机器人灵巧手、机器人手臂及机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,特别涉及一种机器人灵巧手、机器人手臂及机器人。
背景技术
传统的工业机器人末端夹持器只能进行一些简单的任务。然而,越来越多的实际应用要求机器人末端能实现更加复杂和更加智能的操作,简单的末端夹持器不能满足实际复杂操作任务的要求。机器人灵巧手具有通用性强,抓持精度高,灵巧性、稳定性好等优点,成为解决复杂操作任务的有效方案,从20世纪后期以来成为机器人领域一个热门的研究方向之一。
现有技术中的机器人灵巧手设计结构复杂,灵巧手设计大都是总体尺寸比人手大很多,手指过于粗大、笨重,难以抓取细小物体;为解决上述问题,改进后的机器人灵巧手,通常每个手指设置三个关节由三组四连杆机构藕合,由一个电机驱动,但传动部分零件过多,不利于功能的实现和动作的稳定,且灵巧性较低。
因此,如何提供一种机器人灵巧手、机器人手臂及机器人,不仅能够简化结构,而且能够利于功能的实现及动作的稳定,并有效提高灵巧性和抓取精度,已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人灵巧手、机器人手臂及机器人,以解决现有的机器人灵巧手通常结构较复杂且不利于功能的实现和动作的稳定,同时灵巧性和抓取精度较低的技术问题。
本发明提供一种机器人灵巧手,包括:掌骨、拇指和四指,所述四指包括:食指、中指、无名指和小指;所述掌骨上固定有旋转关节,所述拇指的指根通过第一连接轴与所述旋转关节连接,所述拇指的指稍通过第二连接轴与所述拇指的指根连接;所述旋转关节上固定有第一驱动装置、所述第一驱动装置驱动所述拇指弯曲,所述掌骨上固定有第二驱动装置、所述第二驱动装置驱动所述拇指转动;所述掌骨上固定有基座,所述四指的指根分别通过四个第三连接轴与所述基座连接,所述四指的指稍分别通过四个第四连接轴与所述四指的指根连接;所述掌骨上固定有第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置,所述第三驱动装置和所述第四驱动装置分别驱动所述食指和所述中指弯曲,所述第五驱动装置驱动所述无名指和所述小指弯曲;所述拇指的所述旋转关节的末端设有第一位置传感器、所述第一位置传感器反馈所述拇指的转动角度和弯曲位置,所述四指的所述指根的根部分别设有第二位置传感器、所述第二位置传感器反馈所述四指的所述指根的相对位置;所述掌骨上固定有第六驱动装置、所述第六驱动装置驱动所述掌骨转动,所述掌骨的转动轴末端设有第三位置传感器、所述第三位置传感器反馈所述掌骨的转动位置。
其中,所述第一驱动装置为弯曲驱动电机,所述第二驱动装置为旋转驱动电机,所述旋转驱动电机的输出轴端齿轮与所述旋转关节的根部齿轮啮合传动;所述第一位置传感器的外圆周设有齿,所述齿与所述第一驱动装置外壳上的齿相啮合。
具体地,所述第二位置传感器包括匹配的两个食指位置传感器、两个中指位置传感、两个无名指位置传感器和两个小指位置传感器;所述食指与所述中指的所述基座之间、以及所述无名指与所述小指的所述基座之间分别设置有位置传感器控制板,所述位置传感器控制板的两侧分别匹配设有不同的所述第二位置传感器、且不同的所述第二位置传感器错位排列,所述位置传感器控制板相同的一侧匹配设有两个相同的所述第二位置传感器;所述四指的指根伸直时与匹配的、且相同的所述第二位置传感器中的一个对应,所述四指的指根弯曲至极限位置时与匹配的、且相同的所述第二位置传感器中的另一个对应。
实际应用时,所述指根和所述指稍均为中空管状结构,所述中空管状结构内穿设有缆绳;所述拇指的所述缆绳的一端与所述拇指的所述指稍的末端固定、另一端与所述第二驱动装置固定,所述四指的所述缆绳的一端分别与所述四指的所述指稍的末端固定、另一端分别与所述第三驱动装置、所述第四驱动装置和所述第五驱动装置固定;所述指稍与所述指根之间、所述指根与所述基座之间、以及所述指根与所述旋转关节之间均设置有复位弹簧;所述指根和所述指稍在所述缆绳拉动的状态下绕轴转动,所述复位弹簧在所述缆绳松开的状态下使所述指稍和所述指根复位。
其中,所述第二驱动装置为旋转驱动电机,所述第三驱动装置、所述第四驱动装置和所述第五驱动装置分别为第三驱动电机、第四驱动电机和第五驱动电机;对应所述拇指的所述缆绳的一端固定在所述拇指的所述指稍末端,并穿过中空管状结构的所述指稍和所述指根,且绕过所述指根和所述旋转关节的滚轮,另一端固定在所述旋转驱动电机的输出轮上;对应所述食指的所述缆绳的一端固定在所述食指的所述指稍末端,并穿过中空管状结构的所述指稍和所述指根,且绕过所述指根和所述基座的滚轮,另一端固定在所述第三驱动电机的输出轮上;对应所述中指的所述缆绳的一端固定在所述中指的所述指稍末端,并穿过中空管状结构的所述指稍和所述指根,且绕过所述指根、所述基座和所述掌骨的滚轮,另一端固定在所述第四驱动电机的输出轮上;对应所述无名指和所述小指的所述缆绳分别穿过所述第五驱动电机的输出轮,且所述缆绳的两端分别穿过所述指根和所述基座的滚轮,并分别固定在所述无名指和所述小指的所述指稍末端。
具体地,所述滚轮的圆柱面设有凹槽、所述凹槽限制所述缆绳的轴向位移,且所述滚轮的圆柱面分别与所述旋转关节、所述基座及所述指根和所述掌骨的相邻面之间具有间隙,所述间隙小于所述缆绳的直径。
进一步地,所述指稍和所述指根的连接部分均为斜面结构,所述斜面结构限制所述指稍和所述指根的转动角度。
更进一步地,所述指根设有第一凸起,所述第一凸起限制所述指根反向转动;所述指稍设有第二凸起,所述第二凸起限制所述指稍反向转动。
实际应用时,所述指稍的指腹处设有用于增加摩擦力的弹性体。
相对于现有技术,本发明所述的机器人灵巧手具有以下优势:
本发明提供的机器人灵巧手中,包括:掌骨、拇指和四指,四指包括:食指、中指、无名指和小指;其中,掌骨上固定有旋转关节,拇指的指根通过第一连接轴与旋转关节连接,拇指的指稍通过第二连接轴与拇指的指根连接;旋转关节上固定有第一驱动装置、第一驱动装置驱动拇指弯曲,掌骨上固定有第二驱动装置、第二驱动装置驱动拇指转动;具体地,掌骨上固定有基座,四指的指根分别通过四个第三连接轴与基座连接,四指的指稍分别通过四个第四连接轴与四指的指根连接;掌骨上固定有第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置,第三驱动装置和第四驱动装置分别驱动食指和中指弯曲,第五驱动装置驱动无名指和小指弯曲;进一步地,拇指的旋转关节的末端设有第一位置传感器、第一位置传感器反馈拇指的转动角度和弯曲位置,四指的指根的根部分别设有第二位置传感器、第二位置传感器反馈四指的指根的相对位置;更进一步地,掌骨上固定有第六驱动装置、第六驱动装置驱动掌骨转动,掌骨的转动轴末端设有第三位置传感器、第三位置传感器反馈掌骨的转动位置。由此分析可知,本发明提供的机器人灵巧手中,每个手指(拇指和四指)仅包括两个指节,并且小指和无名指靠一个驱动装置驱动手指弯曲,食指和中指分别依靠一个驱动装置驱动手指弯曲,拇指由两个驱动装置驱动,一个驱动装置驱动拇指弯曲、另一个驱动装置驱动拇指绕指根转动,掌骨单独靠一个驱动装置驱动转动;同时,掌骨的转动轴末端设有位置传感器用于反馈掌骨的转动位置,四指的指根设有位置传感器用于实现相邻两个手指的位置检测,拇指的旋转关节末端设有位置传感器用于反馈拇指的转动角度和弯曲位置。综上,本发明提供的机器人灵巧手不仅结构简化,而且能够利于功能的实现及动作的稳定,并能够有效提高灵巧性和抓取精度。
本发明还提供一种机器人手臂,包括:如上述任一项所述的机器人灵巧手,且所述机器人灵巧手作为所述机器人手臂的末端夹持器。
本发明再提供一种机器人,包括:如上述任一项所述的机器人灵巧手,且所述机器人灵巧手作为所述机器人的末端夹持器。
所述机器人手臂及机器人与上述机器人灵巧手相对于现有技术所具有的优势相同,在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第一状态爆炸结构示意图;
图2为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第二状态爆炸结构示意图;
图3为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第一视角结构示意图;
图4为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第二视角结构示意图;
图5为本发明实施例提供的机器人灵巧手中四指的结构示意图。
图中:1-掌骨;2-拇指;3-四指;31-第三连接轴;32-第四连接轴;11-旋转关节;12-基座;40-位置传感器控制板;41-第一位置传感器;42-第二位置传感器;51-弯曲驱动电机;52-旋转驱动电机;53-第三驱动电机;54-第四驱动电机;55-第五驱动电机;56-第六驱动电机;6-缆绳;7-复位弹簧。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第一状态爆炸结构示意图;图2为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第二状态爆炸结构示意图;图3为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第一视角结构示意图;图4为本发明实施例提供的机器人灵巧手的第二视角结构示意图;图5为本发明实施例提供的机器人灵巧手中四指的结构示意图。
如图1-图5所示,本发明实施例提供一种机器人灵巧手,包括:掌骨1、拇指2和四指3,四指3包括:食指、中指、无名指和小指;掌骨1上固定有旋转关节11,拇指2的指根通过第一连接轴与旋转关节11连接,拇指2的指稍通过第二连接轴与拇指2的指根连接;旋转关节11上固定有第一驱动装置、第一驱动装置驱动拇指2弯曲,掌骨1上固定有第二驱动装置、第二驱动装置驱动拇指2转动;掌骨1上固定有基座12,四指3的指根分别通过四个第三连接轴31与基座12连接,四指3的指稍分别通过四个第四连接轴32与四指3的指根连接;掌骨1上固定有第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置,第三驱动装置和第四驱动装置分别驱动食指和中指弯曲,第五驱动装置驱动无名指和小指弯曲;拇指2的旋转关节11的末端设有第一位置传感器41、第一位置传感器41反馈拇指2的转动角度和弯曲位置,四指3的指根的根部分别设有第二位置传感器42、第二位置传感器42反馈四指3的指根的相对位置;掌骨1上固定有第六驱动装置、第六驱动装置驱动掌骨1转动,掌骨1的转动轴末端设有第三位置传感器、第三位置传感器反馈掌骨1的转动位置。
相对于现有技术,本发明实施例所述的机器人灵巧手具有以下优势:
本发明实施例提供的机器人灵巧手中,如图1-图5所示,包括:掌骨1、拇指2和四指3,四指3包括:食指、中指、无名指和小指;其中,掌骨1上固定有旋转关节11(旋转关节11可以依靠两端的凸轴固定在掌骨1上),拇指2的指根通过第一连接轴与旋转关节11连接,拇指2的指稍通过第二连接轴与拇指2的指根连接;旋转关节11上固定有第一驱动装置、第一驱动装置驱动拇指2弯曲,掌骨1上固定有第二驱动装置、第二驱动装置驱动拇指2转动;具体地,掌骨1上固定有基座12,四指3的指根分别通过四个第三连接轴31与基座12连接,四指3的指稍分别通过四个第四连接轴32与四指3的指根连接;掌骨1上固定有第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置,第三驱动装置和第四驱动装置分别驱动食指和中指弯曲,第五驱动装置驱动无名指和小指弯曲;进一步地,拇指2的旋转关节11的末端设有第一位置传感器41、第一位置传感器41反馈拇指2的转动角度和弯曲位置,四指3的指根的根部分别设有第二位置传感器42、第二位置传感器42反馈四指3的指根的相对位置;更进一步地,掌骨1上固定有第六驱动装置、第六驱动装置驱动掌骨1转动,掌骨1的转动轴末端设有第三位置传感器、第三位置传感器反馈掌骨1的转动位置。由此分析可知,本发明实施例提供的机器人灵巧手中,每个手指(拇指2和四指3)仅包括两个指节,并且小指和无名指靠一个驱动装置驱动手指弯曲,食指和中指分别依靠一个驱动装置驱动手指弯曲,拇指2由两个驱动装置驱动,一个驱动装置驱动拇指2弯曲、另一个驱动装置驱动拇指2绕指根转动,掌骨1单独靠一个驱动装置驱动转动;同时,掌骨1的转动轴末端设有位置传感器用于反馈掌骨1的转动位置,四指3的指根设有位置传感器用于实现相邻两个手指的位置检测,拇指2的旋转关节11末端设有位置传感器用于反馈拇指2的转动角度和弯曲位置。综上,本发明实施例提供的机器人灵巧手不仅结构简化,而且能够利于功能的实现及动作的稳定,并能够有效提高灵巧性和抓取精度。
此处需要补充说明的是,除拇指2外的其余四指3的驱动装置可以均横向排布在掌骨1上,且各驱动装置均设有编码器。
其中,上述第一驱动装置可以为弯曲驱动电机51,上述第二驱动装置可以为旋转驱动电机52,旋转驱动电机52的输出轴端齿轮与旋转关节11的根部齿轮啮合传动;并且,上述第一位置传感器41的外圆周设有齿,该齿与第一驱动装置外壳上的齿相啮合。
具体地,上述第二位置传感器42可以包括匹配的两个食指位置传感器、两个中指位置传感、两个无名指位置传感器和两个小指位置传感器;食指与中指的基座12之间、以及无名指与小指的基座12之间分别设置有位置传感器控制板40,位置传感器控制板40的两侧分别匹配设有不同的第二位置传感器42(例如位置传感器控制板40的两侧分别匹配设有食指位置传感器和中指位置传感器)、且不同的第二位置传感器42错位排列(例如食指位置传感器和中指位置传感器错位排列),位置传感器控制板40相同的一侧匹配设有两个相同的第二位置传感器42(例如位置传感器控制板40的一侧匹配设有两个食指位置传感器、另一侧匹配设有两个中指位置传感器);四指3的指根伸直时与匹配的、且相同的第二位置传感器42中的一个对应(例如与一个食指位置传感器对应),四指3的指根弯曲至极限位置时与匹配的、且相同的第二位置传感器42中的另一个对应(例如与另一个食指位置传感器对应)。
进一步地,四指3中以食指为例(其余三指同理),食指的指根的两个上下排列的食指传感器与食指的指根的两个凸台相对应,食指伸直时,指根背部的凸台与位于上方的食指传感器对应,食指弯曲到极限位置时,指根背部的另一凸台与位于下方的食指传感器对应。
实际应用时,上述指根和指稍均为中空管状结构,该中空管状结构内穿设有缆绳6,手指关节的运动依靠缆绳6传动且每根手指可以转动0-90度(0度和90度的位置处均有限位);拇指2的缆绳6的一端与拇指2的指稍的末端固定(固定方式可以是系在指稍末端或依靠螺钉固定)、另一端与第二驱动装置固定,四指3的缆绳6的一端分别与四指3的指稍的末端固定、另一端分别与第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置固定;并且,指稍与指根之间、指根与基座12之间、以及指根与旋转关节11之间均设置有复位弹簧7;使用时,指根和指稍在缆绳6拉动的状态下绕轴转动,复位弹簧7在缆绳6松开的状态下使指稍和指根复位(驱动缆绳6时,缆绳6与中空管状结构的内壁窄曹底部为支点)。
其中,第二驱动装置为旋转驱动电机52,第三驱动装置、第四驱动装置和第五驱动装置可以分别为第三驱动电机53、第四驱动电机54和第五驱动电机55,第六驱动装置可以为第六驱动电机56;对应拇指2的缆绳6的一端固定在拇指2的指稍末端,并穿过中空管状结构的指稍和指根,且绕过指根和旋转关节11的滚轮,另一端固定在旋转驱动电机52的输出轮上;对应食指的缆绳6的一端固定在食指的指稍末端,并穿过中空管状结构的指稍和指根,且绕过指根和基座12的滚轮,另一端固定在第三驱动电机53的输出轮上;对应中指的缆绳6的一端固定在中指的指稍末端,并穿过中空管状结构的指稍和指根,且绕过指根、基座12和掌骨1的滚轮,另一端固定在第四驱动电机54的输出轮上;对应无名指和小指的缆绳6分别穿过第五驱动电机55的输出轮,且缆绳6的两端分别穿过指根和基座12的滚轮,并分别固定在无名指和小指的指稍末端。
具体地,上述滚轮的圆柱面设有凹槽、该凹槽用于限制缆绳6的轴向位移,且滚轮的圆柱面分别与旋转关节11、基座12及指根和掌骨1的相邻面之间具有间隙,该间隙小于缆绳6的直径,从而能够有效防止缆绳6脱离凹槽。
进一步地,上述指稍和指根的连接部分可以均为斜面结构,该斜面结构能够用于限制指稍和指根的转动角度。
更进一步地,上述指根可以设有第一凸起,该第一凸起能够用于限制指根反向转动;同理,上述指稍可以设有第二凸起,该第二凸起能够用于限制指稍反向转动。
实际应用时,上述指稍的指腹处可以设有用于增加摩擦力的弹性体,从而更便于机器人灵巧手抓取物品。
本发明实施例还提供一种机器人手臂,包括:如上述任一项所述的机器人灵巧手,且该机器人灵巧手可以作为机器人手臂的末端夹持器。
具体地,机器人灵巧手的掌骨1上的第六驱动电机56的输出轴端齿轮与机器人手臂端的连接齿轮啮合传动。
本发明实施例再提供一种机器人,包括:如上述任一项所述的机器人灵巧手,且该机器人灵巧手可以作为机器人的末端夹持器。
具体地,机器人灵巧手的掌骨1上的第六驱动电机56的输出轴端齿轮与机器人的手臂端的连接齿轮啮合传动。
本发明实施例提供的机器人灵巧手、机器人手臂及机器人具有以下优势:机器人灵巧手具有十一个自由度(拇指具有三个自由度、四指分别具有两个自由度),且每个手指只有两个关节(指根和指稍并靠轴联结);所有驱动装置均集成在掌骨;能够自适应地抓取形状不同的物品;指腹设有能够增加摩擦力的弹性体,便于抓取物品;各个手指依靠缆绳和滚轮传动,且能够转动0-90度;指节设有复位弹簧,实现指节的复位运动;指根和指稍的接触面各具有一个斜面;小指和无名指依靠一个电机驱动,中指和食指分别依靠一个电机驱动,拇指由两个电机驱动(一个电机驱动弯曲、一个电机驱动转动),掌骨依靠一个电机驱动转动;掌骨转动轴末端设有位置传感器,拇指的旋转关节设有位置传感器,四指的指根设有位置传感器用于实现相邻两个手指的位置检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。