CN105598991B - 复合球壳关节装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

复合球壳关节装置，属于机器人手技术领域。该装置包括外壳、中球壳和内部组件，所述内部组件包括中心球、内球壳、支承件和四个驱动件。该装置通过四个驱动件有规律的振动，在支承件和滑槽的约束下可实现两自由度旋转，此外，让其中一个驱动件保持固定状态，可使中球壳只能绕某一轴转动，达到锁定一个自由度的目的。该装置适合用做机器人手的关节，使手指的指段能够实现弯曲和侧摆动作。该装置全部驱动件均位于关节内部，体积小；该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构紧凑、零件少，驱动力大，自由度数、外观与动作与人手指基关节接近，可实现弯曲和侧摆两个方向综合运动，还可锁定其中一个自由度仅实现弯曲或仅实现侧摆，适合用于机器人手。

Description

复合球壳关节装置及其控制方法
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种复合球壳关节装置及其控制方法的设计。
背景技术
人手具有自由度多、体积小等特点，在抓取物体时指关节能实现弯曲和侧摆两种运动方式：弯曲能够把持住物体，侧摆能够适应物体各种大小和形状。普通的机器人手指不具备侧摆功能，手指不能张开，只能抓取形状和大小一定的物体，抓取模式少，缺乏人手的灵活性和抓取物体的广泛适应性。现有的灵巧手能够实现弯曲和侧摆两种运动方式，但是由于电机体积的限制，灵巧手体积较大且机构复杂，阻碍了灵巧手朝微型化方向发展。
已有的一种兼具弯曲和侧摆功能的机器人手指装置，如中国专利CN104070530A，具有多个指段，指段间分别具有两个驱动件，驱动件在电压的作用下产生椭圆运动，分别驱动指段弯曲和侧摆运动。其不足之处在于，该装置采用椭圆运动驱动指段运动，驱动件与被驱动件间接触面积很小，有时甚至处于分离状态，抓取力小，关节运动角度小，制作精度要求高。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提出一种具有复合球壳关节装置的机器人手指装置。该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构紧凑、零件少，体积小、驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，可实现弯曲和侧摆两个方向的单独或综合运动，适用于机器人手。
本发明采用如下技术方案：
本发明设计的复合球壳关节装置，其特征在于：包括外壳、中球壳和内部组件，所述的内部组件包括中心球、第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件、内球壳和支承件；所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件的两端分别与中心球和内球壳固接；所述的内球壳上设有通孔；所述的中球壳上设有滑槽；所述的支承件的一端与中心球固接，另一端与外壳固接；支承件穿过通孔和滑槽；所述的中球壳设置在内球壳和外壳之间，中球壳的外表面与外壳的内表面为同心的球面，中球壳与外壳构成一对球副；内球壳的外表面为球面，所述的中球壳的内表面和外表面为同心的球面；中球壳的内表面与内球壳的外表面直径不同；中球壳的内表面的直径大于内球壳的外表面的直径；所述的中心球的中心位于中球壳的内表面的中心。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的内球壳的外表面与中球壳的内表面在工作中相接触。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件以中心球的球心呈空间放射状对称分布。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球的球心。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件为含有压电材料的振动体或记忆合金。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的支承件为圆柱体，第二驱动件伸缩运动的方向与支承件的轴线平行。
本发明设计的采用复合球壳关节装置的机器人手指装置，包括基座、至少一个指段、至少一个关节，所述的基座与指段之间由关节相连；其特征在于：所述的关节采用复合球壳关节装置；所述的基座与第一关节的外壳固接，所述的各关节的中球壳分别与相应指段的下部固接；位于中部的指段的上部与相应关节的外壳固接。
本发明设计的复合球壳关节装置的控制方法，其特征在于：所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件中的至少三个驱动件分别按照规律伸缩。
本发明所述的复合球壳关节装置的控制方法，其特征在于：所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
该装置利用了压电材料这种可伸缩驱动件实现了球面两自由度运动的效果，支承件和滑槽约束了不必要的第三自由度的运动，驱动模块位于最内层球壳，多层球壳的结构减小了驱动装置的体积；该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构简洁，体积小，驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，既可实现弯曲和侧摆两个方向的综合运动，也可锁定其中一个自由度而仅实现弯曲或侧摆的单独运动，适用于机器人手。
附图说明
图1是本发明提供的复合球壳关节装置的一种实施例的正视图。
图2是图1实施例的正视图。
图3是图1实施例的侧视图。
图4是图1实施例的侧视图。
图5是图1实施例的立体图。
图6是图1实施例的外壳和内部组件的正视图。
图7是图1实施例的驱动原理说明图。
图8是本发明提供的采用图1实施例的机器人手指装置的一种实施例的侧剖视图。
图9是图8实施例的正剖视图。
图10是图8实施例的正视图。
图11是图8实施例的立体图。
图12是图8实施例的弯曲动作的说明图。
图13是图8实施例的侧摆动作的说明图。
图14是图8实施例的侧摆动作的说明图。
在图1至图14中：
1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段，
4－第三指段， 52－内部组件，
511－第一驱动件， 512－第二驱动件， 513－第三驱动件，
514－第四驱动件， 515－外壳， 516－支承件，
517－中心球， 518－内球壳， 520－通孔，
521－中球壳， 522－滑槽。
具体实施方式
下面结合附图及实施例说明本发明的结构和工作原理。
本发明设计的复合球壳关节装置的一种实施例，如图1到图7所示，其特征在于：包括外壳515、中球壳521和内部组件52，所述的内部组件52包括中心球517、第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514、内球壳518和支承件516；所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514的两端分别与中心球517和内球壳518固接；所述的内球壳上518设有通孔520；所述的中球壳521上设有滑槽522；所述的支承件516的一端与中心球517固接，另一端与外壳515固接；支承件516穿过通孔520和滑槽522；所述的中球壳521设置在内球壳518和外壳515之间，中球壳521的外表面与外壳515的内表面为同心的球面，中球壳521与外壳515构成一对球副；内球壳518的外表面为球面，所述的中球壳521的内表面和外表面为同心的球面；中球壳521的内表面与内球壳518的外表面直径不同；中球壳521的内表面的直径大于内球壳518的外表面的直径；所述的中心球517的中心位于中球壳521的内表面的中心。
在本实施例中，所述的内球壳518的外表面与中球壳521的内表面在工作中相接触。
在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514以中心球的球心呈空间放射状对称分布。
在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球517的球心。
本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于：所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514为含有压电材料的振动体或记忆合金；在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514采用含压电材料的振动体。
在本实施例中，所述的支承件516为圆柱体，第二驱动件512伸缩运动的方向与支承件516的轴线平行。
在本实施例中，所述的通孔520足够大而不会跟支承件516接触。
在本实施例中，所述的内球壳518、中球壳521、外壳515和支承件516由伸缩性极小的材料做成，相比起第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514，其形变可忽略不计。
在本实施例中，所述的内球壳518的外表面和中球壳521的内表面可以覆盖具有一定弹性的工业橡胶材料或球面齿，以增强内球壳518和中球壳521间的摩擦力，防止相对滑动，提高手指的稳定性。
在本实施例中，所述的中球壳521的外表面和外壳515的内表面可以是光滑材料，以减少旋转运动的阻力。
本发明设计的采用复合球壳关节装置的机器人手指装置的一种实施例，包括基座1、第一指段2、第二指段3、第三指段4、第一复合球壳关节装置5a、第二复合球壳关节装置5b和第三复合球壳关节装置5c；所述的基座1与第一复合球壳关节装置5a的外壳515固接，所述的第一复合球壳关节装置5a的中球壳521与第一指段2的下部固接；所述的第一指段2的上部与第二复合球壳关节装置5b的外壳515固接，所述的第二复合球壳关节装置5b的中球壳521与第二指段3的下部固接；所述的第二指段3的上部与第三复合球壳关节装置5c的外壳515固接，所述的第三复合球壳关节装置5c的中球壳521与第三指段4的下部固接。
本发明设计的采用复合球壳关节装置的控制方法的一种实施例，其特征在于：所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
下面结合图1到图14介绍以上实施例的工作原理。
由于第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514两端分别与中心球517和中球壳521固接，通孔520足够大而不会跟支承件516接触，所以内球壳可近似在3维空间作平移运动而不会旋转。
在中球壳521上建立直角坐标：y方向与第二驱动件512的轴线重合，x方向与滑槽522的滑动方向垂直，由于支承件516的轴线与第二驱动件512的轴线重合且支承件516约束着滑槽522，所以x方向始终与y方向垂直。
本实施例的运动方式有两种，分别叙述如下：
(a)纯弯曲运动
初始状态y方向与第二驱动件512的轴线重合。第二驱动件512固定长度不变，运动示意图简化成图7。第一驱动件511、第三驱动件513、第四驱动件514分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位，使得内球壳518近似在平面内作平移运动，且内球壳518外表面始终有一点与中球壳521内表面接触。内球壳518球心的运动轨迹为圆。由于内球壳518不旋转且内球壳518外表面的半径小于中球壳521内表面的半径，中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为第二驱动件512的轴线，指段实现弯曲运动。
(b)弯曲和侧摆同时运动
第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位，使得内球壳518在三维空间中作平移运动，且内球壳518外表面始终有一点与中球壳521内表面接触。内球壳518球心的运动轨迹记为w，w在xoy平面投影得到分轨迹w-xy，w在xoz平面投影得到分轨迹w-xz，w在yoz平面投影得到分轨迹w-yz。选择第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514合适的伸缩方式，使得分轨迹w-xy近似收缩成一点。内球壳518球心的分轨迹w-xz使得中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为y轴，指段实现弯曲运动；内球壳518球心的分轨迹w-yz使得中球壳521相对内球壳518发生旋转，旋转轴为x轴，指段实现侧摆运动。
综合(a)和(b)两种运动方式可知，该装置利用了压电材料这种可伸缩驱动件实现了球面两自由度运动的效果，支承件和滑槽约束了不必要的第三自由度的运动，驱动模块位于最内层球壳，多层球壳的结构减小了驱动装置的体积；该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构简洁，体积小，驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，既可实现弯曲和侧摆两个方向的综合运动，也可锁定其中一个自由度而仅实现弯曲或侧摆的单独运动，适用于机器人手。

Claims (9)

1.一种复合球壳关节装置(5)，其特征在于：包括外壳(515)、中球壳(521)和内部组件(52)，所述的内部组件(52)包括中心球(517)、第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)、第四驱动件(514)、内球壳(518)和支承件(516)；所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)的两端分别与中心球(517)和内球壳(518)固接；所述的内球壳(518)上设有通孔(520)；所述的中球壳(521)上设有滑槽(522)；所述的支承件(516)的一端与中心球(517)固接，另一端与外壳(515)固接；支承件(516)穿过通孔(520)和滑槽(522)；所述的中球壳(521)设置在内球壳(518)和外壳(515)之间，中球壳(521)的外表面与外壳(515)的内表面为同心的球面，中球壳(521)与外壳(515)构成一对球副；内球壳(518)的外表面为球面，所述的中球壳(521)的内表面和外表面为同心的球面；中球壳(521)的内表面与内球壳(518)的外表面直径不同；中球壳(521)的内表面的直径大于内球壳(518)的外表面的直径；所述的中心球(517)的中心位于中球壳(521)的内表面的中心。
2.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于：所述的内球壳(518)的外表面与中球壳(521)的内表面在工作中相接触。
3.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于：所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)、第四驱动件(514)以中心球(517)的球心呈空间放射状对称分布。
4.如权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于：所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球(517)的球心。
5.如权利要求4所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于：所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)为含有压电材料的振动体或记忆合金。
6.如权利要求4所述的复合球壳关节装置(5)，其特征在于：所述的支承件(516)为圆柱体，第二驱动件(512)伸缩运动的方向与支承件(516)的轴线平行。
7.一种采用权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)的机器人手指装置，包括基座(1)、至少一个指段、至少一个关节，所述的基座(1)与指段之间由关节相连；其特征在于：所述的关节采用复合球壳关节装置(5)；所述的基座(1)与第一关节的外壳(515)固接，所述的各关节的中球壳(521)分别与相应指段的下部固接；位于中部的指段的上部与相应关节的外壳(515)固接。
8.一种采用权利要求1所述的复合球壳关节装置(5)的控制方法，其特征在于：所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)中的至少三个驱动件分别按照规律伸缩。
9.如权利要求8所述的复合球壳关节装置(5)的控制方法，其特征在于：所述的第一驱动件(511)、第二驱动件(512)、第三驱动件(513)和第四驱动件(514)中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
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