CN105798938B - 平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法，属于机器人手技术领域。该装置包括基座、两个指段、两个关节轴、驱动器、复合柔性杆、传感器、控制模块和电机驱动模块等。该装置可以更好地实现平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第二指段和第一指段自适应不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便；该装置可实现高灵巧性、高自适应性、高可靠性、高稳定性和低控制难度，适用于机器人手。

Description

平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法的设计。

背景技术

机器人已经可以实现较多的操作功能，其大部分功能需要机器人手的操作来实现，因此手部结构的设计是机器人设计的关键技术。目前机器人手指分为灵巧手和欠驱动手两类，它们各自有自身的优点，同时也有自身的不足之处。

现有灵巧手指的缺点是对所抓物体的形状、大小没有自动适应性，需要经过大量的运动学和动力学的复杂计算，还需要针对当前问题进行复杂编程达到多关节协调运动控制，难以满足非结构化环境下的可靠的鲁棒抓取，这种依赖于大量传感器信息的综合应用、复杂运动学和动力学计算以及复杂控制理论的技术，成本昂贵、对操作人员要求高等不足，长期以来难以广泛实用化。

现有灵巧手的优点是抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，灵活性高，稳定性高，可靠性高。

现有欠驱动手指的缺点是传动链长，在传动过程中会产生空程、间隙和丢步等问题，使手指抓取性能降低，当手指根部的第一指段施加于物体上的抓取力较小时，欠驱动手指不能工作，当第一指段抓取力较大时，欠驱动手指虽然能够实现自适应抓取动作，但是会导致第二指段抓取力与第一指段抓取力相比非常小，且两者呈某种比例，为了提高第二指段抓取力，不得不增加第一指段抓取力，但是过大的第一指段抓取力会挤坏物体，因此，对许多物体的抓取来说，欠驱动手指抓取方式很不理想，如利用齿轮传动实现的欠驱动手指(CN1289269C)、利用连杆传动实现的欠驱动手指(US5762390)。

现有欠驱动手指的优点是驱动器少，结构简单，不需要进行大量运动学和动力学的复杂计算，不需要进行复杂编程，具有自动适应物体形状、大小的特点，降低了控制难度和成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法。该装置综合利用了灵巧手和欠驱动手的结构特点，可以更好地实现平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第二指段和第一指段自适应不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便；该装置可实现高灵巧性、高自适应性、高可靠性、高稳定性和低控制难度。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种平夹感知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、复合柔性杆、第一电机、第二电机、第一触发传感器、第二触发传感器、停放传感器、停抓传感器、控制模块和电机驱动模块；所述第一电机与基座固接；所述第二电机与基座固接；所述近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行；所述控制模块包括停放输入端、停抓输入端、第一触发输入端、第二触发输入端、电机驱动输出端和复位端；其特征在于：该平夹感知自适应机器人手指装置还包括第一传动机构、第二传动机构、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、连杆、第一连杆轴、第二连杆轴；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述第一传动机构设置在基座中；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端活动套设在近关节轴上；所述第二传动机构设置在基座中，所述第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与柔性传动件的一端相连；所述柔性传动件的另一端与第二传动轮固接；所述第一传动轮活动套设在近关节轴上，所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与连杆固接；所述第一连杆轴活动套设在基座中；所述第二连杆轴活动套设在连杆上；所述连杆与第二指段固接；所述连杆的长度与第一连杆轴轴线到近关节轴轴线的长度相等；所述连杆与远关节轴轴线垂直；所述复合柔性杆、连杆、第一指段和基座四者在复合柔性杆处于原长时构成平行四连杆机构；定义抓取物体的一侧为该平夹感知自适应机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方；所述柔性传动件依次从前方缠绕经过第一传动轮，穿过第一指段，从前方缠绕经过第二传动轮；所述柔性传动件采用传动带、腱绳或链条；所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述柔性传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系；所述控制模块的复位端连接复位信号；所述控制模块的电机驱动输出端与电机驱动模块的输入端连接；所述电机驱动模块的输出端分别与第一电机、第二电机的引线连接；所述的第一触发传感器的信号引出端与控制模块的第一触发输入端连接；所述的第一触发传感器固定安装在第一指段的抓取面，采集所抓物体碰触第一指段的信息；所述的停抓传感器的信号引出端与控制模块的停抓输入端连接；所述的停抓传感器固定安装在第二指段的抓取面，采集所抓物体碰触第二指段的信息；所述的第二触发传感器的信号引出端与控制模块的第二触发输入端连接；所述的第二触发传感器固定安装在复合柔性杆上，采集复合柔性杆恢复到某个设定长度的信息；所述的停放传感器的信号引出端与控制模块的停放输入端连接；所述的停放传感器固定安装在基座上，采集第一指段相对于基座绕近关节轴转动到某个设定角度的信息；所述的控制模块运行控制程序，利用来自传感器的各种信号，发出指令通过电机驱动模块驱动电机转动，实现弯曲或伸直手指的功能。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述复合柔性杆包括上叉连杆、下架连杆、簧件和第二触发传感器；所述上叉连杆一端活动套设在第二连杆轴上，所述上叉连杆的另一端套设在下架连杆上，所述下架连杆一端活动套设在第一连杆轴上，所述下架连杆的另一端套设在上叉连杆中，所述簧件两端分别连接上叉连杆和下架连杆，所述第二触发传感器固定安装在下架连杆或上叉连杆上；所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、第一带轮、第二带轮和传动带；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一锥齿轮套固在第一减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮套固在过渡轴上，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；所述过渡轴套设在基座中，所述第一带轮套固在过渡轴上，所述第二带轮活动套接在近关节轴上，所述第二带轮与第一指段固接，所述传动带连接第一带轮和第二带轮，所述传动带、第一带轮和第二带轮形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第二减速器，螺杆和螺母板；所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述螺杆与第二减速器的输出轴固接，所述螺杆的轴线与第二减速器的输出轴的轴线一致，所述螺母板与螺杆形成螺纹传动关系，所述螺母板滑动镶嵌在基座中，所述螺母板与柔性传动件的一端固接。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括过渡滑轮和过渡滑轮轴，所述过渡滑轮套接在过渡滑轮轴上，所述过渡滑轮轴套设在某个指段或基座中，所述柔性传动件分别缠绕经过不同的过渡滑轮。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的第一触发传感器、第二触发传感器、停抓传感器和停放传感器采用多个位移传感器、压力传感器或力矩传感器且呈阵列布置。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的控制模块采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中一种或几种的组合，控制模块内含有A/D转换子模块。

本发明提供的一种采用所述平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)令复位标志位为R，令停放标志位为B，令停抓标志位为F，令第一接触标志位为D，令第二接触标志位为E；开始时，令复位标志位R＝0；

b)控制模块的停放输入端接收到停放传感器的停放信号，则令停放标志位B＝1；否则令停放标志位B＝0；

c)控制模块的停抓输入端接收到停抓传感器的停抓信号，则令停抓标志位F＝1；否则令停抓标志位F＝0；

d)控制模块的第一触发输入端接收到第一触发传感器的第一触发信号，则令第一触发标志位D＝1；否则令第一触发标志位D＝0；

e)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发传感器的第二触发信号，则令第二触发标志位E＝1；否则令第二触发标志位E＝0；

f)控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

g)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发信号，即第二触发标志位E＝1，则进行步骤i)；否则进行步骤h)；

h)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机反转，效果是使得第二指段绕远关节轴向放开物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

i)第二电机停转；控制模块的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

j)第一电机停转，进行步骤a)；

k)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机反转，效果是使得第一指段绕近关节轴向放开物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤m)；否则进行步骤l)；

l)控制模块的第一触发输入端接收到第一触发信号，即第一触发标志位D＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤n)；

m)控制模块的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

n)控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤p)；

o)第一电机停转；控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)；

p)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机正转，效果是使得第一指段绕近关节轴向抓取物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

q)第二电机停转，进行步骤a)；

r)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机正转，效果是使得第二指段绕远关节轴向抓取物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤s)；

s)控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用双电机驱动、连杆传动机构、多传感器反馈信号、控制模块和自适应抓取的控制方法综合实现了双关节机器人手指感知及自适应抓取的功能，通过采集物体接触或离开手指的信息实现不同形状、大小物体的平行夹持和自适应的自动抓取。该装置与传统欠驱动手指相比，抓取效果更优，第一指段、第二指段对物体的抓取力是相互独立的，便于稳定抓取，抓取力可控，传动链短，从而减少了传动间隙和控制死区，抓取过程更稳定，适应范围更广。该装置与传统的主动控制灵巧手指相比，具有平行夹持和自适应抓取的优点，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。利用该装置可以实现高灵巧自由度、高自适应、低控制难度和高可靠性的机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的平夹感知自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是图2的B-B剖视图。

图6是图2的C-C剖视图。

图7是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的正面外观图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一触发传感器)。

图9是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图10是图1所示实施例在第二指段保持与基座平行时，复合柔性杆与连杆连接情况的一种立体外观图。

图11是图1所示实施例在第二指段保持与基座平行时，复合柔性杆与连杆连接情况的一种立体外观正视图。

图12是图11的A-A剖视图。

图13是图1所示实施例在第二指段与基座不平行时，复合柔性杆与连杆连接情况的一种立体外观图。

图14是图1所示实施例的电路连接原理示意图。

图15是本发明提供的采用平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法的流程图。

图16是图1所示实施例的爆炸视图。

图17至图19是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的第一阶段平行夹持过程示意图。

图19至图21是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的第二阶段包络抓取过程示意图。

图22至图24是图1所示实施例开动第一电机平行夹持物体时一种情况的动作过程示意图，此时第二指段接触物体，抓取结束。

在图1至图24中：

1－基座， 111－基座前板， 112－基座后板， 113－基座左侧板，

114－基座右侧板， 115－基座表面板， 116－基座底板， 117－基座中板，

118－基座斜盖板， 2－第一指段， 21－第一指段骨架， 22－第一指段左侧板，

23－第一指段右侧板， 25－第一指段前板， 26－第一指段后板， 3－第二指段，

4－近关节轴， 5－远关节轴， 6－第一传动轮， 7－第二传动轮，

8－柔性传动件， 81－过渡滑轮， 82－过渡滑轮轴， 83－轴承，

84－套筒， 85－螺钉， 86-销钉， 9－连杆，

91－第一连杆轴， 92－第二连杆轴， 10-复合柔性杆，

101-上叉连杆， 102－下架连杆，

13-簧件， 121-控制模块， 122-电机驱动模块， 14－第一电机，

141－第一减速器， 142－第一锥齿轮， 143－第二锥齿轮， 144－过渡轴，

145－第一带轮， 146－第二带轮， 147－传动带， 15－第二电机，

151－第二减速器， 152－螺杆， 153－螺母板， 17－物体，

161-第一触发传感器(此实施例采用压力传感器)， 162-第二触发传感器(此实施例采用压力传感器)，

163-停抓传感器(此实施例采用压力传感器)， 164-停放传感器(此实施例采用压力传感器)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的平夹感知自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图16所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、复合柔性杆10、第一电机14、第二电机15、第一触发传感器161、第二触发传感器162、停放传感器164、停抓传感器163、控制模块121和电机驱动模块122；所述第一电机14与基座1固接；所述第二电机15与基座1固接；所述近关节轴4的轴线与远关节轴5的轴线平行；所述控制模块121包括停放输入端、停抓输入端、第一触发输入端、第二触发输入端、电机驱动输出端和复位端。本实施例还包括第一传动机构、第二传动机构、第一传动轮6、第二传动轮7、柔性传动件8、连杆9、第一连杆轴91、第二连杆轴92；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2套接在近关节轴4上；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述第一传动机构设置在基座1中；所述第一电机14的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端活动套设在近关节轴4上。

本实施例中，所述第二传动机构设置在基座1中，所述第二电机15的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与柔性传动件8的一端相连；所述柔性传动件8的另一端与第二传动轮7固接；所述第一传动轮6活动套设在近关节轴4上，所述第二传动轮7套接在远关节轴5上，第二传动轮7与连杆9固接；所述第一连杆轴91活动套设在基座1中；所述第二连杆轴92活动套设在连杆9上；所述连杆9与第二指段3固接；所述连杆9的长度与第一连杆轴91轴线到近关节轴4轴线的长度相等；所述连杆9与远关节轴5轴线垂直；所述复合柔性杆10、连杆9、第一指段2和基座1四者在复合柔性杆10处于原长时构成平行四连杆机构；定义抓取物体17的一侧为该平夹感知自适应机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体17的那一侧为该装置的后方；所述柔性传动件8依次从前方缠绕经过第一传动轮6，穿过第一指段，从前方缠绕经过第二传动轮7。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述柔性传动件8采用传动带、腱绳或链条；所述第一传动轮6采用带轮、绳轮或链轮；所述第二传动轮7采用带轮、绳轮或链轮；所述柔性传动件8、第一传动轮6和第二传动轮7三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系。本实施例中，所述柔性传动件8采用腱绳；第一传动轮6采用绳轮；第二传动轮7采用绳轮；所述柔性传动件8、第一传动轮6和第二传动轮7三者之间配合形成绳轮传动关系。

本实施例中，所述控制模块121的复位端连接复位信号；所述控制模块121的电机驱动输出端与电机驱动模块122的输入端连接；所述电机驱动模块122的输出端分别与第一电机14、第二电机15的引线连接；所述的第一触发传感器161的信号引出端与控制模块的第一触发输入端连接；所述的第一触发传感器161固定安装在第一指段2的抓取面，采集所抓物体17碰触第一指段2的信息；所述的停抓传感器163的信号引出端与控制模块121的停抓输入端连接；所述的停抓传感器163固定安装在第二指段3的抓取面，采集所抓物体17碰触第二指段3的信息；所述的第二触发传感器162的信号引出端与控制模块121的第二触发输入端连接；所述的第二触发传感器162固定安装在复合柔性杆10上，采集复合柔性杆10恢复到某个设定长度的信息；所述的停放传感器164的信号引出端与控制模块121的停放输入端连接；所述的停放传感器164固定安装在基座1上，采集第一指段2相对于基座1绕近关节轴4转动到某个设定角度的信息；所述的控制模块121运行控制程序，利用来自传感器的各种信号，发出指令通过电机驱动模块122驱动电机转动，实现弯曲或伸直手指的功能。

本实施例中，如图11至图13所示，所述复合柔性杆10包括上叉连杆101、下架连杆102、簧件13和第二触发传感器162；所述上叉连杆101一端活动套设在第二连杆轴上92，所述上叉连杆101的另一端套设在下架连杆102上，所述下架连杆102一端活动套设在第一连杆轴91上，所述下架连杆102的另一端套设在上叉连杆101中，所述簧件13两端分别连接上叉连杆101和下架连杆102，所述第二触发传感器162固定安装在下架连杆102或上叉连杆上101；所述簧件13采用拉簧。

本实施例中，所述第一传动机构包括第一减速器141、第一锥齿轮142、第二锥齿轮143、过渡轴144、第一带轮145、第二带轮146和传动带147；所述第一电机14的输出轴与第一减速器141的输入轴相连，所述第一锥齿轮142套固在第一减速器141的输出轴上，所述第二锥齿轮143套固在过渡轴144上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合；所述过渡轴144套设在基座1中，所述第一带轮145套固在过渡轴144上，所述第二带轮146活动套接在近关节轴4上，所述第二带轮146与第一指段2固接，所述传动带147连接第一带轮145和第二带轮146，所述传动带147、第一带轮145和第二带轮146形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。

本实施例中，所述第二传动机构包括第二减速器151，螺杆152和螺母板153；所述第二电机15的输出轴与第二减速器151的输入轴相连，所述螺杆152与第二减速器151的输出轴固接，所述螺杆152的轴线与第二减速器151的输出轴的轴线一致，所述螺母板153与螺杆152形成螺纹传动关系，所述螺母板153滑动镶嵌在基座1中，所述螺母板153与柔性传动件8的一端固接。

本实施例还包括2个过渡滑轮81和2个对应的过渡滑轮轴82；每个所述过渡滑轮81套接在对应的过渡滑轮轴82上；所述第一过渡滑轮轴套设在基座1中，所述第二过渡滑轮轴套设在第一指段2中；所述柔性传动件8分别缠绕经过第一过渡滑轮和第二过渡滑轮。第一过渡滑轮和第二过渡滑轮的设置可以加大柔性传动件8在第一传动轮6、第二传动轮7上的缠绕弧长，获得更大的手指弯曲角度范围，还可以减少传动摩擦，降低能耗。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115、基座底板116、基座中板117和基座斜盖板118。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23、第一指段前板25和第一指段后板26。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的第一触发传感器161、第二触发传感器162、停抓传感器163和停放传感器164采用多个位移传感器、压力传感器或力矩传感器且呈阵列布置。本实施例中，所述的第一触发传感器161、第二触发传感器162、停抓传感器163和停放传感器164采用压力传感器。

本发明所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的控制模块121采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中一种或几种的组合，控制模块121内含有A/D转换子模块。本实施例中，控制模块121采用单片机实现，该单片机带有A/D转换子模块。

本实施例中，本发明提供的一种采用如权利要求1所述平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法，如图14所示，包括如下步骤：

a)令复位标志位为R，令停放标志位为B，令停抓标志位为F，令第一接触标志位为D，令第二接触标志位为E；开始时，令复位标志位R＝0；

b)控制模块的停放输入端接收到停放传感器164的停放信号，则令停放标志位B＝1；否则令停放标志位B＝0；

c)控制模块的停抓输入端接收到停抓传感器163的停抓信号，则令停抓标志位F＝1；否则令停抓标志位F＝0；

d)控制模块的第一触发输入端接收到第一触发传感器161的第一触发信号，则令第一触发标志位D＝1；否则令第一触发标志位D＝0；

e)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发传感器162的第二触发信号，则令第二触发标志位E＝1；否则令第二触发标志位E＝0；

f)控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

g)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发信号，即第二触发标志位E＝1，则进行步骤i)；否则进行步骤h)；

h)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机15反转，效果是使得第二指段3绕远关节轴5向放开物体17方向转动一个小角度；控制模块121的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

i)第二电机15停转；控制模块121的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

j)第一电机14停转，进行步骤a)；

k)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机14反转，效果是使得第一指段2绕近关节轴4向放开物体17方向转动一个小角度；控制模块121的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤m)；否则进行步骤l)；

l)控制模块121的第一触发输入端接收到第一触发信号，即第一触发标志位D＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤n)；

m)控制模块121的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

n)控制模块121的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤p)；

o)第一电机14停转；控制模块121的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)；

p)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机14正转，效果是使得第一指段2绕近关节轴4向抓取物体17方向转动一个小角度；控制模块121的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

q)第二电机15停转，进行步骤a)；

r)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机15正转，效果是使得第二指段3绕远关节轴5向抓取物体17方向转动一个小角度；控制模块121的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤s)；

s)控制模块121的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)。

本实施例还采用了若干轴承83、若干套筒84、若干螺钉85和若干销钉86等零件，属于公知常用技术，不赘述。

本实施例的工作原理，结合图14、图15及图17至图24，叙述如下：

本实施例的初始位置为手指伸直的状态，如图17所示，此时第一指段2和第二指段3相对于基座1呈伸直状态。

当使用本实施例抓取物体17时，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14正向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，如图17至图19所示。假如，第二指段3先接触到物体17，第二指段3表面的停抓传感器163将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，完成平行夹持过程，如图22至图24所示。假如，第一指段2先接触到物体17，第一指段2表面的第一触发传感器161将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，并使第二电机15正向转动。此时，即第一指段2停住，第二电机15驱动第二指段3向物体17靠近，当第二指段3接触到物体17时，第二指段3表面的停抓传感器163将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第二电机15停转，即第二指段3停住，完成包络抓取过程，如图17至图21所示。

当使用本实施例放开物体17时，控制模块121和电机驱动模块122驱动第一电机14和第二电机15反向转动，使得手指逐渐远离物体17。此时，第二电机15反转，驱动第二指段3伸直，当第二触发传感器162接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第二电机15停转；第一电机14反转，驱动第一指段2伸直，当停放传感器164接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，从而实现手指恢复初始伸直位置。

此外，在某些情况下，根据需要可以采用复位信号进行手指装置的复位，手指将转动到初始伸直位置。

本发明装置利用双电机驱动、连杆传动机构、多传感器反馈信号、控制模块和自适应抓取的控制方法综合实现了双关节机器人手指感知及自适应抓取的功能，通过采集物体接触或离开手指的信息实现不同形状、大小物体的平行夹持和自适应的自动抓取。该装置与传统欠驱动手指相比，抓取效果更优，第一指段、第二指段对物体的抓取力是相互独立的，便于稳定抓取，抓取力可控，传动链短，从而减少了传动间隙和控制死区，抓取过程更稳定，适应范围更广。该装置与传统的主动控制灵巧手指相比，具有平行夹持和自适应抓取的优点，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。利用该装置可以实现高灵巧自由度、高自适应、低控制难度和高可靠性的机器人手。

Claims (8)

1.一种平夹感知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、复合柔性杆、第一电机、第二电机、第一触发传感器、第二触发传感器、停放传感器、停抓传感器、控制模块和电机驱动模块；所述第一电机与基座固接；所述第二电机与基座固接；所述近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行；所述控制模块包括停放输入端、停抓输入端、第一触发输入端、第二触发输入端、电机驱动输出端和复位端；其特征在于：该平夹感知自适应机器人手指装置还包括第一传动机构、第二传动机构、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、连杆、第一连杆轴、第二连杆轴；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述第一传动机构设置在基座中；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端活动套设在近关节轴上；所述第二传动机构设置在基座中，所述第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与柔性传动件的一端相连；所述柔性传动件的另一端与第二传动轮固接；所述第一传动轮活动套设在近关节轴上，所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与连杆固接；所述第一连杆轴活动套设在基座中；所述第二连杆轴活动套设在连杆上；所述连杆与第二指段固接；所述连杆的长度与第一连杆轴轴线到近关节轴轴线的长度相等；所述连杆与远关节轴轴线垂直；所述复合柔性杆、连杆、第一指段和基座四者在复合柔性杆处于原长时构成平行四连杆机构；定义抓取物体的一侧为该平夹感知自适应机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方；所述柔性传动件依次从前方缠绕经过第一传动轮，穿过第一指段，从前方缠绕经过第二传动轮；所述柔性传动件采用传动带、腱绳或链条；所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述柔性传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系；所述控制模块的复位端连接复位信号；所述控制模块的电机驱动输出端与电机驱动模块的输入端连接；所述电机驱动模块的输出端分别与第一电机、第二电机的引线连接；所述的第一触发传感器的信号引出端与控制模块的第一触发输入端连接；所述的第一触发传感器固定安装在第一指段的抓取面，采集所抓物体碰触第一指段的信息；所述的停抓传感器的信号引出端与控制模块的停抓输入端连接；所述的停抓传感器固定安装在第二指段的抓取面，采集所抓物体碰触第二指段的信息；所述的第二触发传感器的信号引出端与控制模块的第二触发输入端连接；所述的第二触发传感器固定安装在复合柔性杆上，采集复合柔性杆恢复到某个设定长度的信息；所述的停放传感器的信号引出端与控制模块的停放输入端连接；所述的停放传感器固定安装在基座上，采集第一指段相对于基座绕近关节轴转动到某个设定角度的信息；所述的控制模块运行控制程序，利用来自传感器的各种信号，发出指令通过电机驱动模块驱动电机转动，实现弯曲或伸直手指的功能。

2.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述复合柔性杆包括上叉连杆、下架连杆、簧件和第二触发传感器；所述上叉连杆一端活动套设在第二连杆轴上，所述上叉连杆的另一端套设在下架连杆上，所述下架连杆一端活动套设在第一连杆轴上，所述下架连杆的另一端套设在上叉连杆中，所述簧件两端分别连接上叉连杆和下架连杆，所述第二触发传感器固定安装在下架连杆或上叉连杆上；所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

3.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、第一带轮、第二带轮和传动带；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一锥齿轮套固在第一减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮套固在过渡轴上，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；所述过渡轴套设在基座中，所述第一带轮套固在过渡轴上，所述第二带轮活动套接在近关节轴上，所述第二带轮与第一指段固接，所述传动带连接第一带轮和第二带轮，所述传动带、第一带轮和第二带轮形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。

4.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第二减速器，螺杆和螺母板；所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述螺杆与第二减速器的输出轴固接，所述螺杆的轴线与第二减速器的输出轴的轴线一致，所述螺母板与螺杆形成螺纹传动关系，所述螺母板滑动镶嵌在基座中，所述螺母板与柔性传动件的一端固接。

5.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括过渡滑轮和过渡滑轮轴，所述过渡滑轮套接在过渡滑轮轴上，所述过渡滑轮轴套设在某个指段或基座中，所述柔性传动件分别缠绕经过不同的过渡滑轮。

6.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的第一触发传感器、第二触发传感器、停抓传感器和停放传感器采用多个位移传感器、压力传感器或力矩传感器且呈阵列布置。

7.如权利要求1所述的平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的控制模块采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中一种或几种的组合，控制模块内含有A/D转换子模块。

8.一种采用如权利要求1所述平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)令复位标志位为R，令停放标志位为B，令停抓标志位为F，令第一接触标志位为D，令第二接触标志位为E；开始时，令复位标志位R＝0；

b)控制模块的停放输入端接收到停放传感器的停放信号，则令停放标志位B＝1；否则令停放标志位B＝0；

c)控制模块的停抓输入端接收到停抓传感器的停抓信号，则令停抓标志位F＝1；否则令停抓标志位F＝0；

d)控制模块的第一触发输入端接收到第一触发传感器的第一触发信号，则令第一触发标志位D＝1；否则令第一触发标志位D＝0；

e)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发传感器的第二触发信号，则令第二触发标志位E＝1；否则令第二触发标志位E＝0；

f)控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

g)控制模块的第二触发输入端接收到第二触发信号，即第二触发标志位E＝1，则进行步骤i)；否则进行步骤h)；

h)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机反转，效果是使得第二指段绕远关节轴向放开物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

i)第二电机停转；控制模块的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

j)第一电机停转，进行步骤a)；

k)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机反转，效果是使得第一指段绕近关节轴向放开物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤m)；否则进行步骤l)；

l)控制模块的第一触发输入端接收到第一触发信号，即第一触发标志位D＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤n)；

m)控制模块的停放输入端接收到停放信号，即停放标志位B＝1，则进行步骤j)；否则进行步骤k)；

n)控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤o)；否则进行步骤p)；

o)第一电机停转；控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)；

p)在预定的小时间段⊿t内驱动第一电机正转，效果是使得第一指段绕近关节轴向抓取物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤l)；

q)第二电机停转，进行步骤a)；

r)在预定的小时间段⊿t内驱动第二电机正转，效果是使得第二指段绕远关节轴向抓取物体方向转动一个小角度；控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤g)；否则进行步骤s)；

s)控制模块的停抓输入端接收到停抓信号，即停抓标志位F＝1，则进行步骤q)；否则进行步骤r)。