一种机械手指组件及机械手的制作方法

1.本技术涉及机械手领域，尤其涉及一种机械手指组件及机械手。


背景技术：

2.随着人工智能化的发展，对于模拟人类动作的机器的要求也越来越高。机械手指用于模拟人类的手指功能，由于机械手指不仅要抓取目标物，且还需具备较好的握持功能，因而才能对目标物具有较好的操控性能，以期达到接近人类手指的灵活程度及精准程度。
3.相关现有技术请参考中国发明专利公开cn111421566a，该专利申请公开了一种皮带式欠驱动三关节机械手指结构及其操作方法。包括欠驱动结构的三关节手指机构，三个三关节手指机构呈120
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均布在上底座上形成手掌执行器件，上底座下方设置有下底座，下底座内设置有步进电机，步进电机通过联轴器与蜗杆的一端连接，蜗杆的另一端与上底座连接，蜗杆与每个三关节手指机构内设置的蜗轮配合转动，将动力通过和涡轮同步转动的同步带轮传到三关节手指机构上实现对待抓取物体的抓放。
4.然而现有技术中的此类皮带式欠驱动三关节机械手指结构，其第一指节、第二指节、第三指节及基指节之间直接通过同步带联动，使得第一指节、第二指节、第三指节及基指节之间的连动是完全同步的。当然，为了实现第一指节、第二指节、第三指节及基指节之间的非连动性，现有技术中还增加了摩擦解耦装置，并通过摩擦片和摩擦片之间的摩擦阻尼力实现，如此增加了整个三关节机械手指结构的结构复杂性，此外，摩擦解耦装置中的摩擦片为耗材，在高频率的使用后会出现摩擦阻尼力减小或者不可控等情况，最终影响抓取效果及使用寿命。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种新的机械手指组件，能与被抓物体柔性接触，自动适应被抓物体的外表形状，进而实现无损且可靠的抓取物品。
6.为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：
7.一种机械手指组件，包括指节模块、第一欠驱动结构和第二欠驱动结构，所述指节模块包括基指节、第一指节、第二指节及第三指节，第一指节通过第一关节轴与基指节转动连接，第二指节通过第二关节轴与第一指节转动连接，第三指节通过第三关节轴与第二指节转动连接，所述第一欠驱动结构和第二欠驱动结构均能够欠驱动指节模块，所述第一欠驱动结构和第二欠驱动结构相互独立且均由多个连杆组合而成。
8.进一步，所述第一欠驱动结构包括第一连杆件、第二连杆件、第三连杆件及第四连杆件，所述第一连杆件转动连接于第一关节轴，所述第三连杆件转动连接于第二关节轴，所述第二连杆件连动第一连杆件与第三连杆件，所述第四连杆件连动第三连杆件与第三指节。
9.进一步，所述第三连杆件与第二连杆件连接处形成第三连接位，所述第三连杆件与第二关节轴连接处形成第四连接位，所述第三连杆件与第四连杆件连接处形成第五连接
位，所述第三连接位、第四连接位及第五连接位成固定的三角形布局。
10.进一步，所述第三连接位至第四连接位之间的距离与第三连接位至第五连接位之间的距离相等，且小于第四连接位至第五连接位之间的距离。
11.进一步，所述第一连杆件与第一关节轴连接处形成第一连接位，所述第一连杆件与第二连杆件连接处形成第二连接位，所述第一连接位、第二连接位、第三连接位及第四连接位成四边形布局，所述第一连接位、第二连接位及第三连接位之间形成的夹角角度始终大于所述第一连接位、第二连接位及第四连接位之间形成的夹角角度。
12.进一步，所述第三指节一体形成有延伸部，所述第四连杆件与延伸部转动连接并且形成第六连接位，所述第二指节与第三指节转动连接并且形成第七连接位，所述第四连接位、第五连接位、第六连接位及第七连接位成四边形布局。
13.进一步，所述第一连接位至第四连接位之间的距离大于第二连接位至第三连接位之间的距离，所述第一连接位至第二连接位之间的距离大于第三连接位至第四连接位之间的距离。
14.进一步，所述第二欠驱动结构包括第一连杆部、第二连杆部、第三连杆部、第四连杆部及第五连杆部，所述第一连杆部与第一关节轴转动连接，所述第三连杆部转动连接于第二关节轴，所述第二连杆部连动第一连杆部与第三连杆部，所述第五连杆部与第三关节轴转动连接，所述第四连杆部连动第三连杆部与第五连杆部。
15.进一步，所述第一欠驱动结构和第二欠驱动结构均位于指节模块的同一侧且并列设置。
16.进一步，所述第三连杆部与第二连杆部连接处形成第三连接点，所述第三连杆部与第二关节轴连接处形成第四连接点，所述第三连杆部与第四连杆部连接处形成第五连接点，所述第三连接点、第四连接点及第五连接点成固定的三角形布局。
17.进一步，所述第五连接点与第三连接点之间的距离小于第五连接点与第四连接点之间的距离，所述第五连接点与第四连接点之间的距离小于第四连接点与第三连接点之间的距离。
18.进一步，所述第一连杆部与第一关节轴连接处形成第一连接点，所述第一连杆部与第二连杆部连接处形成第二连接点，所述第一连接点、第二连接点、第三连接点及第四连接点成四边形布局，所述第一连接点、第二连接点及第三连接点之间形成的夹角角度始终大于所述第一连接点、第二连接点及第四连接点之间形成的夹角角度。
19.进一步，所述第五连杆件与第三关节轴转动连接并形成第七连接点，所述第四连杆件连动第五连杆件和第三连杆件，所述第四连杆件与第五连杆件连接处形成第六连接点，所述第四连接点、第五连接点、第六连接点及第七连接点之间成四边形布局，所述第四连接点、第五连接点及第六连接点之间形成的夹角角度始终大于所述第四连接点、第五连接点及第七连接点之间形成的夹角角度。
20.进一步，所述第三指节一体形成有延伸段，所述第五连杆件对应与延伸段抵触或分离。
21.进一步，还包括驱动单元，所述驱动单元能够驱动第一连杆件以第一关节轴为转轴转动，进而驱动第一指节、第二指节及第三指节相对基指节转动。
22.为了实现上述目的，本技术还采用如下技术方案：
23.一种机械手，包括至少三个上述任意一项所述的机械手指组件，还包括躯干支撑架；第一电机组件，结合于躯干支撑架内，第一电机组件驱动第一机械手指组件转动；连动齿轮组，结合于躯干支撑架内，连动齿轮组连动第一机械手指组件与第二机械手指组件同步转动；第二电机组件，结合于躯干支撑架内，第二电机组件驱动第三机械手指组件的第一连杆件以第一关节轴为转轴转动，进而欠驱动第一指节、第二指节及第三指节；蜗轮组件，结合于躯干支撑架内，连动第一机械手指组件的第一连杆件、第二机械手指组件的第一连杆件及第三机械手指组件的第一连杆件。
24.进一步，所述蜗轮组件包括涡杆件和同步轮，所述第二电机组件驱动涡杆件转动，所述涡杆件穿过同步轮且与同步轮啮合，涡杆件将自身旋转运动转换为同步轮上下移动，同步轮四周通过轮齿直接或者间接的同步驱动三个所述机械手指组件的第一连杆件转动。
25.本技术的有益效果是：提供一种新的机械手指组件，能与被抓物体柔性接触，指节模块弯曲更加自然及灵活，自动适应被抓物体的外表形状，进而实现无损且可靠的抓取物品。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例。
27.图1是本技术机械手的立体示意图。
28.图2是本技术机械手的部分立体分解图，具体展示了躯干支撑架与机械手功能主体部分离时的立体示意图。
29.图3是图2中虚线方框内结构的放大图。
30.图4是图2中机械手功能主体部的俯视图，主要为了展示三个机械手指组件之间的结合关系。
31.图5是图2中机械手功能主体部的部分立体分解图，具体展示了第一机械手指组件和第二机械手指组件从蜗轮组件上分离后的立体示意图。
32.图6本技术机械手的第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件组合时的侧视图。
33.图7是自图6中a-a线的剖视图。
34.图8是本技术第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的部分分解图，为了清楚展示基指节、第一指节、第二指节、第三指节、第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第一欠驱动结构及第二欠驱动结构的具体结构。
35.图9是本技术第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的部分分解图。
36.图10是本技术第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的部分分解图。
37.图11是本技术第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的组合状态图。
38.图12是图11所述第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的组合状态的侧视图。
39.图13是图11所述第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的组合状态的侧视图，进一步的展示了第一欠驱动结构从指节模块分离时的示意图。
40.图14是图11所述第三机械手指组件、蜗轮组件及第二电机组件的组合状态的侧视
图，进一步的展示了第二欠驱动结构从指节模块分离时的示意图。
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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技术。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“结合”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
43.在本技术的描述中，需要理解的是，本文中使用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.请参考图1至图14所示，为本技术公开的一种机械手200，包括躯干支撑架8及结合于躯干支撑架8内的机械手功能主体部100，所述躯干支撑架8主要起支撑和防护的作用。所述机械手功能主体部 100包括第一机械手指组件101、第二机械手指组件102、第三机械手指组件103、第一电机组件81、第二电机组件83、连动齿轮组82 及蜗轮组件84。通过第一电机组件81及第二电机组件83的驱动，可实现第一机械手指组件101、第二机械手指组件102和第三机械手指组件103配合抓取物品的功能。具体结构和实现方式参下文详细描述。
45.请参考图1至图5所示，所述第一机械手指组件101及第二机械手指组件102被活动固定于躯干支撑架8，该第一机械手指组件101 及第二机械手指组件102之间通过连动齿轮组82啮合连动。第一电机组件81用于驱动第一机械手指组件101转动。以图4所示角度为参照说明，具体的，第一机械手指组件101在第一电机组件81的驱动下能够在一定角度范围内沿着顺时针或者逆时针转动；第二机械手指组件102在连动齿轮组82的连动下同步第一机械手指组件101而转动。当然本技术中的第一机械手指组件101与第二机械手指组件 102的转动方向相反，且转动速度相同，第三机械手指组件103被固定于躯干支撑架8内且无法转动。通过第一机械手指组件101及第二机械手指组件102的转动，并配合第三机械手指组件103，能够实现多角度的抓取受力，以适应不同形状的被抓取物，如长条形物体、球形物体等。
46.请参考图5至图14所示，所述第一机械手指组件101、第二机械手指组件101及第三机械手指组件101结构及原理相同，本技术以第三机械手指组件101为例进行详细描述。所述第三机械手指组件 101包括基指节1、第一指节2、第二指节3、第三指节4、第一欠驱动结构5及第二欠驱动结构6。所述第一指节2通过第一关节轴21 与基指节1转动连接；第二指节3通过第二关节轴31与第一指节2 转动连接；第三指节4通过第三关节轴41与第二指节3转动连接。所述第一欠驱动结构5和第二欠驱动结构6用于欠驱动第一指节2、第二指节3及第三指节4，使得第一指节2、第二指节3及第三指节 4能够在各自的自由度实现转动。本技术中，将所述基指节1、第一指节2、第二指节3、第三指节4统称为指节模块10。下面详细介绍第一欠驱动结构5和第二欠驱动结构6的结构及与指节模块10的欠驱动方式。
47.需要说明的是，本技术中的上述第一关节轴21、第二关节轴31、第三关节轴41可以是轴承类构件，也可以是指代转动连接的方式，其目的是为了让两者(例如：第一指节2与基指节1)实现转动连接。当然，本技术实施例中，指出了其中的一种实施例，也就是第一关节轴21、第二关节轴31、第三关节轴41设计成转轴的形式。在某些其他实施例中，第一关节轴21、第二关节轴31、第三关节轴41亦可由其他变形例替代。
48.请参考图5至图14所示，所述第一欠驱动结构5包括第一连杆件51、第二连杆件52、第三连杆件53及第四连杆件54。所述第一连杆件51与第一关节轴21转动连接，所述第三连杆件53转动连接于第二关节轴31，所述第二连杆件52连动第一连杆件51与第三连杆件53，所述第四连杆件54连动第三连杆件53与第三指节4。
49.具体的，本技术中，所述第三连杆件53与第二连杆件52连接处形成第三连接位503，所述第三连杆件53与第二关节轴31连接处形成第四连接位504，所述第三连杆件53与第四连杆件54连接处形成第五连接位505，所述第三连接位503、第四连接位504及第五连接位505成固定三角形布局。所述第三连接位503至第四连接位504 之间的距离与第三连接位503至第五连接位505之间的距离相等，且小于第四连接位504至第五连接位505之间的距离。如此使得第三连杆件53作为一个过渡连杆而连动第二连杆件52与第四连杆件54，同时对第一指节2具有直接驱动作用。
50.请参考图14并且结合图12所示，所述第一连杆件51与第一关节轴21连接处形成第一连接位501，所述第一连杆件51与第二连杆件52连接处形成第二连接位502，所述第一连接位501、第二连接位 502、第三连接位503及第四连接位504成四边形布局。所述第一连接位501、第二连接位502及第三连接位503之间形成的夹角角度始终大于所述第一连接位501、第二连接位502及第四连接位504之间形成的夹角角度。如此能够确保第一连杆件51能够驱动第二连杆件 52及第三连杆件53进而实现驱动第一指节2相对基指节1摆动，具体可实现顺时针及逆时针两个方向摆动(以图14视角为参考)。
51.请参考图14所示，所述第三指节4一体延伸形成有延伸部401，所述第四连杆件54与延伸部401转动连接并且形成第六连接位506，所述第二指节3与第三指节3转动连接并且形成第七连接位507，所述第四连接位504、第五连接位505、第六连接位506及第七连接位 507成四边形布局。以第三连杆件53视为驱动源并配合第四连杆件 54，一方面可实现驱动第二指节3相对第一指节2转动，同时可实现驱动第三指节4相对第二指节3转动。此处同样指顺时针及逆时针两个方向摆动(以图14视角为参考)。
52.本技术中，为了提高整个第三机械手指组件101的运动顺畅性及有效力臂的长度，所述第五连接位505至第六连接位506之间的距离设计成小于第四连接位504至第七连接位507之间的距离。所述第四连接位504至第五连接位505之间的距离设计成大于第六连接位506 至第七连接位507之间的距离。所述第一连接位501至第四连接位 504之间的距离设计成大于第二连接位502至第三连接位503之间的距离。所述第一连接位501至第二连接位502之间的距离设计成大于第三连接位503至第四连接位504之间的距离。
53.请参考图13并结合图12及图14所示，所述第二欠驱动结构6 包括第一连杆部61、第二连杆部62、第三连杆部63、第四连杆部64 及第五连杆部65，所述第一连杆部61与第一关节轴21转动连接，所述第三连杆部63转动连接于第二关节轴31，所述第二连杆部62 连动第一连杆部61与第三连杆部63，所述第五连杆部65与第三关节轴41转动连接，所述第四连
杆部64连动第三连杆部63与第五连杆部65。
54.具体的，所述第三连杆部63与第二连杆部62连接处形成第三连接点603，所述第三连杆部63与第二关节轴31连接处形成第四连接点604，所述第三连杆部63与第四连杆部64连接处形成第五连接点 605，所述第三连接点603、第四连接点604及第五连接点605成三角形布局。所述第五连接点605与第三连接点603之间的距离小于第五连接点605与第四连接点604之间的距离，所述第五连接点605 与第四连接点604之间的距离小于第四连接点604与第三连接点603 之间的距离。
55.所述第一连杆部61与第一关节轴21连接处形成第一连接点 601，所述第一连杆部61与第二连杆部62连接处形成第二连接点 602，所述第一连接点601、第二连接点602、第三连接点603及第四连接点604成四边形布局，所述第一连接点601、第二连接点602及第三连接点603之间形成的夹角角度始终大于所述第一连接点601、第二连接点602及第四连接点604之间形成的夹角角度。
56.所述第五连杆部65与第三关节轴41转动连接并形成第七连接点 607，所述第四连杆部64连动第五连杆部65和第三连杆部63，所述第四连杆部64与第五连杆部65连接处形成第六连接点606，所述第四连接点604、第五连接点605、第六连接点606及第七连接点607 之间成四边形布局，所述第四连接点604、第五连接点605及第六连接点606之间形成的夹角角度始终大于所述第四连接点604、第五连接点605及第七连接点607之间形成的夹角角度。
57.进一步，所述第三指节4一体形成有延伸段402，所述第五连杆部65对应与延伸段402配合抵触或分离，用于辅助驱动所述第三指节4。
58.所述第一欠驱动结构5和第二欠驱动结构6均位于指节模块10 的同一侧且并列设置。本技术中，所述第一欠驱动结构5是由多个连杆配合组成，在实际作动过程中较难保证全程的动作顺畅性及各个不同抓取角度和状态过程中的力量控制，通过第二欠驱动结构6作为辅助欠驱动机构，能够有效提高整个第三机械手指组件101的运动顺畅性。
59.当然，本技术中，还包括驱动单元(未标注)，驱动单元实现对第一连杆件51的驱动，第一连杆件51以第一关节轴21为转轴转动进而驱动第一指节2、第二指节3及第三指节4相对基指节1摆动。具体的，所述驱动单元包括所述第二电机组件83、蜗轮组件84及连动齿轮7。
60.请参考图1至图5所示，所述蜗轮组件84结合于躯干支撑架8 内，且位于第一机械手指组件101、第二机械手指组件102及第三机械手指组件103之间。所述蜗轮组件84包括涡杆件841和同步轮842，同步轮842通过两个滑动轴85活动限位于躯干支撑架8内，涡杆件 841穿过同步轮842且与同步轮842啮合。所述第二电机组件83驱动涡杆件841沿顺时针或者逆时针转动(以图4视角为参考)，进而带动同步轮842延上下方向(以图2视角为参考)移动，最后所述同步轮842通过连动齿轮7带动第一连杆件51以第一关节轴21为转轴转动(请结合图5至图7所示)。
61.请参考图5所示，进一步需要说明的是，所述同步轮842与第一机械手指组件101的第一连杆件51及第二机械手指组件102的第一连杆件51之间均啮合连动，也就是说同步轮842在驱动第三机械手指组件103的同时也同步驱动第一连杆件51及第二机械手指组件 102运动。
62.下面介绍本技术机械手200的作动过程。
63.初始状态a1：
64.也就是机械手200未抓取物件的状态，具体请参考图12及图14 示所示，在此状态中所述第一机械手指组件101、第二机械手指组件 102及第三机械手指组件103均处于笔直状态，也就是说各机械手指组件的第一指节2、第二指节3、第三指节4处于一条直线。也就是本技术附图1至14所展示的状态。在此状态中，第二电机组件83 同样可以驱动指节模块10运动，具体而言，第一连杆件51被驱动而转动时，由于第二连接位502、第三连接位503及第四连接位504之间形成的夹角等于180度/或者几乎等于180度，所述第一连杆件51 的转动能够直接经由第二连杆件52和第三连杆件53传递给第一指节 2，使得第一指节2相对基指节1转动，在此过程中，第二指节3、第三指节4相对第一指节2不发生摆动(也就是第一指节2、第二指节3及第三指节4始终保持一条直线)。
65.被抓取物品在抓取位置b1：
66.也就是被抓取物品(未图示)位于第一指节2位置，可以示意为被抓取物品位于图12所示的第一指节2的左侧而对第一指节2产生约束。在抓取位置a时，因为被抓取物品对第一指节2产生约束，使得第一指节2无法继续向图12中的左侧摆动，此时由第一连杆件 51向上转动并经第二连杆件52、第三连杆件53及第四连杆件54的连动而驱动第三指节4向左摆动；同步的，由于第四连接位504至第五连接位505之间的距离大于第六连接位506至第七连接位507之间的距离，使得第三连杆件53对第四连杆件54的推力能够驱动第二指节3向左摆动。直至第二指节3、第三指节4均接触被抓取物品而被约束。最终完成抓取动作。
67.被抓取物品在抓取位置b2：
68.也就是被抓取物品(未图示)位于第二指节3位置，可以示意为被抓取物品位于图12所示的第二指节3的左侧而对第二指节3产生约束。在抓取位置b时，所述第一指节2和第二指节3始终保持笔直状态，此时由第一连杆件51向上转动并经第二连杆件52、第三连杆件53及第四连杆件54的连动而驱动第三指节4向左摆动；此时由于第二指节3被被抓取物品约束而无法向左摆动。最终直至第三指节 4接触被被抓取物品而被约束。最终完成抓取动作。
69.本技术通过第一欠驱动结构5和第二欠驱动结构6配合实现对对应的第一指节2、第二指节3及第三指节4进行欠驱动，实现机械手 200的仿生抓取功能，通过一个第二电机组件83实现对三个机械手指组件101、102、103的指节模块10驱动，并且第一机械手指组件 101和第二机械手指组件102通过一个第一电机组件81实现旋转功能。本技术设计的机械手100整体机构简单，制作便利，且具有较好的抓去功能，第一欠驱动结构5和第二欠驱动结构6采用连杆组件配合，使用寿命更长。
70.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。