CN105345826A - 机械手及机械手臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手，包括手指基座及机械手指，所述机械手指包括转动设置于所述手指基座的基指段及驱动装置，所述驱动装置包括第一致动器及连接所述基指段及所述第一致动器的变刚度拉伸连杆，所述第一致动器用于通过所述变刚度拉伸连杆驱动所述基指段相对于所述手指基座转动。本发明的机械手的基指段通过变刚度拉伸连杆与驱动装置连接，由于变刚度拉伸连杆具有缓冲受力的作用，因此可以缓冲所述驱动装置施加在所述基指段的拉力，使得所述机械手指转动时具有受力回转的空间，从而具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手具有柔性自适应特征。另外，本发明还公开了一种机械手臂及机器人，所述机械手臂及机器人包括上述的机械手。

Description

机械手及机械手臂及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机械手及机械手臂及机器人。

背景技术

现有的机械手刚性传动，相比肌腱控制手指屈伸，缺少柔性和缓冲，因此，机械手快速抓取容易对被抓物体产生冲击，造成损伤。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种机械手及机械手臂及机器人。

本发明实施方式的机械手包括：

手指基座；及

机械手指，所述机械手指包括转动设置于所述手指基座的基指段；及

驱动装置，所述驱动装置包括第一致动器及连接所述基指段及所述第一致动器的变刚度拉伸连杆，所述第一致动器用于通过所述变刚度拉伸连杆驱动所述基指段相对于所述手指基座转动。

本发明实施方式的机械手的机械手指的基指段通过变刚度拉伸连杆与驱动装置连接，由于变刚度拉伸连杆具有缓冲受力的作用，因此可以缓冲所述驱动装置施加在所述基指段的拉力，使得所述机械手指转动时具有受力回转的空间，从而具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手具有柔性自适应特征。

在某些实施方式中，所述基指段底端外侧与所述手指基座转动连接，所述变刚度拉伸连杆与所述基指段底端内侧转动连接。

在某些实施方式中，所述驱动装置包括设置在所述手指基座内侧且相对于所述手指基座上下滑动设置的传动滑块；所述变刚度拉伸连杆与所述传动滑块转动连接。

在某些实施方式中，所述变刚度拉伸连杆包括与所述基指段转动连接的第一连杆件及与所述传动滑块转动连接的第二连杆件及连接所述第一连杆件及所述第二连杆件的第一弹性元件，所述第二连杆件与所述第一连杆件相对滑动设置。

在某些实施方式中，所述驱动装置包括第一拉丝及滑轮，所述第一拉丝通过所述滑轮与所述传动滑块连接，用于拉动所述传动滑块向上或向下滑动。

在某些实施方式中，所述机械手指包括多个，所述多个机械手指的内侧相对设置，所述传动滑块设置在所述多个机械手指之间并与所述多个机械手指底端内侧转动连接。

在某些实施方式中，所述机械手指包括中指段及端指段，所述中指段的两端分别与所述基指段及所述端指段连接，所述机械手指还包括变刚度压缩连杆，所述变刚度压缩连杆两端分别与所述基指段及所述端指段转动连接以与所述中指段、所述基指段、所述端指段构成四连杆驱动装置。

在某些实施方式中，所述变刚度压缩连杆包括与所述端指段转动连接的第三连杆件及与所述基指段转动连接的第四连杆件及连接所述第三连杆件及所述第四连杆件的第二弹性元件，所述第四连杆件与所述第三连杆件相对滑动设置。

在某些实施方式中，所述驱动装置包括第二致动器及连接所述第二致动器及所述中指段的第二拉丝，所述第二致动器用于通过所述第二拉丝拉动所述中指段相对于所述基指段转动。

在某些实施方式中，所述机械手指包括连接所述基指段及所述中指段的回位弹簧，所述回位弹簧用于在所述第二致动器未拉动所述中指段时驱动所述中指段复位。

本发明实施方式的机器手臂包括上述所述的机械手。

本发明实施方式的机器手臂的机械手具有柔性自适应特征，从而提高了机器手臂的自适应性。

本发明实施方式的机器人包括上述所述的机械手。

本发明实施方式的机器人的机械手具有柔性自适应特征，从而提高了机器人的自适应性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的机械手的立体示意图。

图2是图1的机械手的机械手指与驱动装置连接的立体示意图。

图3是本发明实施方式的变刚度连杆受力分析示意图。

图4是本发明实施方式的变刚度拉伸连杆受力分析示意图。

图5是本发明实施方式的变刚度拉伸连杆不受力或受压力时立体示意图。

图6是图5的本发明实施方式的变刚度拉伸连杆受拉力时立体示意图。

图7是图1的机械手的机械手指立体示意图。

图8是本发明实施方式的变刚度压缩连杆受力分析示意图。

图9是图7的机械手指的剖面示意图。

图10是本发明实施方式的变刚度压缩连杆受力立体示意图。

图11是四连杆机构的示意图。

图12是四连杆机构的工作原理示意图。

图13是本发明实施方式的机械手指的拉丝连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的机械手1000包括手指基座200及机械手指100。机械手指100包括转动设置于手指基座100的基指段10及驱动装置40。驱动装置40包括第一致动器41及连接基指段10及第一致动器41的变刚度拉伸连杆42。第一致动器41用于通过变刚度拉伸连杆42驱动基指段10相对于手指基座200转动。

本实施方式中，第一致动器41为用于驱动机械手指100的基指段10相对于手指基座200转动的马达及气缸等动力源。

本实施方式中的变刚度拉伸连杆42属于变刚度连杆中的一种。变刚度连杆具有以下性能。

请参阅图3，曲线L1表示变刚度连杆的X(受力)与Y(变形量)之间的关系，直线L2表示刚性连杆的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。

如曲线L1所示，当X(受力)为0时，变刚度连杆的Y(变形量)为0，即保持原长；当X(受力)大于0时，即X(受力)为拉力时，变刚度连杆的Y(变形量)随着X(受力)的增大呈曲线上升，而当X(受力)增大到一定值时，变刚度连杆的Y(变形量)不再增大，呈水平直线；当X(受力)小于0时，即X(受力)为压力时，变刚度连杆的Y(变形量)的值随着X(受力)的值的增大呈曲线增大，而当X(受力)的值增大到一定值时，变刚度连杆的Y值(变形量)不再增大，呈水平直线。

如直线L2所示，当X(受力)变化时，刚性连杆的Y(变形量)保持不变。

如此，变刚度连杆具有受力伸缩的性能。

请参阅图4，曲线L3表示变刚度拉伸连杆42的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。如曲线L3所示，当X(受力)小于等于0时，变刚度拉伸连杆42的Y(变形量)为0，即保持原长，不随X(受力)的变化而变化，即变刚度拉伸连杆42不受压力的影响；当X(受力)大于0时，即X(受力)为拉力时，变刚度拉伸连杆42的Y(变形量)随着X(受力)的增大呈曲线上升，而当X(受力)增大到一定值时，变刚度拉伸连杆42的Y(变形量)不再增大，呈水平直线。

如此，变刚度拉伸连杆42可用于替换只承受拉力的刚性连杆，并具有缓冲受力的作用。同时，变刚度拉伸连杆42的变刚度方向稳定，不会左右偏移，在拉伸缓冲受力的同时，稳固方向。

本发明实施方式的机械手1000的机械手指100的基指段10通过变刚度拉伸连杆42与驱动装置40连接，由于变刚度拉伸连杆42具有缓冲受力的作用，因此可以缓冲驱动装置40施加在基指段10的拉力，使得机械手指100转动时具有受力回转的空间，从而具有类似人手指肌腱的作用，从而使得机械手1000具有柔性自适应特征。

本实施方式中，基指段10底端外侧与手指基座200转动连接。变刚度拉伸连杆42与基指段10底端内侧转动连接。

如此，结构简单。

本实施方式中，驱动装置40包括设置在手指基座200内侧且相对于手指基座200上下滑动设置的传动滑块43。变刚度拉伸连杆42与传动滑块43转动连接。

如此，驱动装置40通过传动滑块43带动变刚度拉伸连杆42，从而带动基指段10相对于手指基座200进行转动，使得驱动方式简单易行，并且结构简单。

请参阅图5及图6，本实施方式中，图5为变刚度拉伸连杆42不受力或者受压力时状态，图6为变刚度拉伸连杆42受拉力时状态。

变刚度拉伸连杆42包括与基指段10转动连接的第一连杆件421及与传动滑块43转动连接的第二连杆件422及连接第一连杆件421及第二连杆件422的第一弹性元件423。第二连杆件422与第一连杆件421相对滑动设置。

当变刚度拉伸连杆42不受外力时，第一弹性元件423保持原长；当变刚度拉伸连杆42受的外力为压力时，由于第一连杆件421一端和第二连杆件422一端固定接触，从而限制了第一弹性元件423的压缩；当刚度拉伸连杆42受的外力为拉力时，第二连杆件422相对于第一连杆件421沿两个导杆424的轴向方向运动而压缩第一弹性元件423，使得变刚度拉伸连杆42的变形量随着拉力的增大呈曲线增大，直至由第一连杆件421形成的限位机构425限制变刚度拉伸连杆42的变形，此时变形量不再随拉力的增加而变化。

如此，结构简单，且变刚度拉伸连杆42具有类似人手肌腱的作用，从而增加机械手1000的柔性。

本实施方式中，驱动装置40包括第一拉丝44及滑轮45。第一拉丝44通过滑轮45与传动滑块43连接，用于拉动传动滑块43向上或向下滑动。

如此，结构简单，成本较低，提高了机械手1000的自适应性。

本实施方式中，机械手指100为3个，3个机械手指100的内侧相对设置。传动滑块43设置在3个机械手指100之间并与3个机械手指100底端内侧转动连接。在其他实施方式中，机械手1000包括的机械手指100的数目可以为2个或者4个或者5个或者6个等，从而模仿人手的自适应特性，因此，需要说明的是，机械手1000设置的机械手指100的数目并不仅仅限于本实施方式中的3个。

如此，可根据具体情况进行设置。

请参阅图7，本实施方式中，机械手指100包括中指段20及端指段30。中指段20的两端分别与基指段10及端指段30连接。机械手指100还包括变刚度压缩连杆50。变刚度压缩连杆50两端分别与基指段10及端指段30转动连接以与中指段20、基指段10、端指段30构成四连杆60驱动装置。

本实施方式中，基指段10、中指段20、以及端指段30基本呈椭圆形，当然，在其他实施方式中，基指段10、中指段20、以及端指段30可以呈圆形。

如此，机械手指100模仿人手指的形状。

变刚度压缩连杆50属于变刚度连杆中的一种。变刚度压缩连杆50具有以下性能。

请参阅图8，曲线L4表示变刚度压缩连杆50的X(受力)与Y(变形量)之间的关系。如曲线L4所示，当X(受力)大于等于0时，变刚度压缩连杆50的Y(变形量)为0，即保持原长，不随X(受力)的变化而变化，即变刚度压缩连杆50不受拉力的影响；当X(受力)小于0时，即X(受力)为压力时，变刚度压缩连杆50的Y(变形量)的值随着X(受力)的值的增大呈曲线增大，而当X(受力)的值增大到一定值时，变刚度压缩连杆50的Y(变形量)的值不再增大，呈水平直线。

如此，变刚度压缩连杆50可用于替换只承受压力的刚性连杆。

本实施方式中，变刚度压缩连杆50的数目为两个。变刚度压缩连杆50分别与基指段20及端指段30转动连接且位于中指段20的左右侧面d上。

可以理解，在其他实施方式中，变刚度压缩连杆50的数目可以为一个，呈U型或者I型，可以设置于中指段20的内部或者中部，如此可节约机械手指100本身的空间，提高设计自由度，并可以增大变刚度压缩连杆50的刚度变化范围。因此，需要说明的是，变刚度压缩连杆50并不仅限于本实施方式中的数目为两个及位于中指段20的左右两侧。

请参阅图9及图10，本实施方式中，变刚度压缩连杆50包括与端指段30转动连接的第三连杆件51及与基指段10转动连接的第四连杆件52及连接第三连杆件51及第四连杆件52的第二弹性元件53。第四连杆件52与第三连杆件51相对滑动设置。

当变刚度压缩连杆50不受外力时，第二弹性元件53保持原长；当变刚度压缩连杆50受的外力为拉力时，第三连杆件51和第四连杆件52形成的限位机构54限制第二弹性元件53的伸长；当变刚度压缩连杆50受的外力为压力时，变刚度压缩连杆50的变形量随着压力的增大呈曲线增大，直至限位机构54限制变刚度压缩连杆40a的变形，此时变形量不再随压力的增加而变化。

请参阅图11，四连杆机构60a包括连接杆61a、连接杆62a、连接杆63a及连接杆64a。其中，连接杆61a与连接杆62a转动连接形成第一转轴612a，连接杆62a与连接杆64a转动连接形成第二转轴624a，连接杆61a与连接杆63a转动连接形成第三转轴613a，连接杆63a与连接杆64a转动连接形成第四转轴634a。第一转轴612a、第二转轴624a、第三转轴613a以及第四转轴634a基本平行。

请参阅图12，当固定连接杆61a，并驱动连接杆62a按如图6所示转动方向进行转动时，连接杆62a连续转动可以带动连接杆64a进行转动，同时连接杆63a沿连接杆62a转动方向进行转动。

如此，四连杆机构60a具有传动的特性。

本实施方式中，基指段10、中指段20、端指段30及变刚度压缩连杆50构成四连杆机构60。其中，基指段10的顶端外侧与中指段20底的端外侧转动连接形成第一转轴61。中指段20的顶端内侧与端指段30的底部内侧转动连接形成第二转轴62。变刚度压缩连杆50的一端与基指段10的顶端内侧转动连接形成第三转轴63。变刚度压缩连杆的另一端与端指段30的底端外侧转动连接形成第四转轴64。第一转轴61、第二转轴62、第三转轴63及第四转轴64平行。

如此，当驱动中指段20转动时，中指段20连续转动可以带动端指段30进行转动，从而形成中指段20与端指段30弯曲联动。同时，变刚度压缩连杆50沿中指段20转动方向的方向进行转动，由于变刚度压缩连杆50具有缓冲受力的作用，从而使得机械手指100具有受力回转的空间，从而提高机械手指100的自适应性能力，从而提高机械手1000的柔性。

请参阅图2及图13，本实施方式中，驱动装置40包括第二致动器46及连接第二致动器46及中指段20的第二拉丝47。第二致动器46用于通过第二拉丝47拉动中指段20相对于基指段10转动。

如此，驱动装置40通过第二拉丝47驱动机械手指100，从而模仿弯曲中指段20的动作，而端指段30在四连杆机构60的带动下也向内转动，从而模仿整个手指弯曲的动作，利用拉丝实现，结构简单，成本较低。

请参阅图2及图9，本实施方式中，机械手指100包括连接基指段10及中指段20的回位弹簧70。回位弹簧70用于在第二致动器45未拉动中指段20时驱动中指段20复位。

如此，当第二拉丝45未施力于中指段20时，回位弹簧70使中指段20与基指10段保持基本平行，此时变刚度压缩连杆50处于自然伸直状态；当第二拉丝45施加拉力并接触物体时，同时克服回位弹簧70和变刚度压缩连杆50的弹力，从而使得机械手指100具有更大的回转受力空间，提高了机械手1000自适应性。

本实施方式中，回位弹簧70为线簧。可以理解，在其他实施方式中，回位弹簧70可以为扭簧。因此，需要说明的是，回位弹簧70并不仅限于本实施方式中的线簧。

如此，可根据具体情况进行设置。

本发明实施方式的机械手1000配合基指段10根部与手指基座200转动连接的转轴210的转动自由度，当抓取较大的物体时，机械手指100调节基指段10根部的角度，形成一个较大的张角。第二拉丝47施加作用力于所述中指段20时，首先克服回位弹簧70的弹力使中指段20相对基指段10转动一定角度，同时带动端指段30的联动弯曲。此时机械手200形成类似人手的爪型结构，方便包络并抓取物体。当端指段接触物体之后，第二拉丝47作用力继续克服变刚度压缩连杆50的弹力，进而让端指段30适应物体的形状，具备一定自适应性。

而当抓取较小的物体时，首先转动基指段10根部，使各手指间形成较小的张角，此时可供回位弹簧70拉伸的空间较小，当机械手指100并拢接触物体时，第二拉丝47作用力主要克服变刚度压缩连杆50的弹力，进而让端指段30相对中指段20向外转动，形成类似人手指端并拢的结构，这样接触面增大，方便夹取小型物体。

本发明实施方式的机器手臂包括上述所述的机械手1000。本发明实施方式的机器手臂的机械手1000具有柔性自适应特征，从而提高了机器手臂的自适应性。本发明实施方式的机器人包括上述所述的机械手1000。本发明实施方式的机器人的机械手1000具有柔性自适应特征，从而提高了机器人的自适应性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或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，而不是指示或暗示所指的装置或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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种机械手，其特征在于，包括：

手指基座；

机械手指，所述机械手指包括转动设置于所述手指基座的基指段；及

驱动装置，所述驱动装置包括第一致动器及连接所述基指段及所述第一致动器的变刚度拉伸连杆，所述第一致动器用于通过所述变刚度拉伸连杆驱动所述基指段相对于所述手指基座转动。

2.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述基指段底端外侧与所述手指基座转动连接，所述变刚度拉伸连杆与所述基指段底端内侧转动连接。

3.如权利要求2所述的机械手，其特征在于，所述驱动装置包括设置在所述手指基座内侧且相对于所述手指基座上下滑动设置的传动滑块；所述变刚度拉伸连杆与所述传动滑块转动连接。

4.如权利要求3所述的机械手，其特征在于，所述变刚度拉伸连杆包括：

与所述基指段转动连接的第一连杆件；

与所述传动滑块转动连接的第二连杆件，所述第二连杆件与所述第一连杆件相对滑动设置；及

连接所述第一连杆件及所述第二连杆件的第一弹性元件。

5.如权利要求3述的机械手，其特征在于，所述驱动装置包括第一拉丝及滑轮，所述第一拉丝通过所述滑轮与所述传动滑块连接，用于拉动所述传动滑块向上或向下滑动。

6.如权利要求3述的机械手，其特征在于，所述机械手指包括多个，所述多个机械手指的内侧相对设置，所述传动滑块设置在所述多个机械手指之间并与所述多个机械手指底端内侧转动连接。

7.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述机械手指包括中指段及端指段，所述中指段的两端分别与所述基指段及所述端指段连接；及

所述机械手指还包括变刚度压缩连杆，所述变刚度压缩连杆两端分别与所述基指段及所述端指段转动连接以与所述中指段、所述基指段、所述端指段构成四连杆驱动装置。

8.如权利要求7所述的机械手，其特征在于，所述变刚度压缩连杆包括：

与所述端指段转动连接的第三连杆件；及

与所述基指段转动连接的第四连杆件，所述第四连杆件与所述第三连杆件相对滑动设置；及

连接所述第三连杆件及所述第四连杆件的第二弹性元件。

9.如权利要求7所述的机械手，其特征在于，所述驱动装置包括第二致动器及连接所述第二致动器及所述中指段的第二拉丝，所述第二致动器用于通过所述第二拉丝拉动所述中指段相对于所述基指段转动。

10.如权利要求9所述的机械手，其特征在于，所述机械手指包括连接所述基指段及所述中指段的回位弹簧，所述回位弹簧用于在所述第二致动器未拉动所述中指段时驱动所述中指段复位。

11.一种机器手臂，其特征在于包括如权利要求1-10所述的机械手。

12.一种机器人，其特征在于包括如权利要求1-10所述的机械手。