本實用新型涉及機械傳動技術領域，尤其涉及一種球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手及機器人。

背景技術：

隨著商用情感機器人的普及，擬人機械手成為人機交互的表現(xiàn)形式之一?，F(xiàn)有擬人機械手，主要的驅動方式是使用液壓或氣壓肌肉驅動、電機驅動，主要的連接方式為線驅動、四連桿機構、齒輪箱機構。無論哪一種驅動方式結合連接方式，都形成了較為復雜的連接方式，尤其是食指與拇指的連接，由于食指與拇指的運動基準存在空間角度偏差，食指與拇指的連接部分屬于復雜度最高的部分。

為了解決這個問題，現(xiàn)有方案，大多使用線連接指關節(jié)，通過滑輪組，將動力傳遞到指關節(jié)。這種驅動方式可以將動力傳遞到指關節(jié)，但是由于線是柔軟機構，所以使用線驅動的機械手無法完成傳力，即雖然手指可以擬人動作，但手指無法提供保持力度。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提出一種球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手及機器人，以解決現(xiàn)有技術中存在的采用線驅動不能保持手指力度的技術問題。

為達此目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手，包括五根手指組件，所述手指組件包括拇指部、食指部、中指部、無名指部和小指部，每根所述手指組件均包括四連桿；

還包括驅動裝置，所述驅動裝置連接有齒輪，所述拇指部和所述食指部的四連桿均連接有驅動齒，所述拇指部的所述驅動齒與所述齒輪相嚙合，所述食指部上的所述驅動齒的側壁上及所述齒輪的側壁上均設有偏心凸起，兩個所述偏心凸起之間通過連桿連接，所述連桿上設有兩個球關節(jié)，所述球關節(jié)與所述偏心凸起連接。

進一步的，還包括掌心板，所述驅動裝置設于所述掌心板上，所述手指組件分別通過連接座與所述掌心板連接。驅動裝置可直接設置在掌心板上，無需再采用其他的輔助安裝接口，使用時更加的節(jié)省空間。

進一步的，所述驅動齒上的所述偏心凸起與所述驅動齒的軸心之間的水平距離L1及所述齒輪上的所述偏心凸起與所述齒輪軸心之間的水平距離L2為偏置距離，其中，L1＞L2。

進一步的，所述四連桿包括兩根手指桿和兩根連接桿，兩根所述手指桿和兩根所述連接桿依次轉動連接，所述驅動齒與所述手指桿的末端連接。五根手指組件均是通過四連桿的原理實現(xiàn)張開或閉合的動作，具體的可通過設置手指桿和連接桿長度或直徑的不同以區(qū)分應用到不同的位置。

進一步的，所述球關節(jié)位于所述連桿的兩端對稱設置。

進一步的，所述中指部、所述無名指部及所述小指部均連接有所述驅動齒，所述食指部、所述中指部、所述無名指部及所述小指部的所述驅動齒之間通過轉軸連接。將中指部、無名指部及小指部通過轉軸與食指部連接，即實現(xiàn)了與拇指部之間的聯(lián)動，一個驅動裝置可實現(xiàn)五根手指組件動作，且手指組件均具有動力保持能力。

進一步的，所述驅動裝置為驅動電機。

本實用新型還提供一種機器人，包括球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手。

本實用新型提供的球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手，拇指部與食指部之間通過連桿連接，實現(xiàn)兩者的聯(lián)動，具備動力傳動功能，其中，連桿在拇指部的齒輪上及在食指部的驅動齒上均偏心設置，且利用球關節(jié)分別與齒輪和驅動齒連接。使用時，驅動裝置帶動齒輪旋轉，進而通過連桿帶動驅動齒轉動，最終完成對手指組件的操控。

該球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手，采用結構更加簡單的球關節(jié)，使用時球關節(jié)在空間中的多自由度實時變化，達到空間內有偏置的動力傳動。使用這種傳動方式，可以控制食指部和拇指部的聯(lián)合運動，并且傳遞動力源的動力，為機械手指的保持提供穩(wěn)固的動力支撐，使手指可以完成如觸碰按鈕、抓取等動作。即可實現(xiàn)手指組件的擬人動作，也可實現(xiàn)力度的保持。

本實用新型提供的一種機器人，通過球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手，可實現(xiàn)穩(wěn)定的動力支撐，實現(xiàn)機器人機械手的操控動作。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手的結構示意圖；

圖2是本實用新型提供的球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手的局部爆炸圖；

圖3是本實用新型提供的球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手的傳動原理圖；

圖4是本實用新型提供的球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手的傳動原理圖。

圖中：

1、拇指部；2、食指部；3、中指部；4、無名指部；5、小指部；6、驅動裝置；7、齒輪；8、驅動齒；9、連桿；10、球關節(jié)；11、掌心板。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

如圖1-4所示，一種球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手，包括五根手指組件，手指組件包括拇指部1、食指部2、中指部3、無名指部4和小指部5，每根手指組件均包括四連桿；

還包括驅動裝置6，驅動裝置6連接有齒輪7，拇指部1和食指部2的四連桿均連接有驅動齒8，拇指部1的驅動齒8與齒輪7相嚙合，食指部2上的驅動齒8的側壁上及齒輪7的側壁上均設有偏心凸起，兩個偏心凸起之間通過連桿9連接，連桿9上設有兩個球關節(jié)10，球關節(jié)10與偏心凸起連接。

拇指部1的驅動齒8通過齒輪7進行驅動，其中，優(yōu)選的，齒輪7所用的驅動裝置6可以為驅動電機，通過連桿9，實現(xiàn)拇指部1和食指部2之間的聯(lián)動，連接時，可在偏心凸起上設置安裝孔，相應的在球關節(jié)10上設孔，該孔與安裝孔可通過鎖固螺絲連接。使用時，驅動電機帶動齒輪7旋轉，齒輪7上的偏心凸起帶動球關節(jié)10運動，通過連桿9帶動食指部2的驅動齒8運動，最終實現(xiàn)動力的傳輸。

還包括掌心板11，驅動裝置6設于掌心板11上，手指組件分別通過連接座與掌心板11連接。驅動裝置6可直接設置在掌心板11上，無需再采用其他的輔助安裝接口，使用時更加的節(jié)省空間。

驅動齒8上的偏心凸起與驅動齒8的軸心之間的水平距離L1及齒輪7上的偏心凸起與齒輪7軸心之間的水平距離L2為偏置距離，其中，L1＞L2。

當連桿9運動時，以每個球關節(jié)10作為坐標系基準，球關節(jié)10鎖固螺絲軸向為X正向(即偏心凸起的凸出方向)，兩個坐標系在運動過程中兩個球關節(jié)10的坐標系變換角度為自適應角度，在計算過程中可以忽略不計。

如圖4所示，兩個坐標系原點的連線，與Y軸交角θ₁為球關節(jié)10可變角度范圍機構設計的范圍大小；兩個坐標系原點的連線，與Z軸交角θ₂為球關節(jié)10縱向變換角度，該方向保證球關節(jié)10外框有足夠的轉動空間，即可實現(xiàn)自適應。

如圖3所示，食指部2變化的角度范圍α與拇指部1變化的角度β，與球關節(jié)10固定點到轉軸的距離為正比關系。假設拇指部1的齒輪7結構固定，由于食指部2的運動范圍大于拇指部1的變動范圍，則α＞β，球關節(jié)10到達食指部2固定轉軸的距離大于球關節(jié)10到達拇指部1固定轉軸(齒輪7轉軸)的距離，即L1＞L2。

四連桿包括兩根手指桿和兩根連接桿，兩根手指桿和兩根連接桿依次轉動連接，驅動齒8與手指桿的末端連接。五根手指組件均是通過四連桿的原理實現(xiàn)張開或閉合的動作，具體的可通過設置手指桿和連接桿長度或直徑的不同以區(qū)分應用到不同的位置。

優(yōu)選的，球關節(jié)10位于連桿9的兩端對稱設置。

中指部3、無名指部4及小指部5均連接有驅動齒8，食指部2、中指部3、無名指部4及小指部5的驅動齒8之間通過轉軸連接。將中指部3、無名指部4及小指部5通過轉軸與食指部2連接，即實現(xiàn)了與拇指部1之間的聯(lián)動，一個驅動裝置6可實現(xiàn)五根手指組件動作，且手指組件均具有動力保持能力。

本實用新型還提供一種機器人，包括球關節(jié)連桿驅動多關節(jié)擬人機械手。該機器人的機械手，可實現(xiàn)張開、閉合的動作，且可具有動力的保持能力，可完成，如觸碰按鈕、抓取等動作。

具體的，該機器人的機械手可完成相應的操作動作，并在該動作下可實現(xiàn)有力的保持，進而可基于操作動作完成各種擬人動作。

優(yōu)選的，中指部3、無名指部4和小指部5與食指部2關聯(lián)，即連桿9可操作食指部2、中指部3、無名指部4和小指部5一同完成張開或閉合的操作。

抓取操作：

驅動電機順時針旋轉，帶動齒輪轉動，齒輪轉動產(chǎn)生一定的位移，從而帶動齒輪上的偏心凸起帶動球關節(jié)10運動，進而通過連桿9帶動食指部2的驅動齒轉動，食指內的四連桿9轉動，驅動齒同時驅動中指部3、無名指部4和小指部5中的四連桿9一同轉動。

驅動電機持續(xù)轉動，直到拇指部1、食指部2、中指部3、無名指部4和小指部5均呈彎曲狀態(tài)，即機械手擬人的抓取動作，在完成此操作之前，通過機器人的其他操作部件，將機械手移動至待抓取物件的上方，之后，啟動驅動電機，驅動電機轉動，直至機械手將相應的部件抓住。

該機械手完成抓物動作后，驅動電機停止轉動，并保持當前狀態(tài)。此時，機器人的機械手可保持抓取的狀態(tài)，具有一定的維持效果。

該機械手可通過一個驅動電機，在機械手完成相應動作后，可同時實現(xiàn)穩(wěn)定的動力支撐，可應用到各類需要完成抓取操作的場合。

機器人觸碰按鈕操作：

驅動電機反向旋轉(逆時針旋轉)，帶動齒輪轉動，齒輪轉動產(chǎn)生一定的位移，從而帶動齒輪上的偏心凸起帶動球關節(jié)10運動，進而通過連桿9帶動食指部2的驅動齒轉動，食指內的四連桿9轉動，驅動齒同時驅動中指部3、無名指部4和小指部5中的四連桿9一同轉動。

驅動電機持續(xù)轉動，直到拇指部1、食指部2、中指部3、無名指部4和小指部5均呈伸直狀態(tài)，即機械手擬人的手掌張開動作，可由機器人的其他操作配合，最終將機械手的一根手指移動至相應的按鈕處，并完成按壓操作。

該機械手完成張開動作后，驅動電機停止轉動，并保持當前狀態(tài)。此時，機器人的機械手可保持張開的狀態(tài)，具有一定的維持效果，使拇指部1、食指部2、中指部3、無名指部4和小指部5均有力來維持其動作。

該機械手可通過一個驅動電機，在機械手完成相應動作后，可同時實現(xiàn)穩(wěn)定的動力支撐，可應用到各類需要完成張開，觸碰按鈕操作的場合。

上述機械手的結構簡單，可通過簡單的機械結構，完成上述抓取操作和觸碰按鈕操作，既優(yōu)化了產(chǎn)品結構，同時，使產(chǎn)品可達到良好的運行狀態(tài)，能夠完成動作變化，也可相應的保持該動作。

驅動兩根手指為例，當驅動電機正轉或反轉時，在連桿9等部件的傳動下，可以使拇指部1和食指部2單獨完成，展開或彎曲的狀態(tài)，尤其適用于觸碰按鈕操作時，當拇指部1和食指部2張開后，其他的手指(中指部3、無名指部4及小指部5)仍處于彎曲(握拳)狀態(tài)，此時，將食指部2展開，可在其他部件的協(xié)助下，按壓按鈕，完成相應的動作。

驅動多根手指為例，機械手的五根手指(拇指部1、食指部2、中指部3、無名指部4及小指部5)共同動作，此操作尤其適用于握拳抓取操作，通過一個驅動電機同時驅動五根手指動作，即整個手掌用于抓取操作，可更好的完成擬人抓取操作。

以上結合具體實施例描述了本實用新型的技術原理。這些描述只是為了解釋本實用新型的原理，而不能以任何方式解釋為對本實用新型保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本實用新型的其它具體實施方式，這些方式都將落入本實用新型的保護范圍之內。