CN111421565A - 一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，包括传动箱，传动箱通过支撑装置与三个欠驱动手指连接，支撑装置上设置有由两级动滑轮串联组成的差动机构，差动机构上套装有钢丝绳，钢丝绳的一端与传动箱连接，另一端分别连接三个欠驱动手指的手指指尖，三个欠驱动手指呈120°均布，每个欠驱动手指具有三个自由度。本发明结构简单，设计合理，抓取灵活、可靠，具备很好的形封闭特性。

Description

一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构

技术领域

本发明属于机械生产技术领域，具体涉及一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构。

背景技术

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，能够通过单电机驱动三指三关节机械手实现抓取操作，机械手能够自适应直径约为100mm的球状及各种异形的物体，并且抓取可靠，具备很好的形封闭特性。

本发明采用以下技术方案：

一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，包括传动箱，传动箱通过支撑装置与三个欠驱动手指连接，支撑装置上设置有由两级动滑轮串联组成的差动机构，差动机构上套装有钢丝绳，钢丝绳的一端与传动箱连接，另一端经差动机构分别连接三个欠驱动手指的手指指尖，三个欠驱动手指呈120°均布，每个欠驱动手指具有三个自由度。

具体的，支撑装置包括固定板，固定板设置在传动箱上，通过三个导杆与保持板连接，保持板上设置有三个基关节，三个基关节对应连接三个欠驱动手指。

进一步的，相邻的两个导杆上分别设置有第一滑块和第二滑块，第一滑块和第二滑块上对应设置有第一动滑轮和第二动滑轮；钢丝绳的一端与传动箱内设置的钢丝绕轴连接，另一端经第一动滑轮和第二动滑轮分别与三个欠驱动手指指尖连接。

更进一步的，钢丝绳包括第一钢丝绳、第二钢丝绳和第三钢丝绳，第一钢丝绳的一端与传动箱内的电机连接，另一端固定在第一滑块上；第二钢丝绳的一端与一个欠驱动手指的指尖处连接，另一端经第一动滑轮与第二滑块连接；第三钢丝绳绕在第二动滑轮上，两端分别与剩余两个欠驱动手指的指尖处连接。

具体的，欠驱动手指包括第一指节、第二指节和第三指节，第一指节的一端与基关节轴连接，另一端与第二指节的一端轴连接，第二指节的另一端与第三指节的一端轴连接。

进一步的，第一指节与基关节的连接轴上设置有第一驱动轮，第一指节与第二指节关节连接处的连接轴上设置有第二驱动轮，第二指节与第三指节关节连接处的连接轴上设置有第三驱动轮。

进一步的，第一指节上设置有第一定滑轮，第二指节上设置有第二定滑轮。

进一步的，第一指节和基关节之间设置有第一弹簧；第一指节和第二指节之间设置有第二弹簧；第二指节和第三指节之间设置有第三弹簧。

具体的，传动箱内设置有步进电机，步进电机通过联轴器与主动锥齿轮连接，主动锥齿轮与套装在钢丝绕轴上的从动锥齿轮啮合连接，钢丝绕轴的两端分别通过轴承与保护壳体活动连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，有9个自由度，由一个电机驱动；传动机构由两组动滑轮串联组成，由于动滑轮的自身旋转，保证了机械手的自适应性，即当一根手指受到阻碍而无法继续转动时，另外两根手指仍然可以继续转动，直到完全接触被抓物体为止；三个欠驱动手指之间的欠驱动使用了一个驱动器来驱动三根手指的弯曲、伸展动作，采用两级动滑轮串联组成的差动机构，不仅具备自适应性——即当一个或多个手指由于接触被抓物体受到阻力而被固定无法继续运动时，其它的手指能够继续运动，并且当所有的手指都稳定接触到被抓物体时，驱动力通过该欠驱动机构应能够很均匀的分配到各个手指，并在稳定抓取时尽可能的保证比较大的抓取力，为了使抓取物体可靠且设计方便与美观，采取三个手指120°均匀分布。

进一步的，两级动滑轮组成的差动结构也是实现机械手欠驱动原理的重要条件之一。当一个或多个手指由于障碍而被阻碍无法继续运动时，其它的手指能够因为动滑轮的存在继续运动，将作用力继续向下一环节传递。

进一步的，支撑装置起承上启下的作用，固定板与基关节相连从而承载整个手指部分，中间的导杆上装有滑块，三根导杆既起到了导轨的作用，又能提供力学支撑，在导杆的长宽高选择上，依照运动学分析，在明确了手指在抓取物体张开或闭合时的绳子收缩伸长长度后确定。

进一步的，三个欠驱动手指分别通过对应的基关节固定在支撑装置的保持板上，近关节、中关节和远关节各有一个自由度，这样既减少了手指的结构复杂度，同时又能满足包络抓取的要求。

进一步的，传动箱主要负责向机械手爪提供运动与动力，更重要的一点是，传动箱的合理设计能保证机械手的欠驱动效果以及自适应性能，实现了通过一个驱动电机同时带动三根手指、六个自由度运动，并且当其中一根或两根手指因接触到被抓物体受到阻碍而无法继续进行抓取运动时，另外的手指仍然可以继续弯曲，直到完全接触到被抓物体为止。

综上所述，本发明结构简单，设计合理，抓取灵活、可靠，具备很好的形封闭特性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明手指结构图，其中，(a)为结构图，(b)为传动图；

图3为本发明不同手指件传动机构的运动简图；

图4为本发明手指整体布局方案示意图；

图5为本发明传动箱示意图；

图6为本发明导杆与支撑示意图；

图7为本发明机械手手指装配图。

其中：1.传动箱；2.固定板；3.滑块；3-1.第一滑块；3-2.第二滑块；4.动滑轮；4-1.第一动滑轮；4-2.第二动滑轮；5.导杆；6.钢丝绳；6-1.第一钢丝绳；6-2.第二钢丝绳；6-3.第三钢丝绳；7.保持板；8.基关节；9.欠驱动手指；9-1.第一指节；9-2.第二指节；9-3.第三指节；10.第一驱动轮；11.第一定滑轮；12.第二驱动轮；13.第二定滑轮；14.第三驱动轮；15.第一弹簧；16.第二弹簧；17.第三弹簧；18主动锥齿轮；19.钢丝绕轴；20.轴承；21.保护壳体；22.从动锥齿轮。

具体实施方式

请参阅图1和图7，本发明一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，包括动力系统、传动系统、支撑装置和欠驱动手指9。动力系统包括传动箱1，支撑装置设置在传动箱1上，欠驱动手指9有三个，间隔设置在支撑装置的顶端，支撑装置上设置有传动系统。传动系统包括钢丝绳6，钢丝绳6的一端连接到动力输入端，另一端经由两级动滑轮串联组成的差动机构分别固定在三个欠驱动手指9手指指尖的钢环处，整根手指通过钢丝绳6和安装在各关节处的驱动轮进行动力与运动的传递。

请参阅图6，支撑装置包括固定板2、导杆5和保持板7；传动系统包括滑块3、滑轮4和钢丝绳6；固定板2设置在传动箱1上，导杆5包括三个，一端与固定板2连接，另一端与保持板7连接，三个导杆5间隔设置，相邻的两个导杆5上分别设置有第一滑块3-1和第二滑块3-2，第一滑块3-1和第二滑块3-2上对应设置有第一动滑轮4-1和第二动滑轮4-2；钢丝绳6的一端与传动箱1内设置的钢丝绕轴19连接，另一端经第一动滑轮4-1和第二动滑轮4-2分别连接三个欠驱动手指9。

请参阅图3和图4，钢丝绳6包括第一钢丝绳6-1、第二钢丝绳6-2和第三钢丝绳6-3，第一动滑轮4-1通过第一滑块3-1设置在第一导杆上，第二动滑轮4-2通过第二滑块3-2设置在第二导杆上；第一钢丝绳6-1的一端固定于钢丝绕轴上，并通过圆锥齿轮、联轴器与传动箱1内的电机连接，另一端固定在第一滑块3-1上，负责将电机产生的动力传递给第一滑块3-1；第二钢丝绳6-2的一端通过第一驱动轮10、第一定滑轮11、第二驱动轮12、第二定滑轮13、第三驱动轮14与一个欠驱动手指9的指尖处连接，负责驱动该手指的弯曲运动，另一端经第一动滑轮4-1与第二滑块3-2连接，将动力传递给第二滑块3-2；第三钢丝绳6-3绕在第二动滑轮4-2上，两端分别通过对应的第一驱动轮10、第一定滑轮11、第二驱动轮12、第二定滑轮13、第三驱动轮14与另外两个欠驱动手指9的指尖处连接，负责驱动两根剩余欠驱动手指9的手指弯曲运动。

请参阅图5，传动箱1的底部装有步进电机，步进电机通过联轴器与主动锥齿轮18连接，主动锥齿轮18与套装在钢丝绕轴19上的从动锥齿轮22啮合传动，钢丝绕轴15的两端通过轴承20与保护壳体21可动连接，步进电机产生的动力依次传递给主动锥齿轮18，与其啮合的从动锥齿轮22，钢丝绕轴19与从动锥齿轮18一起转动，同时，第一钢丝绳6-1在钢丝绕轴15上缠绕，将力传递给下一系统。

请参阅图2，通过对人手的功能分析，发现人手大部分的抓取和操作过程主要是由拇指、食指、中指三根手指完成，无名指和小指主要起辅助作用，为了减少机构的复杂性，手指数目为3个。欠驱动手指9包括第一指节9-1、第二指节9-2和第三指节9-3，每个欠驱动手指9的自由度为3个，为了抓取物体可靠以及设计方便与美观，三个欠驱动手指9在保持板7上呈120°均匀分布。

基关节8与第一指节9-1的一端轴连接，第一指节9-1的另一端与第二指节9-2的一端轴连接，第二指节9-2的另一端与第三指节9-3的一端轴连接。第一指节9-1与基关节8的连接轴上设置有第一驱动轮10，第一指节9-1与第二指节9-2关节连接处的连接轴上设置有第二驱动轮12，第二指节9-2与第三指节9-3关节连接处的连接轴上设置有第三驱动轮14。

第一驱动轮10与第一指节9-1固连，第二驱动轮12与第二指节9-2固连，第三驱动轮13与第三指导9-3固连。

手指的基关节8固定在保持板7上，在第一指节9-1与基关节8之间安装有扭转弹簧15，第二指节9-2与第一指节之间按装有扭转弹簧16，第三指节9-3与第二指节之间安装有扭转弹簧17。扭转弹簧提供一定的弹簧力，用来保证手指在未抓取物体时的自然状态时为常开状态。

钢丝绳从下方绕进第一驱动轮10，绕第一驱动轮10一周，然后经过第一定滑轮11，从下方绕进第二驱动轮12，绕第二驱动轮12一周，然后经过第二定滑轮13，从下方绕进第三驱动轮14，绕驱动轮14一周，最后固连到指尖处。

由于钢丝绳只能承受拉力，不能承受压力或推力，故机械手需要保持一个常开的状态，拉动钢丝绳使手指弯曲抓取，机械手靠关节处的扭转弹簧恢复初始位置，故扭转弹簧安装时需要有一定的初始角以保证手指的常开状态。然而根据手指的设计原理，各关节处弹簧刚度的大小直接影响手指的运动状态，故需要综合考虑各种因素选取弹簧的刚度，通过计算，能初步确定各关节扭转弹簧的刚度，进而可以确定安装时的初始角度，经计算，扭转弹簧安装时的初始角初步确定为80°。然而考虑到计算与实际模型之间的误差，扭转弹簧的安装应留有一定的余量，故在进行机械手手指结构设计时，需要设计一个可以调节的装置来实现对扭转弹簧的安装初始角进行一定范围的调整，以保证手指可靠、紧凑的常开状态。同时为了保证抓取物体时指节逐渐弯曲的顺序，扭转弹簧15、16、17的刚度是依次递增。

本发明一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构的工作原理如下：

钢丝绳在三个驱动轮10、12、14上绕一周，当拉动钢丝绳时，钢丝绳与驱动轮之间产生摩擦力，在驱动轮10、12、14上产生旋转运动的转矩。由于弹簧15弹向其力较小，弹簧16、17的弹簧力大，开始时钢丝绳6难以拉动第二驱动轮12、第三驱动轮14绕相应的轴转动，于是三个指节9-1、9-2和9-3作为一个整体，在第一驱动轮10的作用下克服弹簧15的约束力绕基关节8转动，实现基关节的转动动作；当第一指节9-1接触物体时，无法继续旋转，此时钢丝绳6拉力增大，钢丝绳6拉动第二驱动轮12克服第二弹簧16的约束力，使第二指节9-2和第三指节9-3作为一个整体绕近关节转动。当第二指节9-2接触物体时，无法继续旋转，此时钢丝绳6拉力进一步增大，钢丝绳6拉动第三驱动轮14克服第三弹簧17的约束力，使第三指节9-3绕远关节转动。直到接触物体时停止，最终实现远关节的转动，最终实现抓取包罗。

本发明的欠驱动机械手之所以能够通过一个电机同时驱动三根手指进行弯曲运动，主要依赖于动滑轮的原理，当动滑轮在拉力的作用下带动动滑轮沿导轨移动时，套在动滑轮上面的钢丝绳也跟着动滑轮移动，如果钢丝绳两侧受力不均匀，动滑轮还可以绕自身轴线转动。如果钢丝绳的两端分别固定在两根手指的指尖，那么这根钢丝绳就可以同时带动两根手指运动，进而如果用两个动滑轮串联，即将第一级动滑轮的一个输出端直接连接一根欠驱动手指，另一个输出端连接第二级动滑轮，则两个动滑轮串联就可以同时带动三根欠驱动手指弯曲运动。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，包括传动箱(1)，传动箱(1)通过支撑装置与三个欠驱动手指(9)连接，支撑装置上设置有由两级动滑轮串联组成的差动机构，差动机构上套装有钢丝绳(6)，钢丝绳(6)的一端与传动箱(1)连接，另一端经差动机构分别连接三个欠驱动手指(9)的手指指尖，三个欠驱动手指(9)呈120°均布，每个欠驱动手指(9)具有三个自由度。

2.根据权利要求1所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，支撑装置包括固定板(2)，固定板(2)设置在传动箱(1)上，通过三个导杆(5)与保持板(7)连接，保持板(7)上设置有三个基关节(8)，三个基关节(8)对应连接三个欠驱动手指(9)。

3.根据权利要求2所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，相邻的两个导杆(5)上分别设置有第一滑块(3-1)和第二滑块(3-2)，第一滑块(3-1)和第二滑块(3-2)上对应设置有第一动滑轮(4-1)和第二动滑轮(4-2)；钢丝绳(6)的一端与传动箱(1)内设置的钢丝绕轴(19)连接，另一端经第一动滑轮(4-1)和第二动滑轮(4-2)分别与三个欠驱动手指(9)指尖连接。

4.根据权利要求3所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，钢丝绳(6)包括第一钢丝绳(6-1)、第二钢丝绳(6-2)和第三钢丝绳(6-3)，第一钢丝绳(6-1)的一端与传动箱(1)内的电机连接，另一端固定在第一滑块(3-1)上；第二钢丝绳(6-2)的一端与一个欠驱动手指(9)的指尖处连接，另一端经第一动滑轮(4-1)与第二滑块(3-2)连接；第三钢丝绳(6-3)绕在第二动滑轮(4-2)上，两端分别与剩余两个欠驱动手指(9)的指尖处连接。

5.根据权利要求1所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，欠驱动手指(9)包括第一指节(9-1)、第二指节(9-2)和第三指节(9-3)，第一指节(9-1)的一端与基关节(8)轴连接，另一端与第二指节(9-2)的一端轴连接，第二指节(9-2)的另一端与第三指节(9-3)的一端轴连接。

6.根据权利要求5所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，第一指节(9-1)与基关节(8)的连接轴上设置有第一驱动轮(10)，第一指节(9-1)与第二指节(9-2)关节连接处的连接轴上设置有第二驱动轮(12)，第二指节(9-2)与第三指节(9-3)关节连接处的连接轴上设置有第三驱动轮(14)。

7.根据权利要求5所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，第一指节(9-1)上设置有第一定滑轮(11)，第二指节(9-2)上设置有第二定滑轮(13)。

8.根据权利要求5所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，第一指节(9-1)和基关节(8)之间设置有第一弹簧(15)；第一指节(9-1)和第二指节(9-2)之间设置有第二弹簧(16)；第二指节(9-2)和第三指节(9-3)之间设置有第三弹簧(16)。

9.根据权利要求1所述的滑轮式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，传动箱(1)内设置有步进电机，步进电机通过联轴器与主动锥齿轮(18)连接，主动锥齿轮(18)与套装在钢丝绕轴(19)上的从动锥齿轮(22)啮合连接，钢丝绕轴(19)的两端分别通过轴承(20)与保护壳体(21)活动连接。

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