专利名称：一种机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人工作部件领域，特别涉及一种机械手。
背景技术：
随着社会的不断发展，机械手作为能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定 程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置已经广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻 工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成，其中控制系统 是通过对机械手每个自由度的电机的控制来完成特定动作，同时接收传感器反馈的信息形 成稳定的闭环控制，其核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现 所要功能，因此目前控制系统的相关技术已经比较成熟，而手部是用来抓持工件(或工具) 的部件，运动机构是使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变 被抓持物件的位置和姿势，因此两者关系到整个机械手的灵活性、通用性，目前机械手的传 动方式大多采用齿轮传动和腱传动，若传动方式采用齿轮传动如果不增加调节齿轮间隙的 装置，则会因齿轮间隙过小摩擦力过大，而降低机械手的使用寿命，如增加调节齿轮间隙的 装置则如附图1专利号CN201020033222. 0所示的大大增加手的附加重量，使手的机构变得 复杂，若传动方式采用腱传动即皮带轮传动则如附图2专利号CN201020033222. 0所示需要 进行预紧，但由于腱传动是通过钢丝绳或弹性线进行传动，因此会因为预紧力过大造成腱 拉断，或因为腱长时间处于拉紧状态，而发生变形造成滞后或传动发生误差，为了避免这些 问题出现目前部分机械手采用压电方式直接进行驱动，但是由于技术不够成熟，往往存在 布局不够合理，结构单一，强度不够的缺陷。
实用新型内容针对以上问题，本实用新型通过设计一种采用压电方式直接进行驱动的机械手， 对现有机械手结构进行重新设计，使得机械手结构更为简单，质量更为轻巧，布局更为合 理，为达此目的，本实用新型提供一种机械手，包括手掌单元、指尖单元、关节单元、连接件 单元和拇指活动单元，所述手掌单元一侧设置有拇指活动单元，所述手掌单元及拇指活动 单元上设置有连接单元，所述连接单元上连有关节单元，所述指尖单元安装在最顶部的关 节单元上；所述关节单元包括驱动轮、侧板、支撑架、压电元件和弹性连接件，驱动轮上有柱 状支撑，驱动轮通过柱状支撑安装在侧板内，驱动轮底部有连接端，驱动轮通过连接端与上 一关节单元侧板或指尖单元的连接部相连，驱动轮上端有伸出端，所述弹性连接件上端有 卡紧部，驱动轮通过伸出端卡在弹性连接件的卡紧部上，所述支撑架安装在弹性连接件一 侧，所述支撑架另一侧安装在侧板上，所述弹性连接件一侧安装有一压电元件，弹性连接件 底部安装有两压电元件，所述侧板底部有连接部；所述连接单元包括支撑板和连接板，所述支撑板安装在连接板上，所述关节单元 通过连接板与连接单元相连；[0006]所述拇指活动单元包括驱动轮、侧板、支撑架、压电元件和弹性连接件，所述拇指 活动单元安装在手掌单元一侧，驱动轮上有柱状支撑，驱动轮通过柱状支撑安装在侧板内， 驱动轮底部有连接端，驱动轮通过连接端与连接单元相连，驱动轮上端有伸出端，所述弹性 连接件上端有卡紧部，驱动轮通过伸出端卡在弹性连接件的卡紧部上，所述支撑架安装在 弹性连接件一侧，所述支撑架另一侧安装在侧板上，所述弹性连接件一侧安装有一压电元 件，弹性连接件底部安装有两压电元件。作为本实用新型的进一步改进，所述手掌单元上设置有至少2个连接单元，所述 连接单元上连有1-3个关节单元，本专利可设置多个连接单元及关节单元，可根据机械手 工作环境需要进行设置，从而使得机械手适用范围更加广泛。作为本实用新型的进一步改进，所述手掌单元内设置有加强筋，为了提高整个机 械手的强度本专利在机械手手掌单元内设置加强筋。本实用新型通过设计一种采用压电方式直接进行驱动的机械手，对现有机械手结 构进行重新设计，使得机械手结构更为简单，质量更为轻巧，布局更为合理，并且本专利连 接单元和关节单元结构简单替换方便，用户可根据机械手工作环境设置相应数量的连接单 元和关节单元，从而使得机械手能在不同工作环境中进行工作适用范围更加广泛。
图1是齿轮传动式机械手结构示意图；图2是腱传动式机械手结构示意图；图3是本专利立体示意图；图4是本专利拇指连接处结构示意图；图5是本专利活动关节结构示意图；图6是本专利压电元件安装示意图；图7是本专利指尖元件示意图；图8是是弹性体的运动机理简图图中的构件为1、手掌单元； 1-1、加强筋； 2、指尖单元；3-1、驱动轮； 3-2、侧板；3-3、支撑架；3-5、弹性连接件；4、连接件单元；4-1、支撑板；5、拇指活动单元；5-1、驱动轮； 5-2、侧板；5-4、压电元件；5-5、弹性连接件；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对实用新型做详细的说明本实用新型通过设计一种采用压电方式直接进行驱动的机械手，对现有机械手结 构进行重新设计，使得机械手结构更为简单，质量更为轻巧，布局更为合理。本实用新型提供结构示意图如图3所示的一种机械手，包括手掌单元1、指尖单元 2、关节单元3、连接件单元4和拇指活动单元5，所述手掌单元1 一侧设置有拇指活动单元 5，所述手掌单元1及拇指活动单元5上设置有连接单元4，所述手掌单元1内设置有加强
3、关节单元；
3-4、压电元件；
4-2、连接板；
5-3、支撑架；筋1-1，为了提高整个机械手的强度本专利在机械手手掌单元1内设置加强筋1-1，所述连 接单元4上连有关节单元3，所述指尖单元2如图7所示安装在最顶部的关节单元3上；所述关节单元3如图5所示包括驱动轮3-1、侧板3-2、支撑架3_3、压电元件3_4 和弹性连接件3-5，驱动轮3-1上有柱状支撑，驱动轮3-1通过柱状支撑安装在侧板3-2内， 驱动轮3-1底部有连接端，驱动轮3-1通过连接端与上一关节单元3侧板或指尖单元2的 连接部相连，驱动轮3-1上端有伸出端，所述弹性连接件3-5上端有卡紧部，驱动轮3-1通 过伸出端卡在弹性连接件3-5的卡紧部上，所述支撑架3-3安装在弹性连接件3-5 —侧，所 述支撑架3-3另一侧安装在侧板3-2上，所述弹性连接件3-5如图6所示一侧安装有一压 电元件3-4，弹性连接件3-5底部安装有两压电元件3-4，所述侧板3-2底部有连接部；所述连接单元4包括支撑板4-1和连接板4-2，所述支撑板4_1安装在连接板4_2 上，所述关节单元3通过连接板4-2与连接单元4相连；所述手掌单元1上设置有至少2个连接单元4，所述连接单元4上连有1-3个关节 单元3，本专利可设置多个连接单元4及关节单元3，可根据机械手工作环境需要进行设置， 从而使得机械手适用范围更加广泛。所述拇指活动单元5如图4所示包括驱动轮5-1、侧板5-2、支撑架5_3、压电元件 5-4和弹性连接件5-5，所述拇指活动单元5安装在手掌单元1 一侧，驱动轮5-1上有柱状 支撑，驱动轮5-1通过柱状支撑安装在侧板5-2内，所述驱动轮5-1底部有连接端，驱动轮 5-1通过连接端与连接单元4相连，驱动轮5-1，上端有伸出端，所述弹性连接件5-5上端有 卡紧部，驱动轮5-1通过伸出端卡在弹性连接件5-5的卡紧部上，所述支撑架5-3安装在弹 性连接件5-5 —侧，所述支撑架5-3另一侧安装在侧板5-2上，所述弹性连接件5-5 —侧安 装有一压电元件5-4，弹性连接件5-5底部安装有两压电元件5-4。本专利还连有驱动驱动控制系统和测量系统，所述驱动控制系统由驱动单元、驱 动器、DSP、CPLD和计算机及控制软件组成，所述测量系统由力传感器、电位计构成。所述 计算机用于机械手轨迹规划及向下位机DSP发送控制数据，计算机和DSP之间采用RS232 进行通讯，DSP完成全部关节运动控制算法和控制量的给定，实现机械手各关节协调运动， CPLD则实现驱动单元的正反转控制及电路逻辑控制，并通过调节施加在驱动器压频转换器 上电压来改变驱动单元的工作频率实现对其运行速度的调节，并使用A/D检测测量系统的 传感器信息，所述测量系统的电位计用于检测各关节转角，力传感器用于检测各关节的受 力状况，最后采用PID控制实现了灵巧手位置反馈控制。本专利驱动单元的工作原理如下，弹性连接件3-5底部的压电元件均施加
电压信号，弹性连接件3-5侧面的压电元件3-4施加sii< t)电压信号，三块压电元
件3-4的反面电极接地。忽略其他模态对工作模态的干扰和阻尼作用，当弹性连接件3-5 上加上两相电压激励信号后，弹性连接件3-5将被激发出同频一阶纵振模态响应和二阶弯 振模态响应1 . Λ,(1) ^CK;/) = ^2(X)GfiSfitf式中，代表一阶纵振的幅值，代表二阶弯振的幅值。由(1)式可以看出二阶弯振位移响应和一阶纵振位移响应在时间上存在W2的相位差。此外，在二阶弯振的波幅处，二阶弯振位移和一阶纵振位移方向始终相互垂直，即 对应于二阶弯振波幅处的压电元件上的2个位移响应在空间上亦存在W2的相位差，所以 位于二阶弯振波幅处的压电元件上可形成椭圆运动轨迹。下面分析弹性连接件3-5在一个周期内的运动过程。(1)当 =时，v<x:/)=l~0 , u{^￡) = Q~l ,此时弹性连接件 3-5 的运动状
态由图8 (a)所示的弯曲振动的最大位置逐渐变化到图8 (b)所示的纵向振动的最大伸 张位置。在变化过程中，左压电元件由弯曲振动的波峰位置随着纵向振动的伸长顺时针向 上旋转到弯曲振动的平衡位置，此阶段，左压电元件驱动导轨向右移动了一步；右压电元件 由弯曲振动的波谷位置随着纵向振动的伸长顺时针向下旋转到弯曲振动的平衡位置，此阶 段，右压电元件与导轨脱离。(2)当时，ιφα)=1~0 , vCM) = 0-1 ,此时弹性连接件的运动状态
由图8 (b)所示的纵向振动的最大伸张位置逐渐变化到图8 (c)所示的弯曲振动的最大位 置。在变化过程中，左压电元件由弯曲振动的平衡位置随着纵向振动由伸长到收缩的变化 继续顺时针向上旋转到弯曲振动的波谷位置，此阶段，左压电元件与导轨脱离；右压电元件 由弯曲振动的平衡位置随着纵向振动的伸长到收缩的变化继续顺时针向下旋转到弯曲振 动的波峰位置，此阶段，右压电元件驱动导轨向右移动了一步。(3)当Μ==π~、πη时，1^^) = -1 , = 01,此时弹性连接件的运动状
态由图8 (c)所示的弯曲振动的最大位置逐渐变化到图8 (d)所示的纵向振动的最大收缩 位置。在变化过程中，左压电元件由弯曲振动的波谷位置随着纵向振动的收缩继续顺时针 向下旋转到弯曲振动的平衡位置，此阶段，左压电元件与导轨脱离；右压电元件由弯曲振动 的波峰位置随着纵向振动的收缩继续顺时针向上旋转到弯曲振动的平衡位置，此阶段，右 压电元件驱动导轨向右移动了一步。(4)当 々一Zjst Ihj', = , v(r力，此
时弹性连接件的运动状态由图8 (d)所示的纵向振动的最大收缩位置又逐渐回到了如图8 (a)所示的弯曲振动的最大位置。在变化过程中，左压电元件由弯曲振动的平衡位置随着纵 向振动由收缩到伸长的变化继续顺时针向下旋转到弯曲振动的波峰位置，此阶段，左压电 元件驱动动子向右移动了一步；右压电元件由弯曲振动的平衡位置随着纵向振动由收缩到 伸长的变化继续顺时针向上旋转到弯曲振动的波谷位置，此阶段，右压电元件与导轨脱离。上述四个步骤的分析表明，弹性连接件3-5的左右两个压电元件在一个周期内均 交替完成了一次椭圆轨迹的运动。在弹性连接件压电元件椭圆轨迹运动的作用下，通过弹 性连接件和导轨之间摩擦力的作用，推动导轨向前运动。如果改变电压信号正、负号，会使 弹性连接件压电元件上的椭圆运动轨迹反向，从而可改变导轨的运动方向。如果将导轨置 换成有一个固定转轴的圆盘，则该圆盘可以实现绕固定转轴的旋转运动。本实用新型通过设计一种采用压电方式直接进行驱动的机械手，对现有机械手结 构进行重新设计，使得机械手结构更为简单，质量更为轻巧，布局更为合理，并且本专利连 接单元和关节单元结构简单替换方便，用户可根据机械手工作环境设置相应数量的连接单 元和关节单元，从而使得机械手能在不同工作环境中进行工作适用范围更加广泛。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作任何其他 形式的限制，而依据本实用新型的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本实用新型所要求保护的范围。
权利要求1.一种机械手，包括手掌单元(1)、指尖单元(2)、关节单元(3)、连接件单元(4)和拇指 活动单元(5)，其特征在于所述手掌单元(1) 一侧设置有拇指活动单元(5)，所述手掌单元 (1)及拇指活动单元(5)上设置有连接单元(4)，所述连接单元(4)上连有关节单元(3)，所 述指尖单元(2)安装在最顶部的关节单元(3)上；所述关节单元(3)包括驱动轮(3-1)、侧板(3-2)、支撑架(3-3)、压电元件(3-4)和弹 性连接件(3-5 )，驱动轮(3-1)上有柱状支撑，驱动轮(3-1)通过柱状支撑安装在侧板(3-2 ) 内，驱动轮(3-1)底部有连接端，驱动轮(3-1)通过连接端与上一关节单元(3 )侧板(3-2 ) 或指尖单元(2)的连接部相连，驱动轮(3-1)上端有伸出端，所述弹性连接件(3-5)上端有 卡紧部，驱动轮(3-1)通过伸出端卡在弹性连接件(3-5 )的卡紧部上，所述支撑架(3-3 )安 装在弹性连接件(3-5) —侧，所述支撑架(3-3)另一侧安装在侧板(3-2)上，所述弹性连接 件(3-5 ) 一侧安装有一压电元件(3-4 )，弹性连接件(3-5 )底部安装有两压电元件(3-4 )，所 述侧板(3-2)底部有连接部；所述连接单元(4)包括支撑板(4-1)和连接板(4-2)，所述支撑板(4-1)安装在连接板 (4-2)上，所述关节单元(3)通过连接板(4-2)与连接单元(4)相连；所述拇指活动单元(5)包括驱动轮(5-1)、侧板(5-2)、支撑架(5-3)、压电元件(5-4)和 弹性连接件(5-5)，所述拇指活动单元(5)安装在手掌单元(1) 一侧，驱动轮(5-1)上有柱 状支撑，驱动轮(5-1)通过柱状支撑安装在侧板(5-2)内，驱动轮(5-1)底部有连接端，驱 动轮(5-1)通过连接端与连接单元(4)相连，驱动轮(5-1)上端有伸出端，所述弹性连接件 (5-5)上端有卡紧部，驱动轮(5-1)通过伸出端卡在弹性连接件(5-5)的卡紧部上，所述支 撑架(5-3)安装在弹性连接件(5-5) —侧，所述支撑架(5-3)另一侧安装在侧板(5-2)上， 所述弹性连接件(5-5 ) 一侧安装有一压电元件(5-4 )，弹性连接件(5-5 )底部安装有两压电 元件(5-4)。
2.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于所述手掌单元(1)上设置有至少2 个连接单元(4)。
3.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于所述连接单元(4)上连有1-3个关 节单元(3)。
4.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于所述手掌单元(1)内设置有加强筋 (1-1)。
专利摘要本实用新型提供一种机械手，包括手掌单元、指尖单元、关节单元、连接件单元和拇指活动单元，所述手掌单元一侧设置有拇指活动单元，所述手掌单元及拇指活动单元上设置有连接单元，所述连接单元上连有关节单元，所述指尖单元安装在最顶部的关节单元上。本实用新型通过设计一种采用压电方式直接进行驱动的机械手，对现有机械手结构进行重新设计，使得机械手结构更为简单，质量更为轻巧，布局更为合理，并且本实用新型连接单元和关节单元结构简单替换方便，用户可根据机械手工作环境设置相应数量的连接单元和关节单元，从而使得机械手能在不同工作环境中进行工作适用范围更加广泛。
文档编号B25J17/00GK201907120SQ20112002041
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月22日 优先权日2011年1月22日
发明者李晓晖, 王珺, 赵海霞 申请人:金陵科技学院