CN106239551A - 多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

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王月琛
邢宇辰
张文增
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    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/08Gripping heads and other end effectors having finger members

Abstract

多连杆双簧件直线平夹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、关节轴、电机、多个连杆、凸块拨盘和两个簧件等。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能;利用单个电机驱动两个指段,达到欠驱动效果;根据物体形状和位置的不同,可以在直线平夹与自适应两种模式之间自动切换;该装置能够直线平动第二指段去夹持物体,适用于工作台上薄板零件的良好夹持,该装置还能在第一指段接触物体之后,自动转动第二指段去接触物体,获得出力更大的握持效果,能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取;抓取范围大,稳定可靠。

Description

多连杆双簧件直线平夹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,特别涉及一种多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。
背景技术
由于欠驱动手指可以实现较好的自适应抓取,对不同的尺寸、形状物体都可以较好抓取,而无需复杂的实时抓取规划,具有非常好的效果,成为近年来的研究开发热点。但是传统的欠驱动手仅具有一种固定的抓取模式,影响了其灵活性,难以实现多种抓取模式,在现实抓取中常常需要两种以上的抓取模式。
在抓取物体时主要有两种抓取方法,一种是夹持,一种是握持。夹持是用末端手指的指尖部分去夹取物体,采用两个点或两个软指面去接触物体,主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体,抓取很精确,也称为精确抓取;握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触,达到更稳定的形状包络抓取,力量更大,也称为力量抓取。
工业夹持器一般采用末端平行的夹持方式,难以具有包络握持功能,不能适应多种形状物体的稳定包络抓取;自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持,但是无法实施末端平行夹持抓取。
已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A),包括基座、电机、中部指段、末端指段和平行齿轮式传动机构等。该装置实现了双关节手指自适应抓取效果。该装置的不足之处为:手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态,抓取方式仅有握持方式,不能实现平行夹持抓取效果。
已有的一种欠驱动手指装置(美国专利US8973958B2),包括五个连杆、弹簧、机械约束和电机等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时,开始阶段相对于基座保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作,之后根据物体的位置可以实现平行夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于,(1)该装置仅能实现圆弧平行夹持功能,无法实现直线平行夹持功能,在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人臂部运动才能配合实现抓取;(2)该多连杆机构存在较大的运动死区,抓取范围小。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有直线平行夹持和自适应抓取两种抓取模式,无需对物体环境进行复杂的实时检测、规划,既能沿着直线平动末端的第二指段去夹持物体,也能先后运动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体;采用单个电机驱动,抓取范围大。
本发明的技术方案如下:
本发明设计的一种多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:包括基座、第一指段、第二指段、关节轴、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第一簧件、第二簧件、限位块和凸块拨盘;所述电机与基座固接;所述传动机构设置在基座中;所述电机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第一轴相连,所述第一轴套设在基座中,所述凸块拨盘套固在第一轴上,所述第一簧件的两端分别连接第一连杆和凸块拨盘;所述第一连杆的一端套接在第一轴上,第一连杆的另一端套接在第二轴上;所述第二连杆的一端套接在第二轴上,第二连杆的另一端套接在关节轴上,所述第一指段与第二连杆固接;所述第三轴套设在第二连杆的中部,所述第三连杆的一端套接在第三轴上,第三连杆的另一端套接在第四轴上,所述第四轴套设在基座上;所述第四连杆的一端套接在第一轴上,第四连杆的另一端套接在第五轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆的另一端套接在第六轴上;所述第六连杆的一端套接在第六轴上,第六连杆的另一端套接在第二轴上;所述第七连杆的一端套接在第六轴上,第七连杆的另一端套接在第七轴上;所述第二指段套接在关节轴上,所述第二指段套接在第七轴上;所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴和第七轴的中心线相互平行;所述第二簧件的两端分别连接第四连杆和基座,所述限位块固接在基座上,阻止第四连杆绕第一轴顺时针转动;所述凸块拨盘上固定有凸块,所述凸块在初始位置时与第四连杆存在角度差,所述凸块在运动过程中会接触并推动第四连杆;设第一轴的中心点为A,第二轴的中心点为B,第三轴的中心点为C,第四轴的中心点为D,第五轴的中心点为E,第六轴的中心点为F,第七轴的中心点为G,关节轴的中心点为H,线段AB的长度与线段EF的长度相等,线段AE的长度与线段BF的长度相等,线段BF的长度与线段GH的长度相等,线段BH的长度与线段FG的长度相等,线段BC的长度为线段AB长度的2.5倍,线段CD的长度与线段BC的长度相等,线段BC的长度与线段CH的长度相等,线段AD的长度为线段AB长度的2倍。
本发明所述的多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:还包括第一过渡轴、第二过渡轴和第八连杆;所述第一过渡轴套设在第六连杆的中部,所述第二过渡轴套设在第四连杆的中部,所述第八连杆的两端分别套接在第一过渡轴和第二过渡轴上。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
本发明装置利用单个电机、多个连杆、凸块拨盘和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能;采用满足一定条件的四连杆机构实现了远关节轴沿着直线运动,采用双平行四连杆机构配合实现第二指段保持相对基座固定姿态的平动;当物体接触第一指段被阻挡时,通过两个簧件、传动机构和凸块拨盘等综合实现了第二指段自动绕关节轴转动;利用单个电机驱动两个指段,达到欠驱动效果;根据物体形状和位置的不同,可以在平夹与自适应两种模式之间自动切换;该装置能够直线平动第二指段去夹持物体,适用于工作台上薄板零件的良好夹持,该装置还能在第一指段接触物体之后,自动转动第二指段去接触物体,获得出力更大的稳定握持效果,能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取;抓取范围大,稳定可靠。
附图说明
图1是本发明设计的多连杆双簧件直线平夹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所示实施例的侧面视图(未画出部分零件)。
图3是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。
图4是图1所示实施例的正视图(未画出部分零件)。
图5至图7是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作过程图。
图8是图1所示实施例在自适应包络抓取的示意图。
图9是图1所示实施例的侧面外观(未画出部分零件),显示点A、B、C、D、E、F、G和H的位置。
图10是图9所示的AB、BCH、CD及基座连杆AD的多个连杆机构简图,显示出在主动转动连杆AB时点H的移动轨迹,该轨迹中有一段直线轨迹就是本实施例的第二指段直线平行夹持阶段的移动轨迹。
图11是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作示意图,其中的双点划线、虚线分别为平行夹持阶段的不同状态。
图12是图1所示实施例自适应包络物体的动作示意图,其中的双点划线为包络物体状态。
图13至图15是图1所示实施例在抓取物体动作过程中几个关键位置时,凸块拨盘、凸块、第一簧件、第二簧件第一连杆、第四连杆与限位块的相对位置的变化情况。
在图1至图15中:
1-基座, 11-限位块, 2-电机, 20-减速器, 21-第一轴,
22-第二轴, 23-第三轴, 24-第四轴, 25-第五轴, 26-第六轴,
27-第七轴, 28-关节轴, 29-第一过渡轴, 210-第二过渡轴, 3-传动机构,
4-凸块拨盘, 41-凸块, 51-第一指段, 52-第二指段, 71-第一连杆,
72-第二连杆, 73-第三连杆, 74-第四连杆, 75-第五连杆, 76-第六连杆,
77-第七连杆, 78-第八连杆, 81-第一簧件, 82-第二簧件, 9-物体。
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。
本发明设计的多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例,如图1至图4所示,包括基座1、第一指段51、第二指段52、关节轴28、电机2、传动机构3、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第四连杆74、第五连杆75、第六连杆76、第七连杆77、第一轴21、第二轴22、第三轴23、第四轴24、第五轴25、第六轴26、第七轴27、第一簧件81、第二簧件82、限位块11和凸块拨盘4;所述电机2与基座1固接;所述传动机构3设置在基座1中;所述电机2的输出轴与传动机构3的输入端相连;所述传动机构3的输出端与第一轴21相连,所述第一轴21套设在基座1中,所述凸块拨盘4套固在第一轴21上,所述第一簧件81的两端分别连接第一连杆71和凸块拨盘4;所述第一连杆71的一端套接在第一轴21上,第一连杆71的另一端套接在第二轴22上;所述第二连杆72的一端套接在第二轴22上,第二连杆72的另一端套接在关节轴28上,所述第一指段51与第二连杆72固接;所述第三轴23套设在第二连杆72的中部,所述第三连杆73的一端套接在第三轴23上,第三连杆73的另一端套接在第四轴24上,所述第四轴24套设在基座1上;所述第四连杆74的一端套接在第一轴21上,第四连杆74的另一端套接在第五轴25上;所述第五连杆75的一端套接在第五轴25上,第五连杆75的另一端套接在第六轴26上;所述第六连杆76的一端套接在第六轴26上,第六连杆76的另一端套接在第二轴22上;所述第七连杆77的一端套接在第六轴26上,第七连杆77的另一端套接在第七轴27上;所述第二指段52套接在关节轴28上,所述第二指段52套接在第七轴27上;所述第一轴21、第二轴22、第三轴23、第四轴24、第五轴25、第六轴26和第七轴27的中心线相互平行;所述第二簧件82的两端分别连接第四连杆74和基座1,所述限位块11固接在基座1上,阻止第四连杆74绕第一轴21顺时针转动;所述凸块拨盘4上固定有凸块41,所述凸块41在初始位置时与第四连杆74存在角度差,所述凸块41在运动过程中会接触并推动第四连杆74;设第一轴21的中心点为A,第二轴22的中心点为B,第三轴23的中心点为C,第四轴24的中心点为D,第五轴25的中心点为E,第六轴26的中心点为F,第七轴27的中心点为G,关节轴28的中心点为H,线段AB的长度与线段EF的长度相等,线段AE的长度与线段BF的长度相等,线段BF的长度与线段GH的长度相等,线段BH的长度与线段FG的长度相等,线段BC的长度为线段AB长度的2.5倍,线段CD的长度与线段BC的长度相等,线段BC的长度与线段CH的长度相等,线段AD的长度为线段AB长度的2倍。
本实施例还包括第一过渡轴29、第二过渡轴210和第八连杆78;所述第一过渡轴29套设在第六连杆76的中部,所述第二过渡轴210套设在第四连杆74的中部,所述第八连杆78的两端分别套接在第一过渡轴29和第二过渡轴210上。
本实施例中,所述传动机构3为减速器20,所述第一簧件81采用拉簧,所述第二簧件82采用拉簧。
采用本实施例构成的一种机器人手装置,包括多个多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置,所有所述多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置的基座1固接在一起。
本实施例的工作原理,结合附图叙述如下:
本实施例处于初始状态时,如图1所示。
电机2转动,通过传动机构3带动凸块拨盘4转动,第一簧件81拉动第一连杆71绕着第一轴21的中心线转动;因为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73和基座1构成了切比雪夫四连杆机构,并且满足以下条件:
a)线段BC的长度、线段CD的长度和线段CH的长度三者相等,
b)线段AD的长度等于线段AB的长度的2倍,
c)线段CD的长度是线段AB的长度的2.5倍;
所以,当第一连杆71逆时针从上方转动到下方时,点H的轨迹为直线,如图9、图10所示。
此外,第一连杆71、第四连杆74、第五连杆75和第六连杆76构成了平行四连杆机构,第六连杆76、第二连杆72、第七连杆77和第二指段52构成了平行四连杆机构,因此在开始阶段,由于第二簧件82将第四连杆74拉动套在与基座1固定的凸块41上,因此运动中HG线段将始终平行于线段AE,即第二指段52保持与基座1相对不变的姿态,达到直线平行夹持的抓取动作,如图11、图5至图8所示,在此过程中当第二指段52接触物体,则抓取结束。
当上述过程中第一指段51接触物体9被阻挡,且第二指段52还未接触物体9,则进入第二阶段——自适应抓取模式,如下:
电机2继续转动,此时第一簧件81变形,第一连杆71和第二连杆72不再运动,固接在一起的第二连杆72和第一指段52对物体9施加抓持力,同时电机2的动力带动凸块拨盘4转动,刚开始时,凸块拨盘4上的凸块41还未接触第四连杆74,过一个很小的时间段后,凸块拨盘4上的凸块41接触并推动第四连杆74转动,使得第二簧件82发生变形,然后通过第一连杆71、第四连杆74、第五连杆75和第六连杆76平行四连杆机构的作用,使得第六连杆76绕第二轴22的中心转动一个角度,通过第六连杆76、第二连杆72、第七连杆77和第二指段52平行四连杆机构的作用,使得第二指段52绕关节轴28的中心转动一个角度,直到第二指段52接触物体9,抓取结束,如图12所示。
图13至图15是本实施例在抓取物体动作过程中几个关键位置时,凸块拨盘、凸块、第一簧件、第二簧件第一连杆、第四连杆与限位块的相对位置的变化情况。
释放过程时,电机2反转,与上述过程相反,不再赘述。
针对不同形状尺寸的物体9,该装置具有自适应抓取的特点。
本发明装置利用单个电机、多个连杆、凸块拨盘和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能;采用满足一定条件的四连杆机构实现了远关节轴沿着直线运动,采用双平行四连杆机构配合实现第二指段保持相对基座固定姿态的平动;当物体接触第一指段被阻挡时,通过两个簧件、传动机构和凸块拨盘等综合实现了第二指段自动绕关节轴转动;利用单个电机驱动两个指段,达到欠驱动效果;根据物体形状和位置的不同,可以在平夹与自适应两种模式之间自动切换;该装置能够直线平动第二指段去夹持物体,适用于工作台上薄板零件的良好夹持,该装置还能在第一指段接触物体之后,自动转动第二指段去接触物体,获得出力更大的稳定握持效果,能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取;抓取范围大,稳定可靠。

Claims (2)

1.一种多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:包括基座、第一指段、第二指段、关节轴、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第一簧件、第二簧件、限位块和凸块拨盘;所述电机与基座固接;所述传动机构设置在基座中;所述电机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第一轴相连,所述第一轴套设在基座中,所述凸块拨盘套固在第一轴上,所述第一簧件的两端分别连接第一连杆和凸块拨盘;所述第一连杆的一端套接在第一轴上,第一连杆的另一端套接在第二轴上;所述第二连杆的一端套接在第二轴上,第二连杆的另一端套接在关节轴上,所述第一指段与第二连杆固接;所述第三轴套设在第二连杆的中部,所述第三连杆的一端套接在第三轴上,第三连杆的另一端套接在第四轴上,所述第四轴套设在基座上;所述第四连杆的一端套接在第一轴上,第四连杆的另一端套接在第五轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆的另一端套接在第六轴上;所述第六连杆的一端套接在第六轴上,第六连杆的另一端套接在第二轴上;所述第七连杆的一端套接在第六轴上,第七连杆的另一端套接在第七轴上;所述第二指段套接在关节轴上,所述第二指段套接在第七轴上;所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴和第七轴的中心线相互平行;所述第二簧件的两端分别连接第四连杆和基座,所述限位块固接在基座上,阻止第四连杆绕第一轴顺时针转动;所述凸块拨盘上固定有凸块,所述凸块在初始位置时与第四连杆存在角度差,所述凸块在运动过程中会接触并推动第四连杆;设第一轴的中心点为A,第二轴的中心点为B,第三轴的中心点为C,第四轴的中心点为D,第五轴的中心点为E,第六轴的中心点为F,第七轴的中心点为G,关节轴的中心点为H,线段AB的长度与线段EF的长度相等,线段AE的长度与线段BF的长度相等,线段BF的长度与线段GH的长度相等,线段BH的长度与线段FG的长度相等,线段BC的长度为线段AB长度的2.5倍,线段CD的长度与线段BC的长度相等,线段BC的长度与线段CH的长度相等,线段AD的长度为线段AB长度的2倍。
2.如权利要求1所述的多连杆双簧件直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:还包括第一过渡轴、第二过渡轴和第八连杆;所述第一过渡轴套设在第六连杆的中部,所述第二过渡轴套设在第四连杆的中部,所述第八连杆的两端分别套接在第一过渡轴和第二过渡轴上。
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