CN106272494B

CN106272494B - 滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN106272494B
Application number: CN201610797540.6A
Authority: CN
Inventors: 胡俭; 张文增; 徐向荣
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN106272494A

Abstract

滑槽肘节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，包括基座、两个指段、驱动器、多个连杆、簧件和两个滑块等。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；能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、大小物体的目的；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、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低。

Description

滑槽肘节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，特别涉及一种滑槽肘节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

机器人手是机器人的重要组成部分。目前开发出来的机器人手分为拟人的多指手和非拟人的特种手，其中，拟人的多指手有工业夹持器、灵巧手和欠驱动手三类。工业夹持器在机器人领域应用广泛，结构和控制接单，但工作模式比较单一；灵巧手被定义为手指数量超过3个，独立驱动的关节自由度超过9个的多指机器人手，灵巧手使用灵活，应用领域广泛，但由于灵巧手的自由度和驱动灵巧手的电机数量多，造成制造和控制上的难度大；自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统对环境敏感度低，工作状态稳定，而且能自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，降低了控制和制造难度，但是无法实施捏持抓取。

传统的机器人手在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。

捏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，这种平行夹持抓取模式的优点是抓取定位精确，有利于机器人完成操作或装配等后续任务，而且这种模式抓取范围大——可以抓取从很小到很大尺寸范围的物体。一种直线平行夹持的工业夹持器已经被开发出，如日本川崎重工申请的专利WO2016063314A1，包括基座、电机、传动机构和多个连杆等。该夹持器实现了直线平夹的功能，但该装置存在明显的不足之处：不能实现自适应，这使它的工作模式单一，只能捏取物体，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取。

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。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，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为：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。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既能同时平动第一指段和第二指段捏持物体，也能先后合上第一指段和第二指段包络物体；抓取范围大，力量大，体积小，外观拟人；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个指段，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明一种滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、传动机构和驱动器；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入轴相连；其特征在于：该滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第一滑块、第二滑块和簧件；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第十一轴、第十二轴、第十三轴和第十四轴的中心线相互平行，所述第一滑块滑动镶嵌在基座中，所述第二滑块滑动镶嵌在基座中，所述第一滑块和第二滑块滑动方向相同，该方向定义为直线X，所述的第二滑块上设有滑槽；所述各轴的中心线与直线X垂直；所述传动机构的输出轴与第一滑块相连，所述第十三轴套设在第一滑块上，所述第十一连杆一端套接在第十三轴上，第十一连杆另一端套接在第十一轴上，所述第十连杆一端套接在第十一轴上，第十连杆的另一端套接在第十二轴上，所述第十二轴套设在第二滑块上，所述第七连杆一端套接在第十二轴上，第七连杆的另一端套接在第八轴上，所述第九连杆一端套接在第十一轴上，第九连杆的另一端套接在第十轴上，所述第八连杆一端套接在第十轴上，第八连杆的另一端套接在第八轴上；所述第十轴滑动镶嵌在第二滑块的滑槽上；设第十二轴的中心为K点，设第十一轴的中心为L点，设第十轴的中心为M点，设第八轴的中心为N点；线段KN的长度等于线段MN的长度，线段KL的长度等于线段ML的长度；所述第三连杆一端套接在第八轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第二连杆一端套接在第四轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上，所述第三轴套设在第一指段上；所述第一连杆一端套接在第四轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第一轴套设在第二指段上；所述第二轴套设在第一指段上，所述第二指段套接在第二轴上；所述第七轴套设在第二滑块上，所述第四连杆一端套接在第七轴上，第四连杆的另一端套接在第三轴上；所述第六轴套设在第四连杆的中点，所述第六连杆一端套接在第六轴上，第六连杆的另一端套接在第十四轴上，所述第十四轴套设在基座上；所述第九轴套设在第二滑块上，所述第五连杆一端套接在第九轴上，第五连杆的另一端套接在第五轴上，所述第五轴套设在第一指段上；设第七轴中心点为A点，设第六轴中心点为B点，设第三轴中心点为C点，设第十四轴中心点为D点，设第九轴中心点为E点，设第五轴中心点为F点；线段AD平行于直线X，线段AB的长度等于线段BC的长度，线段AB的长度等于线段BD的长度，线段AE的长度等于线段CF的长度，线段AC的长度等于线段EF的长度，四边形ACFE是平行四边形；所述簧件两端分别连接第九连杆和第十连杆。

本发明所述的滑槽肘节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。

本发明所述的滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单驱动器、肘节连杆、人字连杆、滑块和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；该装置采用人字连杆和双滑块实现了第一指段沿着直线运动，采用平行连杆实现了第一指段相对于基座保持姿态不变，采用肘节连杆、滑槽和簧件在第一指段接触物体后推动第八连杆转动，从而实现第二指段的自适应转动。该装置能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、大小物体的目的；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、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低。

附图说明

图1是本发明设计的滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的侧面视图(未画出部分零件)

图2是图1所示实施例的剖视图(是图1的后视图)。

图3是图1所示实施例的侧面外观(未画出部分零件)，显示出点A、B、C和D的位置。

图4是图3所示的AC、BD及基座的机构简图，显示出在主动推动点A时点C的移动轨迹。

图5至图6是图1所示实施例动作过程示意图(未抓取物体时)。

图7至图9是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图10是图1所示实施例滑块的剖视图。

图11至图13是图7至图9所示实施例依次自适应包络抓取物体的动作过程，主要展示出在几个关键位置时，两个滑块的相对位置变化和连杆结构的动作过程。

图14是第二滑块的剖视图，主要展示其内部结构。

图15是图1所示实施例的平夹抓取物体示意图。

图16是图1所示实施例的自适应抓取物体示意图。

在图1至图16中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 401－第一轴，

402－第二轴， 403－第三轴， 404－第四轴， 405－第五轴，

406－第六轴， 407－第七轴， 408－第八轴， 409－第九轴，

410－第十轴， 411－第十一轴， 412－第十二轴， 413－第十三轴，

414－第十四轴， 501－第一连杆， 502－第二连杆， 503－第三连杆，

504－第四连杆， 505－第五连杆， 506－第六连杆， 507－第七连杆，

508－第八连杆， 509－第九连杆， 510－第十连杆， 5101－限位凸块，

511－第十一连杆， 61－第一滑块， 62－第二滑块， 621－滑槽，

7－簧件， 8－驱动器， 81－传动机构， 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。

本发明设计的滑槽肘节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7所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、传动机构81和驱动器8；所述驱动器8与基座1固接，所述驱动器8的输出轴与传动机构81的输入轴相连；该滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆501、第二连杆502、第三连杆503、第四连杆504、第五连杆505、第六连杆506、第七连杆507、第八连杆508、第九连杆509、第十连杆510、第十一连杆511、第一滑块61、第二滑块62和簧件7；所述第一轴401、第二轴402、第三轴403、第四轴404、第五轴405、第六轴406、第七轴407、第八轴408、第九轴409、第十轴410、第十一轴411、第十二轴412、第十三轴413和第十四轴414的中心线相互平行，所述第一滑块61滑动镶嵌在基座1中，所述第二滑块62滑动镶嵌在基座1中，所述第一滑块61和第二滑块62滑动方向相同，该方向定义为直线X，所述的第二滑块62上设有滑槽621；所述各轴的中心线与直线X垂直；所述传动机构81的输出轴与第一滑块61相连，所述第十三轴413套设在第一滑块61上，所述第十一连杆511一端套接在第十三轴413上，第十一连杆511另一端套接在第十一轴411上，所述第十连杆510一端套接在第十一轴411上，第十连杆510的另一端套接在第十二轴412上，所述第十二轴412套设在第二滑块62上，所述第七连杆507一端套接在第十二轴412上，第七连杆507的另一端套接在第八轴408上，所述第九连杆509一端套接在第十一轴411上，第九连杆509的另一端套接在第十轴410上，所述第八连杆508一端套接在第十轴410上，第八连杆508的另一端套接在第八轴408上；所述第十轴410滑动镶嵌在第二滑块62的滑槽621上，第十轴410可以沿着滑槽621左右移动；设第十二轴412的中心为K点，设第十一轴411的中心为L点，设第十轴410的中心为M点，设第八轴408的中心为N点；线段KN的长度等于线段MN的长度，线段KL的长度等于线段ML的长度；所述第三连杆503一端套接在第八轴408上，第三连杆503的另一端套接在第四轴404上；所述第二连杆502一端套接在第四轴404上，第二连杆502的另一端套接在第三轴403上，所述第三轴403套设在第一指段上；所述第一连杆501一端套接在第四轴404上，第一连杆501的另一端套接在第一轴401上；所述第一轴401套设在第二指段3上；所述第二轴402套设在第一指段2上，所述第二指段3套接在第二轴402上；所述第七轴407套设在第二滑块62上，所述第四连杆504一端套接在第七轴407上，第四连杆504的另一端套接在第三轴403上；所述第六轴406套设在第四连杆504的中点，所述第六连杆506一端套接在第六轴406上，第六连杆506的另一端套接在第十四轴414上，所述第十四轴414套设在基座1上；所述第九轴409套设在第二滑块62上，所述第五连杆505一端套接在第九轴409上，第五连杆505的另一端套接在第五轴405上，所述第五轴405套设在第一指段2上；设第七轴407中心点为A点，设第六轴406中心点为B点，设第三轴403中心点为C点，设第十四轴414中心点为D点，设第九轴409中心点为E点，设第五轴405中心点为F点；线段AD平行于直线X，线段AB的长度等于线段BC的长度，线段AB的长度等于线段BD的长度，线段AE的长度等于线段CF的长度，线段AC的长度等于线段EF的长度，四边形ACFE是平行四边形；所述簧件7两端分别连接第九连杆509和第十连杆510。

本实施例中，所述第十连杆510上设有限位凸块5101，初始状态时K点、L点和M点在一条直线上。

本发明所述的滑槽肘节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8采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器8采用电机。

本发明所述的滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件7采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述簧件7采用扭簧。

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1所示。

电机8转动，通过传动机构81推动第一滑块61向上直线运动，通过第十一连杆511推动第九连杆509和第十连杆510向上运动，由于簧件7的作用，第九连杆509和第十连杆510保持水平姿态，第十轴410相对第二滑块滑槽621静止；第九连杆509和第十连杆510分别推动第十轴410和第十二轴412向上直线运动，第十轴410和第十二轴412推动第二滑块62向上直线运动；由于第四连杆504、第六连杆506构成人字连杆，且满足AB＝BC＝BD，因此第三轴403沿着水平直线向右移动；由于平行四边形连杆(第四连杆504、第一指段2、第五连杆505和第二滑块62)的作用，第一指段2将保持相对基座1不变的姿态，第一指段2向右直线平移，直到第二指段3接触物体9，抓取结束，达到直线平行夹持物体的效果；在此过程中，由于三角形连杆(第七连杆507、第八连杆508、第九连杆509和第十连杆510)在簧件7的作用下未发生变形，第三连杆503与第四连杆504和第五连杆505保持平行，第二指段3相对第一指段2静止。

在上述过程中，当第一指段2碰触物体，而第二指段3还没接触物体时，电机8继续转动，通过传动机构81继续推动第一滑块61向上运动，第一滑块61推动第十一连杆511运动，第十一连杆511推动第十一轴411向上运动，此时簧件7发生变形，三角形连杆(第七连杆507、第八连杆508、第九连杆509和第十连杆510)开始变形，第九连杆509和第十连杆510与第十一轴411相连的一端开始向上运动，在第九连杆509的拉动下，第十轴410开始沿着第二滑块滑槽621向右运动，第七连杆507开始按顺时针方向转动，推动第三连杆503转动，再通过第二连杆502和第一连杆501的传动，实现第二指段2绕第二轴402转动，直到第二指段3接触物体9，抓取结束，达到自适应握持物体的效果。

自适应抓取阶段如图8、图9和图10所示。

释放物体时，电机8反转，与上述过程相反，不再赘述，当第九连杆509和第十连杆510回到水平位置时，由于第十连杆上的限位凸块5101的限制，第九连杆509和第十连杆510停止运动，恢复到初始状态。

Claims

1.一种滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、传动机构和驱动器；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入轴相连；其特征在于：该滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第十一轴、第十二轴、第十三轴、第十四轴、第一滑块、第二滑块和簧件；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第十一轴、第十二轴、第十三轴和第十四轴的中心线相互平行，所述第一滑块滑动镶嵌在基座中，所述第二滑块滑动镶嵌在基座中，所述第一滑块和第二滑块滑动方向相同，该方向定义为直线X，所述的第二滑块上设有滑槽；所述第一轴的中心线与直线X垂直；所述传动机构的输出轴与第一滑块相连，所述第十三轴套设在第一滑块上，所述第十一连杆一端套接在第十三轴上，第十一连杆另一端套接在第十一轴上，所述第十连杆一端套接在第十一轴上，第十连杆的另一端套接在第十二轴上，所述第十二轴套设在第二滑块上，所述第七连杆一端套接在第十二轴上，第七连杆的另一端套接在第八轴上，所述第九连杆一端套接在第十一轴上，第九连杆的另一端套接在第十轴上，所述第八连杆一端套接在第十轴上，第八连杆的另一端套接在第八轴上；所述第十轴滑动镶嵌在第二滑块的滑槽上；设第十二轴的中心为K点，设第十一轴的中心为L点，设第十轴的中心为M点，设第八轴的中心为N点；线段KN的长度等于线段MN的长度，线段KL的长度等于线段ML的长度；所述第三连杆一端套接在第八轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第二连杆一端套接在第四轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上，所述第三轴套设在第一指段上；所述第一连杆一端套接在第四轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第一轴套设在第二指段上；所述第二轴套设在第一指段上，所述第二指段套接在第二轴上；所述第七轴套设在第二滑块上，所述第四连杆一端套接在第七轴上，第四连杆的另一端套接在第三轴上；所述第六轴套设在第四连杆的中点，所述第六连杆一端套接在第六轴上，第六连杆的另一端套接在第十四轴上，所述第十四轴套设在基座上；所述第九轴套设在第二滑块上，所述第五连杆一端套接在第九轴上，第五连杆的另一端套接在第五轴上，所述第五轴套设在第一指段上；设第七轴中心点为A点，设第六轴中心点为B点，设第三轴中心点为C点，设第十四轴中心点为D点，设第九轴中心点为E点，设第五轴中心点为F点；线段AD平行于直线X，线段AB的长度等于线段BC的长度，线段AB的长度等于线段BD的长度，线段AE的长度等于线段CF的长度，线段AC的长度等于线段EF的长度，四边形ACFE是平行四边形；所述簧件两端分别连接第九连杆和第十连杆。

2.如权利要求1所述的滑槽肘节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。

3.如权利要求1所述的滑槽肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。