CN105619441A - 多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、驱动器、多个手指、多孔弹性块、多个滑动推杆和簧件等。该装置采用基座、驱动器、多孔弹性块、多个手指和多个滑动推杆等综合实现了离散空间自适应抓取功能，利用了多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能；利用传驱动器和传动机构带动手指挤压多孔弹性块或滑动推杆，使多个滑动推杆向装置的中心聚拢，达到对物体的多向抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状物体均可有效抓持；仅需要一套杆簇，结构简单；通过手指紧箍运动，轻松实现多个滑动推杆向装置中心聚拢而达到抓持目的，能耗低。

Description

多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术

机器人手在机器人领域中有广泛的用途，用于将机器人与物体临时的连接和固定起来，并能够在适当的时候进行释放，前者实现了抓取物体，后者实现了放开物体。一般的机器人手为了降低成本被制作成具有两个相对运动的部分，以便于最简单的实现抓取和释放功能。也有许多模仿人手的结构，设计为具有更多的手指和手指上具有若干关节，但是那样会带来机械系统、传感系统、控制系统和控制算法的复杂度和高昂的成本。部分机器人手具有适应性，即在抓取前并未知晓要抓取的物体是何种形状与大小，在抓取中也未对抓取的物体进行传感检测，但是却可以自适应地抓取，这种对于物体形状、大小的自动适应性能使得机器人手在实现更为广泛抓取不同物体的同时并不增加传感与控制需求。

PeterB.Scott在文献(PeterB.Scott,TheOmnigripper:aformofrobotuniversalgripper,Robotica,vol.3,pp.153-158,1985)中介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用夹持器Omnigripper。该夹持器具有两组杆簇集合，每组杆簇集合有多个相互平行的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组杆簇靠拢或离开，实现对物体的抓持。举例来说，当机器人的末端靠向放置在某个支持面(如桌面)上的物体时，物体挤压长杆使其向基座内滑动，由于长杆数量较多，且长杆较细(直径较小)，不同的长杆接触到不同的物体表面点，各长杆向手掌内的滑动距离不同，这种距离与物体的局部形状有关；之后，一左一右的两组杆簇集合再合拢夹持住物体，利用长杆从侧面夹持住物体，达到抓取目的。

该装置的不足之处在于：

(1)无法做到多向抓持。该装置对物体施加抓取力时，该抓取力只能沿着两组杆簇集合合拢的方向，相当于二指夹持器，产生的仅仅是一维夹持模式，夹持效果差。

(2)对于特定方向放置的长条状物体抓持失效。当物体与该方向平行且物体在该方向上长于该装置，则物体不会因两组伸缩杆合拢而受到抓持力，如抓取一个长条状的物体。

(3)结构复杂、能耗大。该装置有2组杆簇集合，需要2个相互运动的可运动支承件(或运动基座)、一套直线导轨、2个滑块、驱动器、传动机构等，结构较为复杂，且要让一个具有许多长杆的笨重杆簇集合运动是比较耗能的。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置。该装置用于抓取物体，对物体的大小和形状具有自适应性；达到对物体多向抓持的效果：能够在多个方向对物体提供抓持力，对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；结构简单，能耗低。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、多孔弹性块、驱动器、传动机构、至少一个手指、K个滑动推杆和K个簧件；所述多孔弹性块安装在基座中，所述多孔弹性块具有弹性，所述多孔弹性块上有K个通孔，任意两个通孔的中心线的夹角小于15度；所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与手指相连；第i个所述滑动推杆滑动镶嵌在第i个通孔中，第i个所述滑动推杆的中心线与其在第i个通孔中的滑动方向一致；每个所述滑动推杆的一端伸出在基座的外侧；第i个所述簧件的两端分别连接第i个滑动推杆和基座，或者第i个所述簧件的两端分别连接第i个滑动推杆和多孔弹性块；所述手指转动或平动设置在基座中；所述手指与传动机构的输出端相连；所述手指与多孔弹性块或与位于外围的滑动推杆相接触；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块由乳胶、硅胶或橡胶中的任意一种或多种制成。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：还包括M个套筒；第j个所述套筒固定安装在第j个通孔中；第j个所述滑动推杆滑动镶嵌在第j个套筒中；其中M为不大于滑动推杆的数量且M为自然数；i＝1,2,…,M；j为自然数。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、转轴和传动带；所述驱动器的输出轴与减速器的输入轴相连，所述减速器的输出轴与转轴相连，所述转轴套设在基座中；所述手指套设在基座上；所述传动带连接转轴与手指。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器安装在基座上。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块包括多个孔间簧件和N个通孔件；所述孔间簧件连接在通孔件之间；所述通孔设在通孔件上；其中，N为滑动推杆的数量。

本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：

本发明装置采用基座、驱动器、多孔弹性块、、多个手指和多个滑动推杆等综合实现了离散空间自适应抓取功能，利用了多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能；利用传驱动器和传动机构带动手指挤压多孔弹性块或滑动推杆，使多个滑动推杆向装置的中心聚拢，达到对物体的多向抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；仅需要一套杆簇，结构简单；通过手指紧箍运动，轻松实现多个滑动推杆向装置中心聚拢而达到抓持目的，能耗低。

附图说明

图1是本发明提供的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置的一种实施例的内部部分结构示意图。

图2是图1所示实施例的一种三维外观图。

图3是图1所示实施例的另一种三维外观图。

图4是图1所示实施例的底部结构示意图。

图5是另一种实施例的多孔弹性块的结构示意图。

图6是图1所示实施例的手指未被收拢时隐藏基座、滑动推杆和套筒的俯视图。

图7是图1所示实施例的手指收拢时隐藏基座、滑动推杆和套筒的俯视图。

图8至图10是图1所示实施例抓取长条状物体的过程示意图。

图11是图1所示实施例抓取长条状物体的三维示意图。

图12是图1所示实施例抓取长条状物体的部分内部结构示意图。

图13是图1所示实施例抓取长条状物体时手指收拢前的底部结构示意图。

图14是图1所示实施例抓取长条状物体时手指收拢后的底部结构示意图。

图15至图17是图1所示实施例抓取球状物体的过程示意图。

图18是图1所示实施例抓取球状物体的三维示意图。

图19是图1所示实施例抓取球状物体的部分内部结构示意图。

图20是图1所示实施例抓取球状物体时手指收拢前的底部结构示意图。

图21是图1所示实施例抓取球状物体时手指收拢后的底部结构示意图。

在图1至图18中：

1-基座，11-基座通孔，2-多孔弹性块，21-通孔，

22-套筒23-孔间簧件，24-通孔件3-驱动器，

41-减速器，42-转轴，43-传动带，5-手指，

6-滑动推杆，7-簧件，81-长条状物体，82-球状物体，

9-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。

本发明所述的一种多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、多孔弹性块、驱动器、传动机构、至少一个手指、K个滑动推杆和K个簧件；所述多孔弹性块安装在基座中，所述多孔弹性块具有弹性，所述多孔弹性块上有K个通孔，任意两个通孔的中心线的夹角小于15度；所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与手指相连；第i个所述滑动推杆滑动镶嵌在第i个通孔中，第i个所述滑动推杆的中心线与其在第i个通孔中的滑动方向一致；每个所述滑动推杆的一端伸出在基座的外侧；第i个所述簧件的两端分别连接第i个滑动推杆和基座，或者第i个所述簧件的两端分别连接第i个滑动推杆和多孔弹性块；所述手指转动或平动设置在基座中；所述手指与传动机构的输出端相连；所述手指与多孔弹性块或与位于外围的滑动推杆相接触；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

取K＝36，则发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置的一种实施例，如图1所示，本实施例包括基座1、多孔弹性块2、驱动器3、传动机构4、至少一个柔性件5、K个滑动推杆6和K个簧件7；所述多孔弹性块2安装在基座1中，所述多孔弹性块2具有弹性，所述多孔弹性块2上有K个通孔21，任意两个通孔21的中心线的夹角小于15度；所述驱动器3的输出轴与传动机构4的输入端相连，所述传动机构4的输出端与柔性件5相连；第i个所述滑动推杆6滑动镶嵌在第i个通孔21中，第i个所述滑动推杆6的中心线与其在第i个通孔21中的滑动方向一致；每个所述滑动推杆6的一端伸出在基座1的外侧；第i个所述簧件7的两端分别连接第i个滑动推杆6和多孔弹性块2；所述手指5的一端与基座1相连，所述手指5的另一端与传动机构4的输出端相连，所述手指5位于所有滑动推杆6的外围，所述柔性件5与多孔弹性块2相接触；其中，i＝1,2,…,38；i为自然数。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块2由乳胶、硅胶或橡胶中的任意一种或多种制成。本实施例中，所述多孔弹性块2由橡胶制成。图5是另一种实施例的多孔弹性块的结构示意图，主要采用弹簧来实现。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块2包括多个孔间簧件23和N个通孔件24；所述孔间簧件23连接在通孔件24之间；所述通孔21设在通孔件24上；其中，N为滑动推杆6的数量。取N＝36，则得到本发明的另一种实施例，所述多孔弹性块2包括多个孔间簧件23和N个通孔件24；所述孔间簧件23连接在通孔件24之间；所述通孔21设在通孔件24上。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：还包括M个套筒；第j个所述套筒固定安装在第j个通孔中；第j个所述滑动推杆滑动镶嵌在第j个套筒中；其中M为不大于滑动推杆的数量且M为自然数；i＝1,2,…,M；j为自然数。本实施例取M＝36，则本实施例还包括还包括M个套筒22；第j个所述套筒22固定安装在第j个通孔21中；第j个所述滑动推杆6滑动镶嵌在第j个套筒22中；其中，i＝1,2,…,38；j为自然数。

本实施例中，所述传动机构4包括减速器41、转轴42、绕绳筒43和传动腱绳44；所述驱动器3的输出轴与减速器41的输入轴相连，所述减速器41的输出轴与转轴42相连，所述转轴42套设在基座中；所述手指5套设在基座1上；所述传动带43连接转轴42与手指5。

本发明所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器3采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器3采用电机。

本实施例中，所述驱动器3安装在基座1上。

本实施例中，所述基座1还设有36个基座通孔11，第k个所述基座通孔11与第k个所述通孔21相对，且第k个所述基座通孔11大小大于第k个所述通孔21，其中，k＝1,2,…,38；k为自然数。

下面结合附图介绍图1所示实施例的工作原理及工作过程。

本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图4所示，此时所有滑动推杆6在对应簧件7的作用下，其一端伸出基座通孔11；驱动器3未启动，手指5位于初始位置未与多孔弹性块2接触，则多孔弹性块2由于自身弹性处于初始扩张状态。

本实施例装置抓取物体时，装置在机械臂的带动下竖直靠近放在水平面上的物体，并对物体产生挤压；若滑动推杆6碰触到物体或支承面，则滑动推杆6在物体的挤压下相对于基座1向上(向基座1内部)滑动；若滑动推杆6未碰触到物体和支承面，则滑动推杆不会相对于基座1滑动；由于不同滑动推杆6由于物体的反作用而产生了不同的滑动程度，进而自适应地包裹住物体，对于不同形状和尺寸的物体，该装置具有良好的自适应性，如图13和图15所示。

在该装置自适应包裹住物体后，驱动器3启动，带动减速器41转动，带动转轴42转动，于是传动带43运动，驱动三个手指5运动，手指5对多孔弹性块2产生横向紧箍的挤压力；该挤压力使多孔弹性块2发生收缩变形，如图6和图7所示；多孔弹性块收缩带动滑动推杆6运动，该运动减小了滑动推杆6之间的间隙；在滑动推杆6运动的过程中，在多孔弹性块2收缩变形前与物体未接触但与物体间的距离小于推杆间隙收缩距离的滑动推杆6将会碰触到物体，进而停止收缩，并对物体产生挤压力；而未碰触到物体的滑动推杆6继续收缩直至滑动推杆碰到基座通孔11的边界；滑动推杆收缩后的推杆分布如图14和图21所示。

在驱动器3通过传动机构4带动手指5使多孔弹性块2收缩后，驱动器3保持该状态，移动机械臂，实现对物体的抓取。

整个抓取过程示意图如图8至图10或图15至图17所示。

在该装置释放物体时，驱动器3反转，带动减速器41反转，带动转轴42反转，带动传动带43反向运动，带动手指5反向转动，从而手指5对多孔弹性块的挤压力2逐渐消失；多孔弹性块2在自身的弹性作用下恢复最初扩张的状态，带动滑动推杆6向外运动，增大了滑动推杆6之间的间隙，滑动推杆6对物体不再接触，夹持力消失，实现了对物体的释放。

本发明装置采用基座、驱动器、多孔弹性块、、多个手指和多个滑动推杆等综合实现了离散空间自适应抓取功能，利用了多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能；利用传驱动器和传动机构带动手指挤压多孔弹性块或滑动推杆，使多个滑动推杆向装置的中心聚拢，达到对物体的多向抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；仅需要一套杆簇，结构简单；通过手指紧箍运动，轻松实现多个滑动推杆向装置中心聚拢而达到抓持目的，能耗低。

Claims (7)

1.一种多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座(1)、多孔弹性块(2)、驱动器(3)、传动机构、至少一个手指(5)、K个滑动推杆(6)和K个簧件(7)；所述多孔弹性块(2)安装在基座(1)中，所述多孔弹性块(2)具有弹性，所述多孔弹性块(2)上有K个通孔(21)，任意两个通孔(21)的中心线的夹角小于15度；所述驱动器(3)的输出轴与传动机构(4)的输入端相连，所述传动机构(4)的输出端与手指(5)相连；第i个所述滑动推杆(6)滑动镶嵌在第i个通孔(21)中，第i个所述滑动推杆(6)的中心线与其在第i个通孔(21)中的滑动方向一致；每个所述滑动推杆(6)的一端伸出在基座(1)的外侧；第i个所述簧件(7)的两端分别连接第i个滑动推杆(6)和基座(1)，或者第i个所述簧件(7)的两端分别连接第i个滑动推杆(6)和多孔弹性块(2)；所述手指(5)转动或平动设置在基座中；所述手指与传动机构(4)的输出端相连；所述手指(5)与多孔弹性块(2)或与位于外围的滑动推杆(6)相接触；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

2.如权利要求1所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块(2)由乳胶、硅胶或橡胶中的任意一种或多种制成。

3.如权利要求1或2所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：还包括M个套筒(22)；第j个所述套筒(22)固定安装在第j个通孔(21)中；第j个所述滑动推杆(6)滑动镶嵌在第j个套筒(22)中；其中M为不大于滑动推杆(6)的数量且M为自然数；i＝1,2,…,M；j为自然数。

4.如权利要求1或2所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器(41)、转轴(42)和传动带(43)；所述驱动器(3)的输出轴与减速器(41)的输入轴相连，所述减速器(41)的输出轴与转轴(42)相连，所述转轴(42)套设在基座中；所述手指(5)套设在基座(1)上；所述传动带(43)连接转轴(42)与手指(5)。

5.如权利要求1或2所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器(3)采用电机、气缸或液压缸。

6.如权利要求1或2所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器(3)安装在基座(1)上。

7.如权利要求1所述的多指紧箍弹性变位杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述多孔弹性块(2)包括多个孔间簧件(23)和N个通孔件(24)；所述孔间簧件(23)连接在通孔件(24)之间；所述通孔(21)设在通孔件(24)上；其中，N为滑动推杆(6)的数量。