CN104889980A - 一种可实现被动包络的柔性机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现被动包络的柔性机械手爪，包括驱动平台、从动平台和三根相同的被动手指，三根被动手指以120°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，多根刚性杆设置在柔性轮廓内部，两端通过转动副与柔性轮廓连接；被动手指的指根部通过第一从动平台转动副连接于从动平台、指中部通过第一驱动平台转动副连接于驱动平台、指尖部伸出于驱动平台外部。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，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柔性机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、从动平台和三根相同的被动手指；

所述驱动平台为中心对称的壳体结构；所述从动平台为中心对称的平板结构，且该平板结构位于所述驱动平台的壳体结构内部；所述平板结构的对称中心与所述壳体结构的对称中心之间的连接直线s分别与所述壳体结构的顶面和所述平板结构相垂直；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；

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和长度大于所述内侧面部分的外侧面部分围成一体，所述外侧面部分与所述内侧面部分的间距由所述被动手指的指中部向两端的指根部和指尖部逐渐缩小；多组所述刚性杆沿指根部到指尖部的方向相互平行的间隔设置在所述外侧面部分与所述内侧面部分之间，每组所述刚性杆也相互平行且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外侧面部分和所述内侧面部分连接；

三根所述被动手指以所述连接直线s为中心线均匀分布，任意两根所述被动手指的夹角均为120°；每根所述被动手指的指根部通过第一从动平台转动副连接于所述从动平台的边缘，每根所述被动手指的指中部以其所述外侧面部分通过第一驱动平台转动副连接于所述驱动平台边缘，每根所述被动手指的指尖部伸出于所述驱动平台的壳体结构外部；第一从动平台转动副的转动轴线与第一驱动平台转动副的的转动轴线相互平行。

所述驱动平台为正三角形壳体结构、正六边形壳体结构或正十二边形壳体结构。

所述从动平台为正三角形平板结构、正六边形平板结构或正十二边形平板结构。

所述被动手指的指中部至指根部的区段与指中部至指尖部的区段相互对称。

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柔性机械手爪的第一被动手指(去掉第一柔性轮廓)的结构示意图。

图中：1、壳体结构；2、杆体；3、驱动平台；4、第二被动手指；5、第三被动手指；6、从动平台；7、第一被动手指；8、第一从动平台转动副；9、第一柔性轮廓；10、转动副；11、第一驱动平台转动副；12、刚性杆。

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柔性机械手爪，主要包括驱动平台、从动平台和三根结构、连接方式完全相同的被动手指。

驱动平台包括一个中心对称的壳体结构，该壳体结构的形状通常可选用正三角形、正六边形或正十二边形等。通过壳体结构对称中心且与壳体结构的顶面相垂直的线称为驱动平台轴线。

从动平台包括一个中心对称的平板结构，该平板结构的形状通常可选用正三角形、正六边形或正十二边形等，并且该平板结构位于驱动平台的壳体结构内部。通过平板结构对称中心且与平板结构所在平面相垂直的线称为从动平台轴线。

驱动平台的壳体结构的顶面与从动平台的平板结构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。

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。柔性轮廓由内侧面部分和外侧面部分围成一体，外侧面部分的长度大于内侧面部分，且外侧面部分与内侧面部分的间距由中间(被动手指的指中部)向两端(被动手指的指根部和指尖部)逐渐缩小，以便实现对物体的包络。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。每根刚性杆的两端分别通过转动副与柔性轮廓的外侧面部分和内侧面部分连接。这样，当柔性轮廓的内侧轮廓与物体接触时，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轮廓完成与内侧轮廓相似的运动，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。

三根被动手指以驱动平台轴线为中心在空间上均匀分布，两两被动手指的夹角均为120°，以使三根被动手指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。具体为每根被动手指的指根部以柔性轮廓通过第一从动平台转动副连接于从动平台的平板结构边缘，每根被动手指的指中部以柔性轮廓的外侧面部分通过第一驱动平台转动副连接于驱动平台的壳体结构边缘，每根被动手指的指尖部伸到驱动平台的壳体结构外部；其中第一从动平台转动副的转动轴线与第一驱动平台转动副的的转动轴线相互平行。这样，被动手指与物体接触时，在力的作用下被动手指的指中部可以绕第一驱动平台转动副的转动轴线进行转动，指根部可以绕第一从动平台转动副的转动轴线进行转动。

本发明的一种可实现被动包络的柔性机械手爪由驱动平台、从动平台和三根被动手指构成，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柔性机械手爪，主要由驱动平台3、从动平台6和三根被动手指构成，三根被动手指包括第一被动手指7、第二被动手指4和第三被动手指5。

驱动平台3包括正六边形的壳体结构1和圆柱形的杆体2，正六边形的壳体结构1由正六边形顶面和六个与顶面连接的相同侧壁面构成，圆柱形的杆体2垂直壳体结构1的顶面固定于其几何中心处。杆体2连接直线驱动器，可以在直线驱动器的作用下带动壳体结构1与其一同沿杆体2轴线e进行直线运动。

从动平台6位于驱动平台3的壳体结构1内部，为一个正三角形的平板结构，该平板结构与驱动平台3的壳体结构1顶面平行。通过平板结构对称中心且与平板结构所在平面相垂直的线称为从动平台6轴线f，从动平台6轴线f与驱动平台3的杆体2轴线e重合。

第一被动手指7、第二被动手指4和第三被动手指5以驱动平台3的杆体2轴线e为中心在空间上均匀分布，相互间夹角均为120度。第一被动手指7、第二被动手指4和第三被动手指5连接方式完全相同，均为指中部外侧通过第一驱动平台转动副11连接于驱动平台3的壳体结构1上不相邻的三条边边缘、指根部通过第一从动平台转动副8连接于从动平台6的平板结构的三条边边缘、指尖部伸出于驱动平台3的壳体结构1外部。

第一被动手指7、第二被动手指4和第三被动手指5的结构完全相同，本实施例仅以第一被动手指7为例进行详细描述。

如图3所示，第一被动手指7由第一柔性轮廓9、十六个刚性杆12、三十二个连接刚性杆12与第一柔性轮廓9的转动副10组成。

第一柔性轮廓9由尼龙66制成，并由内侧面部分和外侧面部分围成一个截面为等腰三角形(其顶角大于90度)的轮廓整体，该等腰三角形的底边位置对应为内侧面部分、两个相等的边(即等腰三角形的腰)所在的位置对应为外侧面部分。可见，第一柔性轮廓9外侧面部分与内侧面部分的间距由中心处向两端逐渐缩小直至为零，并且第一柔性轮廓9关于其在长度方向(第一被动手指7指根部到指尖部的方向)上的中心面(即前述等腰三角形的高所在的位置)两边对称。

如图4所示，十六个刚性杆12作为骨架间隔的分设在第一柔性轮廓9内部，包括不受力状态下均垂直于第一柔性轮廓9的内侧面部分的第一刚性杆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、第一刚性杆d、第一刚性杆AA、第一刚性杆aa、第一刚性杆BB、第一刚性杆bb、第一刚性杆CC、第一刚性杆cc、第一刚性杆DD和第一刚性杆dd。

第一刚性杆A、第一刚性杆B、第一刚性杆C、第一刚性杆D、第一刚性杆AA、第一刚性杆BB、第一刚性杆CC和第一刚性杆DD两两之间相互平行。

第一刚性杆A、第一刚性杆B、第一刚性杆C、第一刚性杆D、第一刚性杆AA、第一刚性杆BB、第一刚性杆CC和第一刚性杆DD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、第一刚性杆aa、第一刚性杆bb、第一刚性杆cc和第一刚性杆dd一一对应，称为一组；同组的两根刚性杆12长度相等且相互平行，并且关于第一柔性轮廓9在宽度方向(垂直于第一被动手指7指根部到指尖部的方向)上的中心面β对称。

同时，由于第一柔性轮廓9关于其在长度方向上的中心面两边对称，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、第一刚性杆d分别与第一刚性杆AA、第一刚性杆aa、第一刚性杆BB、第一刚性杆bb、第一刚性杆CC、第一刚性杆cc、第一刚性杆DD和第一刚性杆dd关于第一柔性轮廓9在长度方向(第一被动手指7指根部到指尖部的方向)上的中心面对称。

三十二个转动副10将刚性杆12与第一柔性轮廓9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、第一转动副d2、第一转动副AA1、第一转动副AA2、第一转动副aa1、第一转动副aa2、第一转动副BB1、第一转动副BB2、第一转动副bb1、第一转动副bb2、第一转动副CC1、第一转动副CC2、第一转动副cc1、第一转动副cc2、第一转动副DD1、第一转动副DD2、第一转动副dd1和第一转动副dd2。每根刚性杆12均通过相应转动副10与第一柔性轮廓9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9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9的内侧面部分连接；其他第一刚性杆12与第一柔性轮廓9的连接类似，此处不再赘述。

第一被动手指7的指中部以第一柔性轮廓9的外侧面部分通过第一驱动平台转动副11连接于驱动平台3的壳体结构1边缘。第一被动手指7的指根部以第一柔性轮廓9顶端通过第一从动平台转动副8连接于从动平台6的平板结构边缘。第一驱动平台转动副11的转动轴线h与第一从动平台转动副8的转动轴线g相互平行。

本实施例的可实现被动包络的柔性机械手爪的运动可分为两部分：手爪整体运动和被动手指运动。手爪整体运动为直线驱动器作用于驱动平台3的杆体2，使驱动平台3的壳体结构1随杆体2沿杆体2轴线e方向移动，进而使三根被动手指靠近或远离物体。被动手指运动实现对物体的柔性被动包络，以第一被动手指7的运动过程为例进行说明：当第一被动手指7与物体接触时，物体表面将对其第一柔性轮廓9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9的内侧面部分将沿物体表面变形，同时第一柔性轮廓9中部绕第一驱动平台转动副11转动，第一柔性轮廓9位于第一被动手指7指根部的顶端绕第一从动平台转动副8转动，从动平台6可对三个被动手指的指根部起到一定的约束作用；而第一柔性轮廓9的内侧面部分和外侧面部分由多根刚性杆12连接，每根刚性杆12可绕其两端对应的转动副10转动，故第一柔性轮廓9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12关于第一柔性轮廓9在宽度方向上的中心面β对称分布，综上第一被动手指7可实现对物体的面包络。

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 (4)

1.一种可实现被动包络的柔性机械手爪，其特征在于，包括驱动平台、从动平台和三根相同的被动手指；

所述驱动平台为中心对称的壳体结构；所述从动平台为中心对称的平板结构，且该平板结构位于所述驱动平台的壳体结构内部；所述平板结构的对称中心与所述壳体结构的对称中心之间的连接直线s分别与所述壳体结构的顶面和所述平板结构相垂直；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；

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和长度大于所述内侧面部分的外侧面部分围成一体，所述外侧面部分与所述内侧面部分的间距由所述被动手指的指中部向两端的指根部和指尖部逐渐缩小；多组所述刚性杆沿指根部到指尖部的方向相互平行的间隔设置在所述外侧面部分与所述内侧面部分之间，每组所述刚性杆也相互平行且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外侧面部分和所述内侧面部分连接；

三根所述被动手指以所述连接直线s为中心线均匀分布，任意两根所述被动手指的夹角均为120°；每根所述被动手指的指根部通过第一从动平台转动副连接于所述从动平台的边缘，每根所述被动手指的指中部以其所述外侧面部分通过第一驱动平台转动副连接于所述驱动平台边缘，每根所述被动手指的指尖部伸出于所述驱动平台的壳体结构外部；第一从动平台转动副的转动轴线与第一驱动平台转动副的的转动轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的柔性机械手爪，其特征在于，所述驱动平台为正三角形壳体结构、正六边形壳体结构或正十二边形壳体结构。

3.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的柔性机械手爪，其特征在于，所述从动平台为正三角形平板结构、正六边形平板结构或正十二边形平板结构。

4.根据权利要求1所述的一种可实现被动包络的柔性机械手爪，其特征在于，所述被动手指的指中部至指根部的区段与指中部至指尖部的区段相互对称。