CN104875182B - 一种可实现被动包络的可变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可变手掌型柔性机械手爪，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，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；

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；

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。

所述手指固定架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可变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可变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可变手掌型柔性机械手爪的俯视图；

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机械手爪中第一被动手指的结构示意图；

其中图4(a)对连接刚性杆18、转动副19、第一柔性轮廓20进行标注；

其中图4(b)对第一刚性杆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；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进行标注。

图中：1、第一被动手指；2、第一主动支链；3、第二被动手指；4、第二主动支链；5、导向定位平台；6、驱动平台；7、第三被动手指；8、第三主动支链；9、第四被动手指；10、第四主动支链；11、第一手指固定架；12、第一手指固定架转动副；13、第一导向定位平台圆柱副；14、第一连杆；15、第一驱动平台转动副；16、圆柱形杆；17、十字交叉杆；18、刚性杆；19、转动副；20、第一柔性轮廓。

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可变手掌型柔性机械手爪，主要包括驱动平台、导向定位平台、四根被动手指和四个主动支链，四个主动支链将驱动平台、导向定位平台和四根被动手指连接。

驱动平台由中心对称的十字交叉杆和垂直于十字交叉杆的圆柱形杆构成，圆柱形杆固定连接于十字交叉杆的对称中心。驱动平台能够在电机驱动下绕圆柱形杆轴线进行转动。

导向定位平台为中心对称的十字杆结构，驱动平台的圆柱形杆垂直穿过该十字杆结构的对称中心。

四个主动支链结构完全相同，并且以驱动平台的圆柱形杆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。驱动平台的十字交叉杆端部通过驱动平台转动副与连杆的一端连接，连杆的另一端通过手指固定架转动副与手指固定架连接，手指固定架通过导向定位平台圆柱副与导向定位平台的十字杆结构端部连接，手指固定架的下表面固定连接于被动手指。其中，驱动平台的圆柱形杆轴线、驱动平台转动副的转动轴线、手指固定架转动副的转动轴线相互平行。

四根被动手指结构完全相同，并且以驱动平台的圆柱形杆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，四根被动手指结构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架下表面相平行，且手指固定架下表面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可变手掌型柔性机械手爪由驱动平台、导向定位平台、四根被动手指和四个主动支链构成，驱动平台、导向定位平台和四个主动支链在电机驱动下进行收缩或扩张运动，使四根被动手指靠近或远离物体，四根被动手指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。

实施例2

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机械手爪，主要由可变手掌和四根被动手指构成。可变手掌包括驱动平台6、导向定位平台5、第一主动支链2、第二主动支链4、第三主动支链8和第四主动支链10。四根被动手指包括第一被动手指1、第二被动手指3、第三被动手指7和第四被动手指9。

驱动平台6由十字交叉杆17和圆柱形杆16构成；十字交叉杆17中心对称，由两根直杆相互垂直连接构成；圆柱形杆16与十字交叉杆17所在的平面垂直，其一端固定连接于十字交叉杆17的对称中心。圆柱形杆16与电机连接，能够在电机驱动下带动十字交叉杆17一同绕圆柱形杆16的轴线aa进行转动。

导向定位平台5为设置有中心孔的十字杆结构，也为中心对称。驱动平台6的圆柱形杆16与导向定位平台5所在的平面垂直，并穿过导向定位平台6十字杆结构的中心孔，这种布置方式使整体结构较为紧凑。通过导向定位平台5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5的轴线bb，导向定位平台5的轴线bb与驱动平台3的圆柱形杆16轴线aa重合。

第一主动支链2、第二主动支链4、第三主动支链8和第四主动支链10以驱动平台3的圆柱形杆16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2、第二主动支链4、第三主动支链8和第四主动支链10的结构完全相同，本实施例仅以第一主动支链2为例进行详细描述。

第一主动支链2由第一驱动平台转动副15、第一连杆14、第一手指固定架转动副12、第一手指固定架11和第一导向定位平台圆柱副13构成；其中第一手指固定架11包括横板和垂直固定于横板上表面的竖板。

驱动平台6的十字交叉杆17端部通过第一驱动平台转动副15与第一连杆14的一端连接，第一连杆14的另一端通过第一手指固定架转动副12与第一手指固定架11的竖板连接。第一手指固定架11的竖板通过第一导向定位平台圆柱副13与导向定位平台5的十字杆结构端部连接，这里第一导向定位平台圆柱副13因有第一手指固定架转动副12的约束而仅起到一个移动副的作用。其中，驱动平台3的圆柱形杆16轴线aa、第一驱动平台转动副15的转动轴线cc、第一手指固定架转动副12的转动轴线dd两两之间相互平行。

第一手指固定架11的横板下表面与第一被动手指1镶嵌连接，具体为第一手指固定架11的横板下表面设置有凹槽结构，第一被动手指1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，以使第一手指固定架11与第一被动手指1固定，这种连接方式便于第一被动手指1的安装与拆卸。

第一被动手指1、第二被动手指3、第三被动手指7和第四被动手指9以驱动平台3的圆柱形杆16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1、第二被动手指3、第三被动手指7和第四被动手指9的结构完全相同，本实施例仅以第一被动手指1为例进行详细描述。

如图4(a)所示，第一被动手指1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1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架11的横板下表面镶嵌连接，第一手指固定架11的横板与第一被动手指1的第一柔性轮廓20的中心面β相垂直。

如图4(b)所示，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架11的横板。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。

本发明的一种可实现被动包络的可变手掌型柔性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，进而使第一被动手指1、第二被动手指3、第三被动手指7和第四被动手指9靠近或远离物体。以第一主动支链2的运动为例进行说明：驱动平台6等价于曲柄，第一连杆14等价于连杆，第一手指固定架11等价于滑块，导向定位平台5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6，使其绕驱动平台3的圆柱形杆16轴线aa转动，第一连杆14绕第一驱动平台转动副15转动，而第一连杆14通过第一手指固定架转动副12与第一手指固定架11连接，导向定位平台5固定不动，故在第一连杆14的作用下第一手指固定架11沿第一导向定位平台圆柱副13的轴线方向移动，可变手掌进行收缩或扩张运动，进而使镶嵌在第一手指固定架11上的第一被动手指1靠近或远离物体。

被动手指运动为第一被动手指1、第二被动手指3、第三被动手指7和第四被动手指9实现对物体的柔性被动包络，以第一被动手指1的运动为例进行说明：当第一被动手指1与物体接触时，物体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的内侧面部分将沿物体表面变形；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1可实现对被抓取物体21的面包络。

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可变手掌型柔性机械手爪，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；

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；

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架下表面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可变手掌型柔性机械手爪，其特征在于，所述手指固定架的下表面与所述被动手指的柔性轮廓的顶面部分镶嵌连接。