机械手指及机械手的制作方法

1.本发明涉及机器人工程技术领域，尤其涉及了一种机械手指及机械手。


背景技术：

2.在自动化制造、自动化仓储管理等涉及自动化的领域中，机器人手臂末端通常安装机械手等执行机构来实现取物、搬移任务。为了更好的适应被夹持物品的外形，需要机器人手指更加灵活，能够自动适应被抓取物的外形，从而更稳定的抓取物品。
3.此外，为了更好的抓取物体，机器人手指通常都配有锁死机构，但是在一些需要工人配合的协动机器人上，带锁死机构的机器人手在夹持物品状态下，遭到意外断电后，机器人手无法松开，被夹持物无法取出。若被夹持物是人手或其他身体部分，将引起生产安全事故。


技术实现要素：

4.为了解决上述缺陷，使机械手指对物品的外形具有更好的适应性，以及设置不需要电力驱动的解锁装置，提高手指使用过程中的安全性，本发明提出了一种机械手指，包括：
5.顺次连接的第一指节、第二指节和第三指节；
6.所述第一指节、所述第二指节和所述第三指节的壳体内形成第一四连杆系和第二四连杆系；其中，所述第一四连杆系与驱动部件连接，所述第二四连杆系在所述第一四连杆系的推动下变形，进而使所述机械手指弯曲或伸直。
7.上述的机械手指，其中，所述第一指节、所述第二指节和所述第三指节的壳体内包括：
8.第一直杆，一端与第一指节旋转轴固定连接；
9.第二直杆，一端与所述第一直杆的另一端铰接；
10.异形杆，其上设有第一孔、第二孔和第三孔，所述第二直杆的另一端与所述第一孔铰接，所述第二孔中设有与所述第一指节外壳连接的轴；
11.连接板，其上设有两个孔，所述第三孔与所述连接板上的一个孔铰接，另一个孔中设有与所述第二指节外壳连接的轴；
12.第二指节旋转轴，两端与所述第二指节的外壳连接；
13.所述第一四连杆系由所述第一直杆、所述第二直杆和所述异形杆构成，其中，所述第一直杆一端的所述第一指节旋转轴和穿过所述异形杆的所述第二孔的轴为固定点；
14.所述第二四连杆系为交叉连杆系，由所述异形杆、所述连接板以及所述第二指节旋转轴构成，其中穿过所述异形杆的所述第二孔的轴和所述第二指节旋转轴为固定点。
15.上述的机械手指，其中，所述弹性件的一端固定于所述第一指节中，另一端固定在所述第二指节中；所述弹性件在所受外力小于第一阈值时，维持所述机械手处于伸直状态。
16.上述的机械手指，其中，所述驱动部件包括驱动电机和与其相连的传动系统，所述
驱动电机提供动力，所述动力由所述传动系统传递给所述第一指节的旋转轴，以驱动所述第一直杆、所述第二直杆和所述异形杆向所述第三指节方向运动。
17.上述的机械手指，其中，所述传动系统包括可自锁的蜗杆和蜗轮。
18.上述的机械手指，其中，当所述第一指节受阻碍而停止旋转时，在所述驱动部件的驱动下，当所述弹性件所受外力超过所述第一阈值时，所述第二指节绕所述第二孔中的轴旋转。
19.上述的机械手指，其中，还包括解锁装置；所述解锁装置包括：阶梯轴，可拆卸地设置于所述第一孔、所述第二孔、所述第三孔、所述连接板上的两个孔中的至少一个中。
20.上述的机械手指，其中，所述阶梯轴可拆卸地设置于所述第二孔中，所述异形杆可绕所述阶梯轴旋转。
21.上述的机械手指，其中，所述阶梯轴包括同轴依次连接的第一段、中段和第二段，且，所述第一段、所述中段和所述第二段的直径依次减小；
22.所述第二段上套设有加压弹簧，安装以及拆除所述阶梯轴时，所述加压弹簧两端受所述第二指节外壳和所述中段施加的压力而变形。
23.上述的机械手指，其中，所述阶梯轴靠近所述第一段的一端设有抓手；
24.所述第一段上设有凸起；
25.所述第二指节外壳上设有带缺口的孔；
26.所述凸起可穿过所述带缺口的孔，转动所述抓手，使所述凸起和所述带缺口的孔错开，则所述阶梯轴固定于所述机械手中。
27.上述的机械手指，其中，，所述第二指节外壳的内表面上设有限位槽，所述阶梯轴固定于所述机械手中时，所述凸起嵌于所述限位槽中。
28.上述的机械手指，其中，所述第二指节外壳的内表面上还设有角度限位结构，所述角度限位结构设置于所述带缺口的孔的旁边，在解锁时，限定所述凸起旋转的角度，以使所述阶梯轴从所述带缺口的孔中脱出。
29.相应的，本发明还提出了一种机械手，所述机械手使用上述的机械手指。
30.与现有技术相比，本发明通过具有公用固定点的两组四连杆结构分别驱动第一指节和第二指节的弯曲和伸直，并且，在第一指节和第二指节之间设有弹性件，因此，在外力小于阈值时，弹性件保持无形变，因此机械手指能保持伸直状态旋转，从而可以分步实现第一指节贴紧被抓取物品，然后第二和第三指节才向被抓取物靠拢，从而可更好的适应被抓取物的外形。
31.此外，本发明通过在两级四连杆结构的公用固定点上设置机械性的解锁装置，从而可支持断电解锁。采用本发明所述的手指的机械手的安全性能得到进一步提高。
附图说明
32.图1是本发明中机械手指的一个实施例的整体示意图；
33.图2是本发明中机械手指的一个实施例的仰视图；
34.图3是本发明中机械手指的一个实施例的内部连杆系统的示意图；
35.图4是本发明中机械手指的一个实施例的整个手指整体旋转时的受力示意图；
36.图5是本发明中机械手指的一个实施例的第二、第三指节旋转时的受力示意图；
37.图6是本发明中解锁装置的一个实施例的示意图；
38.图7是本发明中解锁装置的一个实施例的解锁过程示意图之一；
39.图8是本发明中解锁装置的一个实施例的解锁过程示意图之二。
40.编号说明
41.1—第一指节
42.2—第二指节
43.3—第三指节
44.4—驱动电机
45.5—传动系统
46.6—解锁装置
47.7—第一指节旋转轴
48.8—异形杆旋转轴
49.9—第三指节旋转轴
50.10—第一直杆
51.11—第二直杆
52.12—异形杆
53.13—连接板
54.14—第二指节旋转轴
55.16—弹性件
56.51—蜗杆
57.52—蜗轮
58.61—抓手
59.62—第一段
60.63—中段
61.64—第二段
62.65—加压弹性件
63.66—凸起
64.67—限位槽
65.68—角度限位结构
66.111—第一铰接点
67.112—第二铰接点
68.121—异形杆第一部分
69.122—异形杆第二部分
70.124—第三铰接点
具体实施方式
71.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明
介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
72.应注意的是，在本说明书中，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定义和解释，默认为同一定义。
73.还需声明的是，本发明中对方法、流程进行编号是为了便于引用，而不是限定先后顺序，各步骤之间如有先后顺序，当以文字说明为准。
74.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
75.图1是本发明中机械手指的一个实施例的整体示意图。本发明中的机械手指包括顺次连接的第一指节1、第二指节2和第三指节3，其中，第三指节3为指尖。也就是说，以真实的人类手指为参照，则第一指节1最接近手掌，第三指节3最远离手掌。上述三个指节在外来动力(例如旋转电机4)的驱动下，可实现抓取动作。例如，整个手指可以绕第一指节1根部的一个点旋转，两个手指就可组成“夹子”状，夹取物品。又如，在整个可以绕第一指节1根部的一个点旋转的基础上，第二指节2和第三指节3还可以绕第一指节1和第二指节2的连接点旋转，则所述手指可以弯曲，两个所述手指可构成圈状或者c字状，则有助于更稳定的夹取圆棍状物品，三个所述手指可更稳定的抓取圆球状物品。
76.图2是本发明中机械手指的一个实施例的仰视图。将图1转过一定角度，可观察到机械手指内部的结构。驱动电机4的输出端驱动传动系统5，传动系统5驱动第一指节旋转轴旋转，从而可推动机械手指旋转、曲张。优选的，传动系统5包括可自锁的蜗杆51和蜗轮52以及一些减速齿轮。蜗杆51旋转，带动蜗轮52转动，再经过一系列用于调整转速的减速齿轮将旋转电机4输出的动力传递至第一指节旋转轴7，进而推动机械手指内部的连杆机构(连杆系)运动。
77.具体的连杆机构的结构将结合图2和图3来充分说明。
78.图3是本发明中机械手指的一个实施例的内部连杆系统的示意图。结合图2和图3，在第一指节1、第二指节2和第三指节3的外壳内部，包括第一直杆10、第二直杆11、异形杆12和连接板13。其中，第一直杆10和第二直杆11两端开孔；异形杆12上设有孔a(第一孔)、b(第二孔)、c(第三孔)，其中∠abc为钝角；连接板13上设有两个孔。第一直杆10的一端的孔与动力输入端连接，并且，第一直杆10能在所述动力的驱动下绕穿过该孔的轴旋转，例如图2中的第一指节旋转轴7。第一直杆10的另一端的孔与第二直杆11的一端的孔铰接，定义该铰接点为第一铰接点111，则第一直杆10和第二直杆11的夹角可变，且该第一铰接点111可在第一直杆10的带动下，朝向指尖或背离指尖做近似直线的运动。第二直杆11另一端的孔与异形杆12的孔a铰接，定义该铰接点为第二铰接点112，则第二直杆11与异形杆12之间的夹角是可变的，且该第二铰接点112在异形杆12的带动下可以接近或远离指尖。孔b中则设置异形杆旋转轴8，异形杆12在第二直杆11的推动下，可以绕异形杆旋转轴8旋转，进而，异形杆12的运动带动了第二指节2绕第二指节旋转轴14旋转。孔c与连接板13上的一个孔铰接，定义该铰接点为第三铰接点124，连接板13上的另一个孔中设有与第二指节2的外壳连接的第
三指节旋转轴9。当异形杆12向指尖方向运动时，连接第三指节3的连接板13绕第三指节旋转轴9旋转，也就是说，将会带动驱动第三指节3绕第三指节旋转轴9旋转。
79.本领域普通技术人员根据上面说明，应当可以分析得出，图3中，第一直杆10、第二直杆11以及异形杆12的第一部分121(孔a和孔b之间的一段)构成了第一四连杆系。其中，第一指节旋转轴7和异形杆旋转轴8为定点，两者之间的连线为第一四连杆系中的机架；第一铰接点111和第二铰接点112为第一四连杆系中的动点，第二直杆10为第一四连杆系中的连杆(可参看图5中的黑色粗线)。此外，异形杆12的第二部分122(孔c和孔b之间的一段)、连接板13的两孔连线部分和第二指节旋转轴14构成了第二四连杆系，该连杆系为交叉连杆系，其中，异形杆旋转轴8和第二指节旋转轴14为定点。第二铰接点124(连接板13上的一个孔)和连接板13上的另一个孔为第二连杆系中的动点。由于异形杆旋转轴心8(孔b)、第二铰接点112(孔a)和第三铰接点124(连接板13上的一个孔、孔c)在同一个整体的零件异形杆12上，当异形杆12的第一部分121运动时，异形杆12的第二部分122必然随之运动，相当于，第二四连杆系的驱动力来自第一四连杆系。第二四连杆系中，异形杆旋转轴8和第二指节旋转轴14之间的连线为第二四连杆系中的机架，连接板13上的两孔连线为第二四连杆系中的连杆，异形杆12的第二部分122为连架杆之一，具体可参看图5中的黑色粗线。异形杆12的第二部分122被第一部分121带动而绕第二直接旋转轴心8旋转，进而连接板13被推动，绕第三指节旋转轴心9旋转。
80.通过上述具有公用固定点(本实施例中指异形杆旋转轴心8)的两个四连杆系，本发明所述机械手指实现了对3节指节曲张的控制，从而可以顺利抓取物品。
81.进一步地，请继续参考图3。为了增强所述机械手指对被抓取物外形，尤其是不规则物品，的自适应能力，本发明的机械手中还包括了一个弹性件。当所述弹性件所受到的延手指方向的拉力不足以使其形变时(即拉力未超过使所述弹性件变形的第一阈值)，第一指节1和第二指节2始终保持伸直、不弯曲的状态。只有所述弹性件受到足够大的拉力而产生形变时，第二指节2开始弯曲。
82.例如，如图3所示的弹簧16，其一端固定于第一指节1中，另一端固定在第二指节2中。当第一直杆10向指尖方向旋转时，推动第二直杆11向指尖做近似直线的运动，此时，异形杆12具有逆时针旋转的趋势(力矩)，但是，由于弹簧16的力学特性，其对该逆时针旋转的趋势产生应力，阻碍异形杆12旋转。此时，如图4所示，整个机械手指以伸直的状态绕第一指节旋转轴心7旋转。
83.当第一指节1遇到障碍物，例如待抓取的物品，而被迫停止旋转时，由于驱动电机4并没有停止工作，因此，上述的异形杆12的逆时针旋转的趋势更加强烈，当异形杆12施加到弹簧16上的拉力(力矩产生的分力)大于弹簧16所固有的初拉力，从而使得弹簧16开始形变(如图5所示)时，第二指节2开始弯曲。也就是说，此时，第一指节1的指腹已稳定接触被抓取物，第二指节2(包括第三指节3)继续向被抓取物靠近，以灵活适应被抓取物的外形。
84.图5所示的实施例中，第二指节2和第三指节3之间没有设置弹性件，因此，第二指节2和第三指节3同时开始弯曲。在另一些实施例中，也可以在第二指节2和第三指节3之间设置弹性件。那么，与之前对第一指节1和第二指节2的说明一致，第二指节2和第三指节3也分步弯曲。
85.对于具有自锁功能的机械手，为了进一步提高产品的安全性，解决机械手断电后
解除锁定的问题，本发明还提出了一种解锁装置6。
86.参考图6到图8。图6是本发明中解锁装置6的一个实施例的示意图。图7和图8是本发明中解锁装置6的一个实施例的解锁过程示意图。
87.所述解锁装置6包括设置于孔b中，充当异形杆旋转轴心8的阶梯轴。此时，所述的阶梯轴是前文所述的两个四连杆系的公用固定轴(点)，在没有电力驱动的情况下，若拆除(例如，拔出)所述阶梯轴，那么，第一四连杆系的驱动力将无法传递到第二四连杆系，第一指节1和第二指节2相当于处于“脱臼”状态，从而就解除了机械手锁紧(抓紧物品不放松)的状态。
88.具体的，在正常工作的状态下，为了使阶梯轴稳定地固定在手指中，可靠的起到旋转轴的作用，在需要解锁的时候又能简便快捷的拆除所述阶梯轴，本发明提出的阶梯轴包括：同轴依次连接的第一段62、中段63和第二段64，且，第一段62、中段63和第二段64的直径依次减小，即形成阶梯状。第二段64略粗于阶梯轴的安装孔，其上套设加压弹簧65。当阶梯轴被安装到位时，加压弹簧65受外加压力而变形，其产生的弹力使得阶梯轴无法在阶梯轴自身的纵轴方向上活动。在拆除阶梯轴时，加压弹簧65被进一步压缩，使得阶梯轴脱出限位装置67(如图7所示)，从而凸起66可以被旋转而改变位置。
89.进一步地，为了方便拆装，在阶梯轴靠近第一段62的一端设有抓手61，在第一段62上设有凸起66，手指外壳上用于穿过所述阶梯轴的安装孔上设有可供凸起66穿过的缺口，在手指外壳的内表面上设置有与凸起66相适应的限位槽67。安装时，抓住所述抓手61，将凸起66与所述缺口对准，以使阶梯轴穿过所述安装孔，当阶梯轴的第二段64也插入相应安装孔后，按压阶梯轴并旋转，以使凸起66卡入限位槽67中。此时，阶梯轴既无法绕自身轴心旋转，也无法延自身纵轴线活动，从而被稳定地安装。
90.如图7和图8所示，为了便于在拆除阶梯轴时对准凸起66和安装孔上的缺口，手指外壳的内表面上还设有角度限位结构68。角度限位结构68设置于所述缺口边，其突出手指外壳的内表面的高度需足够阻挡凸起66旋转。当凸起66被转到角度限位结构68处(如图8所示)，从而被阻碍，无法继续旋转时，凸起66应该正好对准安装孔上的缺口，如图8所示，从而阶梯轴可被抽离机械手指，进而实现解锁的功能。
91.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
92.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权
利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。
93.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。