CN104858885A - 一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪，包括驱动平台、固定手掌、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，每根被动手指由柔性轮廓、刚性杆和转动副构成，刚性杆两端通过转动副与柔性轮廓连接；主动支链的连接板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板转动副与手指固定板的中部连接，手指固定板的内端通过固定手掌转动副与固定手掌的边部连接，手指固定板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固定手掌型柔性机械手爪

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固定手掌型柔性机械手爪，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固定手掌型柔性机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、固定手掌、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、所述固定手掌、所述被动手指连接；

所述驱动平台和所述固定手掌均为中心对称的平板结构，所述驱动平台的对称中心与所述固定手掌的对称中心之间的连接直线s分别与所述驱动平台和所述固定手掌相垂直；所述驱动平台能够在直线驱动器的作用下沿所述连接直线s做直线运动；

四个所述主动支链完全相同且以所述连接直线s为中心线均匀分布，相邻两个所述主动支链的夹角均为90°；

每个所述主动支链由驱动平台转动副、连接板、手指固定板转动副、手指固定板和固定手掌转动副构成；所述驱动平台的边部通过所述驱动平台转动副与所述连接板的一端连接，所述连接板的另一端通过所述手指固定板转动副与所述手指固定板的中部连接，所述手指固定板的内端部通过所述固定手掌转动副与所述固定手掌的边部连接，所述手指固定板下表面固定连接于所述被动手指；所述驱动平台转动副的转动轴线、所述手指固定板转动副的转动轴线、所述固定手掌转动副的转动轴线相互平行；

四根所述被动手指完全相同且以所述连接直线s为中心线均匀分布，相邻两根所述被动手指的夹角均为90°；

所述被动手指由柔性轮廓、刚性杆和转动副构成；所述柔性轮廓由内侧面部分、外侧面部分和顶面部分围成一体，所述内侧面部分和所述外侧面部分的顶部分别连接于顶面部分的两侧、底部相互连接；多组与所述手指固定板平行的刚性杆间隔设置在所述内侧面部分和所述外侧面部分之间，每组所述刚性杆以所述柔性轮廓的中心面为对称面对称布置，每个所述刚性杆的两端分别通过转动副与所述内侧面部分和所述外侧面部分连接。

所述手指固定板的下表面与所述被动手指的柔性轮廓的顶面部分镶嵌连接。

本发明的有益效果是：

本发明的可实现被动包络的柔性机械手爪，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固定手掌型柔性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固定手掌型柔性机械手爪的主视图；

图3是本发明所提供的可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪中第一被动手指的结构示意图；

图4是本发明所提供的可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪中第一被动手指包络物体的示意图；

图5是本发明所提供的可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪抓取物体的示意图。

图中：1、驱动平台；2、第四主动支链；3、第一主动支链；4、第四被动手指；5、第一被动手指；6、固定手掌；7、第二被动手指；8、第三被动手指；9、第二主动支链；10、第三主动支链；11、杆体；12、平板结构；13、第一驱动平台转动副；14、第一连接板；15、第一手指固定板；16、第一手指固定板转动副；17、第一固定手掌转动副；18、刚性杆；19、转动副；20、第一柔性轮廓；21、被抓取物体。

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：

实施例1

本实施例提供了一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪，主要包括驱动平台、固定手掌、四根被动手指和四个主动支链，四个主动支链将驱动平台、固定手掌和四根被动手指连接。

驱动平台为一个中心对称的平板结构，该平板结构的形状可选用正方形、正八边形或正十六边形等；通过驱动平台的对称中心且与其所在平面相垂直的线称为驱动平台轴线。

固定手掌为中心对称的平板结构，该平板结构的形状可选用正方形、正八边形或正十六边形等；通过固定手掌的对称中心且与其所在平面相垂直的线称为从动平台轴线。

驱动平台与固定手掌所在的平面相互平行，且驱动平台轴线和从动平台轴线重合。在直线驱动器的作用下，驱动平台可以沿着驱动平台轴线做直线运动。

四个主动支链结构完全相同，并且以驱动平台轴线为中心在空间上均匀分布，相邻两个主动支链的夹角均为90°。

每个主动支链均由驱动平台转动副、连接板、手指固定板转动副、手指固定板和固定手掌转动副构成。其中手指固定板设置于被动手指的指根部，其下表面与被动手指的柔性轮廓的顶面部分镶嵌连接，以便被动手指的安装与拆卸。

驱动平台的边部通过驱动平台转动副与连接板的一端连接，连接板的另一端通过手指固定板转动副与手指固定板的中部连接。手指固定板的内端部通过固定手掌转动副与固定手掌的边部连接。驱动平台转动副的转动轴线、手指固定板转动副的转动轴线、固定手掌转动副的转动轴线相互平行。这样，在驱动平台沿着驱动平台轴线做直线运动时，可以通过连接板使得手指固定板绕第一固定手掌转动副转动。

四根被动手指结构完全相同，并且以驱动平台轴线为中心在空间上均匀分布，相邻两根被动手指的夹角均为90°。这样，四根被动手指在四个主动支链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。

每根被动手指均由一个柔性轮廓、n个刚性杆和2n个转动副构成；n个刚性杆设置在柔性轮廓内部，每个刚性杆的两端分别通过转动副与柔性轮廓连接。

具体地，柔性轮廓由柔性材料制成，如尼龙，ABS，PE塑料等。柔性轮廓为一体结构，由内侧面部分、外侧面部分和顶面部分围成。内侧面部分和外侧面部分的顶部分别连接于顶面部分的两侧，内侧面部分和外侧面部分的底部相互连接；可见内侧面部分和外侧面部分的间距由被动手指的指根部向指尖部逐渐缩小，从而便于实现对物体的包络。n个刚性杆分成m组，m组刚性杆间隔的排布在被动手指的指根部到指尖部的长度方向，且各组刚性杆之间相互平行设置；而每组又包括n/m个在被动手指的宽度方向间隔设置的刚性杆，每组的n/m个刚性杆也相互平行，同时以柔性轮廓的中心面为对称面对称布置。在被动手指不受力的状态下，所有的刚性杆均与手指固定板相平行，且手指固定板与被动手指的柔性轮廓中心面相垂直。每根刚性杆的两端分别通过转动副与柔性轮廓的内侧面部分和外侧面部分连接。这样，当柔性轮廓的内侧面部分与物体接触时，在接触力和驱动力的作用下刚性杆绕两端转动副转动，使得柔性轮廓的外侧面部分完成与内侧面部分相似的运动，实现对物体的包络，同时因每组的n/m个刚性杆对称布置，该种包络为面包络。

本发明的一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪由驱动平台、固定手掌、四根被动手指和四个主动支链构成，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，且只需单一直线驱动，具有极大地应用灵活性。

实施例2

如图1和图2所示，本实施例提供了一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪，主要由多闭环机构和四根被动手指构成。多闭环机构包括驱动平台1、固定手掌6、第一主动支链3、第二主动支链9、第三主动支链10和第四主动支链2。四根被动手指包括第一被动手指5、第二被动手指7、第三被动手指8和第四被动手指4。

驱动平台3包括中心对称的多边形平板结构12和圆柱形的杆体11，正多边形的平板结构12包括至少四个均布外凸的边部，圆柱形的杆体2垂直平板结构12固定于其顶部的几何中心处。杆体2连接直线驱动器，可以在直线驱动器的作用下带动平板结构12与其一同沿杆体2轴线aa进行直线运动。

固定手掌6具有与驱动平台3相同的中心对称多边形平板结构，且与驱动平台的平板结构12上下对应的平行设置。通过固定手掌6的对称中心且与其所在平面相垂直的线称为固定手掌6轴线bb，固定手掌6轴线bb与驱动平台3的杆体2轴线aa重合。

第一主动支链3、第二主动支链9、第三主动支链10和第四主动支链2以驱动平台3的杆体2轴线aa为中心在空间上均匀分布，相邻夹角均为90°。第一主动支链3、第二主动支链9、第三主动支链10和第四主动支链2的结构完全相同，本实施例仅以第一主动支链3为例进行详细描述。

第一主动支链3由第一驱动平台转动副13、第一连接板14、第一手指固定板转动副16、第一手指固定板15和第一固定手掌转动副17构成。其中第一手指固定板15固定设置于第一被动手指5的指根部，并与第一被动手指5的第一柔性轮廓20的中心面β相垂直。第一手指固定板15内端部和外端部分别与第一被动手指5的内侧面部分和外侧面部分位置对应。第一手指固定板15下表面与第一被动手指5镶嵌连接，具体为第一手指固定板15下表面设置有凹槽结构，第一被动手指5的第一柔性轮廓20的顶面部分设置有相匹配的凸起结构，凹槽结构和凸起结构镶嵌连接，以使第一手指固定板15与第一被动手指5固定，这种连接方式便于被动手指的安装与拆卸。

驱动平台1的平板结构12边部通过第一驱动平台转动副13与第一连接板14的一端连接，第一连接板14的另一端通过第一手指固定板转动副16与第一手指固定板15的中部连接，第一手指固定板15的内端部通过第一固定手掌转动副17与固定手掌6的边部连接。第一驱动平台转动副13的转动轴线cc、第一手指固定板转动副16的转动轴线dd、第一固定手掌转动副17的转动轴线e两两之间平行。

第一被动手指5、第二被动手指7、第三被动手指8和第四被动手指4以驱动平台3的杆体2轴线aa为中心在空间上均匀分布，相邻夹角均为90°。第一被动手指5、第二被动手指7、第三被动手指8和第四被动手指4的结构完全相同，本实施例仅以第一被动手指5为例进行详细描述。

如图3所示，第一被动手指5由第一柔性轮廓20、八根刚性杆18、十六个连接刚性杆18与第一柔性轮廓20的转动副19组成。

第一柔性轮廓20由尼龙66制成，并由内侧面部分、外侧面部分和顶面部分构成一个截面为等腰三角形(其顶角小于90度)的轮廓整体，该等腰三角形的底边位置对应为顶面部分、两个相等的边(即等腰三角形的腰)所在的位置对应为内侧面部分和外侧面部分。可见，第一柔性轮廓20的内侧面部分和外侧面部分的间距由第一被动手指5的指根部向指尖部逐渐缩小直至为零。第一柔性轮廓20的顶面部分设置有凸起结构，用于与第一手指固定板15下表面镶嵌连接。

八根刚性杆18作为骨架间隔的分设在第一柔性轮廓20内部，包括两两之间相互平行的第一刚性杆A、第一刚性杆a、第一刚性杆B、第一刚性杆b、第一刚性杆C、第一刚性杆c、第一刚性杆D和第一刚性杆d。八根刚性杆18也均平行于第一手指固定板15。第一刚性杆A、第一刚性杆B、第一刚性杆C、第一刚性杆D分别与第一刚性杆a、第一刚性杆b、第一刚性杆c、第一刚性杆d一一对应，称为一组；同组的两根刚性杆18长度相等且相互平行，并且关于第一柔性轮廓20的中心面β对称。

十六个转动副19将刚性杆18与第一柔性轮廓20连接，包括第一转动副A1、第一转动副A2、第一转动副a1、第一转动副a2、第一转动副B1、第一转动副B2、第一转动副b1、第一转动副b2、第一转动副C1、第一转动副C2、第一转动副c1、第一转动副c2、第一转动副D1、第一转动副D2、第一转动副d1和第一转动副d2。每根刚性杆18均通过相应转动副19与第一柔性轮廓20连接，例如第一刚性杆A通过其一端的第一转动副A1与第一柔性轮廓20的外侧面部分连接、另一端的第一转动副A2与第一柔性轮廓20的内侧面部分连接；其他第一刚性杆18与第一柔性轮廓20的连接类似，此处不再赘述。

本实施例的可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪的运动可分为两部分：多闭环机构的运动和被动手指的运动。

多闭环机构的运动形式等价于滑块作为输入驱动的曲柄滑块机构，第一主动支链3、第二主动支链9、第三主动支链10和第四主动支链2的运动形式相同，可使第一被动手指5、第二被动手指7、第三被动手指8和第四被动手指4靠近或远离被抓取物体21。以第第一手指固定板15等价于曲柄，固定手掌6等价于机架；与滑块作为输入驱动的曲柄滑块机构的运动类似，直线驱动器作用于驱动平台1，使其沿驱动平台3的杆体2轴线aa移动，第一连接板14绕第一驱动平台转动副13转动，而第一连接板14通过第一手指固定板转动副16与第一被动手指5连接，固定手掌6固定不动，故在第一连接板14的作用下第一被动手指5绕第一固定手掌转动副17转动，进而使镶嵌在第一手指固定板15上的第一被动手指5靠近或远离被抓取物体21。

被动手指的运动为第一被动手指5、第二被动手指7、第三被动手指8和第四被动手指4对被抓取物体21的柔性包络运动。如图4所示，以第一被动手指5的运动为例进行说明：当第一被动手指5与被抓取物体21接触时，被抓取物体21表面将对第一柔性轮廓20的内侧面部分施加作用力，在该作用力的影响下第一柔性轮廓20的内侧面部分将沿抓取物体21表面变形；而第一柔性轮廓20的内侧面部分和外侧面部分是由多根刚性杆18连接的，每根刚性杆18可绕其两端对应的转动副19转动，故第一柔性轮廓20的外侧面部分变形与内侧面部分相似；同时同一组的刚性杆18关于第一柔性轮廓20的中心面β对称分布，综上第一被动手指7可实现对被抓取物体21的面包络，如图5所示。

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 (2)

1.一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、固定手掌、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、所述固定手掌、所述被动手指连接；

所述驱动平台和所述固定手掌均为中心对称的平板结构，所述驱动平台的对称中心与所述固定手掌的对称中心之间的连接直线s分别与所述驱动平台和所述固定手掌相垂直；所述驱动平台能够在直线驱动器的作用下沿所述连接直线s做直线运动；

四个所述主动支链完全相同且以所述连接直线s为中心线均匀分布，相邻两个所述主动支链的夹角均为90°；

每个所述主动支链由驱动平台转动副、连接板、手指固定板转动副、手指固定板和固定手掌转动副构成；所述驱动平台的边部通过所述驱动平台转动副与所述连接板的一端连接，所述连接板的另一端通过所述手指固定板转动副与所述手指固定板的中部连接，所述手指固定板的内端部通过所述固定手掌转动副与所述固定手掌的边部连接，所述手指固定板下表面固定连接于所述被动手指；所述驱动平台转动副的转动轴线、所述手指固定板转动副的转动轴线、所述固定手掌转动副的转动轴线相互平行；

四根所述被动手指完全相同且以所述连接直线s为中心线均匀分布，相邻两根所述被动手指的夹角均为90°；

所述被动手指由柔性轮廓、刚性杆和转动副构成；所述柔性轮廓由内侧面部分、外侧面部分和顶面部分围成一体，所述内侧面部分和所述外侧面部分的顶部分别连接于顶面部分的两侧、底部相互连接；多组与所述手指固定板平行的刚性杆间隔设置在所述内侧面部分和所述外侧面部分之间，每组所述刚性杆以所述柔性轮廓的中心面为对称面对称布置，每个所述刚性杆的两端分别通过转动副与所述内侧面部分和所述外侧面部分连接。

2.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的固定手掌型柔性机械手爪，其特征在于，所述手指固定板的下表面与所述被动手指的柔性轮廓的顶面部分镶嵌连接。