CN102554934A - 机器人手 - Google Patents

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李端玲
郑龙和
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Abstract

本发明提供一种机器人手,包括手掌和多个手指,手指包括多个手指段和多个手指关节轴,手掌包括多个握持单元,邻接的握持单元之间通过铰链连接。本发明能够实现如下抓取模式:1)手掌独立抓取模式;2)手指独立抓取模式;3)手掌和手指配合抓取模式。本发明的机器人手的优点是通过对一个电机的控制可以实现手掌对所抓物体的形状、大小有自适应包络抓取的功能,提高机器人手对未知表面的物体的抓取效果,而且手掌可以自适应地包络物体表面,从而增加手掌和被握物体之间的接触面积,提高机器人手抓握物体的可靠性,实现控制难度低、自适应抓取性能高的效果。

Description

机器人手
技术领域
本发明涉及机器人手,特别是涉及拟人机器人手。
背景技术
随着科学技术的进步,越来越多的生产制造中使用了机器人技术。拟人机器人是机器人研究领域的热点。拟人机器人重要的组件之一就是机器人手,其抓取物体、适应未知物体表面、形状的能力直接关系着机器人手的使用价值。人手具有20多个自由度,主要分布在手指上,目前的控制这些自由度的控制方法主要有两个。一种方法是全部采用电机控制,这种方法的优点是可以对每个自由度进行独立控制,机器人手运动灵巧。但是这种方法的控制难度很高,往往一种简单抓取模式的实现也需要同时控制多个电机。另一种方法是减少电机数量,使用相对较少的电机控制机器人手的若干个自由度。这种方法的优点是降低了控制难度,同时抓取效果可靠稳定。
已有的机器人手的手掌基本上是一个完整的部件,其手掌内侧面是平面或者是一定程度的曲面。手掌内侧面为平面的机器人手在抓取带曲面的物体时,手掌和物体表面的接触面积非常有限,主要是靠手指的包络、手掌内侧面与曲面物体的接触实现对物体的抓取,如抓取一个棒球。而手掌内侧面是带一定程度的曲面的机器人手在抓取带曲面的物体时,虽然手掌与物体的接触面积会比上述手掌内侧面为平面的机器人手有所增加,但是由于这种手掌内侧面的曲面是固定不变的,抓取时不能适应多种不同曲面的物体,也就难以实现抓取不同曲面的物体时,依旧保持良好的接触效果。同时这种手掌内侧面为曲面的机器人手在抓取不带有曲面的物体时,又有实际接触面积小的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人手,使手掌具有对所抓物体的形状、大小有自适应包络抓取的功能,提高机器人手对未知形状、大小物体的抓取效果,而且手掌可以自适应地包络物体表面,从而增加手掌和被握物体之间的接触面积,提高机器人手抓取物体的可靠性,实现控制难度低、自适应抓取性能高的效果。本发明能够实现如下抓取模式:1)手掌独立抓取模式;2)手指独立抓取模式;3)手掌和手指配合抓取模式。
本发明采用如下技术方案:
一种机器人手,包括多个手指和手掌,手指包括多个手指段和多个手指关节轴,其特征在于,手掌包括多个握持单元,邻接的握持单元之间通过铰链连接。
另外,上述的机器人手的特征在于,所述的多个握持单元通过所述的铰链能够自适应包络被握物体。
而且,上述的机器人手的特征在于,所述的各铰链的轴向相互平行。
另外,上述的机器人手的特征在于,所述的握持单元之间铰链的轴向,与垂直于手掌面并与手指关节轴平行的平面相交。
而且,上述的机器人手的特征在于,所述的握持单元之间铰链的轴向,与垂直于手掌面并与手指关节轴平行的平面垂直。
另外,上所述的机器人手的特征在于,所述的各握持单元通过关节轴与手指连接。
而且,上述的机器人手的特征在于,所述的各铰链由电机驱动。
另外,上述的机器人手的特征在于,所述握持单元的数量至少是三个。
本发明与现有技术比较,具有以下优点和突出性效果:
本发明的目的在于提供一种机器人手,使手掌具有对所抓物体的形状、大小有自适应包络抓取的功能,提高机器人手对未知形状、大小的物体的抓取效果,而且手掌可以自适应地包络物体表面,从而增加手掌和被握物体之间的接触面积,提高机器人手抓取物体的可靠性,实现控制难度低、自适应抓取性能高的效果。
附图说明
图1是本发明提供的机器人手的一种是实施例的正面外观图。
图2是本实施例的机器人手的握持单元的正面剖视图。
图3是本实施例的机器人手的背部立体图。
图4是本实施例的机器人手的握持单元包络物体的状态的示例图。
图5是本实施例的机器人手的一种抓取示例图。
图6是从本实施例的机器人手中拆卸手指后的握持单元的立体图。
图7是从本实施例的机器人手中拆卸手指后的握持单元的俯视图。
图8是本实施例的机器人手的握持单元的驱动原理图。
符号说明:
11-第一握持单元,12-第二握持单元,13-第三握持单元,14-第四握持单元,
21-第一铰链,22-第二铰链,23-第三铰链,
31-第一手指,32-第二手指,33-第三手指,34-第四手指,35-第五手指,
41-第一绳轮,42-第二绳轮,43-第三绳轮,44-第四绳轮,
51-第一铰链轴,52-第二铰链轴,53-第三铰链轴,
71-第一关节轴,72-第二关节轴,73-第三关节轴,74-第四关节轴,
81-第一电机,82-第一减速器,83-第一固定孔,84-第二固定孔,85-绳轮销,
91-第一腱绳,91-第二腱绳。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步介绍本发明的具体结构、工作原理。
本发明设计的一种机器人手的实施例,如图1、图2、图3、图4、图5和图8所示,包括第一手指31、第二手指32、第三手指33、第四手指34和第五手指35;第一握持单元11、第二握持单元12、第三握持单元13和第四握持单元14;第一手指31套接在第一关节轴71上,第一握持单元11套接在第一关节轴71上,第二手指32套接在第二关节轴72上,第二握持单元12套接在第二关节轴72上,第三手指33套接在第三关节轴73上,第三握持单元13套接在第三关节轴73上,第四手指34套接在第四关节轴74上,第四握持单元14套接在第四关节轴74上;
第一握持单元11与第二握持单元12通过第一铰链21连接,并且第一握持单元11与第二握持单元12能绕第一铰链轴51转动,第二握持单元12与第三握持单元13通过第二铰链22连接,并且第二握持单元12与第三握持单元13能绕第二铰链轴52转动,第三握持单元13与第四握持单元14通过第三铰链23连接,并且第三握持单元13与第四握持单元14能绕第三铰链轴53转动;
本发明设计的一种机器人手的实施例还包括第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43、第四绳轮44、绳轮销85、第一电机81、第一减速器82,第一腱绳91和第二腱绳92;第一电机81的输出轴与第一减速器82的输入轴相连,第一绳轮41套接在第一铰链轴51上,第二绳轮42套接在第二铰链轴52上,第三绳轮43套接在第三铰链轴53上,第四绳轮44套固在第一减速器82的输出轴上;如图8所示,第一腱绳91的一端穿过第四绳轮44的销孔后,以逆时针方向绕第四绳轮44一圈后,再以逆时针方向绕第一绳轮41一圈之后,再以逆时针方向绕第二绳轮42一圈之后,再以逆时针方向绕第三绳轮43一圈之后,固定在第四握持单元14的固定孔83,第一腱绳91的另一端与第二腱绳的一端固结;第二腱绳92的另一端与以顺时针方向绕第四绳轮44一圈后,再以顺时针方向绕第一绳轮41一圈之后,再以顺时针方向绕第二绳轮42一圈之后,再以顺时针方向绕第三绳轮43一圈之后,固定在第四握持单元14的固定孔84。使用绳轮销85把第四绳轮44套固在第一减速器82的输出轴上。
在本实施例中,说明了包括五个手指和四个握持单元的例,但手指和握持单元的数量并不限定于此。但从考虑抓握物体的效果方面考虑,握持单元的数量最好是三个以上。
本发明的工作原理结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8,叙述如下:
在本实施例中,手指采用了手指弯曲自适应抓取物体的手指结构,这种结构的设计方案是本领域技术公开的常见技术方案,故不做解释。
以下说明本实施例的手掌通过多个握持单元之间的相互工作,实现握持动作的工作原理。
本实施例采用第一电机81、第一减速器82、第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43、第四绳轮44、绳轮销85、腱绳91和腱绳92实现了握持单元的自适应包络抓取物体的运动。
在未握持物体时,手掌处于如图1所示的初始位置,此时握持单元11、握持单元12、握持单元13和握持单元14的内侧面互相平行,手掌处于伸直状态。设第一电机81输出轴的顺时针旋转方向为其正转方向,当使用本实施例的机器人手抓取物体时,如图7和图8所示,第一电机81正转,第一电机81的输出轴转动,经第一减速器82带动第四绳轮44顺时针转动,使第一腱绳91缠绕在第四绳轮44上,随着第一腱绳91缠绕在第四绳轮44上,第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43也顺时针转动,使第一腱绳91在第三绳轮43上解绕,同时,第四绳轮44顺时针转动会使第二腱绳92在第四绳轮44上解绕,并且随着第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43顺时针转动会使第二腱绳92在第三绳轮43上缠绕,从而使握持单元12绕第一铰链轴51顺时针转动,使握持单元13绕第二铰链轴52顺时针转动,使握持单元14绕第三铰链轴53顺时针转动,从而实现手掌向一侧弯曲运动,实现一个电机81带动多个自由度弯曲运动的自适应欠驱动包络物体的运动;此时,第二握持单元12、第三握持单元13和第四握持单元14会靠向物体,直到第四握持单元14与物体表面接触,然后再使第一电机81停转,则自适应抓取过程结束;如果,最先接触物体的第四握持单元14,然后再使第一电机81停转,则自适应抓取过程结束。
从抓取结束恢复到初始状态的过程,叙述如下。第一电机81反转,第一电机81的输出轴转动,经第一减速器82带动第四绳轮44逆时针转动,使第二腱绳92缠绕在第四绳轮44上,随着第二腱绳92缠绕在第四绳轮44上,第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43也逆时针转动,使第二腱绳92在第三绳轮43上解绕;同时第四绳轮44逆时针转动使第一腱绳91在第四绳轮44上解绕,并且随着第一绳轮41、第二绳轮42、第三绳轮43逆时针转动,会使第一腱绳91在第三绳轮43上缠绕,从而使握持单元12绕第一铰链轴51逆时针转动,使握持单元13绕第二铰链轴52逆时针转动,使握持单元14绕第三铰链轴53逆时针转动,从而实现手掌向相反一侧的弯曲运动,实现一个电机81带动多个自由度弯曲运动的欠驱动运动,使手掌伸直。此时,第二握持单元12、第三握持单元13和第四握持单元14会背离物体,直到手掌完全伸直为止,然后再使第一电机81停转,手掌伸直过程结束。
在这过程中,第一绳轮41、第二绳轮42和第三绳轮43起到传递第一腱绳91和第二腱绳92的张力的作用。
本实施例的机器人手在抓取物体时,可以采用如下的抓取模式。
1)仅通过手指弯曲,实现手指独立抓取模式,此时,手掌的握持单元之间不相互工作。
2)仅通过第一电机81的驱动,使手掌的握持单元实现抓取物体的手掌独立抓取模式,此时,控制手指的电机不工作,即手指不进行抓取物体的动作,如图4所示。
3)通过手掌和手指同时进行抓取动作,实现手掌和手指配合抓取模式,此时,第一电机81和驱动其他手指的电机同时工作,实现手掌和手指的配合动作,如图5所示。
可以根据所要抓取的物体的大小和形状等,适当选择机器人手的抓取物体的模式。本发明的机器人手掌具有对所抓物体的形状、大小有自适应包络抓取的功能,能够提高机器人手对未知形状、大小的物体的抓取效果,而且手掌可以自适应地包络物体表面,从而增加手掌和被握物体之间的接触面积,提高机器人手抓取物体的可靠性,实现控制难度低、自适应抓取性能高的效果。

Claims (8)

1.一种机器人手,包括手掌和多个手指,所述的手指包括多个手指段和多个手指关节轴,其特征在于,
手掌包括多个握持单元,邻接的握持单元之间通过铰链连接。
2.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的手掌的多个握持单元通过所述的铰链能够转动,使手掌能绕着铰链轴向弯曲,自适应包络被握物体。
3.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的各铰链的轴向相互平行。
4.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的握持单元之间铰链的轴向,与垂直于手掌面并与手指关节轴平行的平面相交。
5.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的握持单元之间铰链的轴向,与垂直于手掌面并与手指关节轴平行的平面垂直。
6.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的各握持单元通过关节轴与手指连接。
7.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的各铰链由电机驱动。
8.根据权利要求1所述的机器人手,其特征在于,
所述的握持单元的数量至少是三个。
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