CN105437253A - 自锁流体联动自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

自锁流体联动自适应机器人手指装置，属机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、两个滑块、簧件、多个柔性件和流体等。该装置利用流体传动实现了先耦合转动而后自适应抓取的功能，耦合转动达到了拟人化转动效果和较好的捏持效果，自适应抓取使得手指适应握持不同形状和尺寸物体；该装置采用单向电磁阀获得了自动保持手指弯曲构型的特性，可以配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置的外形与人手的手指相似，适用于拟人机器人手。

Description

自锁流体联动自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种自锁流体联动自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手对于人来说非常重要，与人一样，机器人手对于拟人机器人来说同样重要。机器人通过手部抓取工具开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移操作。机器人手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视。在机器人学领域有两大类机器人手：灵巧手和欠驱动手，它们分别基于主动控制和欠驱动两种不同的驱动方式。灵巧手外形和动作极似人手，可以在复杂控制算法和机构的综合作用下，灵活地完成人手所能完成的多数动作，但是灵巧手价格昂贵，制造控制难度大，维护难度大。欠驱动手可以自适应抓取物体，控制难度小、维护简单、装置稳定。

已有的一种气动式主动驱动的多指多关节机器人手装置(发明专利CN101402200A)，其中每个关节采用气动柔性驱动器实现手指的弯曲。该装置的不足之处为：该装置由于采用气力主动驱动各手指各关节的转动，使得该手体积大、质量大、制造成本高、控制难度大，不能自适应抓取物体，必须依赖很复杂的控制才能实现对不同尺寸形状物体的抓取。

已有一种气动式欠驱动机器人手指装置(发明专利CN101733758B)，包括第一、二指段和欠驱动关节。欠驱动关节包括主动滑块、关节轴、两个气动柔性件和簧件；主动滑块镶嵌在第一指段中；关节轴套接在第一指段中，第二指段套固在关节轴上；第一气动柔性件设置在第一指段与主动滑块之间；第二气动柔性件设置在第一与第二指段之间；第一、第二气动柔性件通过第一指段通孔相通。

该装置能够在物体挤压主动滑块的过程中，利用物体挤压力通过气动方式驱动第二指段绕关节轴转动，但是，该装置在物体不挤压主动滑块时，第二指段将回复伸直的初始状态。由于该手指在抓取物体时需要支承面(如桌面)、其他手指、手掌或其他手配合才能实现手指弯曲，因此该装置无法实施在抓取过程中反作用面撤销的物体抓取，例如，该装置不能实施对放在支承面上的物体的抓取：一个物体放置在桌面上，当安装在机械臂上的手指靠向物体，物体会挤压主动滑块导致手指弯曲，但是当机械臂离开桌面时，手指的弯曲不能保持，于是物体脱落，抓取失败。

已有一种弯曲自锁气动欠驱动机器人手指装置(发明专利CN103659825A)，该装置采用气动方式实现自适应欠驱动效果；采用棘轮棘爪实现单向弯曲，防止在反作用面撤离或振动干扰时物体松脱；采用电机解除棘爪对棘轮的约束，释放物体。该装置的不足之处在于，棘轮棘爪的锁定是一种量化的锁定，不能做到无级锁定，锁定的角度有限，为了降低最小的锁定角度，需要制作模数很小的棘轮，棘轮的制造成本高，锁定效果不理想。

上述两种装置仅实现了自适应抓取，没有耦合抓取效果，即：当串联两个关节做成双关节的手指时，缺少耦合联动的过程，导致抓取物体的动作拟人性不高。手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化不够，因为耦合抓取效果在人手的多数抓取过程中是很常见的；此外，这两种装置的抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。

上述三种装置都是采用气体作为传动介质，存在不足：气体容易被压缩，动作迟滞现象显著，对关节的力锁紧得不够，手指在抓取、移动物体时可能会出现因振动干扰而导致抓取失稳现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种自锁流体联动自适应机器人手指装置。该装置实现先耦合转动而后再自适应弯曲的功能，即能末端捏持也能自适应包络握持，并具有保持抓持力的功能，可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致失稳现象。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述一种自锁流体联动自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、传动机构、电机、第一滑块和第二滑块；所述电机设置在基座中，所述电机的输出轴与传动机构的输入轴相连，所述传动机构的输出轴与近关节轴相连；所述近关节轴套设在所述基座中，第一指段套固在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套固在所述远关节轴上；所述的第一滑块镶嵌在第一指段的第一滑槽中，第二滑块镶嵌在第一指段的第二滑槽中，所述的第一滑槽和第二滑槽平行，第一滑块与第二滑块相接触；其特征在于：该自锁流体联动自适应机器人手指装置还包括簧件、第一柔性件、第二柔性件、第三柔性件、第四柔性件、单向电磁阀、第一流体和第二流体；所述第一指段中设置有下通孔和上通孔；所述第一柔性件、第三柔性件通过下通孔相通，所述第一流体被密封在第一柔性件、下通孔和第三柔性件中；所述第二柔性件、第四柔性件通过上通孔相通，所述第二流体被密封在第二柔性件、上通孔和第四柔性件中；所述簧件两端分别连接第二滑块和第一指段；所述单向电磁阀设置在上通孔处；所述单向电磁阀采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀；当第二流体从上通孔流向第二柔性件时单向电磁阀自然打开，反向则单向电磁阀关闭。

本发明所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一柔性件、第二柔性件、第三柔性件和第四柔性件采用嵌簧丝波纹管。

本发明所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一流体采用液体；第二流体采用液体。

本发明所述所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括线圈，所述第二流体采用磁流变液，所述线圈设置在第一指段中。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置利用流体传动实现了先耦合转动而后自适应抓取的耦合自适应抓取功能，当手指碰触物体前就呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化，同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指碰触物体后就采用一种多关节欠驱动方式转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的好处，同时有助于握持方式抓取物体；该装置采用单向电磁阀获得了自动保持手指弯曲构型的特性，即“自锁”功能，具有保持抓持力的功能，该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置外形与人手的手指相似，可以作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，达到拟人机器人手高关节自由度、高自适应性的优良效果。

附图说明

图1是本发明提供的自锁流体联动自适应机器人手指装置的一种实施例的侧剖视图。

图2是图1所示实施例(拆掉基座的前挡板)的正视图。

图3是图1所示实施例(拆去基座的前挡板、右挡板和第一指段的右挡板)的正等轴测图。

图4是图1所示实施例第一指段(拆去其右挡板)的轴测图。

图5是图1所示实施例(不含簧件和第一流体、第二流体)的爆炸视图。

图6是图1所示实施例中实现耦合抓取过程的局部剖视图。

图7是图1所示实施例中实现自适应抓取过程的局部剖视图。

在图1至图7中：

1–基座，11–电机，12–第一齿轮，13–第二齿轮，

14–传动轴，15–第一带轮，16–传动带，17–第二带轮，

2–第一指段，21–第一滑块，22–第二滑块，23–下通孔，

24–上通孔，25–单向电磁阀，26–簧件，3–第二指段，

41–近关节轴，51–远关节轴，61–第一柔性件，62–第二柔性件，

63–第三柔性件，64–第四柔性件，71–第一流体，72–第二流体，

8–线圈，9–物体。

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。

本发明设计的自锁流体联动自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5所示。本实施例一种自锁流体联动自适应机器人手指装置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴41、远关节轴51、传动机构、电机11、第一滑块21和第二滑块22；所述电机11设置在基座1中，电机11的输出轴与传动机构的输入轴相连，所述传动机构的输出轴与近关节轴41相连；所述近关节轴41套设在所述基座1中，第一指段2套固在近关节轴41上，所述远关节轴51套设在第一指段2中，所述第二指段3套固在所述远关节轴51上；所述的第一滑块21镶嵌在第一指段2的第一滑槽中，第二滑块22镶嵌在第一指段2的第二滑槽中，所述的第一滑槽和第二滑槽平行，第一滑块21与第二滑块22相接触。该自锁流体联动自适应机器人手指装置还包括簧件26、第一柔性件61、第二柔性件62、第三柔性件63、第四柔性件64、单向电磁阀25、第一流体71和第二流体72；所述第一指段2中设置有下通孔23和上通孔24；所述第一柔性件61、第三柔性件63通过下通孔23相通，所述第一流体71被密封在第一柔性件61、下通孔23和第三柔性件63中；所述第二柔性件62、第四柔性件64通过上通孔24相通，所述第二流体72被密封在第二柔性件62、上通孔24和第四柔性件64中；所述簧件26两端分别连接第二滑块22和第一指段2；所述单向电磁阀25设置在上通孔24处；所述单向电磁阀25采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀；当第二流体72从上通孔24流向第二柔性件62时单向电磁阀25自然打开，反向则单向电磁阀25关闭。

本实施例中，所述第一柔性件61、第二柔性件62、第三柔性件63和第四柔性件64采用嵌簧丝波纹管。

本实施例中，所述第一流体71和第二流体72采用液体。

本实施例还包括线圈8，所述第二流体72采用磁流变液，所述线圈8设置在第一指段2中。

本实施例采用可变形密闭空间内的磁流变液作为传动介质。磁流变液在零磁场时表现出牛顿流体的一般特性；加磁场时液体粘度可以在1ms内呈数量级的增加，呈现Bingham体特性；加强磁场时可以迅速成固化成固体，并且该过程可逆。

本实施例中，所述传动机构包括减速器、第一齿轮12、第二齿轮13、传动轴14、第一带轮15、传动带16和第二带轮17；所述电机11的输出轴与减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴与第一齿轮12固接；所述第一齿轮12与第二齿轮13啮合；所述第二齿轮13套固在传动轴14上，所述第一带轮15套固在传动轴14上；所述传动轴14套设在基座1中；所述第二带轮17套固在近关节轴41上；所述第一带轮与第二带轮通过传动带16相连，第一带轮15、第二带轮17和传动带三者配合形成带轮传动关系。

下面结合附图介绍所述自锁流体联动自适应机器人手指装置的工作原理。

机器人手指的初始状态如图1所示，此时手指未接触物体9时，基座1、第一指段2和第二指段3都处于伸直状态，簧件26处于被适度压缩状态；第一滑块21和第二滑块22在第一流体、第二流体和簧件26的作用下处于其所能达到的最靠外的位置。

当机器人手指抓取物体9时，电机11正转，驱动第一齿轮12转动，第二齿轮13转动，带动传动轴14、第一带轮15转动，通过传动带16，第二带轮17和近关节轴41转动，第一指段2绕近关节轴的中心线转动，使得第一柔性件61伸长；由于第一柔性件61、下通孔23和第三柔性件63内部相通且对外封闭，内部的第一流体71的压缩性很小，所以第一柔性件61的伸长将会使第一流体71流向第一柔性件61，引起第三柔性件63收缩，从而带动了第一滑块21向第一指段2内部运动；第一滑块21压住第二滑块22运动；而第二滑块22的运动又会压缩第四柔性件64；由于第四柔性件64、上通孔24和第二柔性件62内部相通且对外封闭，第四柔性件64被压缩造成第二流体72从第四柔性件64流向第二柔性件62，单向电磁阀25自动打开，第二流体72推动第二柔性件62伸长，第二指段3绕远关节轴42的中心线转动，从而实现了两个关节的同时转动——即耦合转动。此时状态如图6所示。

当该装置第一指段2的第二滑块22与外界物体9接触时，电机11继续转动，此时第二滑块22被物体推向第一指段2的内部方向，此时第二滑块与第一滑块相互分离，第四柔性件64被压缩，流体向第二柔性件62流动，单向电磁阀25自动打开，第二流体72推动第二指段3绕远关节轴42的中心线转动，直到第二指段3接触物体被阻挡无法继续转动为止，从而实现了自适应抓取的功能。此时状态如图7所示。

由于单向电磁阀25的单向导通性，即便此时第二滑块22所受的挤压力减小或消失，手指也能保持弯曲构型，形成对物体9的稳定的包络抓取。该装置实现了一种先耦合后自适应的“耦合自适应”抓取模式，具有保持抓持力的自锁效果。

对线圈8通以一定大小的电流，产生的磁场使得磁流变液瞬时固化，从而实现更为可靠的锁定，防止在手指拿取物体离开反作用面(如桌面)时第二指段3的回弹，实现了稳定可靠的抓取。

释放物体时，给线圈8断电，将单向电磁阀25通电打开，同时电机11反转，第一指段2转回伸直的初始位置，且第一滑块21向不挤压第二滑块22的方向滑动，第二滑块22不再挤压物体，第二指段3转回伸直的初始位置。

该装置对开始被限制在桌面、墙面或其他类似能提供反作用力的支承面上的物体进行抓取，无需其他手指的辅助，抓持过程稳定可靠。

该装置利用流体传动实现了先耦合转动而后自适应抓取的耦合自适应抓取功能，当手指碰触物体前就呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化，同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指碰触物体后就采用一种多关节欠驱动方式转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的好处，同时有助于握持方式抓取物体；该装置采用单向电磁阀获得了自动保持手指弯曲构型的特性，即“自锁”功能，该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置外形与人手的手指相似，可以作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，达到拟人机器人手高关节自由度、高自适应性的优良效果。

Claims (4)

1.一种自锁流体联动自适应机器人手指装置，包括基座(1)、第一指段(2)、第二指段(3)、近关节轴(41)、远关节轴(51)、传动机构、电机(11)、第一滑块(21)和第二滑块(22)；所述电机(11)设置在基座(1)中，所述电机的输出轴与传动机构的输入轴相连，所述传动机构的输出轴与近关节轴(41)相连；所述近关节轴(41)套设在所述基座(1)中，第一指段(2)套固在近关节轴(41)上，所述远关节轴(51)套设在第一指段(2)中，所述第二指段(3)套固在所述远关节轴(51)上；所述的第一滑块(21)镶嵌在第一指段(2)的第一滑槽中，第二滑块(22)镶嵌在第一指段(2)的第二滑槽中，所述的第一滑槽和第二滑槽平行，第一滑块(21)与第二滑块(22)相接触；其特征在于：该自锁流体联动自适应机器人手指装置还包括簧件(26)、第一柔性件(61)、第二柔性件(62)、第三柔性件(63)、第四柔性件(64)、第一流体(71)、第二流体(72)和单向电磁阀(25)；所述第一指段(2)中设置有下通孔(23)和上通孔(24)；所述第一柔性件(61)、第三柔性件(63)通过下通孔(23)相通，所述第一流体(71)被密封在第一柔性件(61)、下通孔(23)和第三柔性件(63)中；所述第二柔性件(62)、第四柔性件(64)通过上通孔(24)相通，所述第二流体(72)被密封在第二柔性件(62)、上通孔(24)和第四柔性件(64)中；所述簧件(26)两端分别连接第二滑块(22)和第一指段(2)；所述单向电磁阀(25)设置在上通孔(24)处；所述单向电磁阀(25)采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第二流体(72)从上通孔(24)流向第二柔性件(62)时单向电磁阀(25)自然打开，反向则单向电磁阀(25)关闭。

2.如权利要求1所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一柔性件(61)、第二柔性件(62)、第三柔性件(63)和第四柔性件(64)采用嵌簧丝波纹管。

3.如权利要求1所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一流体(71)采用液体；第二流体(72)采用液体。

4.如权利要求3所述自锁流体联动自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括线圈(8)，所述第二流体(72)采用磁流变液，所述线圈(8)设置在第一指段(2)中。