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TWI854394B - 人形機械手之指部關節傳動構造 - Google Patents

人形機械手之指部關節傳動構造 Download PDF

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TWI854394B
TWI854394B TW111147860A TW111147860A TWI854394B TW I854394 B TWI854394 B TW I854394B TW 111147860 A TW111147860 A TW 111147860A TW 111147860 A TW111147860 A TW 111147860A TW I854394 B TWI854394 B TW I854394B
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艾瑞克 胡瓦爾德
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依思 張
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Abstract

一種人形機械手之指部關節傳動構造，由一第一指節及一第二指節樞接組成，第一指節於樞接處設有一呈圓弧狀配置之齒排，而第二指節於其內部設有相互連結之減速機與馬達，減速機具有一朝向齒排凸伸之傳動軸，並於傳動軸上接設有一與齒排相互嚙接之傳動齒輪，使馬達經由減速機而帶動其傳動軸轉動時，將同步帶動傳動齒輪沿著齒排移動，並進而驅動第二指節相對第一指節進行一預定角度的上下樞擺動作。

Description

人形機械手之指部關節傳動構造
本發明與人形機械手機構有關，特別是指一種人形機械手之指部關節傳動構造。
隨著機器人工業蓬勃發展，人形機械手(anthropomorphic robot hand)就是模仿人類手掌的結構，使其能如人的手掌般來執行特定之工作，而多手指機械手的研究，即是著重在靈巧操作的功能。
而以現有的人形機械手而言，係以捉取物品來設計，讓每個指節彼此樞接並可被帶動在預定的自由度下運動。如中國CN108189065號專利案所揭露之仿生手指裝置即是將手指之各指節以連桿相互樞接，再透過一直線驅動元件與首端指節之連桿相接，使該直線驅動元件作動時，透過各連桿的彼此牽動而可相對帶動各指節進行彎曲或伸直的動作，然而以此結構組成之機械手雖可達成模擬人手捉取物體的功效，但透過連桿傳動的指節不僅自由度小，且各指節之彎曲動作也無法個別控制與精確定位，所以只能執行簡單抓握之工作。
此外，目前另有透過繩帶拉動相互樞接的各指節，以達成彎曲或伸直動作之設計，其主要是模擬人手腱帶(tendon)方式來拉動手指關節產生相對應的樞擺動作，但此類機械手用以捲動繩帶之驅動裝置體積較大，且驅動各手指之繩帶須分別牽繞並設置於機械手上，使得此類機械手之整體組成更加複雜，且各指節之彎曲動作也無法被個別控制與精確定位，而仍有不足之處。
有鑒於此，故如何解決上述問題，即為本發明所欲解決之首要課題。
本發明之主要目的，在於提供一種人形機械手之指部關節傳動構造，其具有可簡化結構組成，而可有效利用空間以縮減體積並確保其減速比之功效，且同時具有靈活度高，以及可達成精準控制之功效。
為達前述之目的，本發明提供一種人形機械手之指部關節傳動構造，包含有：一第一指節，在其一端具有一第一樞接部及一第一關節部，且該第一關節部上設有沿一Y軸向呈圓弧狀配置之一齒排；一第二指節，沿一X軸向延伸呈中空狀而於其內部形成有一容置空間，該第二指節沿該X軸向具有一頭端及一與該頭端相反之尾端，該第二指節以其頭端相對樞接於該第一指節之第一樞接部上，並於該尾端形成有一第二樞接部及一第二關節部；以及一傳動組件，設於該容置空間中，該傳動組件包含有沿該X軸向相互連結之一減速機單元及一馬達單元，該減速機單元具有一朝向該第一關節部凸伸之傳動軸，且該傳動軸的中心軸線與該Y軸向正交，並於該傳動軸上接設有一與該齒排相互嚙接之傳動齒輪，該減速機單元用以降低該馬達單元之轉速並由該傳動軸輸出動力，使該馬達單元經由該減速機單元而帶動其傳動軸轉動時，將同步帶動該傳動齒輪沿著該齒排移動，並進而驅動該第二指節相對該第一指節進行一預定角度的向上或向下樞擺動作。
較佳地，該第一樞接部沿一Z軸向而朝該第二指節之兩相對側凸伸呈凸柱狀，而該第一關節部沿一X軸向朝前凸伸呈板片狀，該第二指節由一第一 半殼及一第二半殼相互拼組而成，且該第二指節以其頭端之一穿孔相對樞接於該第一指節之第一樞接部上，而使該第一關節部相對容設於該頭端中。
較佳地，該第一樞接部沿一Z軸向而朝該第二指節之兩相對側凸伸呈凸柱狀，而該第一關節部沿一X軸向朝前凸伸呈板片狀，該第二指節由一第一半殼及一第二半殼相互拼組而成，且該第二指節以其頭端之一穿孔相對樞接於該第一指節之第一樞接部上，而使該第一關節部相對容設於該頭端中。
較佳地，該減速機單元及該馬達單元以同一中心軸線串接配置於該容置空間中。
較佳地，該第二關節部上設有沿該Y軸向呈圓弧狀配置之另一齒排，而一第三指節以其頭端樞接於該第二樞接部上，並於該第三指節中設有與該第二指節相同的傳動組件，使該第三指節之傳動齒輪轉動時可沿著該另一齒排移動，並進而驅動該第三指節可個別沿該Y軸向而進行一預定角度的向上或向下的樞擺動作。
較佳地，該第一指節之另一端具有一承座，該承座上設有沿一Z軸向呈圓弧狀配置之驅動齒排，而一驅動組件包含有一驅動馬達及一與該驅動馬達相接之第二減速機單元，該第二減速機單元具有一輸出軸，並於該輸出軸之外周環設有一輸出齒輪，且該輸出齒輪與該驅動齒排相互嚙接，使該驅動馬達經由該第二減速機單元帶動該輸出軸運轉時，透過該輸出齒輪推動該驅動齒排，以驅動該第一指節相對該驅動組件進行一預定角度的向左或向右傾擺動作。
而本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中獲得深入了解。
11:第一指節
12:第一樞接部
13:第一關節部
14:齒排
15:承座
16:驅動齒排
21:第二指節
211:第一半殼
212:第二半殼
22:容置空間
23:頭端
231:穿孔
24:尾端
26:第二樞接部
27:第二關節部
28:齒排
31:第三指節
41:第四指節
51:傳動組件
52:減速機單元
521:傳動軸
53:馬達單元
54:傳動齒輪
71:驅動組件
72:驅動馬達
73:第二減速機單元
74:輸出軸
75:輸出齒輪
L:中心軸線
第1圖為本發明之分解示意圖。
第2圖為本發明之立體外觀示意圖。
第3圖為本發明之組成結構示意圖。
第4圖為第3圖之局部放大示意圖。
第5、6圖為本發明各指節向下樞擺時之動作示意圖。
第7、8圖為本發明第一指節相對驅動組件進行側向傾擺時之動作示意圖。
如第1~4圖所示，為本發明所提供一種人形機械手之指部關節傳動構造，其主要係由一第一指節11、一第二指節21、一第三指節31及一第四指節41依序樞接組成，且在該第一指節11、該第二指節21、該第三指節31及該第四指節41之內部分別設有一傳動組件51，其中：該第一指節11，其一端具有沿一Z軸向而朝其左右兩側凸伸呈凸柱狀之一第一樞接部12、及沿一X軸向朝前凸伸呈板片狀之一第一關節部13，且該第一關節部13上設有沿一Y軸向呈圓弧狀配置之一齒排14。
該第二指節21，沿該X軸向延伸呈中空狀而於其內部形成有一沿該X軸方向延伸之容置空間22，於本實施例中，該第二指節21由一第一半殼211及一第二半殼212相互拼組而成，而在其他可行的實施例中，該第二指節21亦可由具有至少一開口端的中空筒體、或是由衍架型的支撐架所一體構成，本創作並不侷限指節本身的組成結構或製造方式。且該第二指節21沿該X軸向之兩端分別形成有一頭端23及一與該頭端23相反之尾端24，該第二指節21以其頭端23之一穿孔231相對樞接於該第一指節11之第一樞接部12上，而使該第一關節部13可相對容設於該頭端23中，並於該尾端24形成有一沿該Z軸向而朝其兩相對側凸伸呈凸柱狀之第二樞接部26、及一沿該X軸向朝前凸伸呈板片狀之第二關節部27，且於該第二關節部27上設有沿該Y軸向呈圓弧狀配置之另一齒排28。
該傳動組件51，對應設於該容置空間22中，該傳動組件51可為一減速機馬達或馬達與減速機的組合件所構成，使該傳動組件51包含有沿該X軸向相互連結而呈同一中心軸線L串接配置之一減速機單元52及一馬達單元53，該馬達單元53可由一伺服馬達所構成，而該減速機單元52具有一朝向該第一關節部凸伸且位在其中心軸線L上之傳動軸521，且該傳動軸521的中心軸線L與該Y軸向正交，並於該傳動軸521上接設有一與該齒排14相互嚙接之傳動齒輪54，該傳動齒輪54係可由傘齒輪或戟齒輪所構成，而於該減速機單元52之內部則配置有預設之減速齒輪組(圖中未示)，使該減速機單元52可用以降低該馬達單元53之轉速後，再由該傳動軸521輸出動力，該減速機單元52可採用通常使用之減速機，只要能夠降低該馬達單元53之轉速以輸出預定的轉矩即可，並透過將該減速機單元52及該馬達單元53以同一中心軸線L串接配置於該容置空間22中，使該傳動組件51於組配上不但可達到有效利用空間以縮減整體體積之功效，且亦可減少因構件組成複雜所導致的損耗，以確保在傳動過程中可提供足夠大的減速比，使該馬達單元53經由該減速機單元52而帶動其傳動軸521轉動時，將可帶動該傳動齒輪54沿著該齒排14移動，以平穩驅動該第二指節21可沿該Y軸向而相對該第一指節11進行一預定角度的向上或向下的樞擺動作，使該第二指節21可相對該第一指節11於一伸直位置A及一彎曲位置B之間進行樞擺，當該第二指節21位於該伸直位置A時，該傳動軸521的中心軸線L將與該Y軸向正交，且該馬達單元53更可設有角度感測器，以可精密控制指節移動位置，並進而即可精準模擬人手指節進行彎曲與伸直之動作。
進一步地，該第三指節31係以其頭端樞接於該第二樞接部26上，而該第四指節41則以其頭端樞接於該第三指節的尾端上，該第三指節31與該第四指節41中分別設有與該第二指節21相同之傳動組件51，而該第三指節31於其尾端則設有與該第二指節21相同呈圓弧狀之齒排28，使該第三指節31及該第四指節亦可 分別透過其所屬的傳動齒輪沿著相對應的齒排28移動，以驅動該第三指節31及該第四指節41可個別沿該Y軸向而進行一預定角度的向上或向下的樞擺動作。並搭配參閱第5、6圖所示，藉由該第二指節21、該第三指節31與該第四指節41之傳動組件51於正轉或反轉的驅動下，即可帶動相對應的指節進行彎曲或伸直的動作，且本發明所構成指部之各關節位置均可獨立驅動，更具有靈活度高以及可達成精準控制之功效。
此外，在該第一指節11之另一端則凸伸形成有一承座15，該承座15上設有沿該Z軸向呈圓弧狀配置之驅動齒排16，而一驅動組件71包含有一驅動馬達72及一與該驅動馬達72相接之第二減速機單元73，該第二減速機單元73具有一沿該X軸向凸伸之輸出軸74，該輸出軸74與該傳動軸521具有相同的中心軸線L，並於該輸出軸74之外周接設有一由傘齒輪或戟齒輪構成之輸出齒輪75，且該輸出齒輪75與該驅動齒排16相互嚙接，使該驅動馬達72經由該減速機單元73帶動該輸出軸74運轉時，將可如第7、8圖所示，透過該輸出齒輪75相對推動該驅動齒排16移動，即可平穩驅動該第一指節11相對該驅動組件71沿該Z軸向進行一預定角度之向左或向右傾擺動作，並進而即可帶動其餘各指節進行側向偏擺之動作，以提升其動作靈活度。
惟，以上實施例之揭示僅用以說明本發明，並非用以限制本發明，故舉凡數值之變更或等效元件之置換仍應隸屬本發明之範疇。
綜上所述，當可使熟知本項技藝者明瞭本發明確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，故依法提出申請。
11:第一指節
12:第一樞接部
13:第一關節部
14:齒排
15:承座
16:驅動齒排
21:第二指節
211:第一半殼
212:第二半殼
22:容置空間
23:頭端
231:穿孔
24:尾端
26:第二樞接部
27:第二關節部
28:齒排
31:第三指節
41:第四指節
51:傳動組件
52:減速機單元
521:傳動軸
53:馬達單元
54:傳動齒輪
71:驅動組件
72:驅動馬達
73:第二減速機單元
74:輸出軸
75:輸出齒輪

Claims (4)

  1. 一種人形機械手之指部關節傳動構造，包含有：一第一指節，在其一端具有一第一樞接部及一第一關節部，且該第一關節部上設有沿一Y軸向呈圓弧狀配置之一齒排；一第二指節，沿一X軸向延伸呈中空狀而於其內部形成有一容置空間，該第二指節沿該X軸向具有一頭端及一與該頭端相反之尾端，該第二指節以其頭端相對樞接於該第一指節之第一樞接部上，並於該尾端形成有一第二樞接部及一第二關節部；以及一傳動組件，設於該容置空間中，該傳動組件包含有沿該X軸向相互連結之一減速機單元及一馬達單元，該減速機單元具有一朝向該第一關節部凸伸之傳動軸，且該傳動軸的中心軸線與該Y軸向正交，並於該傳動軸上接設有一與該齒排相互嚙接之傳動齒輪，該減速機單元用以降低該馬達單元之轉速並由該傳動軸輸出動力，使該馬達單元經由該減速機單元而帶動其傳動軸轉動時，將同步帶動該傳動齒輪沿著該齒排移動，並進而驅動該第二指節相對該第一指節進行一預定角度的向上或向下樞擺動作，且該第二關節部上設有沿該Y軸向呈圓弧狀配置之另一齒排，而一第三指節以其頭端樞接於該第二樞接部上，並於該第三指節中設有與該第二指節相同的傳動組件，使該第三指節之傳動齒輪轉動時將沿著該另一齒排移動，並進而驅動該第三指節相對該第二指節進行一預定角度的向上或向下的樞擺動作。
  2. 如請求項1所述的人形機械手之指部關節傳動構造，其中，該第一樞接部沿一Z軸向而朝該第二指節之兩相對側凸伸呈凸柱狀，而該第一關節部沿一X軸向朝前凸伸呈板片狀，且該第二指節以其頭端之一穿孔相對樞接於該第一指節之第一樞接部上，而使該第一關節部相對容設於該頭端中。
  3. 如請求項1所述的人形機械手之指部關節傳動構造，其中，該減速機單元及該馬達單元以同一中心軸線串接配置於該容置空間中。
  4. 如請求項1所述的人形機械手之指部關節傳動構造，其中，該第一指節之另一端具有一承座，該承座上設有沿一Z軸向呈圓弧狀配置之驅動齒排，而一驅動組件包含有一驅動馬達及一與該驅動馬達相接之第二減速機單元，該第二減速機單元具有一輸出軸，並於該輸出軸之外周環設有一輸出齒輪，且該輸出齒輪與該驅動齒排相互嚙接，使該驅動馬達經由該第二減速機單元帶動該輸出軸運轉時，透過該輸出齒輪推動該驅動齒排，以驅動該第一指節相對該驅動組件進行一預定角度的向左或向右傾擺動作。
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