CN105583847A - 竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、传动机构、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“耦合自适应复合抓取”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；该装置结构简单，外形与人手的手指相似。

Description

竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种竞速流体式直接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拟人机器人多指手装置(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，提出一种竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置。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“耦合自适应复合抓取”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；该装置结构简单，外形与人手的手指相似，动作灵活可靠，便于串联形成多关节手指。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述一种竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中，所述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远关节轴上；其特征在于：该竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置还包括电机、传动机构、滑块、第一摆杆、第二摆杆、第一簧件、第二簧件、第一柔性件、第二柔性件、第三柔性件、第四柔性件、第五柔性件、第一流体和第二流体；所述电机固定安装在基座中；所述滑块镶嵌于基座的滑槽中；所述第一摆杆套接在近关节轴上，所述第二摆杆套接在远关节轴上；所述的基座中设置有第一通孔和第二通孔；所述第一指段中设置有第三通孔；所述第二柔性件和第四柔性件通过第一通孔相通，所述第一流体被密封在第二柔性件、第一通孔和第四柔性件中；所述第一柔性件和第三柔性件通过第二通孔相通，所述第五柔性件和第三柔性件通过第三通孔相通，所述第二流体被密封在第一柔性件、第二通孔、第三柔性件、第三通孔和第五柔性件中；所述第一簧件两端分别连接第一摆杆和第一指段；所述第二簧件两端分别连接第二摆杆和第二指段；。

本发明所述竞速流体式直接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、第四柔性件和第五柔性件采用嵌簧丝波纹管。

本发明所述竞速流体式直接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。

本发明所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三柔性件和第四柔性件分别置于近关节轴的两侧，其中第三柔性件在接近物体一侧，第四柔性件在远离物体一侧。

本发明所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括第一单向电磁阀和第二单向电磁阀；所述第一单向电磁阀设置在第一通孔处；所述第二单向电磁阀设置在第三通孔处；所述第一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，当第一流体从第一通孔流向第四柔性件时第一单向电磁阀自然打开，反向则第一单向电磁阀关闭；所述第二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，当第二流体从第三通孔流向第五柔性件时第二单向电磁阀自然打开，反向则第二单向电磁阀关闭。

本发明所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括丝杠和螺母；所述丝杠与电机的输出轴相连；所述滑块固接在螺母上，所述螺母和丝杠形成螺纹传动关系。

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”复合抓取功能，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是本发明提供的竞速流体式直接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所示实施例的正面剖视图。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4是图1所示实施例的侧面外观图。

图5是图1所示实施例的正等轴侧图。

图6是图1所示实施例的爆炸视图。

图7、图8、图9、图10是图1所示实施例手指抓握物体过程的侧面剖视图。

图11是图7的外观图。

图12是图8的外观图。

图13是图9的外观图。

图14是图10的外观图。

在图1至图14中：

1–基座，11–滑块，12–第一通孔，13–第二通孔，

14–第一单向电磁阀，15–电机，16–联轴器，17–丝杠，

18–螺母，19–基座挡板，2–第一指段，21–第三通孔，

22–第二单向电磁阀，3–第二指段，41–近关节轴，42–第一摆杆，

43–第一簧件，51–远关节轴，52–第二摆杆，53–第二簧件，

61–第一柔性件，62–第二柔性件，63–第三柔性件，64–第四柔性件，

65–第五柔性件，71–第一流体，72–第二流体，8–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。

本发明设计的竞速流体式直接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所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴41和远关节轴51；所述近关节轴41套设在基座1中，所述第一指段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套固在远关节轴51上。该竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置还包括、电机15、传动机构、滑块11、第一摆杆42、第二摆杆52、第一簧件43、第二簧件53、第一柔性件61、第二柔性件62、第三柔性件63、第四柔性件64、第五柔性件65、第一流体71和第二流体72；所述电机15固定安装在基座1中；所述滑块11固接在传动机构的输出端，并镶嵌于基座1的滑槽中；所述第一摆杆42套接在近关节轴41上，所述第二摆杆52套接在远关节轴51上；所述的基座1中设置有第一通孔12和第二通孔13；所述第一指段2中设置有第三通孔21；所述第二柔性件62和第四柔性件64通过第一通孔12相通，所述第一流体71被密封在第二柔性件62、第一通孔12和第四柔性件64中；所述第一柔性件61和第三柔性件63通过第二通孔13相通，所述第五柔性件65和第三柔性件63通过第三通孔21相通，所述第二流体72被密封在第一柔性件61、第二通孔13、第三柔性件63、第三通孔21和第五柔性件65中；所述第一簧件43两端分别连接第一摆杆42和第一指段2；所述第二簧件53两端分别连接第二摆杆52和第二指段3。

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、第四柔性件64和第五柔性件65采用嵌簧丝波纹管。

本实施例中，所述第一流体71采用液体；第二流体72采用液体。

将多个柔性件的直径进行合理设计，可以调整近关节与远关节的转动角度比例，例如第四柔性件64直径小，则近关节转动角度会大，第五柔性件65的直径小，则远关节转动角度会大。本实施例中，各柔性件的直径相同。

另外通孔的位置也会影响关节角度。本实施例中，所述第三柔性件63和第四柔性件64分别置于近关节轴41的两侧，其中第三柔性件63在接近抓取物体8的一侧，第四柔性件64在远离待抓物体8的一侧。因为此种情况下，近关节弯曲时，会缩短第三柔性件63，有利于远关节的更大角度的弯曲。

本实施例还包括第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀22；所述第一单向电磁阀14设置在第一通孔12处；所述第二单向电磁阀22设置在第三通孔21处；所述第一单向电磁阀14采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第一流体71从第一通孔12流向第四柔性件64时第一单向电磁阀14自然打开，反向则第一单向电磁阀14关闭；所述第二单向电磁阀22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从第三通孔21流向第五柔性件65时第二单向电磁阀22自然打开，反向则第二单向电磁阀22关闭。

下面结合附图介绍所述竞速流体式直接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7所示，此时手指未接触物体8时，基座1、第一指段2和第二指段3都处于伸直状态，第一簧件43和第二簧件53处于被适度压缩状态；与滑块11固连的螺母18在丝杠17的中间某位置。

当机器人手指抓取物体8时，电机15正转，驱动丝杠17正转。此时，螺母18带动滑块11向上运动，挤压第一柔性件61和第二柔性件62；第二柔性件62被压缩，第一流体71向第四柔性件64流动，第一单向电磁阀14自动打开，第一流体71推动第一摆杆42绕近关节轴41的中心线转动。由于第一摆杆42与第一指段2之间有被适度压缩的第一簧件43连接，故第一摆杆42的转动将使第一指段2绕近关节轴41的中心线转动，从而压缩第三柔性件63。同时，第一柔性件61被滑块11压缩，第二流体72流向第五柔性件65，第二单向电磁阀22自动打开，第二流体72推动第二摆杆52绕远关节轴51的中心线转动。由于第二摆杆52与第二指段3之间有被适度压缩的第二簧件53连接，故第二摆杆52的转动将使第二指段3绕远关节轴51的中心线转动，最终实现了第一指段2和第二指段3耦合转动的目的。此时状态如图8所示。

当该装置第一指段2接触物体8之后，电机15继续转动，滑块11上升，使得第二柔性件62继续被压缩，第一流体71流向第四柔性件64，第一单向电磁阀14自动打开，第一流体71推动第一摆杆42绕近关节轴41的中心线转动。但此时由于第一指段2已与物体8接触，不能继续转动，所以第一簧件43将被压缩，从而增大了第一指段2与物体8的接触力。而同时第二柔性件62也继续被压缩，第二流体流向第五柔性件65，推动第二指段3继续绕远关节轴51转动。此时状态如图9所示。

当该装置第二指段3也接触物体8之后，电机15继续转动，滑块11继续上升，使得第一柔性件61和第二柔性件62继续被压缩，第一流体71和第二流体72继续分别流向第四柔性件64和第五柔性件65，推动第一摆杆42和第二摆杆52继续转动。但由于此时第一指段2和第二指段3已不能转动，故第一簧件43和第二簧件53被压缩，增大了第一指段2和第二指段3与物体8之间的接触力。此时状态如图10所示。

该装置释放过程可逆，即打开第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀22后，电机15反转，滑块11下降，第一柔性件61和第二柔性件62被拉伸，装置逐渐恢复伸直状态。该过程与抓取过程相反，依次见图10，图9，图8，图7。

由于第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀22的单向导通性，即便此时滑块11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8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。

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”复合抓取功能，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，同时也有助于以捏持方式抓取物体；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。

Claims (6)

1.一种竞速流体式直接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)和远关节轴(51)；所述近关节轴(41)套设在基座(1)中，所述第一指段(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)套固在远关节轴(51)上；其特征在于：该竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置还包括、电机(15)、传动机构、滑块(11)、第一摆杆(42)、第二摆杆(52)、第一簧件(43)、第二簧件(53)、第一柔性件(61)、第二柔性件(62)、第三柔性件(63)、第四柔性件(64)、第五柔性件(65)、第一流体(71)和第二流体(72)；所述电机(15)固定安装在基座(1)中；所述滑块(11)固接在传动机构的输出端，并镶嵌于基座(1)的滑槽中；所述第一摆杆(42)套接在近关节轴(41)上，所述第二摆杆(52)套接在远关节轴(51)上；所述的基座(1)中设置有第一通孔(12)和第二通孔(13)；所述第一指段(2)中设置有第三通孔(21)；所述第二柔性件(62)和第四柔性件(64)通过第一通孔(12)相通，所述第一流体(71)被密封在第二柔性件(62)、第一通孔(12)和第四柔性件(64)中；所述第一柔性件(61)和第三柔性件(63)通过第二通孔(13)相通，所述第五柔性件(65)和第三柔性件(63)通过第三通孔(21)相通，所述第二流体(72)被密封在第一柔性件(61)、第二通孔(13)、第三柔性件(63)、第三通孔(21)和第五柔性件(65)中；所述第一簧件(43)两端分别连接第一摆杆(42)和第一指段(2)；所述第二簧件(53)两端分别连接第二摆杆(52)和第二指段(3)。

2.如权利要求1所述竞速流体式直接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)、第四柔性件(64)和第五柔性件(65)采用嵌簧丝波纹管。

3.如权利要求1所述竞速流体式直接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1所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三柔性件(63)和第四柔性件(64)分别置于近关节轴(41)的两侧，其中第三柔性件(63)在接近物体(8)一侧，第四柔性件(64)在远离物体(8)一侧。

5.如权利要求1所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括第一单向电磁阀(14)和第二单向电磁阀(22)；所述第一单向电磁阀(14)设置在第一通孔(12)处；所述第二单向电磁阀(22)设置在第三通孔(21)处；所述第一单向电磁阀(14)采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第一流体(71)从第一通孔(12)流向第四柔性件(64)时第一单向电磁阀(14)自然打开，反向则第一单向电磁阀(14)关闭；所述第二单向电磁阀(22)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)从第三通孔(21)流向第五柔性件(65)时第二单向电磁阀(22)自然打开，反向则第二单向电磁阀(22)关闭。

6.如权利要求1所述竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括联轴器(16)、丝杠(17)和螺母(18)；所述丝杠(17)与电机(15)的输出轴相连；所述滑块(11)固接在螺母(18)上，所述螺母(18)和丝杠(17)形成螺纹传动关系。