一种可快速拆装的欠驱动机械手

1.本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种可快速拆装的欠驱动机械手。


背景技术：

2.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、复杂以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、太空、深海等领域得到了广泛应用。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。
3.现有的机械手产品主要为面向单一抓取功能或预知被抓取物形态的工业机械手，且多采用不可拆卸结构。而针对复杂非结构化环境下用于抓取多种目标的机械手，在机构、控制、成本、未知环境抓取未知物体自适应性、人机交互安全柔顺性等方面面临一系列问题。
4.此外，现有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：

5.针对上述技术中存在的现有机械手不可拆卸、自适应性差等技术问题，本发明提出了一种可快速拆装的欠驱动机械手。本发明提出的可快速拆装的欠驱动机械手采用绳驱动的方法，通过模块化方式实现手指模块的自由组装，便于机械臂抓取不同尺寸和不同形状的目标物。
6.本发明提出了一种可快速拆装的欠驱动机械手，包括：
7.驱动机构，所述驱动机构为机械手提供驱动力，所述驱动机构包括连接滑块；
8.若干个层叠的手指模块，最上方的所述手指模块连接封顶模块，最下方的所述手指模块连接所述连接滑块，所述手指模块包括上关节模块和下关节模块，所述上关节模块和所述下关节模块之间可转动连接，塑性绳贯穿所述上关节模块和所述下关节模块。
9.在一些实施例中，所述上关节模块包括第一上关节小模块、第二上关节小模块、推杆和上关节轴承，所述第一上关节小模块和所述第二上关节小模块固定连接，所述第一上关节小模块和所述第二上关节小模块之间形成上关节滑道，所述推杆置于所述上关节滑道内。
10.在一些实施例中，所述下关节模块包括第一下关节小模块、第二下关节小模块、滑块、下关节轴承和锯齿状模块，所述第一下关节小模块和所述第二下关节小模块固定连接，所述第一下关节小模块和所述第二下关节小模块之间形成下关节滑道，所述滑块置于所述下关节滑道内。
11.在一些实施例中，所述塑性绳的一端固定在所述推杆上，所述塑性绳的另一端经绕所述上关节轴承、所述下关节轴承和所述滑块后在所述下关节模块外侧由所述锯齿状模
块压紧。
12.在一些实施例中，所述上关节模块和所述下关节模块之间设置弹性元件使得所述手指模块在弯曲后自动复原。
13.在一些实施例中，相邻的两个所述手指模块之间、最上方的所述手指模块与所述封顶模块之间、最下方的所述手指模块与所述连接滑块之间均通过燕尾槽连接。
14.在一些实施例中，所述驱动机构还包括：
15.中心圆盘，所述中心圆盘侧面设置通孔；
16.连接滑槽，所述连接滑槽固定连接所述中心圆盘，所述连接滑块设置在所述连接滑槽内；
17.连接轴，所述连接轴贯穿所述连接滑块，所述连接轴的一端固定连接所述连接滑槽，所述连接轴远离所述连接滑槽的一端穿出所述连接滑槽通过所述通孔固定连接所述中心圆盘；
18.动力单元，所述动力单元设置在所述连接滑块下方。
19.在一些实施例中，所述动力单元包括：
20.驱动平台中；
21.驱动平台下，所述驱动平台下上固定定位轴，所述定位轴远离所述驱动平台下的一端穿过所述驱动平台中连接所述连接滑块；
22.伺服电机，所述伺服电机固定设置在所述驱动平台下的下方，所述伺服电机通过联轴器连接所述丝杠，所述丝杠上套设螺纹座，所述螺纹座内嵌于凸型滑轨，所述丝杠远离所述联轴器的一端贯穿所述驱动平台中，所述丝杠的轴线通过所述滑块的几何中心。
23.在一些实施例中，所述伺服电机为所述丝杠提供扭矩和转速使得所述凸型滑轨推动所述滑块。
24.在一些实施例中，所述动力单元为电动缸。电动缸为动力单元的另外一种简化版的结构，电动缸可作为一种其他的参考方案，动力单元包括但不限于电动缸的结构。
25.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
26.本发明的可快速拆装的欠驱动机械手采用绳驱动方式，在提供足够驱动力的同时，有效减轻了机械手本体的体积和重量；
27.本发明的可快速拆装的欠驱动机械手采用模块化结构，通过多个手指模块的自由组合，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，且可以实现手指模块的快速拆装；
28.本发明的可快速拆装的欠驱动机械手的绳驱动机械臂的设计可以让机械手在抓取物体时更好地贴合目标物体，优化了抓取效果。
附图说明
29.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
30.图1为可快速拆装的欠驱动机械手的结构示意图；
31.图2为手指模块整体结构示意图；
32.图3为相邻手指模块之间燕尾槽连接结构示意图；
33.图4为手指模块内部结构示意图；
34.图5为手指模块内部绳驱动演示图；
35.图6为安装三个连接滑槽的驱动机构的结构示意图；
36.图7为安装两个连接滑槽的驱动机构的结构示意图；
37.图8为螺纹座与凸型滑轨设置位置关系示意图；
38.图9为驱动机构的驱动连接示意图；
39.图10为动力单元为电动缸的机械手的机构示意图；
40.附图标记说明：
41.封顶模块110、第一下关节小模块121、第二下关节小模块122、滑块123、第一上关节小模块131、第二上关节小模块132、推杆133、塑性绳141、轴143、锯齿状模块150、圆孔160、上关节轴承161、下关节轴承162、上关节滑道171、下关节滑道172、中心圆盘210、连接滑槽220、连接滑块230、连接轴240、螺纹座251、凸型滑轨252、丝杠260、驱动平台中271、驱动平台下272、定位轴273、联轴器280、伺服电机290、电动缸300。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
43.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可快速拆装的欠驱动机械手。
44.如图1-10所示，本发明的可快速拆装的欠驱动机械手，包括驱动机构和手指模块。
45.在一些实施例中，若干个手指模块层叠在一起，最上方的手指模块连接封顶模块110，最下方的手指模块连接连接滑块230。相邻的两个手指模块之间、最上方的手指模块与封顶模块110之间、最下方的手指模块与连接滑块230之间均通过燕尾槽连接。
46.具体为，最上方的手指模块通过燕尾槽结构连接封顶模块110，最下方的手指模块通过燕尾槽结构连接连接滑块230，相邻的两个手指模块之间通过燕尾槽结构连接。
47.另外，可以理解的是，通过改变手指模块的数量可以调节机械手的长度，用于抓取不同形状的目标物。
48.在一些实施例中，手指模块包括上关节模块和下关节模块，上关节模块和下关节模块之间可转动连接。
49.在一些实施例中，上关节模块和下关节模块之间通过轴143连接以实现可转动连接。可以理解的是，上关节模块和下关节模块之间还可以通过铰链或其它可行的方式实现可转动连接。
50.在一些实施例中，塑性绳141贯穿上关节模块和下关节模块。可以理解的是，在工作过程中，通过塑性绳141的变形进一步实现手指模块弯曲。
51.在一些实施例中，上关节模块和下关节模块之间设置弹性元件使得手指模块在弯曲后自动复原。在实际工作过程中，手指模块在弯曲状态和伸直状态之间转换，为了使弯曲后的手指模块可以实现自动复原功能，在手指模块的上关节模块和下关节模块之间设置弹性元件。
52.如图4所示，上关节模块和下关节模块上均具有圆孔160，当弹性元件为弹性绳时，
弹性绳连接于上关节模块和下关节模块的圆孔160，以保证手指模块在弯曲后可以自动复原。另外，可以理解的是，弹性元件可以为弹性绳，但不限于弹性绳。
53.在一些实施例中，上关节模块包括第一上关节小模块131、第二上关节小模块132、推杆133和上关节轴承161。其中，第一上关节小模块131和第二上关节小模块132之间固定连接，可以理解的是，第一上关节小模块131和第二上关节小模块132之间可以通过螺丝或其它合适的方式固定连接。
54.在一些实施例中，第一上关节小模块131和第二上关节小模块132之间形成上关节滑道171，推杆133置于上关节滑道171内。具体为，固定连接起来的第一上关节小模块131和第二上关节小模块132之间形成上关节滑道171，推杆133设置在上关节滑道171内，推杆133可在上关节滑道171内做直线运动。
55.在一些实施例中，下关节模块包括第一下关节小模块121、第二下关节小模块122、滑块123、下关节轴承162和锯齿状模块150。其中，第一下关节小模块121和第二下关节小模块122之间固定连接，可以理解的是，第一下关节小模块121和第二下关节小模块122之间可以通过螺丝或其它合适的方式固定连接。
56.在一些实施例中，第一下关节小模块121和第二下关节小模块122之间形成下关节滑道172，滑块123置于下关节滑道172内。具体为，固定连接起来的第一下关节小模块121和第二下关节小模块122之间形成下关节滑道172，滑块123设置在下关节滑道172内，滑块123可在下关节滑道172内做直线运动。
57.塑性绳141贯穿上关节模块和下关节模块，如图5所示，塑性绳141的一端固定在推杆133上，塑性绳141的另一端经绕上关节轴承161、下关节轴承162和滑块123后在下关节模块外侧由锯齿状模块150压紧。当机械手最下端的手指模块的下关节模块的内部滑块123首先受到推力，通过拉紧的塑性绳141带动最下端的手指模块的上关节模块的推杆133运动；运动的推杆133再给下一节手指模块施加推力，以此类推，最上端的手指模块的上关节模块的推杆133的运动被封顶模块110限制，最终实现机械手指的弯曲动作。
58.在一些实施例中，驱动机构为机械手提供驱动力。
59.在一些实施例中，驱动机构包括连接滑块230、中心圆盘210、连接滑槽220、连接轴240和动力单元。
60.中心圆盘210侧面设置通孔，在一些实施中，中心圆盘210均匀分布三组圆形通孔，其中一组通孔贯穿整个中心圆盘210，中心圆盘210可固定三个或者两个连接滑槽220，如图6和图7所示。
61.在一些实施例中，连接滑槽220固定连接中心圆盘210，连接滑块230设置在连接滑槽220内，连接滑块230可在连接滑槽220内部做直线运动，连接滑块230以燕尾槽这种可拆卸的方式连接于各个机械手。
62.在一些实施例中，连接轴240贯穿连接滑块230，连接轴240的一端固定连接连接滑槽220，连接轴240远离连接滑槽220的一端穿出连接滑槽220通过通孔固定连接中心圆盘210。具体为，连接滑块230上具有使连接轴240穿过的通孔，连接轴240的一端与连接滑槽220固定连接，连接轴240的另一端贯穿连接滑块230上的通孔后穿出连接滑槽220。连接轴240穿出连接滑槽220的一端通过中心圆盘210的通孔与中心圆盘210固定连接。
63.在一些实施例中，动力单元包括驱动平台中271、驱动平台下272、丝杠260和伺服
电机290。
64.在一些实施例中，动力单元为电动缸300。
65.在一些实施例中，驱动平台下272上固定定位轴273，定位轴273远离驱动平台下272的一端穿过驱动平台中271连接连接滑块230。具体为，如图6和图9所示，驱动平台下272的两根定位轴273穿过驱动平台中271的两个圆形通孔连接至连接滑块230下部，使得丝杠260的轴线通过手指模块的下关节模块内部的滑块123的几何中心。驱动平台中271与驱动平台下272的两根定位轴273固定。
66.在一些实施例中，伺服电机290固定设置在驱动平台下272的下方，伺服电机290通过联轴器280连接丝杠260。伺服电机290为丝杠260提供扭矩和转速使得凸型滑轨252推动滑块123。丝杠260上套设螺纹座251，螺纹座251内嵌于凸型滑轨252，丝杠260远离联轴器280的一端贯穿驱动平台中271，丝杠260的轴线通过滑块123的几何中心。具体为，丝杠260上套设有一个螺纹座251，螺纹座251内嵌于凸型滑轨252，丝杠260贯穿驱动平台中271的圆形通孔。
67.对机械手进行测试的方法包括系统准备阶段和系统测试阶段，其中，系统准备阶段包括以下步骤：
68.(a)将手指模块中上关节模块的推杆133、塑性绳141、上关节轴承161、第一上关节小模块131和第二上关节小模块132进行组装：推杆133置于手指模块上部分的上关节滑道171内；塑性绳141分为位于上关节模块内的部分和位于下关节模块内的部分，上关节模块部分的塑性绳141一端固定于推杆133上，另一端绕经上关节轴承161连接至下关节模块；第一上关节小模块131和第二上关节小模块132用螺丝固定；
69.(b)将手指模块中下关节模块的滑块123、塑性绳141(和步骤(a)中为同一根)、下关节轴承162、锯齿状模块150、第一下关节小模块121和第二下关节小模块122进行组装：将滑块123置于手指模块下部分的下关节滑道172内；塑性绳141一端绕经下关节轴承162和滑块123后在手指模块外侧用锯齿状模块150压紧；第一下关节小模块121和第二下关节小模块122之间用螺丝固定，并将手指模块的上关节模块和手指模块的下关节模块进行轴连接，使得塑性绳141始终处于拉紧状态，手指模块下关节模块内滑块123的运动可直接引起上关节模块内推杆133的运动；
70.(c)在机械手指最上方的手指模块的上关节模块利用燕尾槽结构与封顶模块110固定；最下方手指模块的下关节模块利用燕尾槽和连接滑块230固定；
71.(d)将伺服电机290与丝杠260通过联轴器280进行连接，在丝杠260上套入一个螺纹座251，螺纹座251内嵌于凸型滑轨252，上述五者组成装配体，将伺服电机290-联轴器280-丝杠260-螺纹座251-凸型滑轨252装配体固定于驱动平台下272；
72.(e)将驱动平台下272的两根定位轴273与连接滑块230固定，使得丝杠260的轴线通过手指模块中下关节模块的滑块123的几何中心。
73.系统测试阶段包括以下步骤：
74.(1)调整合适的输入，使得伺服电机290的转速和扭矩达到合适数值，可以正常带动凸型滑轨252作直线运动并提供足够的推力；启动伺服电机290；
75.(2)伺服电机290通过联轴器280带动丝杠260进行旋转，将丝杠260的旋转运动转化为螺纹座251和凸型滑轨252的直线运动；
76.(3)机械手指最下端手指模块内部滑块123首先受到凸型滑轨252的推力，通过拉紧的塑性绳141带动手指模块上关节模块内部的推杆133运动；运动的推杆133再给下一节手指模块施加推力，以此类推，最上端的手指模块的上关节模块内部推杆133的运动被封顶模块110限制，最终实现机械手指的弯曲动作；
77.(4)弯曲过程当中，可以随时通过改变连接滑块230在连接滑槽220上的位置或手指模块的数量来对抓取进行调整，以便机械手可以适应不同形状、大小的抓取物体；
78.(5)如果想要实现两根机械手指的抓取，只需要在中心圆盘210的轴线方向安装两个连接滑槽220即可。
79.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
80.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
81.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。