模块化的变构型三指机器人手的制作方法

本发明涉及一种三指机器人手，具体涉及一种模块化的变构型三指机器人手，属于机器人应用领域。

背景技术：

末端执行器是机器人与外部环境进行直接接触的部件，影响机器人完成操作的效率和能力。机器人操作任务与人类的工作内容直接相关，如果将机器人末端执行器设计成具备多种不同的抓取构型的机器人手，就可以使机器人对物体进行灵活抓取并完成多种不同的操作任务。通过设计机器人末端执行器具备类似人手的抓取和操作能力，可以实现机器人末端执行器的通用性，并提高灵活性，使机器人可以更好的替代人类完成多种不同的工作任务。在机器人手的研究过程中，为实现抓取稳定性和适应性，使机器人手可以抓取多种形状和尺寸的物体，一个重要的研究内容是机器人手的结构和抓取构型。

机器人手的设计过程中需要重点考虑手爪的机构复杂程度、体积大小和重量。其手指结构和分布位置决定机器人手的构型和工作空间，影响与物体接触时所形成的接触点分布情况。此外，机器人操作任务的多样化需要末端执行器具有较高的灵活性，在一定程度上增加了机器人手的自由度和机构的复杂程度，同时也影响到其操作性能和维护。而采用模块化设计可以将手爪拆分为不同的功能部件，可以在不降低操作性能的前提下简化机构并且便于维护，能够节约成本和提高可靠性。

在美国专利us7168748中公开了一种三指机器人手，其最大的特点是每个手指关节都由一个电机驱动，采用蜗轮蜗杆传动。其有一个手指底座固定，另外两个手指底座可以转动。通过这两个手指底座的旋转改变三个手指之间的位置关系，从而形成不同的抓取构型。但是机器人手的两个手指的可旋转底座之间存在耦合，灵活性和适应性不够高。

在中国专利cn1964822中公开了一种具有几个能够彼此相对移动手掌单元的机器人手。其最大的特点是手掌由多个手掌单元组成，手掌单元之间可以进行相对运动，改变手指之间的空间位置关系，并且可以改变机构的自由度。但是该机器人手受手掌单元的关节尺寸限制导致可靠性降低，运动范围受限并且不利于控制。

综上，由于现有的三指机器人手在机械结构和复杂操纵方面的限制，三指机器人手缺乏灵活性和可靠性。

技术实现要素：

本发明为解决现有三指机器人手受到机械结构和复杂操纵方面的制约，存在三指机器人手灵活性和可靠性不高的问题，进而提出一种模块化的变构型三指机器人手。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

模块化的变构型三指机器人手包括手掌、底座、三个手指和三个手指基座；手掌安装在底座上，三个手指分别是第一手指、第二手指和第三手指；

三个手指基座分别为第一手指摆动基座、第二手指摆动基座和第三手指伸缩基座；手掌与底座之间布置有第一手指摆动基座、第二手指摆动基座和第三手指伸缩基座；第一手指摆动基座与第一手指连接并能带动第一手指转动；第二手指摆动基座与第二手指连接并带动第二手指转动；第一手指摆动基座和第二手指摆动基座分别通过下旋转关节与底座连接；第三手指伸缩基座安装在底座上，第三手指伸缩基座能带动第三手指旋转和伸缩。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的一种模块化的变构型三指机器人手的每个手指指节内包含有独立的驱动电机，驱动电机输出轴上套接蜗杆并与蜗轮啮合传动，具有自锁功能，手指关节之间留有电缆槽口，手指底部留有电缆通孔，三个手指之间没有机构耦合，具有模块化的特点。摆动基座和伸缩基座的运动增强了机器人手爪的灵活性，工作空间大，可以形成多种抓取姿态，抓取物体类型广泛，抓取形式多样化，提高了抓取稳定性和可维护性。同时本发明尺寸小、重量轻，灵活性高，操作和维护简便。

附图说明

图1是本发明的模块化的变构型三指机器人手的整体结构立体图；

图2是本发明具体实施方式中单个手指的整体结构立体图；

图3是本发明具体实施方式中单个手指的半剖结构图；

图4是本发明具体实施方式中下旋转关节和手指摆动基座结构示意图；

图5是本发明的模块化的变构型三指机器人手的手指平展状态图；

图6是本发明的模块化的变构型三指机器人摆动基座转动后手指平展状态图；

图7是本发明的模块化的变构型三指机器人手指基座旋转和手指伸缩基座状态图；

图8是本发明的模块化的变构型三指机器人手抓取圆柱状态图；

图9是本发明的模块化的变构型三指机器人手抓握扳手状态图；

图10是本发明的模块化的变构型三指机器人手操作剪刀状态图；

图11是本发明的模块化的变构型三指机器人手握铅笔状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明。

参见图1说明，模块化的变构型三指机器人手包括手掌6、底座1、三个手指和三个手指基座；手掌6安装在底座1上，三个手指分别是第一手指、第二手指和第三手指；

三个手指基座分别为第一手指摆动基座2、第二手指摆动基座10和第三手指伸缩基座14；手掌6与底座1之间布置有第一手指摆动基座2、第二手指摆动基座10和第三手指伸缩基座14；第一手指摆动基座2与第一手指连接并能带动第一手指转动；第二手指摆动基座10与第二手指连接并带动第二手指转动；第一手指摆动基座2和第二手指摆动基座10分别通过下旋转关节与底座1连接；第三手指伸缩基座14安装在底座1上，第三手指伸缩基座14能带动第三手指旋转和伸缩。

如此设计，第一手指通过与第一手指摆动基座2相连接的下旋转关节绕垂直容纳电路板的手掌6平面的轴做水平旋转运动，第二手指通过与第二手指摆动基座10相连接的下旋转关节绕垂直容纳电路板手掌平面6的轴做旋转运动，第三手指通过第三手指伸缩基座14沿垂直容纳电路板的手掌6平面的轴做直线运动，进而改变三个手指与机器人手掌之间的空间位置关系，形成多种抓取构型。

在一个实施例中，每个手指包括手指固定座16、第一指节4和第二指节5；第一指节4包括第一固定支架15、第二固定支架17、第一指节支架23、第一指节固定壳一19、第一指节固定壳二25、第一指节固定圈一18、第一指节固定圈二27、第一指节蜗杆28、第一指节蜗轮33和第一指节电机；第一固定支架15和手指第二固定支架17安装在指节固定座16上；第一指节固定圈一18、第一指节支架23和第一指节固定圈二27布置在手指第一固定支架15和手指第二固定支架17之间；第一指节电机安装在第一指节支架23上，第一指节蜗杆33固接在第一指节电机的输出轴上并与第一指节蜗轮33啮合传动，第一指节固定圈一18和第一指节固定圈二27分别带有中心内孔，第一指节支架23两侧布置有与其连接的第一指节固定圈一18和第一指节固定圈二27；第一指节固定圈一18和第一指节固定圈二27的中心内孔内与轴承外圈紧固，第一指节蜗轮33的两侧分别与两个轴承内圈紧固，第一指节蜗轮33的轮轴的两端分别与第一固定支架15和第二固定支架17固接。

第二指节5包括第二指节支架26、第二指节固定圈一20、第二指节固定圈二24、第二指节电机、第二指节蜗杆32和第二指节蜗轮31；第二指节固定圈一20、第二指节支架26和第二指节固定圈二24分别布置在第一指节固定壳一19和第一指节固定壳二25；第二指节电机安装在第二指节支架26上，第二指节蜗杆32固接在第二指节电机的输出轴上并与第二指节蜗轮31啮合传动，第二指节固定圈一20和第二指节固定圈二24分别带有中心内孔，第二指节支架26两侧布置有与其连接的第二指节固定圈一20和第二指节固定圈二24，第二指节固定圈一20和第二指节固定圈二24的中心内孔内与轴承外圈紧固，第二指节蜗轮31的两侧分别与两个轴承内圈紧固，第二指节蜗轮31的轮轴的两端分别与第一指节固定壳一19和第一直接固定壳二25固接。轴承选用微型轴承，第一固定支架15和第二固定支架17通过螺栓固定在手指固定座16上，手指固定座16中心通孔可以通过电气线缆，第一指节蜗杆33在第一指节电机29的带动下，与第一指节蜗轮33啮合传动，由于第一指节蜗轮33的蜗轮轴固接在第一固定支架15和第二固定支架17上，因此，第一指节蜗轮33带动第一指节支架23、第一指节固定圈一18和第二指节固定圈二27在轴承作用下绕第一指节蜗轮33的蜗轮轴转动，实现第一指节4转动；同理，第二指节蜗杆32在第二指节电机30的带动下与第二指节蜗轮31啮合传动，由于第二指节蜗轮31的蜗轮轴固接在第一指节固定壳一19和第一指节固定壳二25上，因此，第二指节蜗轮31带动第二指节支架26、第二指节固定圈一20和第二指节固定圈二24在轴承作用下绕第二指节蜗轮31的蜗轮轴转动，实现第二指节5转动。如此设计，可以使手指各个关节旋转并自锁，结构紧凑，传动可靠，实现手指的模块化，完成各种目标的抓取。第一指节电机由第一指节电路板29控制，第二指节电机由第二指节电路板30控制。

在另一个实施例中，第一手指摆动基座2包括摆动基座壳43、摆动基座电机45、摆动基座蜗杆41、摆动基座蜗轮42和摆动基座轴44；

摆动基座电机45安装在摆动基座壳43上，摆动基座电机45的输出端连接摆动基座蜗杆41，摆动基座轴44转动安装在摆动基座壳43上，摆动基座轴44上插装有摆动基座蜗轮42，摆动基座蜗杆41与摆动基座蜗轮42啮合传动，第一手指摆动基座2或第二手指摆动基座10的手指固定座16安装在摆动基座轴44的上端，第一手指摆动基座2和第二手指摆动基座10的结构相同。下旋转关节包括摆动电机37、摆动蜗杆38、摆动蜗轮39和摆动轴40；摆动电机37安装在底座1上，摆动电机37的输出端连接摆动蜗杆38，摆动基座壳43与底座1之间布置有与二者转动连接的摆动轴40，摆动轴40上插装有摆动蜗轮39。

基座轴44有内孔并开有槽口，手指固定座16可以与基座轴44的小径端套接并通过螺栓固定，如此设计，能够将电气线缆通过基座轴44的内孔并引出槽口，从而与其他电气线缆相连，此外可以使第一手指摆动基座2和第二手指摆动基座10、摆动基座轴44旋转从而改变各个手指面的指向，并实现自锁。

优选地，第三手指伸缩基座14采用丝杠传动和电机传动相结合的方式，具体为：第三手指伸缩基座14包括丝杠连接板34、丝杠36、丝杠电机46、基座旋转轴50和基座旋转电机52；丝杠36转动安装在底座1上，丝杠36上安装有丝杠电机46，丝杠连接板34与丝杠36螺纹连接，丝杠连接板34上固装有基座旋转电机52，基座旋转电机52的输出端朝上布置并连接基座旋转轴50，第三手指的手指固定座16安装在基座旋转轴50的上端。基座旋转轴50套接在基座旋转电机52的输出轴上，基座旋转轴50有内孔并开有槽口，第三手指的手指固定座16可以与基座旋转轴50的小径端套接并通过螺栓固定，容纳电路板的手掌6内部放置的控制电路板。如此设计，可以构成机器人手的基座和手掌部分，使第三手指伸缩基座14的伸缩实现自锁，动力传递可靠，基座旋转电机52能带动第三手指转动。

优选地，底座1包括底板35、底壳51和中间壳体47，底壳51安装在底板35的上端面上，中间壳体47安装在底壳51的上端，底壳51和中间壳体47构成一个凹槽的侧壁，下旋转关节和第三手指伸缩基座14安装在所述凹槽内。如此设置，三指机器人手外形美观，结构紧凑，节省空间。

工作原理：如图1-4所示，本发明的变构型三指机器人手由三个手指、手掌和基座组成，进行了模块化设计。变构型三指机器人手的三个手指的结构相同，每一个指节内集成有驱动电机和驱动电路板，每个指节内部的驱动电机输出轴与指节蜗杆套接，通过与指节蜗轮的啮合传动使手指旋转，并且具有自锁的功能。每个手指的关节之间的固定圈上开有电缆槽口，手指的底部留有电缆通孔，线缆可以通过这些通道建立电气连接，手指的手指固定座与摆动基座轴或基座旋转轴的小径端套接并采用螺栓进行固定，三个手指之间没有机构耦合，手指相对于手掌和基座具有一定的独立性。手掌6内部放置有控制电路板，借助电气接头通过手指和基座中各个关节中留出的通孔和电气槽口与电机和驱动电路建立电气连接，具有模块化的特点，便于操作和维护。基座包含有两个手指摆动基座和一个伸缩基座，伸缩基座内放置有基座旋转电机52，基座旋转轴50套接在基座旋转电机52的输出轴上，丝杠连接板34与丝杠电机46一端固连，中层壳体47具有滑道定向的作用，通过丝杠电机46带动丝杠36使丝杠连接板34做直线运动，从而第三手指可以延垂直手掌平面的轴做直线运动，动力传递可靠，并且可以实现伸缩自锁。摆动电机37输出轴套接摆动蜗杆38，摆动蜗轮39通过摆动轴40与摆动基座壳43固连，摆动蜗杆38与摆动蜗轮39啮合传动，使第一手指摆动基座2或第二手指摆动基座10可以绕垂直手掌6的平面的轴做旋转运动，进而改变三个手指与机器人的手掌6之间的空间位置关系。摆动基座蜗杆41与摆动基座电机45的输出轴套接，摆动基座蜗杆41与摆动基座轴44固连，摆动基座蜗杆41与摆动基座蜗轮42啮合传动，使摆动基座轴44旋转，基座旋转电机52带动第三手指旋转，从而改变各个手指面的指向，并实现自锁。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。