CN104858883B - 一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，包括驱动平台、导向定位平台、四根被动手指和四个主动支链，四根被动手指以90°夹角均匀分布，每根被动手指由横梁板、外侧板、内侧板、弹簧、板转动副以及弹簧转动副构成；主动支链的连杆一端通过驱动平台转动副与驱动平台连接，另一端通过手指固定架转动副与手指固定架连接，导向定位平台通过导向定位平台圆柱副与手指固定架连接，手指固定架的下表面固定连接于被动手指。本发明机构结构简单，仅需单一驱动，应用灵活性强，可实现对复杂外形物品的被动柔性包络，便于控制与设计，可广泛应用于机械制造、轻工业、医疗等要求被动柔性包络外形复杂、易碎物品的场合。

Description

一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪

技术领域

本发明涉及一种机械手爪，具体的说，是涉及一种可实现被动包络的柔性机械手爪。

背景技术

机械手爪能够模仿人手和臂膀的某些功能和动作，按照预设程序抓取物品及搬运物件，是一种自动化操作装置。它可取代人工操作进行危险或繁重作业，保证人身安全，实现生产机械化和自动化，故而被广泛应用于机械制造、轻工业、电子、冶金和原子能等领域中。

目前，常见的机械手爪呈刚性结构且具有较为复杂的构型，当所抓取物品形状较固定、外表较坚硬时，此类机械手爪可按预先设定的力抓取物品。然而，当抓取的物品易碎、易变形或形状不固定时，这种刚性结构或构型复杂的机械手爪容易对所抓取物品造成不必要的损伤及破坏，或难以适应复杂外形物体。如，公开号为CN102785251A的专利申请中所述机械手爪的手指为刚性体，限制了手爪的自适应能力和运动灵活性；公开号为CN102416624A的专利申请描述了一种柔性自适应欠驱动机械手爪，但其骨架和手指构型限制了手爪适应各种复杂外形物品的能力。

发明内容

本发明要解决的是现有机械手爪不能满足复杂多变的抓取要求的技术问题，提供一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，灵活性高，对复杂外形物体适应性强。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、导向定位平台、四根被动手指和四个主动支链，所述主动支链将所述驱动平台、所述导向定位平台、所述被动手指连接；

所述驱动平台由中心对称的十字交叉杆和垂直于所述十字交叉杆的圆柱形杆构成，所述圆柱形杆固定连接于所述十字交叉杆的对称中心；所述驱动平台能够在电机驱动下绕圆柱形杆轴线进行转动；

所述导向定位平台为中心对称的十字杆结构，所述驱动平台的所述圆柱形杆垂直穿过所述十字杆结构的对称中心；

四个所述主动支链完全相同，每个所述主动支链由驱动平台转动副、连杆、手指固定架转动副、手指固定架和导向定位平台圆柱副构成；所述驱动平台的十字交叉杆端部通过所述驱动平台转动副与所述连杆的一端连接，所述连杆的另一端通过所述手指固定架转动副与所述手指固定架连接，所述手指固定架通过所述导向定位平台圆柱副与所述导向定位平台的十字杆结构端部连接，所述手指固定架的下表面固定连接于所述被动手指的第一横梁板；

所述驱动平台的圆柱形杆轴线、所述驱动平台转动副的转动轴线、所述手指固定架转动副的转动轴线相互平行；

四根所述被动手指完全相同，每根被动手指由三个横梁板、三个外侧板、三个内侧板、三个连接横梁板与外侧板的弹簧、七个板转动副以及六个弹簧转动副组成；三个所述横梁板包括第一横梁板、第二横梁板、第三横梁板；三个所述外侧板包括第一外侧板、第二外侧板和第三外侧板；三个所述内侧板包括第一内侧板、第二内侧板和第三内侧板；三个所述弹簧包括第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧；所述横梁板、所述外侧板、所述内侧板之间通过所述板转动副连接，七个所述板转动副包括第一板转动副、第二板转动副、第三板转动副、第四板转动副、第五板转动副、第六板转动副和第七板转动副；所述弹簧两端分别通过所述弹簧转动副分别与所述横梁板与所述外侧板连接，六个所述弹簧转动副包括第一弹簧转动副、第二弹簧转动副、第三弹簧转动副、第四弹簧转动副、第五弹簧转动副和第六弹簧转动副；

所有所述板转动副的轴线与所有所述弹簧转动副的轴线相互平行；所述弹簧的轴线位于所述被动手指的中心面内；

所述第一横梁板的一端通过所述第一板转动副与所述第一外侧板的顶端连接，所述第一横梁板的另一端通过所述第二板转动副与所述第一内侧板的顶端连接；所述第二横梁板的一端通过所述第三板转动副同时与所述第一外侧板的底端和所述第二外侧板的顶端连接，所述第二横梁板的另一端通过所述第四板转动副同时与所述第一内侧板的底端和所述第二内侧板的顶端连接；所述第三横梁板的一端通过所述第五板转动副同时与所述第二外侧板的底端和所述第三外侧板的顶端连接，所述第三横梁板的另一端通过所述第六板转动副同时与所述第二内侧板的底端和所述第三内侧板的顶端连接；所述第三外侧板的底端和所述第三内侧板的底端通过所述第七板转动副连接；

所述第一弹簧的一端通过所述第一弹簧转动副与所述第一横梁板连接，另一端通过所述第二弹簧转动副与所述第一外侧板连接；所述第二弹簧的一端通过所述第三弹簧转动副与所述第二横梁板连接，另一端通过所述第四弹簧转动副与所述第二外侧板连接；所述第三弹簧的一端通过所述第五弹簧转动副与所述第三横梁板连接，另一端通过所述第六弹簧转动副与所述第三外侧板连接。

所述手指固定架的下表面与所述被动手指的第一横梁板顶面镶嵌连接。

所述内侧板为柔性材料制成的柔性板。

本发明的有益效果是：

本发明的可实现被动包络的柔性仿生机械手爪，其机构结构简单，减少了大量生产制作成本；仅需单一驱动，免去了复杂的控制算法带来的诸多难题，便于控制与设计；可实现对复杂外形物品的被动柔性面包络，抓取稳定性高；应用灵活性强，可广泛应用于机械制造、轻工业、医疗等要求被动柔性包络外形复杂、易碎物品的场合。

附图说明

图1是本发明所提供的可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪的结构示意图；

图2是本发明所提供的可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪的主视图；

图3是本发明所提供的可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪的俯视图；

图4是本发明所提供的可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪中第一被动手指的结构示意图。

图中：1、主动支链；2、被动手指；3、导向定位平台；4、驱动平台；5、手指固定架；6、手指固定架转动副；7、导向定位平台圆柱副；8、连杆；9、驱动平台转动副；10、圆柱形杆；11、十字交叉杆；

12、外侧板：第一外侧板A、第二外侧板B和第三外侧板C；

13、弹簧转动副：第一弹簧转动副OL、第二弹簧转动副OA、第三弹簧转动副PM、第四弹簧转动副PB、第五弹簧转动副QN和第六弹簧转动副QC；

14、弹簧：第一弹簧O、第二弹簧P和第三弹簧Q；

15、横梁板：第一横梁板L、第二横梁板M、第三横梁板N；

16、内侧板：第一内侧板a、第二内侧板b和第三内侧板c；

17、板转动副：第一板转动副LA、第二板转动副La、第三板转动副MB、第四板转动副Mb、第五板转动副NC、第六板转动副Nc和第七板转动副Cc。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图3所示，本实施例提供了一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，主要由可变手掌和四根被动手指2构成。可变手掌包括驱动平台4、导向定位平台3和四个主动支链1，四个主动支链1将驱动平台4、导向定位平台3和四根被动手指2连接。

驱动平台4由十字交叉杆11和圆柱形杆10构成；十字交叉杆11中心对称，由两根直杆相互垂直连接构成；圆柱形杆10与十字交叉杆11所在的平面垂直，其一端固定连接于十字交叉杆11的对称中心。圆柱形杆10与电机连接，能够在电机驱动下带动十字交叉杆11一同绕圆柱形杆10轴线aa进行转动。

导向定位平台3为设置有中心孔的十字杆结构，也为中心对称。驱动平台4的圆柱形杆10与导向定位平台3所在的平面垂直，并穿过导向定位平台3十字杆结构的中心孔，这种布置方式使整体结构较为紧凑。通过导向定位平台3的对称中心且与其所在平面相垂直的线称为导向定位平台3的轴线bb，导向定位平台3的轴线bb与驱动平台4的圆柱形杆10轴线aa重合。

四个主动支链1的结构完全相同，并且以以驱动平台4的圆柱形杆10轴线aa为中心在空间上均匀分布，相邻两个主动支链1的夹角均为90°。

每个主动支链1均由驱动平台转动副9、连杆8、手指固定架转动副6、手指固定架5和导向定位平台圆柱副7构成；其中手指固定架5包括横板和垂直固定于横板上表面的竖板。

驱动平台4的十字交叉杆11端部通过驱动平台转动副9与连杆8的一端连接，连杆8的另一端通过手指固定架转动副6与手指固定架5的竖板连接。手指固定架5的竖板通过导向定位平台圆柱副7与导向定位平台3的十字杆结构端部连接，这里导向定位平台圆柱副7因有手指固定架转动副6的约束而仅起到一个移动副的作用。其中，驱动平台4的圆柱形杆10轴线aa、驱动平台转动副9的转动轴线cc、手指固定架转动副6的转动轴线dd两两之间相互平行。

手指固定架5的横板下表面与其相应的被动手指2镶嵌连接，具体为手指固定架5的横板下表面设置有凹槽结构，被动手指2的第一横梁板L顶面设置有相匹配的凸起结构，凹槽结构和凸起结构镶嵌连接，以使手指固定架5与其相应的被动手指2固定，这种连接方式便于被动手指2的安装与拆卸。

四根被动手指2结构完全相同，并且以驱动平台4的圆柱形杆10轴线aa为中心在空间上均匀分布，相邻两根被动手指2的夹角均为90°。这样，四根被动手指2在四个主动支链1的带动下在与被抓取物体接触时会产生相似的运动，从而实现对物体的三维空间抓取。

本实施例以其中一根被动手指2为例进行详细描述。如图4(a)所示，被动手指2由三个横梁板15、三个外侧板12、三个内侧板16、三个连接横梁板15与外侧板12的弹簧14、七个板转动副17以及六个弹簧转动副13组成。如图4(b)所示，三个横梁板15包括：第一横梁板L、第二横梁板M、第三横梁板N；三个外侧板12包括：第一外侧板A、第二外侧板B和第三外侧板C；三个内侧板16包括：第一内侧板a、第二内侧板b和第三内侧板c；三个连接横梁板15与外侧板12的弹簧14包括：第一弹簧O、第二弹簧P和第三弹簧Q。其中三个内侧板16均为柔性材料制成的柔性板，如尼龙，ABS，PE塑料等。

横梁板15、外侧板12、内侧板16之间通过板转动副17连接，七个板转动副17包括：第一板转动副LA、第二板转动副La、第三板转动副MB、第四板转动副Mb、第五板转动副NC、第六板转动副Nc和第七板转动副Cc。弹簧14两端分别通过弹簧转动副13分别与横梁板15与外侧板12连接，六个弹簧转动副13包括：第一弹簧转动副OL、第二弹簧转动副OA、第三弹簧转动副PM、第四弹簧转动副PB、第五弹簧转动副QN和第六弹簧转动副QC。

所有板转动副17的轴线gg与所有弹簧转动副13的轴线ff相互平行。弹簧14的轴线h位于被动手指2的中心面β内。

第一横梁板L的一端通过第一板转动副LA与第一外侧板A的顶端连接，第一横梁板L的另一端通过第二板转动副La与第一内侧板a的顶端连接。第二横梁板M的一端通过第三板转动副MB同时与第一外侧板A的底端和第二外侧板B的顶端连接，第二横梁板M的另一端通过第四板转动副Mb同时与第一内侧板a的底端和第二内侧板b的顶端连接。第三横梁板N的一端通过第五板转动副NC同时与第二外侧板B的底端和第三外侧板C的顶端连接，第三横梁板N的另一端通过第六板转动副Nc同时与第二内侧板b的底端和第三内侧板c的顶端连接。第三外侧板C的底端和第三内侧板c的底端通过第七板转动副Cc连接。

第一弹簧O的一端通过第一弹簧转动副OL与第一横梁板L的中部连接，另一端通过第二弹簧转动副OA与第一外侧板A的中部连接。第二弹簧P的一端通过第三弹簧转动副PM与第二横梁板M的中部连接，另一端通过第四弹簧转动副PB与第二外侧板B的中部连接。第三弹簧Q的一端通过第五弹簧转动副QN与第三横梁板N的中部连接，另一端通过第六弹簧转动副QC与第三外侧板C的中部连接。弹簧14能够在抓持操作前对被动手指2的被动关节(板转动副17)进行合理约束，从而保证机构具有确定的运动。

本实施例的可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪的运动可分为两部分：可变手掌的运动和被动手指2的运动。

可变手掌的运动形式等价于曲柄滑块机构，在电机驱动下可变手掌进行收缩或扩张运动，进而使四根被动手指2靠近或远离物体。驱动平台4等价于曲柄，主动支链1的连杆8等价于连杆，手指固定架5等价于滑块，导向定位平台3等价于机架；与曲柄滑块机构的运动类似，电机作用于驱动平台4，使其绕驱动平台4的圆柱形杆10轴线aa转动，连杆8绕驱动平台转动副9转动，而连杆8通过手指固定架转动副6与手指固定架5连接，导向定位平台3固定不动，故在连杆8的作用下手指固定架5沿导向定位平台圆柱副7的轴线方向移动，可变手掌进行收缩或扩张运动，进而使镶嵌在手指固定架5上的被动手指2靠近或远离物体。

被动手指运动使本发明的仿生机械手爪实现对物体的柔性被动包络，以其中一根被动手指2的运动为例进行说明：当被动手指2与物体接触时，物体表面将对内侧板16施加作用力，在该作用力的影响下内侧板16将沿物体表面变形；而内侧板16和外侧板12由横梁板15连接，横梁板16可绕其两端的板转动副17转动，外侧板12和横梁板16通过弹簧转动副13与弹簧14连接，故外侧板12产生与内侧板16相似的运动趋势，则被动手指1可实现对物体的包络。

本发明的一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪由驱动平台4、导向定位平台3、四根被动手指2和四个主动支链1组成。驱动平台4、导向定位平台3和四个主动支链1在直线驱动器的作用下进行收缩或扩张运动，使四根被动手指2靠近或远离物体，四根被动手指2的组合能实现对复杂外形物体的柔性面包络，该柔性面包络属于被动包络，可根据物体外形调整包络姿态，对复杂外形物体的适应度高，破坏性小，且只需单一驱动，具有极大地应用灵活性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、导向定位平台、四根被动手指和四个主动支链，所述主动支链将所述驱动平台、所述导向定位平台、所述被动手指连接；

所述驱动平台由中心对称的十字交叉杆和垂直于所述十字交叉杆的圆柱形杆构成，所述圆柱形杆固定连接于所述十字交叉杆的对称中心；所述驱动平台能够在电机驱动下绕圆柱形杆轴线进行转动；

所述导向定位平台为中心对称的十字杆结构，所述驱动平台的所述圆柱形杆垂直穿过所述十字杆结构的对称中心；

四个所述主动支链完全相同，每个所述主动支链由驱动平台转动副、连杆、手指固定架转动副、手指固定架和导向定位平台圆柱副构成；所述驱动平台的十字交叉杆端部通过所述驱动平台转动副与所述连杆的一端连接，所述连杆的另一端通过所述手指固定架转动副与所述手指固定架连接，所述手指固定架通过所述导向定位平台圆柱副与所述导向定位平台的十字杆结构端部连接，所述手指固定架的下表面固定连接于所述被动手指的第一横梁板；

所述驱动平台的圆柱形杆轴线、所述驱动平台转动副的转动轴线、所述手指固定架转动副的转动轴线相互平行；

四根所述被动手指完全相同，每根被动手指由三个横梁板、三个外侧板、三个内侧板、三个连接横梁板与外侧板的弹簧、七个板转动副以及六个弹簧转动副组成；三个所述横梁板包括第一横梁板、第二横梁板、第三横梁板；三个所述外侧板包括第一外侧板、第二外侧板和第三外侧板；三个所述内侧板包括第一内侧板、第二内侧板和第三内侧板；三个所述弹簧包括第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧；所述横梁板、所述外侧板、所述内侧板之间通过所述板转动副连接，七个所述板转动副包括第一板转动副、第二板转动副、第三板转动副、第四板转动副、第五板转动副、第六板转动副和第七板转动副；所述弹簧两端分别通过所述弹簧转动副分别与所述横梁板与所述外侧板连接，六个所述弹簧转动副包括第一弹簧转动副、第二弹簧转动副、第三弹簧转动副、第四弹簧转动副、第五弹簧转动副和第六弹簧转动副；

所有所述板转动副的轴线与所有所述弹簧转动副的轴线相互平行；所述弹簧的轴线位于所述被动手指的中心面内；

所述第一横梁板的一端通过所述第一板转动副与所述第一外侧板的顶端连接，所述第一横梁板的另一端通过所述第二板转动副与所述第一内侧板的顶端连接；所述第二横梁板的一端通过所述第三板转动副同时与所述第一外侧板的底端和所述第二外侧板的顶端连接，所述第二横梁板的另一端通过所述第四板转动副同时与所述第一内侧板的底端和所述第二内侧板的顶端连接；所述第三横梁板的一端通过所述第五板转动副同时与所述第二外侧板的底端和所述第三外侧板的顶端连接，所述第三横梁板的另一端通过所述第六板转动副同时与所述第二内侧板的底端和所述第三内侧板的顶端连接；所述第三外侧板的底端和所述第三内侧板的底端通过所述第七板转动副连接；

所述第一弹簧的一端通过所述第一弹簧转动副与所述第一横梁板连接，另一端通过所述第二弹簧转动副与所述第一外侧板连接；所述第二弹簧的一端通过所述第三弹簧转动副与所述第二横梁板连接，另一端通过所述第四弹簧转动副与所述第二外侧板连接；所述第三弹簧的一端通过所述第五弹簧转动副与所述第三横梁板连接，另一端通过所述第六弹簧转动副与所述第三外侧板连接。

2.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，其特征在于，所述手指固定架的下表面与所述被动手指的第一横梁板顶面镶嵌连接。

3.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的可变手掌型柔性仿生机械手爪，其特征在于，所述内侧板为柔性材料制成的柔性板。