CN105835051A - 双电机驱动协同控制的欠驱动机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双电机驱动协同控制的欠驱动机械手，由驱动部件和两个欠驱动手指部件组成，手指部件由指根节、中指节和指尖节组成。两个步进电机分别通过丝杆螺母机构将旋转运动转化为直线运动，分别推动两手指部件的指根节和中指节，指尖节是克服扭弹簧作用欠驱动原理。针对形状、尺寸不一致，或材质松软、硬脆的被抓取物特性进行优化设计，本发明欠驱动机械手应用于需要既适应形状、尺寸变化，又要严格控制抓取力、保证物体可靠抓持的场合。本发明欠驱动机械手属于机器人、机电一体化的应用技术领域，与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣等生产和物流领域。

Description

双电机驱动协同控制的欠驱动机械手
技术领域：
本发明涉及双电机驱动协同控制的欠驱动机械手，由驱动部件和两个欠驱动手指部件组成，手指部件由指根节、中指节和指尖节组成。两个步进电机分别通过丝杆螺母机构将旋转运动转化为直线运动，分别推动两手指部件的指根节和中指节，指尖节是克服扭弹簧作用欠驱动原理。针对形状、尺寸不一致，或材质松软、硬脆的被抓取物特性进行优化设计，本发明欠驱动机械手应用于需要既适应形状、尺寸变化，又要严格控制抓取力、保证物体可靠抓持的场合。本发明欠驱动机械手属于机器人、机电一体化的应用技术领域，与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣等生产和物流领域。
背景技术：
针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取的末端抓持器。就抓取的复杂对象的种类：①形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③易变形的软性物体(面包、软包装物品)；④异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。传统工业机械手(末端抓持器)为夹钳式或平行移动式结构，只能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空间位置和形状，需要精确控制运动和抓取力，否则会损坏复杂对象或不能可靠抓取，但目前仿人灵巧手尚处在实验室研究阶段。
目前，欠驱动机械手的手指部分为刚性变约束结构，每根手指共三个自由度。在单电机驱动下，未接触被抓取物体时手指任意点的运动轨迹是固定不变的、会对小的被抓取物体的支撑面(如输送带)产生干涉。接触被抓取物体时需要克服两个扭弹簧作用，其作用点、作用力的大小方向不可改变。既不能适应前述被抓持复杂对象的形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂对象的特殊性要求，同时还会对被抓持复杂对象产生较大冲击。因此，刚性结构的欠驱动机械手适应性不好，不能有效地抓持前述的复杂对象。
本发明克服了上述缺陷，着重针对上述复杂抓持对象，本发明欠驱动机械手有两个欠驱动手指，每个欠驱动手指结构相同；驱动部件中两个步进电机分别通过丝杆螺母机构将旋转运动转化为直线运动，再分别推动两手指部件的指根节和中指节，指根节和中指节的驱动是并联的，中指节和指尖节的驱动是串联的，指尖节是克服扭弹簧作用欠驱动原理。本发明欠驱动机械手的特点是：通过带角位移反馈编码器的双步进电机角位移、角速度和输出力矩的协同控制，抓取姿态可调、接触力可调、有效避免指尖与被抓取物体支撑面的干涉，因此抓取复杂对象时，抓取范围更广。
发明内容：
本发明的主要解决方案是这样实现的：
本发明欠驱动手的三维结构如附图1-3所示，由两个欠驱动手指部件和驱动部件组成，一个欠驱动手指部件被安装在驱动部件矩形手掌的左侧对称中心处，另外一个欠驱动手指部件被安装在驱动部件矩形手掌的右侧对称中心处。驱动部件中两个步进电机分别通过丝杆螺母机构将旋转运动转化为直线运动，再分别推动两手指部件的指根节和中指节，通过克服扭弹簧作用指尖节转动。
如附图4所示，双电机驱动协同控制的欠驱动机械手由一个底板2、手掌盘9，和两个相同的步进电机1、联轴器3、丝杠4、丝杠螺母6、驱动板7、带座轴承10、手指部件13，以及四个相同的直线轴承5、拉杆导柱8、推杆座11、推杆12构成。每个驱动板7上各两个直线轴承5、拉杆导柱8、推杆座11、推杆12，左右对称安装。
如附图4-9所示，欠驱动机械手安装结构是：拉杆导柱8两端的圆柱面均与底板2和手掌盘9孔间隙配合定位后，底板2和手掌盘9靠四个拉杆导柱8连接成整体，直线轴承5在驱动板7上间隙配合定位后螺钉固定，直线轴承5在拉杆导柱8孔导向下使两个驱动板7直线运动；底板2、手掌盘9上与拉杆导柱8配合的四个定位孔，驱动板7上安装直线轴承5配合的定位孔，底板2、手掌盘9和驱动板7上这些相关孔以配做方式保证其同轴度；两个步进电机1安装在底板2上，两个步进电机1各自通过联轴器3与丝杠4上端联结，两个丝杠螺母6各自安装在两个驱动板7上，丝杠4下端固定在带座轴承10上，两个带座轴承10安装在手掌盘9上，从而驱动两个驱动板7上下直线运动；一个驱动板7固定两个推杆座11，推杆座11与推杆12铰链联结。
如附图8所示，前述的手指部件13是一个欠驱动手指，其原理是：ABCD四连杆机构中，ACB1三角板与AC杆在AC两点铰链联结、是无相对运动的并联；CDEF四连杆机构与ABCD四连杆机构串联、并共用CD杆，铰链E点销轴上装有扭弹簧5a。一个电机通过ACB1三角板的B1点驱动AC杆(即指根节2a)转动，另一个电机驱动ABCD四连杆机构的B点、驱动CE杆(即中指节3a)转动，EFG三角板(即指尖节4a)的转动是BD杆、DF杆串联驱动且克服扭弹簧5a的欠驱动转动。在手指完全伸直的初始状态，B和B1是重合的，因此驱动每个手指部件13的两个推杆12完全相同。一个电机推动一个驱动板7、并驱动两个手指部件13的指根节2a转动，另一个电机推动一个驱动板7、并驱动两个手指部件13的中指节3a转动。
如附图9-12所示，前述的手指部件13是一个部件，由指根座1a、指根节2a(即AC杆)、中指节3a(即CE杆)、指尖节4a(即EFG三角板)、扭弹簧5a、指尖推杆6a(即DF杆)、小支杆7a(即CD杆)、中推杆8a(即BD杆)、三角板9a(即ACB1三角板)、大支杆10a(即AB杆)组成。手指部件13结构与安装：两个手指部件13的指根座1a分别左右对称地固定在手掌盘9的两侧，手指部件13的指根节2a、中指节3a、指尖节4a的对称中心面与手掌盘9前后方向对称中心面重合；指根座1a、指根节2a、三角板9a、大支杆10a这四个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，一个推杆12、三角板9a这两个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，另一个推杆12、中推杆8a、大支杆10a这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，中推杆8a、小支杆7a、指尖推杆6a这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，小支杆7a、中指节3a、指根节2a这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，指尖推杆6a、指尖节4a这两个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，套有扭弹簧5a的圆柱销将中指节3a、指尖节4a这两个零件联结成一个铰链结构，扭弹簧5a两端伸出的弹簧丝分别由固定在中指节3a、指尖节4a上的两个销卡住，实现扭弹簧5a的预紧。
从附图9、11中，可以清楚看出手指部件13由两个推杆12驱动，一个驱动板7上的两个推杆12分别与左右两个手指部件13的三角板9a在B1点铰链联结，另一个驱动板7上的两个推杆12分别与左右两个手指部件13的中推杆8a、大支杆10a在B点铰链联结，形成推杆12、中推杆8a、大支杆10a这三个零件的铰链联结。附图14-21分别是手指部件13的大支杆10a、指根节2a、中指节3a、指尖节4a等零件的结构图。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
(1)根指节设计为一个ABCD平行四边形连杆机构与ACB1三角板并联，其自由度分别由一个步进电机控制实现了根指节的初始角度可调，中指节的转动由另一个电机驱动；根指节角度的调整与中指节的驱动分离，两电机的协同控制，实现了接触点位置的调整，接触点位置的调整又实现了抓取力的调节。对易变形物体，可以根据情况选择接触力的作用点，以及作用力的大小方向，使抓取过程不对物体造成形变以及损伤，抓取更精确可靠。
(2)欠驱动手指由近指关节、中指节、指尖节构成，根指节角度的调整与中指节的驱动分离，两电机的协同控制，欠驱动手指有三个自由度，且可实现包络抓取范围更大。
(3)根指节角度的调整与中指节的驱动分离，两电机的协同控制，在对非固定物体抓取时，能保证物体不发生移动。
(4)本发明机械手的两个自由度分别由两个电机协同控制，第三个为克服扭弹簧作用的变约束自由度，按需要释放，从而实现了路径规划，避免与被抓取物体支撑面干涉。
附图说明：
图1为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手的三维装配图
图2为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件三维结构图
图3为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件三维零件分解图
图4为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手A-A剖视图
图5为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手俯视图
图6为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手B-B剖视图
图7为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手C-C剖视图
图8为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件原理图
图9为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件主视图
图10为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件D-D局部剖视图
图11为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件E-E局部剖视图
图12为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件E-E局部剖视图
图13为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指部件的四种抓取构型状态
图14为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指大支杆10a零件主视图
图15为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指大支杆10a零件俯视图
图16为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指指根节2a零件主视图
图17为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指指根节2a零件俯视图
图18为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指中指节3a零件主视图
图19为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指中指节3a零件俯视图
图20为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指指尖节4a零件主视图
图21为双电机驱动协同控制的欠驱动机械手手指指尖节4a零件左视图
具体实施方式：
下面为本发明的工作原理及工作过程：
本发明的工作原理及动作过程：针对具体被抓取对象进行优化计算后，可以计算出所需抓取力所对应的抓取姿态，抓取姿态由两步进电机协同控制。具体是:①抓取同种类的(如苹果)、形状尺寸不一致的复杂对象时，能够通过选择适当的弹性元件和结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持此种类的复杂对象。②抓取同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形、大小方盒等四方体)、形状尺寸变化大的同形状复杂对象时，能够通过选择适当的弹性元件和结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持同形状的复杂对象。③抓取不同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形和小方盒等四方体)、形状尺寸不相同的复杂对象时，能够通过适当选择弹性元件、结构尺寸和精确调节手指转位后，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持不同形状的复杂对象。
如附图13所示，根据圆柱形被抓取物的形状尺寸和接触方式，本发明机械手有四种构型状态。由于扭转弹簧的存在，构形一、二、三均具备一定的柔性，在手指受到扰动时仍能保持原有的抓取构形，稳定性较好，适合抓取。而对于构形四，由于三个指节均与被抓取物接触，抓取姿态唯一，若构形四状态下欠驱动手受到扰动，扭转弹簧发生变形，则构形四可能会转化为构形二或构形三，故构形四并不是一个稳定的抓取构形，是特例状态，使用状况和驱动控制精度要求高。
根据对象形状(如圆柱形、长方形等)尺寸和材料物理特性，通过ADAMS软件对各种构形状态进行了仿真，确定各构形的适应形状尺寸范围和不损坏且可靠抓持(不脱落)的适应条件，形成控制策略对照表。
简单抓取路径规划控制：欠驱动手指先呈张开的初始姿势定位至被抓取物上方位置，然后指根节驱动电机启动，手指指根节达到角位移，指根节驱动电机锁住不转，形成预抓取姿态；接着中指节驱动电机启动，手指逐渐与目标接触，并产生接触力，接触力则会使扭转弹簧发生变形，从而使目标被提起；最后两电机继续转动，直至达到欠驱动手爪抓取姿态与预设抓取姿态一致，抓取过程结束。
优化抓取路径规划控制：欠驱动手指先呈张开的初始姿势定位至被抓取物上方位置，然后根据路径规划优化控制策略，两电机协同控制；对于小尺寸被抓取物的抓取，还嵌入了壁障控制策略，避免与被抓取物体支撑面干涉。
示教抓取路径规划和抓取力控制：欠驱动手指先呈张开的初始姿势定位至被抓取物上方位置，然后示教抓取路径规划和抓取力，两电机协同控制；对于小尺寸被抓取物的抓取，还嵌入了壁障控制策略，避免与被抓取物体支撑面干涉。

Claims (2)

1.一种双电机驱动协同控制的欠驱动机械手，其特征是：由一个底板(2)、手掌盘(9)，和两个相同的步进电机(1)、联轴器(3)、丝杠(4)、丝杠螺母(6)、驱动板(7)、带座轴承(10)、手指部件(13)，以及四个相同的直线轴承(5)、拉杆导柱(8)、推杆座(11)、推杆(12)构成；拉杆导柱(8)两端的圆柱面均与底板(2)和手掌盘(9)孔间隙配合定位后，底板(2)和手掌盘(9)靠四个拉杆导柱(8)连接成整体，直线轴承(5)在驱动板(7)上间隙配合定位后螺钉固定，直线轴承(5)在拉杆导柱(8)孔导向下使两个驱动板(7)直线运动；底板(2)、手掌盘(9)上与拉杆导柱(8)配合的四个定位孔，驱动板(7)上安装直线轴承(5)配合的定位孔，底板(2)、手掌盘(9)和驱动板(7)上这些相关孔以配做方式保证其同轴度；两个步进电机(1)安装在底板(2)上，两个步进电机(1)各自通过联轴器(3)与丝杠(4)上端联结，两个丝杠螺母(6)各自安装在两个驱动板(7)上，丝杠(4)下端固定在带座轴承(10)上，两个带座轴承(10)安装在手掌盘(9)上，从而驱动两个驱动板(7)上下直线运动；一个驱动板(7)固定两个推杆座(11)，推杆座(11)与推杆(12)铰链联结。
2.根据权利要求1所述的双电机驱动协同控制的欠驱动机械手，其特征是：两个手指部件(13)的指根座(1a)分别左右对称地固定在手掌盘(9)的两侧，手指部件(13)的指根节(2a)、中指节(3a)、指尖节(4a)的对称中心面与手掌盘(9)前后方向对称中心面重合；指根座(1a)、指根节(2a)、三角板(9a)、大支杆(10a)这四个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，一个推杆(12)、三角板(9a)这两个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，另一个推杆(12)、中推杆(8a)、大支杆(10a)这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，中推杆(8a)、小支杆(7a)、指尖推杆(6a)这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，小支杆(7a)、中指节(3a)、指根节(2a)这三个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，指尖推杆(6a)、指尖节(4a)这两个零件用圆柱销联结成一个铰链结构，套有扭弹簧(5a)的圆柱销将中指节(3a)、指尖节(4a)这两个零件联结成一个铰链结构，扭弹簧(5a)两端伸出的弹簧丝分别由固定在中指节(3a)、指尖节(4a)上的两个销卡住，实现扭弹簧(5a)的预紧。
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