一种球关节连杆驱动多关节拟人机械手及机器人的制作方法

本实用新型涉及机械传动技术领域，尤其涉及一种球关节连杆驱动多关节拟人机械手及机器人。

背景技术：

随着商用情感机器人的普及，拟人机械手成为人机交互的表现形式之一。现有拟人机械手，主要的驱动方式是使用液压或气压肌肉驱动、电机驱动，主要的连接方式为线驱动、四连杆机构、齿轮箱机构。无论哪一种驱动方式结合连接方式，都形成了较为复杂的连接方式，尤其是食指与拇指的连接，由于食指与拇指的运动基准存在空间角度偏差，食指与拇指的连接部分属于复杂度最高的部分。

为了解决这个问题，现有方案，大多使用线连接指关节，通过滑轮组，将动力传递到指关节。这种驱动方式可以将动力传递到指关节，但是由于线是柔软机构，所以使用线驱动的机械手无法完成传力，即虽然手指可以拟人动作，但手指无法提供保持力度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种球关节连杆驱动多关节拟人机械手及机器人，以解决现有技术中存在的采用线驱动不能保持手指力度的技术问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种球关节连杆驱动多关节拟人机械手，包括五根手指组件，所述手指组件包括拇指部、食指部、中指部、无名指部和小指部，每根所述手指组件均包括四连杆；

还包括驱动装置，所述驱动装置连接有齿轮，所述拇指部和所述食指部的四连杆均连接有驱动齿，所述拇指部的所述驱动齿与所述齿轮相啮合，所述食指部上的所述驱动齿的侧壁上及所述齿轮的侧壁上均设有偏心凸起，两个所述偏心凸起之间通过连杆连接，所述连杆上设有两个球关节，所述球关节与所述偏心凸起连接。

进一步的，还包括掌心板，所述驱动装置设于所述掌心板上，所述手指组件分别通过连接座与所述掌心板连接。驱动装置可直接设置在掌心板上，无需再采用其他的辅助安装接口，使用时更加的节省空间。

进一步的，所述驱动齿上的所述偏心凸起与所述驱动齿的轴心之间的水平距离L1及所述齿轮上的所述偏心凸起与所述齿轮轴心之间的水平距离L2为偏置距离，其中，L1＞L2。

进一步的，所述四连杆包括两根手指杆和两根连接杆，两根所述手指杆和两根所述连接杆依次转动连接，所述驱动齿与所述手指杆的末端连接。五根手指组件均是通过四连杆的原理实现张开或闭合的动作，具体的可通过设置手指杆和连接杆长度或直径的不同以区分应用到不同的位置。

进一步的，所述球关节位于所述连杆的两端对称设置。

进一步的，所述中指部、所述无名指部及所述小指部均连接有所述驱动齿，所述食指部、所述中指部、所述无名指部及所述小指部的所述驱动齿之间通过转轴连接。将中指部、无名指部及小指部通过转轴与食指部连接，即实现了与拇指部之间的联动，一个驱动装置可实现五根手指组件动作，且手指组件均具有动力保持能力。

进一步的，所述驱动装置为驱动电机。

本实用新型还提供一种机器人，包括球关节连杆驱动多关节拟人机械手。

本实用新型提供的球关节连杆驱动多关节拟人机械手，拇指部与食指部之间通过连杆连接，实现两者的联动，具备动力传动功能，其中，连杆在拇指部的齿轮上及在食指部的驱动齿上均偏心设置，且利用球关节分别与齿轮和驱动齿连接。使用时，驱动装置带动齿轮旋转，进而通过连杆带动驱动齿转动，最终完成对手指组件的操控。

该球关节连杆驱动多关节拟人机械手，采用结构更加简单的球关节，使用时球关节在空间中的多自由度实时变化，达到空间内有偏置的动力传动。使用这种传动方式，可以控制食指部和拇指部的联合运动，并且传递动力源的动力，为机械手指的保持提供稳固的动力支撑，使手指可以完成如触碰按钮、抓取等动作。即可实现手指组件的拟人动作，也可实现力度的保持。

本实用新型提供的一种机器人，通过球关节连杆驱动多关节拟人机械手，可实现稳定的动力支撑，实现机器人机械手的操控动作。

附图说明

图1是本实用新型提供的球关节连杆驱动多关节拟人机械手的结构示意图；

图2是本实用新型提供的球关节连杆驱动多关节拟人机械手的局部爆炸图；

图3是本实用新型提供的球关节连杆驱动多关节拟人机械手的传动原理图；

图4是本实用新型提供的球关节连杆驱动多关节拟人机械手的传动原理图。

图中：

1、拇指部；2、食指部；3、中指部；4、无名指部；5、小指部；6、驱动装置；7、齿轮；8、驱动齿；9、连杆；10、球关节；11、掌心板。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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实用新型中的具体含义。

如图1-4所示，一种球关节连杆驱动多关节拟人机械手，包括五根手指组件，手指组件包括拇指部1、食指部2、中指部3、无名指部4和小指部5，每根手指组件均包括四连杆；

还包括驱动装置6，驱动装置6连接有齿轮7，拇指部1和食指部2的四连杆均连接有驱动齿8，拇指部1的驱动齿8与齿轮7相啮合，食指部2上的驱动齿8的侧壁上及齿轮7的侧壁上均设有偏心凸起，两个偏心凸起之间通过连杆9连接，连杆9上设有两个球关节10，球关节10与偏心凸起连接。

拇指部1的驱动齿8通过齿轮7进行驱动，其中，优选的，齿轮7所用的驱动装置6可以为驱动电机，通过连杆9，实现拇指部1和食指部2之间的联动，连接时，可在偏心凸起上设置安装孔，相应的在球关节10上设孔，该孔与安装孔可通过锁固螺丝连接。使用时，驱动电机带动齿轮7旋转，齿轮7上的偏心凸起带动球关节10运动，通过连杆9带动食指部2的驱动齿8运动，最终实现动力的传输。

还包括掌心板11，驱动装置6设于掌心板11上，手指组件分别通过连接座与掌心板11连接。驱动装置6可直接设置在掌心板11上，无需再采用其他的辅助安装接口，使用时更加的节省空间。

驱动齿8上的偏心凸起与驱动齿8的轴心之间的水平距离L1及齿轮7上的偏心凸起与齿轮7轴心之间的水平距离L2为偏置距离，其中，L1＞L2。

当连杆9运动时，以每个球关节10作为坐标系基准，球关节10锁固螺丝轴向为X正向(即偏心凸起的凸出方向)，两个坐标系在运动过程中两个球关节10的坐标系变换角度为自适应角度，在计算过程中可以忽略不计。

如图4所示，两个坐标系原点的连线，与Y轴交角θ₁为球关节10可变角度范围机构设计的范围大小；两个坐标系原点的连线，与Z轴交角θ₂为球关节10纵向变换角度，该方向保证球关节10外框有足够的转动空间，即可实现自适应。

如图3所示，食指部2变化的角度范围α与拇指部1变化的角度β，与球关节10固定点到转轴的距离为正比关系。假设拇指部1的齿轮7结构固定，由于食指部2的运动范围大于拇指部1的变动范围，则α＞β，球关节10到达食指部2固定转轴的距离大于球关节10到达拇指部1固定转轴(齿轮7转轴)的距离，即L1＞L2。

四连杆包括两根手指杆和两根连接杆，两根手指杆和两根连接杆依次转动连接，驱动齿8与手指杆的末端连接。五根手指组件均是通过四连杆的原理实现张开或闭合的动作，具体的可通过设置手指杆和连接杆长度或直径的不同以区分应用到不同的位置。

优选的，球关节10位于连杆9的两端对称设置。

中指部3、无名指部4及小指部5均连接有驱动齿8，食指部2、中指部3、无名指部4及小指部5的驱动齿8之间通过转轴连接。将中指部3、无名指部4及小指部5通过转轴与食指部2连接，即实现了与拇指部1之间的联动，一个驱动装置6可实现五根手指组件动作，且手指组件均具有动力保持能力。

本实用新型还提供一种机器人，包括球关节连杆驱动多关节拟人机械手。该机器人的机械手，可实现张开、闭合的动作，且可具有动力的保持能力，可完成，如触碰按钮、抓取等动作。

具体的，该机器人的机械手可完成相应的操作动作，并在该动作下可实现有力的保持，进而可基于操作动作完成各种拟人动作。

优选的，中指部3、无名指部4和小指部5与食指部2关联，即连杆9可操作食指部2、中指部3、无名指部4和小指部5一同完成张开或闭合的操作。

抓取操作：

驱动电机顺时针旋转，带动齿轮转动，齿轮转动产生一定的位移，从而带动齿轮上的偏心凸起带动球关节10运动，进而通过连杆9带动食指部2的驱动齿转动，食指内的四连杆9转动，驱动齿同时驱动中指部3、无名指部4和小指部5中的四连杆9一同转动。

驱动电机持续转动，直到拇指部1、食指部2、中指部3、无名指部4和小指部5均呈弯曲状态，即机械手拟人的抓取动作，在完成此操作之前，通过机器人的其他操作部件，将机械手移动至待抓取物件的上方，之后，启动驱动电机，驱动电机转动，直至机械手将相应的部件抓住。

该机械手完成抓物动作后，驱动电机停止转动，并保持当前状态。此时，机器人的机械手可保持抓取的状态，具有一定的维持效果。

该机械手可通过一个驱动电机，在机械手完成相应动作后，可同时实现稳定的动力支撑，可应用到各类需要完成抓取操作的场合。

机器人触碰按钮操作：

驱动电机反向旋转(逆时针旋转)，带动齿轮转动，齿轮转动产生一定的位移，从而带动齿轮上的偏心凸起带动球关节10运动，进而通过连杆9带动食指部2的驱动齿转动，食指内的四连杆9转动，驱动齿同时驱动中指部3、无名指部4和小指部5中的四连杆9一同转动。

驱动电机持续转动，直到拇指部1、食指部2、中指部3、无名指部4和小指部5均呈伸直状态，即机械手拟人的手掌张开动作，可由机器人的其他操作配合，最终将机械手的一根手指移动至相应的按钮处，并完成按压操作。

该机械手完成张开动作后，驱动电机停止转动，并保持当前状态。此时，机器人的机械手可保持张开的状态，具有一定的维持效果，使拇指部1、食指部2、中指部3、无名指部4和小指部5均有力来维持其动作。

该机械手可通过一个驱动电机，在机械手完成相应动作后，可同时实现稳定的动力支撑，可应用到各类需要完成张开，触碰按钮操作的场合。

上述机械手的结构简单，可通过简单的机械结构，完成上述抓取操作和触碰按钮操作，既优化了产品结构，同时，使产品可达到良好的运行状态，能够完成动作变化，也可相应的保持该动作。

驱动两根手指为例，当驱动电机正转或反转时，在连杆9等部件的传动下，可以使拇指部1和食指部2单独完成，展开或弯曲的状态，尤其适用于触碰按钮操作时，当拇指部1和食指部2张开后，其他的手指(中指部3、无名指部4及小指部5)仍处于弯曲(握拳)状态，此时，将食指部2展开，可在其他部件的协助下，按压按钮，完成相应的动作。

驱动多根手指为例，机械手的五根手指(拇指部1、食指部2、中指部3、无名指部4及小指部5)共同动作，此操作尤其适用于握拳抓取操作，通过一个驱动电机同时驱动五根手指动作，即整个手掌用于抓取操作，可更好的完成拟人抓取操作。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。