CN101134316A - 能防止形位退化的欠驱动机械手指装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能防止形位退化的欠驱动机械手指装置。本装置包括第一指节、第二指节、扭簧、固定基座、缓冲装置、连接杆、驱动杆和单向转动装置。第一指节与第二指节铰接，并安装有扭簧，第二指节固定基座铰接，单向转动装置安装于第二指节另一端和固定基座之间，缓冲装置安装在第一指节与连接杆之间。该装置可以作为机械人欠驱动机械手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高欠驱动形状自适应的柔性抓取机械手，并具有防止由形位退化造成的抓取失稳及抓取应力过大造成的被抓取物体破坏，该装置结构简单、工作可靠，体积小、重量轻，不需要额外的控制系统开销。

Description

能防止形位退化的欠驱动机械手指装置

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别是涉及一种能防止形位退化的欠驱动机械手指装置。

背景技术

通常一般机构正常工作的条件是驱动器的数目等于机构本身自由度的数目，即所谓的全驱动方式，如常见的6自由度工业机器人都具有6个电机。当机构的驱动器数目少于机构本身自由度数目，但可靠机构自身的动力约束条件来正常工作，称这类机构为欠驱动机构。多指手的手指通常有数个关节，关节数就等于该手指机构的自由度数目，在全驱动方式下，手指上每个关节都必须加装驱动器；而在欠驱动方式下，手指上可以只装一个驱动器，依靠弹簧和机械限位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件。

和一般的全驱动多指灵巧手相比，欠驱动多指手具有驱动器数目少、成本低、控制简单、可靠性高、体积小而且可实现对物体形状的自适应抓取等特点。欠驱动多指手这种自适应抓取的特点由机构设计决定，不需要额外的控制。加拿大Laval大学Gosselin研究组开发的10自由度欠驱动灵巧三指手，只使用两个电机驱动，一个电机负责三个手指的抓取开合运动，另一电机完成手指的转向。Laval大学的欠驱动灵巧手用于太空操作机械臂，每个手指含有两组连杆机构，一组用于驱动手指的开合；另一组机构由两个平行四连杆机构组成，用于保持手指末端的姿态，使其在与被抓物体发生接触前都垂直于手掌，避免将被抓取物体挤出，从而可以增加精确捏取的稳定性。而在进行包络抓取时，通过机械限制装置使平行四连杆机构失效，手指末端的姿态可适应物体形状。

由于欠驱动机械手的优良特性，使得它在很多方面都有良好的应用前景。但是加拿大Laval大学只考虑了欠驱动手的基本结构问题，并未对抓取的稳定性及抓取的应力变化作相应的优化。对于欠驱动手来说，它作为一个非专用的执行器，很多抓取对象都有不规则性，有些抓取对象还相当易碎易损，因而在抓取过程中，抓取稳定性和抓取应力变化是两项重要的参数，决定了机械手抓取的成功率。

发明内容

为了克服现有技术的不足之外，本发明的目的是提供一种能防止形位退化的欠驱动机械手指装置，具有防止形位退化造成抓取失稳，并能防止抓取应力过大造成的被抓取物体破坏施行柔性抓取的装置。

本发明采用如下技术方案：

包括第一指节、第二指节、扭簧、固定基座、缓冲装置、连接杆、驱动杆和单向转动装置；第二指节的一端装有销轴，销轴上套有扭簧，扭簧的一端与第一指节固定，扭簧的另一端与第二指节固定，第二指节的另一端通过另一销轴与固定基座的一端铰接，第一指节底部的另一端与缓冲装置的一端铰接，缓冲装置的另一端与连接杆的一端铰接，连接杆另一端与第二指节的另一端铰接，驱动杆的一端铰接与连接杆的中部，单向转动装置安装于第二指节另一端和固定基座之间。

所述的单向转动装置为偏心机构，由偏心止回杆和弧形压紧簧片构成，设置在第二指节与基座之间，偏心止回杆与弧形压紧簧片安装在第二指节另一端的凹槽中，弧形压紧簧片一面顶住第二指节，弧形压紧簧片另一面顶住偏心止回杆，使偏心止回杆上的弧面突出于第二指节另一端与固定基座上的弧面接触。

所述的缓冲装置包括上缓冲连杆、下缓冲连杆和弹簧；上缓冲连杆的一端与第一指节底部的另一端铰接，上缓冲连杆的另一端嵌入下缓冲连杆一端的槽内用缓冲弹簧连接，下缓冲连杆的另一端与连接杆的一端铰接。

本发明具有的有益效果是：该装置结构本身不带驱动器，结构简单、工作可靠，体积小、重量轻，不需要额外的控制系统开销。该装置可作为机械人欠驱动机械手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高欠驱动形状自适应的柔性抓取机械手。

附图说明

图1是本发明实施例的结构原理示意图。

图2是本发明实施例的零件组装示意图。

图3是本发明实施例的中的单向止回装置图2的A处细节放大。

图4是本发明实施例中的单向止回装置装配示意图。

图5是本发明实施例中第一指节与第二指节间的扭簧安装示意图。

图6是本发明实施例欠驱动机械手抓取过程示意图。

图中：1、第一指节，2、第二指节，3、扭簧，4、固定基座，5、上缓冲连杆，5’、下缓冲连杆，6、缓冲弹簧，7、连接杆，8、驱动杆，9、压紧簧片，10、止回杆，11、物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明包括第一指节1、第二指节2、扭簧3、固定基座4、缓冲装置、连接杆7、驱动杆8和单向转动装置；第二指节2的一端开有凹槽并装有销轴，销轴上套有扭簧3与三角形的第一指节1底部有凹槽的一端铰接，扭簧3一端固定在第一指节上，扭簧3另一端固定在第二指节上，第二指节2的另一端通过另一销轴与固定基座4的一端铰接，三角形的第一指节1底部的另一端与缓冲装置的一端铰接，缓冲装置的另一端与三角形的连接杆7的第一个角铰接，三角形的连接杆7的第二个角铰接，三角形的连接杆7的第三个角与第二指节2的另一端的另一销轴铰接，驱动杆8的一端铰接于连接杆7的中部，单向转动装置安装于第二指节2另一端和固定基座4之间。

如图3、图4、图5所示，所述的单向转动装置为偏心机构，由偏心止回杆10和弧形压紧簧片9构成，设置在第二指节2与固定基座4之间，偏心止回杆10与弧形压紧簧片9安装在第二指节2另一端的凹槽中，弧形压紧簧片9一面顶住第二指节2，弧形压紧簧片9另一面顶住偏心止回杆10，使偏心止回杆10上的弧面突出于第二指节2另一端与固定基座4上的弧面接触。

所述的缓冲装置包括上缓冲连杆5、下缓冲连杆5’和缓冲弹簧6；上缓冲连杆5的一端与三角形的第一指节1底部的另一端铰接，上缓冲连杆5的另一端嵌入下缓冲连杆5’一端的槽内用缓冲弹簧6连接，下缓冲连杆5’的另一端与三角形的连接杆7的第一个角铰接。

本发明的工作原理与一般的欠驱动机械手大致相同，如图6所示，由驱动连杆8的驱动下，第一指节与第二指节在扭簧的作用下保持相对位置不变一起向被抓取物体11靠拢如图6(a)，当第二指节碰到物体11后运动受阻，驱动力克服形位保持弹簧的扭力，驱动第一指节也向物体11靠拢如图6(b)，直至第一指节碰到物体11完成抓取如图6(c)。与其它欠驱动机械手不同的是，由于缓冲弹簧6的存在，欠驱动手有很大的柔性，即当欠驱动手完成抓取后，若驱动连杆8继续动作，如图6(d)缓冲弹簧8会被压缩，使得被抓取物体11表面的接触应力不会大幅度增加。尽管一般机械手手指表面会覆盖橡胶等材料，可以降低刚性接触带来的应力急剧增大，但也仅限于驱动部分无过大的行程误差。本发明中缓冲弹簧的存在大大降低了控制系统对行程误差的精度要求，增加了系统的稳定性。

加拿大Laval大学的研究表明，如图1所示的欠驱动机械手有抓取不稳定的工作空间存在，表现为第二指节向抓取松开方向运动，造成形位退化而失去稳定的抓取状态。为了解决这个抓取稳定性问题，本发明在第二指节与基座之间加入了单向转动装置，当第一指节离开初始位置时，连接连杆7松开止回杆10，使止回杆10在压紧簧片9的作用下贴紧在基座4上的圆弧面，构成一个单向转动装置，阻止第二指节2向抓取松开方向运动，从而解决了形位退化的问题。当机械手松开时，第一指节1先行松开，运动到初始位置后顶开止回杆，第二指节才能松开。

Claims (3)

1.能防止形位退化的欠驱动机械手指装置，其特征在于：包括第一指节、第二指节、扭簧、固定基座、缓冲装置、连接杆、驱动杆和单向转动装置。第二指节的一端装有销轴，销轴上套有扭簧，扭簧的一端与第一指节固定，扭簧的另一端与第二指节固定，第二指节的另一端通过另一销轴与固定基座的一端铰接，第一指节底部的另一端与缓冲装置的一端铰接，缓冲装置的另一端与连接杆的一端铰接，连接杆另一端与第二指节的另一端铰接，驱动杆的一端铰接于连接杆的中部，单向转动装置安装于第二指节另一端和固定基座之间。

2.根据权利要求1所述的能防止形位退化的欠驱动机械手指装置，其特征在于：所述的转动装置为偏心机构，由偏心止回杆和弧形压紧簧片构成，设置在第二指节与基座之间，偏心止回杆与弧形压紧簧片安装在第二指节另一端的凹槽中，弧形压紧簧片一面顶住第二指节，弧形压紧簧片另一面顶住偏心止回杆，使偏心止回杆上的弧面突出于第二指节另一端与固定基座上的弧面接触。

3.根据权利要求1所述的能防止形位退化的欠驱动机械手指装置，其特征在于：所述的缓冲装置包括上缓冲连杆、下缓冲连杆和弹簧；上缓冲连杆的一端与第一指节底部的另一端铰接，上缓冲连杆的另一端嵌入下缓冲连杆一端的槽内用缓冲弹簧连接，下缓冲连杆的另一端与连接杆的一端铰接。