CN106272502A - 四杆四轮直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

四杆四轮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、多个传动轮、两个传动件、主动拨轮、从动拨轮、限位块和两个簧件等。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

四杆四轮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，特别涉及一种四杆四轮直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

欠驱动手指是指手指上的驱动电机的数量少于所驱动的关节自由度的数量。由于欠驱动技术可以使得机器人手具有较好的抓取效果同时传感控制的需求极大减少而得到重视。人手在抓取物体时有两种常用的抓取方法，一种是相对两指的末端夹持——捏持，另一种是力量较大的包络握持。

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，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，提供一种四杆四轮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：

本发明设计的一种四杆四轮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、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、关节轴、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动件、第二传动件、第一簧件、第二簧件、主动拨轮、从动拨轮、主动凸块、从动凸块、挡块和限位块；所述电机与基座固接；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；所述主动拨轮套固在第一轴上，所述第一轴套设在基座中，所述第一簧件的两端分别连接主动拨轮、第一连杆；所述第一连杆的一端活动套接在第一轴上，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，所述第四轴套设在基座上；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；所述第二指段套接在关节轴上，所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、关节轴的中心线相互平行；所述第一传动轮活动套接在第一轴上，所述第二传动轮套接在第二轴上，所述第三传动轮套接在第二轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接，所述第四传动轮套接在关节轴上，所述第四传动轮与第二指段固接；所述第二簧件的两端分别连接从动拨轮和基座，所述限位块固接在基座上，所述主动拨轮上有固接的主动凸块；所述从动拨轮活动套接在第一轴上，从动拨轮与第一传动轮固接；所述从动拨轮上有固接的从动凸块和挡块；所述挡块在初始状态时与所述限位块接触；所述主动凸块在初始位置时与从动凸块存在一定的距离，所述主动凸块在转动一个角度后接触从动凸块；所述第一传动件分别与第一传动轮、第二传动轮相连，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者构成传动关系；所述第二传动件分别与第三传动轮、第四传动轮相连，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者构成传动关系；通过第一传动件和第二传动件，从第一传动轮到第四传动轮的传动链构成同向传动链且传动比为1；设所述第一轴的中心点为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，关节轴的中心点为E；线段AD长度为线段AB长度的2倍，线段CD长度为线段AB长度的2.5倍，线段CD长度等于线段BC长度，线段BC长度等于线段CE长度。

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、主动拨轮、从动拨轮、多个带轮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，采用双带轮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、主动拨轮和从动拨轮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是本发明设计的四杆四轮直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的立体外观图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的侧视外观图。

图4是图1所示实施例的正视图。

图5是图1所示实施例的正视图(未画出第一指段和第一表面板)。

图6是图1所示实施例的立体外观图(未画出第一指段、第一表面板、基座左板)。

图7是图1所示实施例的爆炸图。

图8是图1所示实施例中部分零件(从动拨轮、基座、限位块与第二簧件)位置图。

图9是图1所示实施例中部分零件(主动拨轮上的主动拨块与从动拨轮上的从动拨块)位置图。

图10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、D和E的位置。

图11是图10所示的AB、BCD、CE及基座连杆AD的四连杆机构简图，显示出在主动转动连杆AB时点E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12至图14是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作过程图。

图15至图17是图1所示实施例在自适应包络阶段的动作过程图。

图18至图19是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，从动拨轮、第二簧件与限位块的相对位置的变化情况。

图20至图22是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，主动拨轮与从动拨轮的相对位置的变化情况。

图23是图1所示实施例自适应抓取物体示意图(未画出部分零件)。

在图1至图23中：

1－基座，11－基座左板，12—基座右板，13—基座后板，

14—基座底板，2－电机，21－第一轴，22－第二轴，

23－第三轴，24－第四轴，25－关节轴，3－从动拨轮，

31—从动凸块，32—挡块，4－主动拨轮，41—主动凸块，

15—限位块，51－第一指段，511—第一表面板，52－第二指段，

521—第二表面板，61—第一传动件，62—第二传动件，71－第一连杆，

72－第二连杆，73－第三连杆，81－第一簧件，82－第二簧件，

9－物体，91—第一传动轮，92—第二传动轮，93—第三传动轮，

94—第四传动轮，211——减速器，212—主动齿轮，213—从动齿轮。

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。

本发明设计的四杆四轮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51、第二指段52、电机2、传动机构、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第一轴21、第二轴22、第三轴23、第四轴24、关节轴25、第一传动轮91、第二传动轮92、第三传动轮93、第四传动轮94、第一传动件61、第二传动件62、第一簧件81、第二簧件82、主动拨轮4、从动拨轮3、主动凸块41、从动凸块31、挡块32和限位块15；所述电机2与基座1固接；所述电机2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21相连；所述主动拨轮4套固在第一轴上，所述第一轴21套设在基座中，所述第一簧件81的两端分别连接主动拨轮4、第一连杆71；所述第一连杆71的一端活动套接在第一轴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25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，所述第四轴24套设在基座上；所述第三连杆73的一端套接在第三轴上，第三连杆73的另一端套接在第四轴24上；所述第二指段51套接在关节轴上，所述第一轴21、第二轴22、第三轴23、第四轴24、关节轴25的中心线相互平行；所述第一传动轮91活动套接在第一轴上，所述第二传动轮92套接在第二轴上，所述第三传动轮93套接在第二轴上，所述第二传动轮与92第三传动轮93固接，所述第四传动轮94套接在关节轴25上，所述第四传动轮91与第二指段52固接；所述第二簧件82的两端分别连接从动拨轮3和基座1，所述限位块15固接在基座上，所述主动拨轮4上有固接的主动凸块41；所述从动拨轮3活动套接在第一轴上，从动拨轮3与第一传动轮91固接；所述从动拨轮3上有固接的从动凸块31和挡块32；所述挡块32在初始状态时与所述限位块12接触；所述主动凸块41在初始位置时与从动凸块31存在一定的距离，所述主动凸块41在转动一个角度后接触从动凸块；所述第一传动件61分别与第一传动轮91、第二传动轮92相连，所述第一传动件61、第一传动轮91和第二传动轮92三者构成传动关系；所述第二传动件62分别与第三传动轮93、第四传动轮94相连，所述第二传动件62、第三传动轮93和第四传动轮94三者构成传动关系；通过第一传动件61和第二传动件62，从第一传动轮91到第四传动轮94的传动链构成同向传动链且传动比为1；设所述第一轴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，关节轴25的中心点为E；线段AD长度为线段AB长度的2倍，线段CD长度为线段AB长度的2.5倍，线段CD长度等于线段BC长度，线段BC长度等于线段CE长度。

本实施例中，所述第一簧件81采用扭簧，所述第二簧件82采用拉簧。

本实施例中，所述第一传动件和第二传动件采用传动带，所述第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮和第四传动轮采用带轮，所述第一传动件和第二传动件呈“O”形，所述第一传动轮与第二传动轮的传动比为1:1，所述第三传动轮与第四传动轮的传动比为1:1。

本实施例中，所述传动机构包括减速器211、主动齿轮212和从动齿轮213；所述电机2的输出轴与减速器211的输入轴相连，所述主动齿轮212套固在减速器211的输出轴上，所述从动齿轮213套固在第一轴21上。

所述基座1包括固接在一起的基座左板11、基座右板12、基座后板13和基座底板14；所述第一指段51还包括与其表面固接的第一表面板511，所述第二指段52还包括与其表面固接的第二表面板521。

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12或图15所示。

电机2转动，通过减速器211带动主动齿轮212转动，带动从动齿轮213转动，带动主动拨轮4转动，通过第一簧件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CE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E的轨迹为直线，即运动中的点E到线段AD的垂线段长度始终不变，如图11所示。

此外，在初始阶段，由于第二簧件82将从动拨轮3和第一传动轮91拉动靠在与基座1固接的限位块15上，由于第一传动轮91到第二传动轮92传动比为1，且第三传动轮93到第四传动轮94的传动比为1，且第三传动轮94与第四传动轮固接，故第四传动轮94和第二指段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，在此过程中当第二指段52接触物体，则抓取结束。如图12至图14所示。

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，带动主动拨轮4转动，通过第一簧件81拉第一连杆71，由于第二连杆72和第一指段51被物体9阻挡而不再运动，故第一连杆71不再运动，第一簧件81发生变形，第二连杆72和第一指段52对物体9施加一个增大的抓持力，同时电机2的动力带动主动拨轮4继续转动，主动拨轮4上的主动凸块41还未接触从动拨轮上的从动凸块31，经过一个小段时间后，主动凸块41接触并推动从动凸块31，此时，从动拨轮3和第一传动轮91发生转动，第二簧件82发生变形，第一传动轮91的转动通过第一传动件95带动第二传动轮92转动，使得第三传动轮93转动，通过第二传动件96带动第四传动轮94转动，第二指段52转动，直到第二指段52接触物体9，抓取结束。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。如图15至图17所示。

释放过程时，电机2反转，与上述过程相反，不再赘述。

图18至图19是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，从动拨轮、第二簧件与限位块的相对位置的变化情况。

图20至图22是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，主动拨轮与从动拨轮的相对位置的变化情况。图20至图21中的双点划线为初始状态的主动拨轮上的主动凸块，图22中的双点划线为初始状态的从动拨轮上的从动凸块。其中主动拨轮在最初的转动过程中不会碰触从动拨轮，转过一定角度后才会接触并推动从动拨轮。图23是图1所示实施例自适应抓取物体示意图。

本发明装置利用单个电机、多个连杆、主动拨轮、从动拨轮、多个传动轮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，采用双带轮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、主动拨轮和从动拨轮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 (1)

1.一种四杆四轮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、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、关节轴、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动件、第二传动件、第一簧件、第二簧件、主动拨轮、从动拨轮、主动凸块、从动凸块、挡块和限位块；所述电机与基座固接；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；所述主动拨轮套固在第一轴上，所述第一轴套设在基座中，所述第一簧件的两端分别连接主动拨轮、第一连杆；所述第一连杆的一端活动套接在第一轴上，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，所述第四轴套设在基座上；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；所述第二指段套接在关节轴上，所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、关节轴的中心线相互平行；所述第一传动轮活动套接在第一轴上，所述第二传动轮套接在第二轴上，所述第三传动轮套接在第二轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接，所述第四传动轮套接在关节轴上，所述第四传动轮与第二指段固接；所述第二簧件的两端分别连接从动拨轮和基座，所述限位块固接在基座上，所述主动拨轮上有固接的主动凸块；所述从动拨轮活动套接在第一轴上，从动拨轮与第一传动轮固接；所述从动拨轮上有固接的从动凸块和挡块；所述挡块在初始状态时与所述限位块接触；所述主动凸块在初始位置时与从动凸块存在一定的距离，所述主动凸块在转动一个角度后接触从动凸块；所述第一传动件分别与第一传动轮、第二传动轮相连，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者构成传动关系；所述第二传动件分别与第三传动轮、第四传动轮相连，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者构成传动关系；通过第一传动件和第二传动件，从第一传动轮到第四传动轮的传动链构成同向传动链且传动比为1；设所述第一轴的中心点为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，关节轴的中心点为E；线段AD长度为线段AB长度的2倍，线段CD长度为线段AB长度的2.5倍，线段CD长度等于线段BC长度，线段BC长度等于线段CE长度。