一种机械手指指节、机械手指和机械手

技术领域

本发明涉及机械手爪领域，具体是一种机械手指指节、机械手指和机械手。

背景技术

机械手是一种能模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动化操作装置。为降低成本、节省劳动力、增加效率、保障产品质量减少恶劣环境下人工作业，其被大量采用。按外观结构形式，机械手主要可分为两大类：一类是为高效地完成特定动作而设计的机械手，这种机械手的机械结构简单，自由度较少，主要用在工厂自动化中。另一类是完全按照人手形状设计成的拥有五根手指的灵巧型机械手，这类机械手自由度较多，更灵巧，更接近人手可以协助人完成更复杂的工作。如用于外科手术的感应型仿生机械手臂，可以进行远程控制完成手术，作为残疾人和瘫痪人员的假肢，帮助病人生活自理。因此，仿人手五指机械手用途、意义重大，一直是仿生机器人研究的重点。

申请号CN201910643044.9的中国发明专利提出了一种仿人五指形机械手爪，包括手掌和五个结构相同的机械手指，每个手指的具体结构包括气缸、气缸推杆、齿条、两块近基关节板、齿轮、近基关节轴、带轮一、两块中关节板、中关节轴、带轮二、带轮三、末梢关节、末梢关节轴和带轮四。该机械手爪采用气动系统作为驱动方式，采用齿轮齿条、带传动作为传动方式，齿轮齿条机构将气缸推杆的直线运动转化为近基关节轴的回转运动，近基关节与中关节、中关节与末梢关节之间用带传动联接以将各个关节的回转运动联系起来，然而带传动其带来的弊端也很明显，传送带与带轮之间属于软连接，在带轮转动的过程中不可避免地会出现打滑，且传送带本身易变形，这都使得利用带轮转动角度来控制指节的转动角度会出现偏差，无法实现精准控制，另一方面，传送带由于本身的性质在长期的牵引拉伸过程中也易损耗、稳定性能差，进一步地，申请号CN201910643044.9的发明专利所提出的仿人五指形机械手爪也只能控制机械手指在同一个平面内的弯曲，无法偏摆，包络效果差。

发明内容

为了解决现有技术中的机械手爪无法实现精准控制、易损耗、稳定性能差的技术问题，本发明提供了一种机械手指指节，解决了上述技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，本发明提供了一种机械手指指节，所述指节内置有驱动臂和联动臂，所述联动臂的第一端为联动臂铰接端，所述联动臂的第二端为联动臂自由端，所述联动臂固定连接于指节，所述驱动臂的第一端为驱动臂受力端，所述驱动臂的第二端为驱动臂驱动端，所述驱动臂驱动端与所述联动臂自由端联动以带动所述联动臂绕所述联动臂铰接端偏转。

另一方面，本发明提供了一种机械手指，包括：上述的指节；基架，所述基架上设有自由偏摆的摆臂；直线模组，所述直线模组通过所述摆臂驱动所述驱动臂受力端。

进一步地，所述直线模组为伺服电缸、液压缸或气缸。

进一步地，所述摆臂中部与所述基架铰接形成为摆臂铰接部，所述摆臂的第一端为摆臂受力端，所述摆臂受力端与所述直线模组的驱动端铰接，所述摆臂的第二端为摆臂驱动端，所述摆臂驱动端用于驱动所述驱动臂受力端。

进一步地，包括至少两个所述指节，两个指节分别为第一指节和第二指节，所述第一指节驱动臂受力端由所述直线模组驱动，所述第一指节驱动臂驱动端与所述第二指节联动臂铰接端铰接，所述第一指节联动臂自由端与所述第二指节驱动臂受力端相互铰接，同时，所述第一指节联动臂自由端通过铰接轴与所述第二指节联动臂铰接端进行铰接。

进一步地，还包括第三指节，所述第三指节内置连接臂，所述连接臂的第一端与所述第三指节固定连接，所述连接臂的第二端与所述第二指节联动臂自由端相互铰接，同时，所述连接臂的第二端通过铰接轴与所述第二指节驱动臂驱动端进行铰接。

进一步地，所述直线模组为与所述基架固定连接的滑杆以及与所述滑杆滑动配合的齿条，所述齿条由电机通过齿轮驱动。

同时，本发明还提供了一种机械手，包括：多个上述的机械手指，每个所述机械手指的基架上设有偏摆齿轮；偏摆模组，所述偏摆模组驱动所述偏摆齿轮以带动所述机械手指偏摆；壳体，所述壳体形成有容纳空间；所述机械手指的直线模组和偏摆模组内置于所述壳体的容纳空间，所述机械手指的指节外置于所述壳体。

进一步地，所述机械手指为五根，五根所述机械手指分别为与人手相仿的食指、中指、无名指、小指和大拇指，所述偏摆模组包括驱动所述食指、中指、无名指、小指的第一偏摆驱动电机，所述第一偏摆驱动电机的输出轴上固定地连接有第一偏摆驱动齿轮，所述第一偏摆驱动齿轮通过偏摆传动齿轮组驱动所述偏摆齿轮，所述偏摆模组还包括驱动所述大拇指的第二偏摆驱动电机，所述第二偏摆驱动电机通过固定连接在所述第二偏摆驱动电机输出轴上的第二偏摆驱动齿轮直接驱动所述大拇指上的偏摆齿轮。

进一步地，所述偏摆传动齿轮组包括与所述食指和中指上的偏摆齿轮同时啮合的第一传动齿轮、与所述无名指和小指上的偏摆齿轮同时啮合的第二传动齿轮以及与所述第二传动齿轮啮合的第三传动齿轮，所述第三传动齿轮与所述第一偏摆驱动齿轮啮合，所述偏摆传动齿轮组还包括同时与所述第一传动齿轮、第三传动齿轮啮合的第四传动齿轮。

基于上述结构，本发明所能实现的技术效果为：

1、本发明的机械手指指节，指节内置有驱动臂和联动臂，联动臂铰接端铰接在基架上，联动臂自由端设置有两个铰接点，分别用于连接下一指节驱动臂受力端和联动臂铰接端，即上一指节联动臂可形成为下一指节的基架，同时下一指节联动臂铰接端也设置有两个铰接点，分别用于连接上一指节驱动臂驱动端和联动臂额自由端，基于此，本发明的机械手指指节的连接与传动均采用的是连杆组件结构，避免了传送带与带轮配合结构的使用，使得本发明的机械手指指节运行起来更为稳定同时还提高了控制精度。

2、本发明的机械手采用三个指节的设计，使得本发明的机械手能进行完美的包络，手指在抓取的过程中，遵循下关节先动，上关节后动的原则，在下关节走到极限位，或者顶到物体，受到一定力时，上关节才会向内抓取，这样就不会存在只有指尖捏取，抓取力不足的现象。

3、本发明的机械手与人手一样，有五根手指，每根手指都有单独的电机来驱动，可以单独的控制。同时，本发明的机械手还设置有偏摆模组，偏摆模组设置在机械手的背面，是由多个齿轮组成的一套传动机构，可以控制四根手指(食指、中指、无名指、小指)左右摆动，摆动幅度在五度左右，这样可以更好地适应抓取的物体。

4、本发明的机械手的四根手指(食指、中指、无名指、小指)与大拇指所采用的直线模组、偏摆模组在设计上略有不同，使得大拇指的直线模组、偏摆模组所占用壳体内空间变小，且大拇指的偏摆幅度也大于其他四指。

附图说明

图1是本发明的机械手指指节的整体结构示意图；

图2是本发明的机械手指指节的另一视角的示意图；

图3是本发明的机械手指指节的又一视角的示意图；

图4是本发明的机械手指的第一视角的整体结构示意图；

图5是图4的剖面图；

图6是本发明的机械手指的第二视角的整体结构示意图；

图7是图6的剖面图；

图8是本发明的机械手指的第三视角的整体结构示意图；

图9是图8的剖面图；

图10是本发明的机械手指的第四视角的整体结构示意图；

图11是图10的剖面图；

图12是本发明的机械手指的另一实施例的示意图；

图13是本发明的机械手指的另一实施例的另一视角的示意图；

图14是本发明的机械手的整体结构示意图；

图15是本发明的机械手的另一视角的整体结构示意图；

图16是本发明的机械手的又一视角的整体结构示意图；

图17是本发明的机械手在隐藏壳体后的整体结构示意图；

图18是本发明的机械手在隐藏壳体后的另一视角的整体结构示意图；

图19是本发明的机械手在隐藏壳体后的又一视角的整体结构示意图。

其中：1-驱动臂，11-驱动臂受力端，12-驱动臂驱动端；2-联动臂，21-联动臂铰接端，22-联动臂自由端；3-基架，31-摆臂，311-摆臂铰接部，312-摆臂受力端，313-摆臂驱动端，32-推杆，33-滑杆，34-齿条，35-偏摆齿轮；4-连接臂，5-壳体，50-第一偏摆驱动齿轮,51-第一传动齿轮，52-第二传动齿轮，53-第三传动齿轮，54-第四传动齿轮，55-第二偏摆驱动齿轮；

a-第一指节，a11-第一指节驱动臂受力端，a12-第一指节驱动臂驱动端，a21-第一指节的联动臂铰接端，a22-第一指节联动臂自由端；b-第二指节，b11-第二指节驱动臂受力端，b12-第二指节驱动臂驱动端，b21-第二指节联动臂铰接端，b22-第二指节联动臂自由端；c-第三指节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

申请号CN201910643044.9的中国发明专利提出了一种仿人五指形机械手爪，其指节与指节之间采用带传动作为主要的传动方式，而带传动的弊端也很明显，传送带与带轮之间属于软连接，在带轮转动的过程中不可避免地会出现打滑，且传送带本身易变形，这都使得利用带轮转动角度来控制指节的转动角度会出现偏差，无法实现精准控制，另一方面，传送带由于本身的性质在长期的牵引拉伸过程中也易损耗、稳定性能差。有鉴于此，本实施例提供了一种机械手指指节，指节内采用纯连杆结构替代了带轮结构来解决上述技术问题。

如图1-7所示，本发明提供了一种机械手指指节，指节呈圆环状并内置有与其固定连接的联动臂2，联动臂2的第一端为联动臂铰接端21，联动臂2的第二端为联动臂自由端22，指节还内置有驱动臂1，驱动臂1的第一端为驱动臂受力端11，驱动臂1的第二端为驱动臂驱动端12，驱动臂驱动端12与联动臂自由端22联动以带动联动臂2绕联动臂铰接端21偏转。

本发明的机械手指指节，指节内置有驱动臂1和联动臂2，联动臂铰接端21铰接在基架3上，联动臂自由端22设置有两个铰接点，分别用于连接下一指节驱动臂受力端11和联动臂铰接端21，同时下一指节的联动臂铰接端21也设置有两个铰接点，分别用于连接上一指节的驱动臂驱动端12和联动臂自由端22，基于此，本发明的机械手指指节的连接与传动均采用的是连杆组件结构，避免了传送带与带轮配合结构的使用，使得本发明的机械手指指节运行起来更为稳定同时还提高了控制精度。

如图1-13所示，本发明还提供了一种机械手指，包括上述的机械手指指节，同时还包括基架3和直线模组，基架3上设有自由偏摆的摆臂31，摆臂31用于连接驱动臂受力端11和联动臂铰接端21，直线模组通过摆臂31驱动驱动臂受力端11来实现指节的运动。

根据本发明的一个具体实施例，直线模组可选为伺服电缸、液压缸或气缸。当直线模组选为伺服电缸时，包括设置在基架上的驱动电机、丝杆和推杆32，丝杆可转动地设置在基架3上，丝杆的一端固定地连接有从动齿轮，从动齿轮与由固定连接在驱动电机输出轴上的驱动齿轮驱动，丝杆的丝牙上可活动地配有螺套，推杆32的一端铰接在螺套上，推杆的另一端铰接于摆臂31。

需要注意的是，如图12-13所示，当直线模组的安装空间受限，特别是在安装大拇指的直线模组时，直线模组也可以为与基架3固定连接的滑杆33、与滑杆33滑动配合的齿条34以及推杆32，齿条34则由电机通过齿轮驱动，推杆32的一端铰接在螺套上，推杆32的另一端铰接于摆臂31。

根据本发明的一个具体实施例，摆臂31呈三角形，摆臂31中部即三角形的一个角与基架3铰接形成为摆臂铰接部311，摆臂31的第一端即三角形的第二个角为摆臂受力端312，摆臂受力端312与直线模组的驱动端即推杆32铰接，摆臂31的第二端即三角形的第三个角为摆臂驱动端313，摆臂驱动端313用于驱动驱动臂受力端11。

根据本发明的一个具体实施例，本发明的机械手指包括依次连接的第一指节a、第二指节b和第三指节c，第一指节a与基架3连接，具体地，第一指节驱动臂受力端a11与摆臂驱动端313铰接，第一指节驱动臂驱动端a12与第二指节联动臂铰接端b21铰接，第一指节的联动臂铰接端a21与摆臂铰接部311铰接，第一指节联动臂自由端a22与第二指节驱动臂受力端b11铰接，第一指节联动臂自由端a22同时还与第二指节联动臂铰接端b21铰接，第二指节驱动臂驱动端b12与第三指节c的连接臂4的第二端铰接，第二指节联动臂自由端b22也与第三指节c的连接臂4的第二端铰接，具体而言，第三指节c在本实例中为模仿的人手的指甲所在的末端指节，没有再下一个指节需要驱动，故第三指节c仅内置连接臂4，连接臂4的第一端与第三指节c固定连接，连接臂4的第二端与第二指节b连接。

如图14-19所示，本发明还提供了一种机械手，包括多个上述的机械手指，每个机械手指的基架3上设有偏摆齿轮35，本实施例的机械手还包括偏摆模组和壳体5，偏摆模组驱动偏摆齿轮35以带动机械手指偏摆，壳体5形成有容纳空间，容纳空间内设置机械手指的直线模组和偏摆模组，壳体5外则设置机械手指的指节。

本发明的机械手除了直线模组还设置有偏摆模组通过设置在每个机械手指的基架3上的偏摆齿轮35来实现机械手指的偏摆，从而获得更好的抓取效果。

如图14-19所示，根据本发明的一个具体实施例，机械手的机械手指被配置为五根，五根机械手指分别为与人手相仿的食指、中指、无名指、小指和大拇指，偏摆模组包括驱动食指、中指、无名指、小指的第一偏摆驱动电机，第一偏摆驱动电机的输出轴上固定地连接有第一偏摆驱动齿轮50，第一偏摆驱动齿轮50通过偏摆传动齿轮组驱动偏摆齿轮35，偏摆传动齿轮组包括与食指和中指上的偏摆齿轮35同时啮合的第一传动齿轮51、与无名指和小指上的偏摆齿轮35同时啮合的第二传动齿轮52以及与第二传动齿轮52啮合的第三传动齿轮53，所述第三传动齿轮53与所述第一偏摆驱动齿轮50啮合，偏摆传动齿轮组还包括同时与所述第一传动齿轮51、第三传动齿轮53啮合的第四传动齿轮54，偏摆模组还包括驱动大拇指的第二偏摆驱动电机，第二偏摆驱动电机通过固定连接在第二偏摆驱动电机输出轴上的第二偏摆驱动齿轮55直接驱动所述大拇指上的偏摆齿轮35。由此，本实施例的机械手大拇指可以单独的左右摆动角度，食指、中指能一起摆动，无名指、小指一起能摆动从而能够实现更好的包络效果。

需要说明的是，偏摆齿轮35和偏摆传动齿轮组中涉及的第一传动齿轮51、第二传动齿轮52、第三传动齿轮53、第四传动齿轮54的转轴都是设置在壳体5上的，具体为靠手背的壳体5上。

基于上述基本结构，本实施例的机械手与人手一样，有五根手指，每根手指都有单独的电机来驱动，可以单独的控制。同时，本实施例的机械手还设置有偏摆模组，偏摆模组设置在机械手的背面，是由多个齿轮组成的一套传动机构，可以控制四根手指(食指、中指、无名指、小指)左右摆动，摆动幅度在五度左右，这样可以更好地适应抓取的物体，另一方面，三个指节的设计使得本实例的机械手能进行完美的包络，手指在抓取的过程中，遵循下关节先动，上关节后动的原则，在下关节走到极限位，或者顶到物体，受到一定力时，上关节才会向内抓取，这样就不会存在只有指尖捏取，抓取力不足的现象。进一步地，本实例的机械手还有专门配备有控制盒，用来控制机械手的抓取与释放，具体是控制六个电机的运转，给出信号，能在适当的位置控制启停以达到无限接近人手的效果。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。