CN106272491B - 远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括机架、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件、拨盘、拨杆和两个簧件等。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。该装置根据物体形状和位置的不同，能保持第二指段的姿态直线平动第二指段去夹持物体，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，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Description

远程传动导套连杆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，特别涉及一种远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

随着自动化技术的发展，机器人技术迎来了新的高峰，机器人手作为机器人的一种末端执行器，也引起更多的关注，在机器人手方面的研究也越来越多。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。空间中的物体具有六个自由度，机器人手在抓住物体的同时需要限制物体的六个自由度才能稳定的抓住物体，钳状手一般采用平行夹持的方式，仅能限制不超过四个自由度，为了保持夹持的稳定性，需要施加较大的夹紧力，利用物体与机器人手间的摩擦力来保证稳定的抓取物体，然而巨大的夹紧力会使物体表面产生较大的应变，甚至使物体产生塑性变形或物体破坏，特别对于薄壁物体和硬度较低的物体，钳状手不能直接夹取。

具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，例如专利WO2016063314A1，包括若干连杆，一个夹持指段，驱动器组成。该装置能够实现夹持指段的直线平动，利用夹持指段的平行移动对不同大小的物体实现平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置只能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取物体的功能。

自适应包络物体抓取是利用微分的思想，让机器人手抓取物体时能够自适应物体的表面，让更多的表面与物体接触，在抓取物体时能够限制物体更多的自由度，从而达到不需要太大的夹持力就能稳定的抓取物体，这样能较大的减少抓取物体时机器人手对物体的损坏，对于形状不规则的物体的抓取，自适应机器人手具有明显的优势。灵巧手也可实现适应物体表面的抓取，但由于灵巧手需要多个驱动器分别控制，其控制系统复杂、精度要求高、维护成本高，使得灵巧手的成本较高，不利于普遍的生产使用。于是自适应欠驱动手被研发出来，自适应欠驱动机器人手只需较少的驱动器就能够驱动比驱动器数目更多的关节，来实现机器人手自适应包络的抓取物体。欠驱动机器人手的成本相对于灵巧手的成本大大降低，结构紧凑，无需复杂的控制系统。例如，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、末端指段和平行带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处在于：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式主要为握持方式，难以实现较好的末端平行夹持抓取效果。但对于体积小的物体，由于物体表面小，而欠驱动机器人手指的每个指段的长度相对于物体表面来说又过长，难以自适应物体的表面，此时平行夹持就取得了明显的优势。因此具有平行夹持和自适应抓取功能的机器人手非常必要，扩大了机器人手的抓取对象的范围，对工业生产和日常生活有较大的益处。

具有两种抓取模式的传统欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。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，因此抓取存在严重不足；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，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，提供一种远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置能够实现直线平夹与自适应复合抓取模式，既能直线平动第二指段夹持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括机架、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、驱动器和传动机构；所述驱动器与机架固接，所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在第一指段的一端，所述远关节轴套设在第一指段的另一端，所述第二指段套接在远关节轴上，所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮、第六传动轮、第一簧件、第二簧件、拨盘、拨杆、限位块、第一传动件、第二传动件、第三传动件、第一导杆、第二导杆、导向套筒、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴和第三轴；所述传动机构的输出端与第三轴相连；所述第六传动轮活动套接在第三轴上；所述拨盘套固在第三轴上；所述拨杆固接在第六传动轮上，所述拨杆与拨盘构成传动关系，所述拨盘在初始状态时不拨动拨杆，在拨盘经过一定的角度的转动后拨动拨杆；所述第一簧件的两端分别连接拨盘和第三连杆；所述第二簧件的两端分别连接机架和第六传动轮；所述限位块固接在机架上，所述第六传动轮在初始状态与限位块接触；所述第三连杆的一端套接在第二轴上，第三连杆的另一端活动套接在第三轴上；所述第二连杆的一端套接在近关节轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第一轴套设在机架中；所述第三轴套设在机架中；所述第一轴的中心线、第二轴的中心线、第三轴的中心线和近关节轴的中心线四者相互平行；所述第一导杆的一端套接在远关节轴上，第一导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述第二导杆的一端套接在第二轴上，第二导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述导向套筒的中部活动套接在第一轴上；设第三轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，近关节轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，第一轴的中心点为E，线段AB的长度、线段AE的长度和线段CE的长度三者相等，线段BC的长度和线段CD的长度两者相等，线段BC的长度等于线段AB的长度的2倍，点B、点D和点E三者共线；所述第一导杆在导向套筒中的滑动方向与第二导杆在导向套筒中的滑动方向共线；所述第一传动轮套接在远关节轴上，第一传动轮与第二指段固接；所述第二传动轮套接在近关节轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动件、第一传动轮、第二传动轮三者构成传动关系；所述第三传动轮套接在近关节轴上，第三传动轮与第二传动轮固接；所述第四传动轮套接在第二轴上；所述第二传动件分别连接第三传动轮、第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮、第四传动轮三者构成传动关系；所述第五传动轮套接在第二轴上，第五传动轮与第四传动轮固接；所述第三传动件分别连接第五传动轮、第六传动轮，所述第三传动件、第五传动轮、第六传动轮三者构成传动关系；通过第一传动件、第二传动轮、第三传动轮、第二传动件、第四传动轮、第五传动轮、第三传动件的传动，从第一传动轮到第六传动轮构成同向传动关系且传动比为1。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第二传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第三传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用传动带，所述第二传动件采用传动带，所述第三传动件采用传动带。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧，所述第二簧件采用拉簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件、拨盘、拨杆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多连杆和导向套筒机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用多级传动轮机构、第二簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，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，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的远程传动导套连杆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所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的正面外观图(未画出部分零件)，图中显示出A、B、C、D、E点和直线K的位置。

图4是图1所示实施例的正面剖视图(剖视机架和第一指段)。

图5是图1所示实施例的立体剖视图(剖视机架和第一指段)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的在直线平夹抓取阶段第二指段接触物体的平夹抓取物体的示意图，双点划线代表运动过程中的两个状态。

图8至图11是图1所示实施例的直线自适应抓取的动作过程图，该抓取过程中，远关节轴直线平行移动，同时第二指段保持原来姿态。

图12和图13是图1所示实施例自适应抓取物体的动作过程图，该抓取过程中，第一指段被物体阻挡不能再运动，第二指段在电机作用下继续绕远关节轴转动，从而达到自适应抓取物体的目的。

图14至图16是图1所示实施例的抓取过程中拨盘67与第六传动轮66的局部放大图(剖视拨盘)，其中拨杆661在滑槽671中滑动，拨盘67上的滑槽671的端面会推动第六传动轮66的拨杆661，从而在拨盘转动时初始状态，拨盘不会拨动拨杆，在拨盘转动一定角度(本实施例中设计为350度)后，会拨动拨杆。

在图1至图16中：

1－机架， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 61－第一传动轮， 62－第二传动轮， 63－第三传动轮，

64－第四传动轮， 65－第五传动轮， 66－第六传动轮， 661－拨杆，

67－拨盘， 671－滑槽， 401－第一簧件， 402－第二簧件，

71－第一传动件， 72－第二传动件， 73－第三传动件， 81－第一导杆，

82－第二导杆， 83－导向套筒， 91－第一连杆， 92－第二连杆，

93－第三连杆， 101第一轴， 102－第二轴， 103－第三轴，

200－驱动器， 201－传动机构， 300－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。

本发明设计的远程传动导套连杆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6所示，包括机架1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、驱动器200和传动机构201；所述驱动器200与机架1固接，所述驱动器200的输出端与传动机构201的输入端相连；所述近关节轴4套设在第一指段2的一端，所述远关节轴5套设在第一指段2的另一端，所述第二指段3套接在远关节轴5上，所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；该远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63、第四传动轮64、第五传动轮65、第六传动轮66、第一簧件401、第二簧件402、拨盘67、拨杆661、限位块403、第一传动件71、第二传动件72、第三传动件73、第一导杆81、第二导杆82、导向套筒83、第一连杆91、第二连杆92、第三连杆93、第一轴101、第二轴102和第三轴103；所述传动机构201的输出端与第三轴103相连；所述第六传动轮66活动套接在第三轴103上；所述拨盘67套固在第三轴103上；所述拨杆661固接在第六传动轮66上，所述拨杆661与拨盘67构成传动关系，所述拨盘67在初始状态时不拨动拨杆661，在拨盘67经过一定的角度的转动后拨动拨杆661；所述拨盘67上设有滑槽671，所述拨杆661滑动镶嵌在滑槽671中；所述第一簧件401的两端分别连接拨盘67和第三连杆93；所述第二簧件402的两端分别连接机架1和第六传动轮66；所述限位块403固接在机架1上，所述第六传动轮66在初始状态与限位块403接触；所述第三连杆93的一端套接在第二轴102上，第三连杆93的另一端活动套接在第三轴103上；所述第二连杆92的一端套接在近关节轴4上，第二连杆92的另一端套接在第二轴102上；所述第一连杆91的一端套接在近关节轴4上，第一连杆91的另一端套接在第一轴101上；所述第一轴101套设在机架1中；所述第三轴103套设在机架1中；所述第一轴101的中心线、第二轴102的中心线、第三轴103的中心线和近关节轴4的中心线四者相互平行；所述第一导杆81的一端套接在远关节轴5上，第一导杆81的另一端滑动镶嵌在导向套筒83中；所述第二导杆82的一端套接在第二轴102上，第二导杆82的另一端滑动镶嵌在导向套筒83中；所述导向套筒83的中部活动套接在第一轴101上；设第三轴103的中心点为A，第二轴102的中心点为B，近关节轴4的中心点为C，远关节轴5的中心点为D，第一轴101的中心点为E，各点的位置如图3所示；线段AB的长度、线段AE的长度和线段CE的长度三者相等，线段BC的长度和线段CD的长度两者相等，线段BC的长度等于线段AB的长度的2倍，点B、点D和点E三者共线；所述第一导杆81在导向套筒83中的滑动方向与第二导杆82在导向套筒83中的滑动方向共线；所述第一传动轮61套接在远关节轴5上，第一传动轮61与第二指段3固接；所述第二传动轮62套接在近关节轴4上；所述第一传动件71分别连接第一传动轮61、第二传动轮62，所述第一传动件71、第一传动轮61、第二传动轮62三者构成传动关系；所述第三传动轮63套接在近关节轴4上，第三传动轮63与第二传动轮62固接；所述第四传动轮64套接在第二轴102上；所述第二传动件72分别连接第三传动轮63、第四传动轮64，所述第二传动件72、第三传动轮63、第四传动轮64三者构成传动关系；所述第五传动轮65套接在第二轴102上，第五传动轮65与第四传动轮64固接；所述第三传动件73分别连接第五传动轮65、第六传动轮66，所述第三传动件73、第五传动轮65、第六传动轮66三者构成传动关系；通过第一传动件71、第二传动轮62、第三传动轮63、第二传动件72、第四传动轮64、第五传动轮65、第三传动件73的传动，从第一传动轮61到第六传动轮66构成同向传动关系且传动比为1。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件71采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第二传动件72采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第三传动件73采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳。本实施例中，所述第一传动件71采用传动带，所述第二传动件72采用传动带，所述第三传动件73采用传动带。

本发明所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器200采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器200采用电机。

本实施例中，所述第一簧件401采用扭簧，所述第二簧件402采用拉簧。

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2所示。电机200转动，通过传动机构201(减速器和带轮等)带动第三轴103顺时针(该顺时针指在图8上的顺时针，下同)转动，拨盘67相对于机架1顺时针转动，通过第一簧件401带动第三连杆93也绕第三轴103相对于机架1顺时针转动，由于第三连杆93、第二连杆92、第一连杆91、第一指段2、导向套筒83、第一导杆81和第二导杆82构成的多连杆机构会使得远关节轴5(点D，如图3所示)沿着直线K(如图3所示)移动，该直线K垂直于线段AE；此阶段中，由于第六传动轮66与第一传动轮61为同向传动关系且传动比为1，当第六传动轮66在第二簧件402的作用下紧靠限位块403，故第六传动轮相对于机架1保持原状态，因而，第一传动轮61也相对于机架1保持原状态，故而第二指段3在远关节轴5直线运动的同时相对于机架保持原来状态，达到直线平行夹持的抓取效果。

在上述过程中，当第二指段3接触物体300，则抓取结束，此抓取过程如图7所示，其中双点划线代表了另外两个平夹抓取状态这种抓取是直线平行夹持抓取模式。

当上述过程中，如果第二指段3未接触物体300，而第一指段2接触了物体300被阻挡，第一指段2不能再进一步转动，第三连杆93不能再转动，此时，电机200继续转动，通过传动机构201带动第三轴103继续顺时针转动，带动拨盘67顺时针转动，刚开始，第六传动轮66保持不动，由于第三连杆93不能再转动，于是第一簧件401变形，拨盘67继续转动，经过一段时间后，当拨盘67接触并拨动第六传动轮66的拨杆661时，第六传动轮66将克服第二簧件402的作用顺时针转动，第二簧件402变形，第六传动轮66通过第三传动件73带动第五传动轮65和第四传动轮64转动，通过第二传动件72带动第三传动轮63和第二传动轮62转动，通过第一传动件71带动第一传动轮61和第二指段3绕远关节轴5转动，直到第二指段3接触物体300，抓取结束。这种抓取可以适应不同形状、尺寸的物体300——即达到了自适应抓取效果，此过程如图8至图13所示，其中图8至图11为远关节轴沿直线向右靠近物体，同时第二指段耦合转动，图12和图13为第一指段已经接触物体被阻挡不能运动，第二指段继续绕远关节轴自适应转动的过程。

图14至图16是图1所示实施例的抓取过程中拨盘67与第六传动轮66的局部放大图(剖视拨盘)，其中拨杆661在滑槽671中滑动，拨盘67上的滑槽671的端面会推动第六传动轮66的拨杆661，从而在拨盘转动时初始状态，拨盘不会拨动拨杆，在拨盘转动一定角度(本实施例中设计为350度)后，会拨动拨杆。

释放物体300时，电机反转，与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件、拨盘、拨杆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多连杆和导向套筒机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用多级传动轮机构、第二簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，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，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Claims (4)

1.一种远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括机架、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、驱动器和传动机构；所述驱动器与机架固接，所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在第一指段的一端，所述远关节轴套设在第一指段的另一端，所述第二指段套接在远关节轴上，所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮、第六传动轮、第一簧件、第二簧件、拨盘、拨杆、限位块、第一传动件、第二传动件、第三传动件、第一导杆、第二导杆、导向套筒、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴和第三轴；所述传动机构的输出端与第三轴相连；所述第六传动轮活动套接在第三轴上；所述拨盘套固在第三轴上；所述拨杆固接在第六传动轮上，所述拨杆与拨盘构成传动关系，所述拨盘在初始状态时不拨动拨杆，在拨盘经过一定的角度的转动后拨动拨杆；所述第一簧件的两端分别连接拨盘和第三连杆；所述第二簧件的两端分别连接机架和第六传动轮；所述限位块固接在机架上，所述第六传动轮在初始状态与限位块接触；所述第三连杆的一端套接在第二轴上，第三连杆的另一端活动套接在第三轴上；所述第二连杆的一端套接在近关节轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第一轴套设在机架中；所述第三轴套设在机架中；所述第一轴的中心线、第二轴的中心线、第三轴的中心线和近关节轴的中心线四者相互平行；所述第一导杆的一端套接在远关节轴上，第一导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述第二导杆的一端套接在第二轴上，第二导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述导向套筒的中部活动套接在第一轴上；设第三轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，近关节轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，第一轴的中心点为E，线段AB的长度、线段AE的长度和线段CE的长度三者相等，线段BC的长度和线段CD的长度两者相等，线段BC的长度等于线段AB的长度的2倍，点B、点D和点E三者共线；所述第一导杆在导向套筒中的滑动方向与第二导杆在导向套筒中的滑动方向共线；所述第一传动轮套接在远关节轴上，第一传动轮与第二指段固接；所述第二传动轮套接在近关节轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动件、第一传动轮、第二传动轮三者构成传动关系；所述第三传动轮套接在近关节轴上，第三传动轮与第二传动轮固接；所述第四传动轮套接在第二轴上；所述第二传动件分别连接第三传动轮、第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮、第四传动轮三者构成传动关系；所述第五传动轮套接在第二轴上，第五传动轮与第四传动轮固接；所述第三传动件分别连接第五传动轮、第六传动轮，所述第三传动件、第五传动轮、第六传动轮三者构成传动关系；通过第一传动件、第二传动轮、第三传动轮、第二传动件、第四传动轮、第五传动轮、第三传动件的传动，从第一传动轮到第六传动轮构成同向传动关系且传动比为1。

2.如权利要求1所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第二传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第三传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳。

3.如权利要求1所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

4.如权利要求1所述的远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧，所述第二簧件采用拉簧。