CN105364937B - 连杆式可变抓取力协同自适应手指装置 - Google Patents

Abstract

连杆式可变抓取力协同自适应手指装置，属于机器人手技术领域，包括多个指段、多个关节轴、多个簧件、腱绳、多个主动杆、多个从动杆、多个连接杆、多个拨杆和多个拨动件等。本发明装置利用电机、传动机构、拨动件、拨杆、主动杆、从动杆、连接杆、拉绳件、腱绳和簧件等综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，防止手指回弹失稳，可以提供较大的抓取力，且抓取力可变；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，重量轻，控制容易，设计、制造、装配和维护成本低。

Description

连杆式可变抓取力协同自适应手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种连杆式可变抓取力协同自适应手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人最重要的组件之一，机器人手的结构设计和功能改进等关键技术对机器人来说至关重要。现有的机器人手主要可分为拟人手和非拟人手，两者都拥有非常广泛的应用。由于人的手非常灵活，功能强大，在仿生学上有很大的研究学习价值，拟人机器人手的开发有很大的前景。目前的拟人机器人手主要分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

一方面，机器人手需要实现抓取、搬运和操作不同形状和大小的复杂物体，这对于机器人手的控制精度等方面要求较高；另一方面，拟人机器人手要求大小合适、重量小等特点。现有的工业夹持器功能简单，适用范围较小。现有的灵巧手有足够的关节和驱动器来完成各种精准动作，但是非常复杂和昂贵。而欠驱动手由于自身的自适应性等特点在一定程度上解决了这一矛盾。

带有自适应等特点的欠驱动手体积小、重量轻，在抓取物体的过程中可以改变抓取角度以此自动适应物体的形状，控制简单、准确、稳定。

已有的一种自适应抓取物体的机械手装置(发明专利US2006129248A1)，手指部分主要包括基座、四个指段、三个簧件和一根腱绳。抓取物体时，先拉动腱绳使得手指伸直，然后放松腱绳，依靠簧件自身弹性使手指弯曲包络抓取物体。由于每个关节都具有簧件，手指在抓取物体的过程中可以配合物体形状按照相应角度弯曲，具有良好的自适应性。

该装置不足之处在于：

1)该装置的簧件抓取力尽量大与伸直手指所用腱绳的拉力尽量小之间存在矛盾。为了保证抓取力较大，需要的簧件劲度系数较大，导致拉动腱绳伸直手指所需的拉力较大；若要腱绳伸直手指所需的拉力较小，采用较弱的簧件，则抓取力过小。

2)该装置难以提供更大范围的抓取力。该装置采用固定的簧件，提供的抓取力局限在固定的较小范围内；该装置在抓取物体过程中主要依靠簧件提供的抓取力，如果簧件比较弱，就无法利用与之相连的手臂的力量，在提取重物时会发生抓取失效，比如提取很沉重的行李箱时，一般采用臂部力量提取，但是手指要有足够的力量确保弯曲的构型。

3)过大劲度系数的簧件可能导致抓取物体时发生手指快速冲撞物体，从而导致挤跑物体的失稳现象。

4)该装置在振动环境下使用会有抓取失效的可能。

已有的一种自锁气动欠驱动机器人手指装置，该装置具有自适应抓取功能，采用棘轮棘爪实现抓取过程中的自锁，并采用电机拉动棘爪实现解锁。

该装置的不足之处在于：

1)该装置需要有推动力才能实现自适应弯曲。此推动力来自手指与物体的相对运动：由物体挤压手指上的滑块，利用气力传动来推动下一指段弯曲。

2)该装置可锁定的关节角度是不连续的。由于棘轮的轮齿有一定的齿距，锁定不连续；如果齿距设计得较大会降低锁定精度，如果齿距设计得较小，则会降低齿高，影响锁定效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种连杆式可变抓取力协同自适应手指装置，该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式；抓取后锁定关节，防止手指回弹失稳，可以提供较大的抓取力，且抓取力可变；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，重量轻，控制容易。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种连杆式可变抓取力协同自适应手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个关节轮和N-1个第一类簧件；所述电机与第一个指段固接，所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴和第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与拉绳件相连，所述拉绳件与腱绳的一端固接，腱绳的另一端与最后一个指段固接；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；所述第i个关节轴套设在第i个指段中，所述第i+1个指段套接在第i个关节轴上，所述第i个关节轮套接在第i个关节轴上，所述第i个第一类簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括拨动件、第二传动机构、N-2个主动杆、N-2个从动杆、N-2个连接杆、N-1个拨杆、N-2个主动转轴、N-2个从动转轴和N-1个第二类簧件；所述拨动件平动或转动设置在第一指段中，所述第二传动机构的输入端与拨动件相连；所述第二传动机构的输出端与第1个主动杆相连；所述第q个主动杆套接在第q个关节轴上，所述第q个从动杆套接在第q+1个关节轴上，所述第q个连接杆的一端通过第q个主动转轴铰接在第q个主动杆上，第q个连接杆的另一端通过第q个从动转轴铰接在第q个从动杆上；所有所述主动转轴、从动转轴与关节轴均相互平行；所述第1个第二类簧件的两端分别连接第1个主动杆和第1个拨杆，所述第q+1个第二类簧件的两端分别连接第q个从动杆和第q+1个拨杆；所述第i个拨杆套接在第i个关节轴上，第i个拨杆在转动过程中接触第i+1个指段；所述拉绳件在放绳运动过程中接触拨动件，其中，N为大于2的自然数，i为1、2……或N-1，q为1、2……或N-2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、传动机构、拨动件、拨杆、主动杆、从动杆、连接杆、拉绳件、腱绳和簧件等综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸，适应能力强；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式，特别对不同材质、重量的物体具有很强的适应能力；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面，可以提供较大的抓取力，且抓取力可变，锁定后的手指装置可近似看做一个刚体，其承载力方面能够更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对比较沉重物体(比如行李箱)的提取；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，重量轻，控制容易，设计、制造、装配和维护成本低。

附图说明

图1是本发明提供的连杆式可变抓取力协同自适应手指装置的一种实施例的正面阶梯剖视图。

图2是图1所示实施例的右侧面外观图。

图3是图1所示实施例的后面外观图。

图4是图6的B-B剖视图。

图5是图6的C-C剖视图.

图6是图1所示实施例的俯视图。

图7是图1所示实施例中第一传动机构及动力机构的示意图。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9是图1所示实施例中连杆机构的示意图。

图10是图1所示实施例中拉绳件和拨动件的示意图。

图11至图13是拨动件与拉绳件活动接触的示意图。

图14至图21是图1所示实施例的协同自适应锁定过程示意图。

图22是图24是所示实施例自适应抓取物体的示意图。

图25是图27是所示实施例自适应抓握大尺寸不同形状物体的示意图。

图28至图30是所示实施例协同自适应抓取重物的示意图。

在图1至图30中：

1–腱绳，

11–电机， 12–减速器， 13–主动锥齿轮， 14–从动锥齿轮，

15–拉绳件， 16–第一传动机构轴，

21–第一个指段， 22–第二个指段， 23–第三个指段，

31–第一个关节轴， 32–第二个关节轴， 33–关节轮，

41–第一类簧件， 42–第二类簧件，

51–主动杆， 52–从动杆， 53–连接杆， 54–主动转轴，

55–从动转轴，

61–拨动件， 62–转动带， 63–从动带轮，

71–第一个拨杆， 72–第二个拨杆，

81–物体， 82–支承面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明提供的一种连杆式可变抓取力协同自适应手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个关节轮和N-1个第一类簧件；所述电机与第一个指段固接，所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴和第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与拉绳件相连，所述拉绳件与腱绳的一端固接，腱绳的另一端与最后一个指段固接；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；所述第i个关节轴套设在第i个指段中，所述第i+1个指段套接在第i个关节轴上，所述第i个关节轮套接在第i个关节轴上，所述第i个第一类簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括拨动件、第二传动机构、N-2个主动杆、N-2个从动杆、N-2个连接杆、N-1个拨杆、N-2个主动转轴、N-2个从动转轴和N-1个第二类簧件；所述拨动件平动或转动设置在第一指段中，所述第二传动机构的输入端与拨动件相连；所述第二传动机构的输出端与第1个主动杆相连；所述第q个主动杆套接在第q个关节轴上，所述第q个从动杆套接在第q+1个关节轴上，所述第q个连接杆的一端通过第q个主动转轴铰接在第q个主动杆上，第q个连接杆的另一端通过第q个从动转轴铰接在第q个从动杆上；所有所述主动转轴、从动转轴与关节轴均相互平行；所述第1个第二类簧件的两端分别连接第1个主动杆和第1个拨杆，所述第q+1个第二类簧件的两端分别连接第q个从动杆和q+1个拨杆；所述第i个拨杆套接在第i个关节轴上，第i个拨杆在转动过程中接触第i+1个指段；所述拉绳件在放绳运动过程中接触拨动件，其中，N为大于2的自然数，i为1、2……或N-1，q为1、2……或N-2。

取N＝3，下面给出实施例进行详细说明。

本发明设计的连杆式可变抓取力协同自适应手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、3个指段、2个关节轴、2个关节轮和2个第一类簧件；所述电机与第一个指段固接，所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴和第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与拉绳件相连，所述拉绳件与腱绳的一端固接，腱绳的另一端与最后一个指段固接；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；所述第i个关节轴套设在第i个指段中，所述第i+1个指段套接在第i个关节轴上，所述第i个关节轮套接在第i个关节轴上，所述第i个第一类簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括拨动件、第二传动机构、1个主动杆、1个从动杆、1个连接杆、2个拨杆、1个主动转轴、1个从动转轴和2个第二类簧件；所述拨动件平动或转动设置在第一指段中，所述第二传动机构的输入端与拨动件相连；所述第二传动机构的输出端与第一个主动杆相连；所述主动杆套接在第一个关节轴上，所述从动杆套接在第而个关节轴上，所述连接杆的一端通过主动转轴铰接在主动杆上，连接杆的另一端通过从动转轴铰接在从动杆上；所有所述主动转轴、从动转轴与关节轴均相互平行；所述第一个第二类簧件的两端分别连接第一个主动杆和第一个拨杆，所述第二个第二类簧件的两端分别连接从动杆和第二个拨杆；所述第i个拨杆套接在第i个关节轴上，第i个拨杆在转动过程中接触第i+1个指段；所述拉绳件在放绳运动过程中接触拨动件，其中，i为1或2。

本实施例的工作原理如图11至图21所示，叙述如下：

图11至图21主要表达了该手指装置拉伸弯曲以及锁定的过程原理示意图。

首先电机开动，经减速器、主动锥齿轮、从动锥齿轮和第一传动机构轴带动拉绳件转动，使得腱绳被拉紧，手指由弯曲状态被拉伸至伸直状态，准备抓取物体；此时第一个拨杆、第二个拨杆分别与第二个指段、第三个指段接触；拉绳件与拨动件不接触；接着电机反向转动，使得拉绳件跟着反向转动，如图11所示；在拉绳件转过180°前，腱绳完全被放松，第一个第一类簧件和第二个第一类簧件的弹性力使得手指逐渐弯曲；当腱绳被完全放松后，在没有抓取物体的情况下，手指完全弯曲成握紧状态，第一个拨杆与第二个指段分离，第二个拨杆与第三个指段分离。此时电机接着转动，带动拉绳件继续转动，拉绳件上的凸起接触拨动件上的凸起，拉绳件带动拨动件转动，如图12、图13所示；拨动件通过第二传动机构使得主动杆绕第一个关节轴转动，主动杆使得第一个拨杆绕第一个关节轴转动，使得从动杆和第二个拨杆绕第二个关节轴转动，直到第一个拨杆或第二个拨杆接触锁定第二个指段或第三个指段；当第一个拨杆先接触第二个指段时，第一个第二类簧件受扭矩作用转动，第一个拨杆不再绕第一个关节轴转动，第二个指段与物体保持接触并增大接触力；主动杆绕第一个关节轴继续转动，从动杆和第二个拨杆绕第二个关节轴继续转动，直到第二个拨杆与第三个指段接触，此时第二个第二类簧件继续受扭矩作用转动，第二个拨杆不再绕第二个关节轴转动，第三个指段与物体保持接触并增大接触力。此时锁定电机，则整个手指各相邻指段相对固定，可维持现有形状不变化，且获得适合的抓取力。当电机再次正转，拉绳件上的凸起与拨动件上的凸起相分离，第一个第二类簧件和第二个第二类簧件的弹性力使得第一个拨杆和第二个拨杆分别离开第二个指段和第三个指段，以此便完成了解除锁定的过程；之后拉绳件转动使腱绳绷紧，手指恢复伸直状态。

在本实施例中，第i个第一类簧件为扭簧，其套接在第i个关节轴上，径向伸出的两部分一个部分与第i个指段相连，另一部分与第i+1个指段相连。初始状态下径向伸出的两部分互相垂直，使得手指呈弯曲形态，当腱绳被完全拉紧后扭簧伸出的两部分共线，此时手指呈伸直形态。

本实施例的工作过程如图22至图30所示，表达了本实施例的抓取不同形状、尺寸和重量的情况，具体叙述如下：

第一种情况如图22、图23、图24所示，为较小尺寸物体抓取过程。首先，拉动腱绳使手指伸直，接着移动手指使其靠近物体；放松腱绳，手指逐渐弯曲，第一个指段和第二个指段先后接触到物体以后，第一个第一类簧件不再回复，第一个关节轴停止转动；当第三个指段完全接触到物体后，整个手指装置便自适应地完成了抓取物体过程。由于物体的体积较小，质量较小，所以此时不需使用协同锁定功能也能实施稳定可靠的抓取任务。

第二种情况如图25、图26、图27所示，为不规则形状物体抓取过程。本情况的抓取过程与第一种情况基本类似，且物体也相对轻便小巧，可以使用协同锁定功能也可以不使用，两种选择都能达到较好的效果。

第三种情况如图28、图29、图30所示，为抓取重量较大物体并移动的过程。抓取过程与第一类基本相似，但在这种情况下需要使用锁定功能。当手指已经包络物体以后，接着转动电机放松腱绳，当腱绳完全放松后便可接着通过第一传动机构、第二传动机构、主动杆、从动杆带动第一个拨杆和第二个拨杆运动，第一个拨杆接触锁定第二个指段，第二个拨杆接触锁定第三个指段。通过自适应抓取加关节协同锁定两个过程，使得手指可以抓取较重物体，且抓取过程快速、稳定。

本发明装置利用电机、传动机构、拨动件、拨杆、主动杆、从动杆、连接杆、拉绳件、腱绳和簧件等综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸，适应能力强；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式，特别对不同材质、重量的物体具有很强的适应能力；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面，可以提供较大的抓取力，且抓取力可变，锁定后的手指装置可近似看做一个刚体，其承载力方面能够更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对比较沉重物体(比如行李箱)的提取；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，重量轻，控制容易，设计、制造、装配和维护成本低。

Claims (1)

1.一种连杆式可变抓取力协同自适应手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个关节轮和N-1个第一类簧件；所述电机与第一个指段固接，所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴和第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与拉绳件相连，所述拉绳件与腱绳的一端固接，腱绳的另一端与最后一个指段固接；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；第i个关节轴套设在第i个指段中，第i+1个指段套接在第i个关节轴上，第i个关节轮套接在第i个关节轴上，第i个第一类簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括拨动件、第二传动机构、N-2个主动杆、N-2个从动杆、N-2个连接杆、N-1个拨杆、N-2个主动转轴、N-2个从动转轴和N-1个第二类簧件；所述拨动件平动或转动设置在第一指段中，所述第二传动机构的输入端与拨动件相连；所述第二传动机构的输出端与第1个主动杆相连；第q个主动杆套接在第q个关节轴上，第q个从动杆套接在第q+1个关节轴上，第q个连接杆的一端通过第q个主动转轴铰接在第q个主动杆上，第q个连接杆的另一端通过第q个从动转轴铰接在第q个从动杆上；所有所述主动转轴、从动转轴与关节轴均相互平行；第1个第二类簧件的两端分别连接第1个主动杆和第1个拨杆，第q+1个第二类簧件的两端分别连接第q个从动杆和第q+1个拨杆；第i个拨杆套接在第i个关节轴上，第i个拨杆在转动过程中接触第i+1个指段；所述拉绳件在放绳运动过程中接触拨动件，其中，N为大于2的自然数，i为1、2……或N-1，q为1、2……或N-2。