CN104889998B - 具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，属于机器人技术领域，包括基座、两套指段和关节轴，还包括驱动器、传动件、两个传动轮、两个连杆、转轴、拨块和簧件。驱动器的输出轴与第一连杆相连，第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端与第二连杆的一端滑动镶嵌；两个传动轮分别套设在两个关节轴上，簧件的两端分别连接第一传动轮和基座，簧件使拨块靠向基座。该装置实现了平行自适应欠驱动抓取物体的特殊功能。该装置具有多种抓取模式：实现平行开合末端指段进行向内捏持或向外张开抓取，并可以自适应抓取；同时抓取范围大，体积小、外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，成本低，用较少驱动器驱动较多手指转动关节，无需传感和控制系统。

Description

具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手具有自由度多、体积小，出力大、抓取模式多的特点，这给模仿人手的拟人机器人手的研制带来困难。机器人手可以对物体进行抓持，并通过移动平台和臂部进行操作。现有的灵巧手是模仿人手的最高端装置，具有非常多的主动控制自由度，动作灵活，但是控制非常复杂，而且系统比较昂贵，难以自主适应未知环境，完成一个简单的抓取物体动作往往需要复杂的编程，对不同物体的抓取需要不同的编程，成本高，出力小，适应能力需要用到传感和控制系统。这些因素导致灵巧手难以广泛推广应用。

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，虽然缺少类似灵巧手的高主动控制灵活度，但是由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。工业夹持器一般采用捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取；耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。上述三种手均有很大的提升空间。现实中很需要一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。

已有的一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，如中国专利CN102161204B，可以实现先耦合转动多个关节，然后再自适应抓取的功能，其不足之处在于，该装置的抓取范围小；抓取物体时要求物体最初必须靠近基座和近指段，降低了抓取效率；无法实施平行捏持，也无法实现向外平行张开抓取物体。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持、向外张开抓取或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置的抓取范围小，多连杆机构体积大，外观不拟人，缺乏柔顺性，制造成本高。

本发明提供的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置能够更好的实现较多抓取模式、较多关节自由度、较少驱动器和较强自适应性这多个重要目标。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，该装置具有多种抓取模式：实现平行开合末端指段进行向内捏持或向外张开抓取，并可以自适应抓取；同时抓取范围大，体积小、外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，成本低，用较少驱动器驱动较多手指转动关节，无需传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；其特征在于：该具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置还包括驱动器、第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一连杆、第二连杆、转轴、拨块和簧件；所述的驱动器与基座固接，驱动器的输出轴与第一连杆相连，第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端与第二连杆的一端滑动镶嵌；所述的近关节轴套设在基座中；所述的第一指段活动套接在近关节轴上；所述的远关节轴活动套设在第一指段中；所述的第二指段套固在远关节轴上；所述的第一传动轮活动套设在近关节轴上，所述簧件的两端分别连接第一传动轮和基座；所述的拨块一端和第一传动轮固接，另一端与基座活动接触，簧件使拨块靠向基座；所述的第二传动轮套固在远关节轴上；所述转轴套设在第二传动轮上，转轴的轴线与第二传动轮的轴线平行且不重合；设第一传动轮的中心点为A，第二传动轮的中心点为B，转轴的中心点为C，线段AB与线段BC所成夹角大于90°；所述第二连杆的另一端套接在转轴上；所述的传动件连接第一传动轮和第二传动轮。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的第一连杆与第二连杆滑动镶嵌方向平行于线段AC。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用一对传动轮机构、滑动镶嵌的摆动双连杆、套接活动的中部指段及簧件等综合实现了平行自适应欠驱动抓取物体的特殊功能。该装置具有多种抓取模式：实现平行开合末端指段进行向内捏持或向外张开抓取，并可以自适应抓取；同时抓取范围大，体积小、外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，成本低，用较少驱动器驱动较多手指转动关节，无需传感和控制系统。

附图说明

图1是本发明提供的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置的实施例的正面外观图。

图2是图1的左侧外观图。

图3是图1的剖视图(正面剖视图)。

图4是图2的剖视图(侧面剖视图)。

图5、图6、图7是本实施例抓取物体的一种方式——第二指段平动夹持物体过程示意。

图8、图9、图10、图11、图12是本实施例抓取物体的另一种方式——自适应握持物体过程示意。

在图1至图12中：

1－驱动器， 2－基座， 3－第一指段，

4－第二指段， 5－近关节轴， 6－远关节轴，

7－第一传动轮， 8－第二传动轮， 9－传动件，

10－第一连杆， 11－第二连杆， 12－转轴，

13－拨块， 14－簧件， 15－物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4所示，包括驱动器1、基座2、第一指段3、第二指段4、近关节轴5、远关节轴6、第一传动轮7、第二传动轮8、传动件9、第一连杆10、第二连杆11、转轴12、拨块13和簧件14；所述的驱动器1与基座2固接，驱动器1的输出轴与第一连杆10相连，第一连杆10的一端套接在近关节轴5上，第一连杆10的另一端与第二连杆11的一端滑动镶嵌；所述的近关节轴5套设在基座中；所述的第一指段3活动套接在近关节轴5上；所述的远关节轴6活动套设在第一指段3中；所述的第二指段4套固在远关节轴6上；所述的第一传动轮7活动套设在近关节轴5上，所述簧件14的两端分别连接第一传动轮7和基座2；所述的拨块13一端和第一传动轮7固接，另一端与基座2活动接触，簧件14使拨块13靠向基座；所述的第二传动轮8套固在远关节轴6上；所述转轴12套设在第二传动轮8上，转轴12的轴线与第二传动轮8的轴线平行且不重合；设第一传动轮7的中心点为A，第二传动轮8的中心点为B，转轴12的中心点为C，线段AB与线段BC所成夹角大于90°；所述第二连杆11的另一端套接在转轴12上；所述的传动件9连接第一传动轮7和第二传动轮8。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器1采用电机、气缸或液压缸。在本实施例中，所述的驱动器1采用电机。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件14采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。在本实施例中，所述的簧件14采用扭簧。

本发明所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件9采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮7采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮8采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系。在本实施例中，所述的传动件9采用传动带，所述的第一传动轮7采用带轮，所述的第二传动轮8采用带轮，所述的传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系。

在本实施例中，所述的第一连杆与第二连杆滑动镶嵌方向平行于线段AC。

本实施例的工作原理，如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，叙述如下：

该装置的初始位置如图5、图8所示，此时第一指段3相对于基座2处于伸直状态，远关节轴6的轴线相对于基座2固定；由于拨块13一端与第一传动轮7固接，第一传动轮7通过传动件9与第二传动轮8连接，第二传动轮8套固在远关节轴6上，第二指段4套固在远关节轴6上，因此拨块13相对基座的位置决定了第二指段4相对基座的位置；簧件14迫使拨块13与基座2接触，使得第二指段4相对于基座2处于伸直状态；此时整个手指处于伸直状态。

本实施例的抓取方式有两种，分别叙述如下：

(a)第二指段平动夹持物体过程

当机器人手指装置抓取物体15时，电机1正转，通过减速器带动第一连杆10转动，第一连杆10通过活动镶嵌带动第二连杆11转动，第二连杆11通过转轴12带动第二传动轮8运动。在本实施例中，第一传动轮7与第二传动轮8直径相等。由于第一传动轮7在簧件14的约束下相对基座2静止，传动件9约束第二传动轮8只能平移而不能旋转，因此第一指段3相对基座2旋转，第二指段4相对基座2平移，直到第二指段4接触物体15。

下面说明第二指段4接触物体15后将一直保持相对基座伸直的状态。第二指段4在物体15的反作用力下，第二指段4有逆转的趋势；电机1通过减速机构、第一连杆10、第二连杆11约束转轴12的位置；第二指段4的逆转趋势通过传动件9使第一传动轮7产生逆转趋势，而基座2对拨块13的约束防止了第一传动轮7逆转，因此第二指段4接触物体15后将一直保持相对基座2伸直。综上所述，本实施例在物体不动的情况下实现了平动夹持的功能。具体运动方式如图5、图6、图7所示。

放开物体的过程与上述抓取物体的过程相同，电机1反转，带动第一连杆10、第二连杆11、转轴12相对基座2反转；基座2迫使拨块13相对基座2静止，第一传动轮7相对基座2静止，在第二传动件9约束下，第二传动轮8相对基座2平移；于是第一指段3反转，第二指段4平移，实现放开物体15，最终回复到手指初始的伸直状态。

(b)自适应握持物体过程

当机器人手指装置抓取物体15时，电机1正转，通过减速器带动第一连杆10转动，第一连杆10通过活动镶嵌带动第二连杆11转动，第二连杆11通过转轴12带动第二传动轮8运动。在本实施例中，第一传动轮7与第二传动轮8直径相等。由于第一传动轮7在簧件14的约束下相对基座2静止，传动件9约束第二传动轮8只能平移而不能旋转，因此第一指段3相对基座2旋转，第二指段4相对基座2平移，直到第一指段3接触物体15。此时远关节轴6的轴线不能再运动，之后将一直保持相对基座2静止。电机1继续正转，带动第一连杆10、第二连杆11相对基座2正转。由于线段AB与线段BC所成夹角大于90°，所以第二连杆11带动转轴12相对远关节轴6的轴线正转，于是第二传动轮8正转。第二传动轮8通过传动件9带动第一传动轮7正转，簧件14被拉紧。第二传动轮8的正转又会带动远关节轴6正转，远关节轴6带动第二指段4正转，直到第二指段4接触物体15。该自适应抓取实现了对不同形状大小物体的抓取，减轻了对控制系统的要求。自适应握持物体的过程如图8、图9、图10、图11、图12所示。

放开物体的过程与上述抓取物体的过程相同，电机1反转，将带动第一连杆10、第二连杆11、转轴12相对基座2反转；簧件14迫使第一传动轮7反转，第一传动轮7通过传动件9带动第二传动轮8反转，第二传动轮8的反转使得第二传动轮8的轴线相对转轴12产生靠近物体15的趋势，所以第一指段3与物体15一直有接触力。同时，第二传动轮8的反转带动第二指段4反转，直到第二指段4相对基座2伸直(此时拨块13与基座2接触)。之后电机1继续反转，基座2迫使拨块13相对基座2静止，第一传动轮7相对基座2静止，在第二传动件9约束下，第二传动轮8相对基座2平移；于是第一指段3反转，第二指段4平移，实现放开物体15，最终回复到手指初始的伸直状态。

综合(a)和(b)抓取过程可知，本发明装置利用一对传动轮机构、滑动镶嵌的摆动双连杆、套接活动的中部指段及簧件等综合实现了平行自适应欠驱动抓取物体的特殊功能。该装置具有多种抓取模式：实现平行开合末端指段进行向内捏持或向外张开抓取，并可以自适应抓取；同时抓取范围大，体积小、外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，成本低，用较少驱动器驱动较多手指转动关节，无需传感和控制系统。

Claims (5)

1.一种具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；其特征在于：该具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置还包括驱动器、第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一连杆、第二连杆、转轴、拨块和簧件；所述的驱动器与基座固接，驱动器的输出轴与第一连杆相连，第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端与第二连杆的一端滑动镶嵌；所述的近关节轴套设在基座中；所述的第一指段活动套接在近关节轴上；所述的远关节轴活动套设在第一指段中；所述的第二指段套固在远关节轴上；所述的第一传动轮活动套设在近关节轴上，所述簧件的两端分别连接第一传动轮和基座；所述的拨块一端和第一传动轮固接，另一端与基座活动接触，簧件使拨块靠向基座；所述的第二传动轮套固在远关节轴上；所述转轴套设在第二传动轮上，转轴的轴线与第二传动轮的轴线平行且不重合；设第一传动轮的中心点为A，第二传动轮的中心点为B，转轴的中心点为C，线段AB与线段BC所成夹角大于90°；所述第二连杆的另一端套接在转轴上；所述的传动件连接第一传动轮和第二传动轮。

2.如权利要求1所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器采用电机、气缸或液压缸。

3.如权利要求1所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

4.如权利要求1所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系。

5.如权利要求1所述的具有包络与夹持功能的欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的第一连杆与第二连杆滑动镶嵌方向平行于线段AC。

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