25和三个手指1，旋转底座8上设置有三个手指1，手掌由手掌下平板2、手掌上平板3和多个连接圆柱4组成，手掌上平板3通过多个连接圆柱4固装在手掌下平板2的上端面上，手掌上平板3与手掌下平板2平行设置，手掌下平板2的下端通过中心圆柱7固装在旋转底座8上端面中心处；
每个手指包括第一指节11、第二指节12、第一连接杆13、第二连接杆14、第一驱动杆15、第二驱动杆16、耦合连杆17和手指关节电机5，第二指节12的形状呈“L”形，每个旋转台20上安装有一个手指关节电机5，每个手指关节电机5的输出轴上固套有一个耦合连杆17，耦合连杆17的一端通过第一驱动杆15与第二指节12的短边末端连接，耦合连杆17的另一端通过第二驱动杆16与第一连接杆13的一端和第二连接杆14的一端连接，第一连接杆13的另一端与第二指节12连接，第二指节12的长边末端、第二连接杆14的另一端均与第一指节11连接；
旋转底座8上均布设置有三个旋转轴21，每个旋转轴上固装有一个旋转台20，每个旋转台20上安装有一个大直齿轮22，每个手指底端电机6的输出轴与相应的一个蜗杆24固接，每个蜗杆24与相应的一个蜗轮23相互啮合，每个蜗轮23与相应的一个小直齿轮25同轴设置，每个小直齿轮25与相应的一个大直齿轮22相互啮合。
如此设计，可以利用蜗轮蜗杆的自锁性能提高手爪的抓取稳定性。
具体实施方式二：如图3所示，本实施方式所述旋转底座8包括上旋转平台8-1、下旋转平台8-2和三个轴承套筒8-3，上旋转平台8-1和下旋转平台8-2平行设置，三个轴承套筒8-3均布固装在上旋转平台8-1和下旋转平台8-2之间，每个轴承套筒8-3内安装有一个旋转轴21。如此设计，可以灵活的调整各个手指的指向，从而增加手爪构型多样性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图2所示，本实施方式所述三指机械手爪还包括三个第一指节套件9，第一指节11上安装有一个第一指节套件9。如此设计，可以增加手指与物体接触时的摩擦力，保证抓取稳定性；并且能够避免手指与物体刚性接触时可能受到的表面磨损。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图2所示，本实施方式的所述三指机械手爪还包括三个第二指节套件10，第二指节12上安装有一个第二指节套件10。如此设计，可将外部受力均匀分布在第二指节12与第二指节套件10之间的受力端面上，提高抓取稳定性；也能够避免手指与物体刚性接触时可能受到的表面磨损。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式的所述三指机械手爪还包括多个电位计，每个手指关节电机5和每个手指底端电机6上均设置有一个电位计。如此设计，能够检测手指关节电机5和每个手指底端电机6的旋转角度，从而实现手爪构型的精确控制。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
工作原理：
如图1～6所示，本发明的可变构型的三指机械手爪的三个手指均布设置在旋转底座8上，每个手指1的主体为单点固定的多连杆机构，每个手指1具有三个关节，手指底端电机6驱动蜗轮蜗杆带动小直齿轮25旋转，小直齿轮25带动大直齿轮22旋转，可以转动旋转轴21带动手指旋转，从而调整手指1的指向，旋转到所需的角度后手指底端电机6将手指的位置锁定；
手指关节电机5带动耦合连杆17旋转，耦合连杆17旋转带动第一驱动杆15和第二驱动杆16控制手指1的伸展和弯曲；
即本发明的三个手指1的相对朝向可以进行调整，并且三个手指1之间不存在机构耦合。
Claims (5)
1.一种可变构型的三指机械手爪，所述三指机械手爪包括手掌、旋转底座(8)、中心圆柱(7)、三个旋转轴(21)、三个旋转台(20)、三个手指底端电机(6)、三个蜗轮(23)、三个蜗杆(24)、三个大直齿轮(22)、三个小直齿轮(25)和三个手指(1)，旋转底座(8)上设置有三个手指(1)，其特征在于：手掌由手掌下平板(2)、手掌上平板(3)和多个连接圆柱(4)组成，手掌上平板(3)通过多个连接圆柱(4)固装在手掌下平板(2)的上端面上，手掌上平板(3)与手掌下平板(2)平行设置，手掌下平板(2)的下端通过中心圆柱(7)固装在旋转底座(8)上端面中心处；
每个手指包括第一指节(11)、第二指节(12)、第一连接杆(13)、第二连接杆(14)、第一驱动杆(15)、第二驱动杆(16)、耦合连杆(17)和手指关节电机(5)，第二指节(12)的形状呈“L”形，每个旋转台20上安装有一个手指关节电机5，每个手指关节电机5的输出轴上固套有一个耦合连杆(17)，耦合连杆(17)的一端通过第一驱动杆(15)与第二指节(12)的短边末端连接，耦合连杆(17)的另一端通过第二驱动杆(16)与第一连接杆(13)的一端和第二连接杆(14)的一端连接，第一连接杆(13)的另一端与第二指节(12)连接，第二指节(12)的长边末端、第二连接杆(14)的另一端均与第一指节(11)连接；
旋转底座(8)上均布设置有三个旋转轴(21)，每个旋转轴上固装有一个旋转台(20)，每个旋转台(20)上安装有一个大直齿轮(22)，每个手指底端电机(6)的输出轴与相应的一个蜗杆(24)固接，每个蜗杆(24)与相应的一个蜗轮(23)相互啮合，每个蜗轮(23)与相应的一个小直齿轮(25)同轴设置，每个小直齿轮(25)与相应的一个大直齿轮(22)相互啮合。
2.根据权利要求1所述的可变构型的三指机械手爪，其特征在于：所述旋转底座(8)包括上旋转平台(8-1)、下旋转平台(8-2)和三个轴承套筒(8-3)，上旋转平台(8-1)和下旋转平台(8-2)平行设置，三个轴承套筒(8-3)均布固装在上旋转平台(8-1)和下旋转平台(8-2)之间，每个轴承套筒(8-3)上安装有一个旋转轴(21)。
3.根据权利要求1或2所述的可变构型的三指机械手爪，其特征在于：所述三指机械手爪还包括三个第一指节套件(9)，第一指节(11)上安装有一个第一指节套件(9)。
4.根据权利要求3所述的可变构型的三指机械手爪，其特征在于：所述三指机械手爪还包括三个第二指节套件(10)，第二指节(12)上安装有一个第二指节套件(10)。
5.根据权利要求1、2或4所述的可变构型的三指机械手爪，其特征在于：所述三指机械手爪还包括多个电位计，每个手指关节电机(5)和每个手指底端电机(6)上均设置有一个电位计。
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