CN105415392A - 一种大范围抓取欠驱动多适应机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大范围抓取欠驱动多适应机械手，其包括有支撑架和单手指机构，所述单手指机构包括有气缸座、气缸、前指节、中指节、末指节、第一连杆、第二连杆、V形连杆和第三连杆，当所述气缸带动推动关节向前移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向前翻转，并通过第三连杆向前指节施以推力，以令单手指机构呈合拢状态；当所述气缸带动推动关节向后移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向后翻转，并通过第三连杆向前指节施以拉力，以令单手指机构呈张开状态。本发明能实现大范围抓取，并具有结构简单、可靠性好、易于推广使用、便于维修和更换等有益效果。

Description

一种大范围抓取欠驱动多适应机械手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种大范围抓取欠驱动多适应机械手。

背景技术

机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。有关机械手的技术，加拿大MDROBOTICS公司与Laval大学合作研制了非拟人手通用欠驱动手爪SARAH，并且作为一种自适应辅助空间换出工具，其手指的开合、换向任务由强力和可控的力矩电机控制，可以用来执行多种空间抓取任务，这种手爪共10个自由度，3个手指，每个手指有3个关节，另外附加1个转动自由度，整个手爪只用两个电机驱动，一个电机负责手爪的开合，另一个负责手指的转向，采用平面直齿轮差动方式，形成一路输入三路输出，分别去驱动三个手指开合，并通过槽轮机构对三个手指中的两个进行位置调整，进行转向，以适合不同形状物体的抓取。但是这种机械手存在以下缺陷:

1、现有的各种灵巧机械手及欠驱动机械手，虽然自由度和适应性强，但是结构过于复杂，结构优化需要非常专业的手段及知识；

2、现有连杆式欠驱动机械手中的3个关节均可转动，一般实现包络抓取动作，而捏取需要增加一个平行四边形连杆辅助机构，在运行时为保证可靠性，需要附加多个弹簧，多个限位等机构保证可靠运行，结构复杂，制造成本高昂；

3、现有连杆式欠驱动机械手，由于传感器多，驱动结构复杂，造成控制系统复杂，并成本昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能实现大范围抓取、结构简单、可靠性好、易于推广使用、便于维修和更换的欠驱动多适应机械手。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种大范围抓取欠驱动多适应机械手，其包括有支撑架，所述支撑架上设有至少两个相对的单手指机构，其中：所述单手指机构包括有气缸座、气缸、前指节、中指节、末指节、第一连杆、第二连杆、V形连杆和第三连杆，所述气缸座和末指节均固定在支撑架上，所述气缸的末端与气缸座铰链连接，所述气缸的前端用于驱动一推动关节前后移动，所述推动关节依次穿过第一连杆的一端和第二连杆的一端，且所述第一连杆和第二连杆均与推动关节转动连接，所述第一连杆的另一端与末指节铰链连接，所述第二连杆的另一端与V形连杆的中间部铰链连接，所述末指节的前端设有第一转轴，所述V形连杆的一端和中指节的后端均与该第一转轴转动连接，所述前指节的末端设有第二转轴和第三转轴，所述第三转轴设于第二转轴上方，所述中指节的前端与第二转轴转动连接，所述V形连杆的另一端与第三连杆的后端铰链连接，所述第三连杆的前端与第三转轴转动连接；当所述气缸带动推动关节向前移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向前翻转，并通过第三连杆向前指节施以推力，以令前指节绕第二转轴向下转动、中指节绕第一转轴向下转动，所述单手指机构呈合拢状态；当所述气缸带动推动关节向后移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向后翻转，并通过第三连杆向前指节施以拉力，以令前指节绕第二转轴向上转动、中指节绕第一转轴向上转动，所述单手指机构呈张开状态。

优选地，所述支撑架上固定有第一限位块，所述第一限位块的前端形成有凸块，所述凸块的下方开设有凹口，所述中指节的末端形成有端面，所述单手指机构呈张开状态时，所述中指节的端面抵接于凸块，且所述凹口与端面之间存在空隙。

优选地，所述端面的底部形成有弧形面。

优选地，所述支架上固定有第二限位块，所述第二限位块设于前指节的上方，所述单手指机构呈张开状态时，所述前指节抵接于第二限位块。

优选地，所述支架的侧部设有感应开关，所述感应开关包括有感应片，所述感应片向支撑架下方延伸，且当所述感应片感应到工件时，所述气缸带动推动关节向前移动，以令单手指机构合拢。

优选地，所述前指节上固定有齿形片，所述齿形片的齿牙朝下。

优选地，所述支撑架上设有四个单手指机构，四个单手指机构分设于支撑架的两侧。

优选地，所述支撑架的中间处固定有手臂，所述手臂由支撑架的顶部向上延伸。

本发明公开的欠驱动多适应机械手，其相比现有技术而言的有益效果在于：首先，本发明实现了对形状变异大，尺寸变化大的工件抓取，并在复杂的环境下实现抓取，同时，面对工业应用，能尽量减低各种不可靠因素、降低故障率，使其稳定运行，具有可推广性和商业化应用的成本优势，其次，该机械手具有灵活的反应，可以实现生产效率的最大化，此外，本发明还具有加工、组装简单、维修方便的特点，通过手指零部件的模块化设置，从而得到更广泛的使用范围。

附图说明

图1为本发明欠驱动多适应机械手的立体图。

图2为单手指机构的侧视图。

图3为图1中A部分的放大图。

图4为图2中B部分的放大图。

图5为单手指机构的立体图。

图6为本发明欠驱动多适应机械手抓取工件时的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种大范围抓取欠驱动多适应机械手，结合图1至图6所示，其包括有支撑架1，所述支撑架1上设有至少两个相对的单手指机构2，其中：

所述单手指机构2包括有气缸座20、气缸21、前指节22、中指节23、末指节24、第一连杆25、第二连杆26、V形连杆27和第三连杆28，所述气缸座20和末指节24均固定在支撑架1上，所述气缸21的末端与气缸座20铰链连接，所述气缸21的前端用于驱动一推动关节210前后移动，所述推动关节210依次穿过第一连杆25的一端和第二连杆26的一端，且所述第一连杆25和第二连杆26均与推动关节210转动连接，所述第一连杆25的另一端与末指节24铰链连接，所述第二连杆26的另一端与V形连杆27的中间部铰链连接，所述末指节24的前端设有第一转轴240，所述V形连杆27的一端和中指节23的后端均与该第一转轴240转动连接，所述前指节22的末端设有第二转轴220和第三转轴221，所述第三转轴221设于第二转轴220上方，所述中指节23的前端与第二转轴220转动连接，所述V形连杆27的另一端与第三连杆28的后端铰链连接，所述第三连杆28的前端与第三转轴221转动连接；

当所述气缸21带动推动关节210向前移动时，藉由第二连杆26驱使V形连杆27向前翻转，并通过第三连杆28向前指节22施以推力，以令前指节22绕第二转轴220向下转动、中指节23绕第一转轴240向下转动，所述单手指机构2呈合拢状态；

当所述气缸21带动推动关节210向后移动时，藉由第二连杆26驱使V形连杆27向后翻转，并通过第三连杆28向前指节22施以拉力，以令前指节22绕第二转轴220向上转动、中指节23绕第一转轴240向上转动，所述单手指机构2呈张开状态。

由于气缸21的末端与气缸座20铰链连接，所以当气缸21带动推动关节210前后移动时，该气缸21与支撑架1之间的角度随之变化，以满足对受力方向的适当调整。关于自由度的计算过程，有如下公式：

dof＝3m-2PL-PH；

其中，m为运动构件数量，PL为低副运动总数，PH为高副运动总数；而前指节和中指节均是运动件，即m＝2，具有两个转动副，即PL＝2,没有高副，即PH＝0，带入上式，有：dof＝3*2-2*2-0＝2；因此，每个单手指机构有两个自由度。

上述欠驱动多适应机械手，当气缸21向前推动时，单手指机构2向合拢状态转化，直至中指节和前指节将工件稳定包络抓取或者捏取夹持后，才停止动作，进而达到稳定夹取的效果。首先，本发明实现了对形状变异大，尺寸变化大的工件抓取，并在复杂的环境下实现抓取，同时，面对工业应用，能尽量减低各种不可靠因素、降低故障率，使其稳定运行，具有可推广性和商业化应用的成本优势，其次，该机械手具有灵活的反应，可以实现生产效率的最大化，此外，本发明还具有加工、组装简单、维修方便的特点，通过手指零部件的模块化设置，从而得到更广泛的使用范围。

作为一种优选方式，所述支撑架1上固定有第一限位块3，所述第一限位块3的前端形成有凸块30，所述凸块30的下方开设有凹口31，所述中指节23的末端形成有端面230，所述单手指机构2呈张开状态时，所述中指节23的端面230抵接于凸块30，且所述凹口31与端面230之间存在空隙。所述端面230的底部形成有弧形面231。

进一步地，所述支架1上固定有第二限位块4，所述第二限位块4设于前指节22的上方，所述单手指机构2呈张开状态时，所述前指节22抵接于第二限位块4。所述支撑架1上设有四个单手指机构2，四个单手指机构2分设于支撑架1的两侧。

其中，所述支架1的侧部设有感应开关5，所述感应开关5包括有感应片50，所述感应片50向支撑架1下方延伸，且当所述感应片50感应到工件100时，所述气缸21带动推动关节210向前移动，以令单手指机构2合拢。

其中，本发明采用4个单手指机构2配合动作，但是实际应用中不限于4个机械手指组合，当机械手不需要夹取时，气缸21收缩，单手指机构2逐渐张开，由于两个限位块的作用，每个中指节、前指节处于固定的打开状态，当感应片被工件触碰且顶开时，由于感应状态的改变，感应信号输送到控制系统，控制系统控制气缸动作。每个单手指机构由一个气缸单独驱动，当气缸向前运动时，由于工件和夹取位置的不同，单手指机构有以下两种情况发生：

第一，如果是中指节某点先触碰到工件，则气缸仍然向前运动，当前指节的一点或者中指节另一点再触碰到工件时，机械手被完全限位，气缸受阻力而停止推动，并将力传递到夹持点，从而实现夹取；

第二，如果是前指节某点先触碰到工件，则气缸继续向前运动，当中指节的一点或者前指节的另一点再触碰到工件时，机械手被完全限位，气缸受阻力而停止推动，并将力传递到夹持点，从而实现夹取；

也就是说，当前指节的两点或者整个面接触工件即为捏取夹持，而前指节一点及中指节一点分别接触工件即为包络抓取。

为了更好地夹持工件100，所述前指节22上固定有齿形片222，所述齿形片222的齿牙朝下。

实际应用中，所述支撑架1的中间处固定有手臂6，所述手臂6由支撑架1的顶部向上延伸。因此，可通过该手臂6而将机械手固定在设备的预设位置。

本发明公开的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其简单的结构，在系统优化上无需做过多的优化细节工作，同时，本发明控制简单，只需要一个反馈的感应信号，就能对本机械手实现控制，此外，本发明的夹取力更易控制，通过配置的压力调节阀，可以对气源压力进行调节，从而达到合适的夹取力，再次，本发明成本低廉、实用性好，适合在工业技术领域广泛应用，并且有助于推动工业4.0战略的实施。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，包括有支撑架，所述支撑架上设有至少两个相对的单手指机构，其中：

所述单手指机构包括有气缸座、气缸、前指节、中指节、末指节、第一连杆、第二连杆、V形连杆和第三连杆，所述气缸座和末指节均固定在支撑架上，所述气缸的末端与气缸座铰链连接，所述气缸的前端用于驱动一推动关节前后移动，所述推动关节依次穿过第一连杆的一端和第二连杆的一端，且所述第一连杆和第二连杆均与推动关节转动连接，所述第一连杆的另一端与末指节铰链连接，所述第二连杆的另一端与V形连杆的中间部铰链连接，所述末指节的前端设有第一转轴，所述V形连杆的一端和中指节的后端均与该第一转轴转动连接，所述前指节的末端设有第二转轴和第三转轴，所述第三转轴设于第二转轴上方，所述中指节的前端与第二转轴转动连接，所述V形连杆的另一端与第三连杆的后端铰链连接，所述第三连杆的前端与第三转轴转动连接；

当所述气缸带动推动关节向前移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向前翻转，并通过第三连杆向前指节施以推力，以令前指节绕第二转轴向下转动、中指节绕第一转轴向下转动，所述单手指机构呈合拢状态；

当所述气缸带动推动关节向后移动时，藉由第二连杆驱使V形连杆向后翻转，并通过第三连杆向前指节施以拉力，以令前指节绕第二转轴向上转动、中指节绕第一转轴向上转动，所述单手指机构呈张开状态。

2.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述支撑架上固定有第一限位块，所述第一限位块的前端形成有凸块，所述凸块的下方开设有凹口，所述中指节的末端形成有端面，所述单手指机构呈张开状态时，所述中指节的端面抵接于凸块，且所述凹口与端面之间存在空隙。

3.如权利要求2所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述端面的底部形成有弧形面。

4.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述支架上固定有第二限位块，所述第二限位块设于前指节的上方，所述单手指机构呈张开状态时，所述前指节抵接于第二限位块。

5.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述支架的侧部设有感应开关，所述感应开关包括有感应片，所述感应片向支撑架下方延伸，且当所述感应片感应到工件时，所述气缸带动推动关节向前移动，以令单手指机构合拢。

6.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述前指节上固定有齿形片，所述齿形片的齿牙朝下。

7.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述支撑架上设有四个单手指机构，四个单手指机构分设于支撑架的两侧。

8.如权利要求1所述的大范围抓取欠驱动多适应机械手，其特征在于，所述支撑架的中间处固定有手臂，所述手臂由支撑架的顶部向上延伸。