本发明涉及一种机械手，尤其涉及一种绳驱动模块化变关节机械手。
背景技术：
机械手一方面可以代替人类实现准确抓取、精细操作等功能，另一方面可以在危险、复杂及非结构化的环境中工作，因此，目前在家庭服务、工业化生产、以及太空、深海等领域得到了广泛的应用。为实现抓取操作的多样性，在驱动方式和形状等方面都对机械手提出了较高的要求。
在驱动方式上，目前的主要方法是将电机安装于关节的位置，并直接驱动机械手的运动，通过电机直接驱动的方式可以实现较好的控制性能，但由于电机的体积较大，因此这种方式增加了机械手整体的体积。在形状方面，由于被抓取目标形状的差异，固定形状的机械手难以胜任抓取多种目标的任务。采用绳驱动的方式可以使驱动部分远离机械手本体，解决机械手体积较大的问题，而采用变关节结构和可拆装的模块化结构可以使机械手适应被抓取目标的形状，解决了机械手的形状适应性问题。
在现有的技术中，例如，中国专利公开文件cn103009398b公开了一种机械手——欠驱动精巧传动结构的仿人手，该机械手具有五个手指，大拇指由两个关节组成，其他手指均由三个关节组合。这种机械手通过一个电机驱动实现每个手指的转动，在驱动方式上采用了欠驱动。然而，由于电机受到体积的限制只能提供较小的驱动力，这种机械手的抓握力较小。中国专利公开文件cn101244563a公开了一种机械手——仿人手家庭服务用机器手，该机械手具有四个手指，小指、中指和食指均通过各自的直线电机驱动，而拇指通过拇指电机驱动，三个直线电机和一个拇指电机工作后，通过各自的驱动传动机构，使各自的传动推杆和包络推杆转动并沿各自的导轨进行往复运动，从而使手指机构处于不同的抓握、捏取或松开状态。然而，该机械手功能单一，无法完成复杂的抓取任务。
此外，现有的机械手，如cn103009398b、cn101244563a所公开的机械手，通常具有固定的手指数，每个手指也具有固定的关节数，一旦完成设计、生产和组装，难以根据实际应用情况进行改变，不利于成本管理，并且具有较大应用局限性。同时，现有的机械手结构复杂，维护和维修成本较高。
技术实现要素：
基于此，有必要针对现有技术中存在的缺点，提供一种新型机械手，其采用绳驱动的方式进行驱动，通过模块化方式实现自由组装，便于抓取不同尺寸和不同形状的目标物。
本发明的目的在于提供一种绳驱动模块化变关节机械手，包括：底座，包括平的支撑面，以及在垂直于所述支撑面的方向上延伸以贯穿所述底座的多个条状通孔；以及多个手指单元，其以可拆卸方式接合至所述底座的所述支撑面并且由所述支撑面支撑，每个所述手指单元包括：层叠的多个关节模块，其中，相邻的两个关节模块以可拆卸方式彼此接合，每个所述关节模块包括上关节部和绕所述关节模块的转动轴可转动地连接至所述上关节部的下关节部，每个所述关节模块的上关节部的顶面均适于与任何另一所述关节模块的下关节部的底面接合，每个所述上关节部和所述下关节部在所述转动轴的两侧分别开设有沿所述多个关节模块的层叠方向贯通、并在所述上关节部或所述下关节部的侧面开口的引导槽，所述引导槽的底部为直径大于所述引导槽的开口间隔的圆柱形凹槽，所述上关节部和所述下关节部的所述圆柱形凹槽形成所述关节模块的引导孔；两个套管，其适于分别连接至位于层叠的所述多个关节模块的底端的所述关节模块的两个引导孔的外周部，所述套管适于穿过所述条状通孔；以及两根驱动绳，其适于分别穿过层叠的所述多个关节模块各自的位于同一侧的引导孔和对应的套管，并且适于向所述绳驱动模块化变关节机械手提供驱动力。
在其中一个实施例中，相邻的两个所述关节模块之间和所述关节模块与所述支撑面之间通过磁力作用相互连接。
优选地，所述支撑面由具有导磁性的磁性材料构成。
优选地，所述上关节部的顶面和所述下关节部的底面的对应位置分别设置有永磁体。
在其中一个实施例中，所述上关节部的顶面开设有两个圆形凹槽，所述下关节部的底面的对应位置处也开设有两个圆形凹槽，所述永磁体放置在所述圆形凹槽中。
在其中一个实施例中，所述驱动绳的其中一个末端设置有挡块，当所述驱动绳穿过所述引导孔时，所述挡块适于抵接在所述引导孔的外部；所述驱动绳的另一个末端连接至驱动装置或弹簧装置。
在其中一个实施例中，所述关节模块还包括圆柱形的离合器，所述离合器的中心轴与所述转动轴对齐，所述上关节部固定连接至所述离合器的外壳，所述下关节部固定连接至所述离合器的输出孔，其中，所述离合器配置为：当所述离合器处于锁紧状态时，所述上关节部和所述下关节部之间的相对位置固定；当所述离合器处于活动状态时，所述上关节部和所述下关节部可绕所述转动轴相互转动。
在其中一个实施例中，所述上关节部的顶面和所述下关节部的底面分别设置有相互匹配的定位机构，适于相邻两个关节模块接合时的定位。
在其中一个实施例中，所述上关节部的所述引导槽的开口和所述下关节部的所述引导槽的开口分别位于方向相对的两个侧面。
在其中一个实施例中，所述引导槽的开口间距小于所述驱动绳的直径，所述圆柱形凹槽的直径大于所述驱动绳的直径，所述驱动绳以过盈配置的方式进入所述圆柱形凹槽，在所述驱动绳进入所述圆柱形凹槽后，所述驱动绳与所述圆柱形凹槽滑动配合。
上述绳驱动模块化变关节机械手，相对于现有技术的优点在于：
(1)该机械手采用绳驱动方式，在提供足够驱动力的同时，有效减轻机械手本体的体积和重量；
(2)采用模块化结构，根据需求的不同，机械手可以由两个或两个以上的手指单元组成，所有手指单元都可以固定在底座上；
(3)通过多个关节模块的自由组合，可以构成不同长度的手指模块，用于抓持不同形状的目标物；
(4)关节模块直接采用永磁体作为连接方式，结合模块间的限位，易于拆装，且保证了模块间的可靠性；
(5)通过改变离合器的状态，该机械手可改变其关节的活动状态，使手指模块形成不同的形状或改变其自由度的数目，从而更易于抓取目标物。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的机械手的整体结构示意图；
图2为图1所示的机械手的底座的结构示意图；
图3为图1所示的机械手的驱动绳的结构示意图；
图4为图1所示的机械手的套管的结构示意图；
图5为图1所示的机械手的其中一个手臂单元的结构示意图；
图6为图5所示的手臂单元的其中一个关节模块的结构示意图；
图7a为图6所示的关节模块的上关节部在组装前的俯视透视图；
图7b为图6所示的关节模块的上关节部在组装前的仰视透视图；
图8a为图6所示的关节模块的下关节部在组装前的俯视透视图；
图8b为图6所示的关节模块的下关节部在组装前的仰视透视图；
图9为适于放置在图6所示的关节模块中的永磁体的示意图；
图10为图6所示的关节模块的离合器的示意图；
图11为图1所示的机械手的其中一种形态的示意图；
图12为图1所示的机械手的另一种形态的示意图；
图13为根据本发明的另一个实施例的机械手的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图1为根据本发明的一个实施例的机械手的整体结构示意图。如图1所示，该机械手包括底座100和两个手指单元200。底座100包括平的支撑面110，以及在垂直于支撑面110的方向上延伸以贯穿底座100的多个条状通孔120，如图2所示。两个手指单元200以卡扣连接、螺栓连接、粘连、磁性连接等可拆卸方式接合至底座100的支撑面110，并且由支撑面110支撑这两个手指单元200。每个手指单元210包括层叠的多个关节模块210，相邻的两个关节模块210以卡扣连接、螺栓连接、粘连、磁性连接等可拆卸方式彼此接合。每个关节模块210包括上关节部211和绕关节模块210的转动轴可转动地连接至上关节部211的下关节部212。每个关节模块210的上关节部211的顶面均适于与任何另一关节模块210的下关节部212的底面接合。在关节模块210中均形成有位于两侧的分别供两根驱动绳穿过的引导孔。
如图3所示，驱动绳230的其中一个末端设置有挡块231。当驱动绳230穿过层叠的关节模块的各自位于同一侧的引导孔后，挡块231适于抵接在位于顶端的关节模块的引导孔的外部。驱动绳230可以是本领域已知的任意类型的合适的绳，其适于为机械手提供驱动力。
位于底端的关节模块的两个引导孔的外周部连接有两个套管220，如图4所示，套管200适于穿过底座100的条状通孔120。管套220可以是本领域已知的任意类型的合适的管状结构，其适于辅助驱动绳提供驱动力。从关节模块210的引导孔伸出的驱动绳230穿过套管220向外伸出，驱动绳230的伸出端连接至驱动装置或弹簧装置(未图示)。
在本实施例中，底座100上固定有两个手臂单元200，本领域技术人员可以理解的是，在底座上可以固定任意合适数量的手臂单元，手臂单元的具体数量和分布形式可以根据要抓取的目标物进行设置。
手臂单元200可以采用本领域惯用的各种连接方式固定在底座100上，例如，通过卡扣连接、螺栓连接、粘连等方式，将手臂单元200底端的关节模块210固定在底座100上。然而，为了易于拆装，本发明采用了磁力连接的方式将手臂单元固定在底座上，并且相邻的两个关节模块之间也通过磁力作用相互连接。在本实施例中，支撑面110由具有导磁性的磁性材料构成，并且在关节模块210的上关节部211的顶面和下关节部212的底面的对应位置分别设置有永磁体214。设置在下关节部212的底面上的永磁体适于牢固地吸附在底座100的支撑面110上。设置在上关节部211的顶面上的永磁体和设置在下关节部212的底面上的永磁体具有相反的极性，因此相邻的两个关节模块可以通过异性相吸的磁力牢固地接合在一起。
图5为图1所示的机械手的其中一个手臂单元的结构示意图。如图所示，手臂单元200包括四个关节模块210，本领域技术人员可以理解的是，手臂单元可以由任意合适数量的关节模块组成，关节模块的具体数量可以根据要抓取的目标物进行设置。
图6为图5所示的手臂单元的其中一个关节模块的结构示意图；图7a为图6所示的关节模块的上关节部在组装前的俯视透视图；图7b为图6所示的关节模块的上关节部在组装前的仰视透视图；图8a为图6所示的关节模块的下关节部在组装前的俯视透视图；图8b为图6所示的关节模块的下关节部在组装前的仰视透视图。
如图所示，每个上关节部211和下关节部212在转动轴的两侧分别开设有沿关节模块的层叠方向贯通、并在相应的上关节部211或下关节部212的侧面开口的引导槽。引导槽的底部为直径大于引导槽的开口间隔的圆柱形凹槽。在本实施例中，所述引导槽的开口间距略小于驱动绳的直径，而圆柱形凹槽的直径略大于所述驱动绳的直径，这样，驱动绳将以过盈配置的方式进入圆柱形凹槽，在驱动绳进入圆柱形凹槽后，驱动绳与圆柱形凹槽滑动配合。优选地，上关节部211的引导槽的开口和下关节部212的引导槽的开口分别位于方向相对的两个侧面，例如，如图6所示，上关节部211的引导槽的开口朝前，下关节部212的引导槽的开口朝后。通过这种方式，驱动绳在卡入引导槽的圆柱形凹槽后不容易松脱，并且其在水平方向的位移受限。当上关节部和下关节部组装在一起之后，上关节部和下关节部的圆柱形凹槽形成关节模块的引导孔。
在本实施例中，上关节部211的顶面开设有两个圆形凹槽，下关节部212的底面的对应位置处也开设有两个圆形凹槽。该圆形凹槽适于容纳永磁体214。如图9所示，永磁体214为扁圆柱形。永磁体可以任意合适的天然的或人造的永磁材料构成。当永磁体放置在圆形凹槽中时，永磁体的顶部与上关节部的顶面或下关节部的底面齐平。
如图6、7b和8b所示，上关节部的顶面和下关节部的底面分别设置有相互匹配的定位机构，适于相邻两个关节模块接合时的定位。例如，上关节部的顶面具有三个边缘凸起，而下关节部的底面具有块状凸起，当将相邻两个关节模块接合时，下关节部的底面的块状凸起的外侧壁与上关节部的顶面的边缘凸起的内侧壁紧密贴合，进一步限制了关节模块之间的相互晃动，从而提高了关节模块之间的连接的可靠性。
在本实施例中，关节模块210还包括圆柱形的离合器213，如图10所示。离合器213的中心轴与关节模块210的转动轴对齐。上关节部211适于固定连接至离合器213的外壳，下关节部212适于固定连接至离合器213的输出孔。离合器213可以采用本领域已知的任意类型的合适的离合器。该离合器配置为：当离合器处于锁紧状态时，上关节部和下关节部之间的相对位置固定；当离合器处于活动状态时，上关节部和下关节部可绕转动轴相互转动。
以下将对本实施例的机械手的操作进行描述。
首先，根据要抓取的目标物的尺寸和形状，在底座100上安装两个或两个以上手指单元200，同时选择各手指单元200的关节模块210的数量。在本实施例中，底座100上安装了两个手指单元200，每个手指单元200均包括四个关节模块210。接着，每个手指单元200均穿过两根驱动绳230，将靠近要抓取的目标物侧的驱动绳的伸出端与驱动装置连接，将另一侧的驱动绳的伸出端与弹簧装置连接，此时，弹簧装置中的弹簧处于压缩状态。在抓取目标物前，由于压缩的弹簧对外侧的驱动绳施加弹力而拉紧外侧的驱动绳，机械手呈张开状态；当驱动装置向内侧的驱动绳施加驱动力而拉紧内侧的驱动绳，机械手闭合，抓取目标物。当抓取不同形状的目标物时，可以改变关节模块210中的离合器213的开合状态，使手指单元200的关节模块210在不同相对角度下锁死或自由活动，从而改变手指单元的形状，以适应要抓取的目标物的形状。图11和图12为改变离合器的活动状态时，手指单元呈现的两种不同状态。
图13为根据本发明的另一个实施例的机械手的整体结构示意图。在该实施例中，使用了三个手指单元，其组装和操作过程与上述实施例相同，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。