CN106346508B

CN106346508B - 四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN106346508B
Application number: CN201610791297.7A
Authority: CN
Inventors: 杨阳; 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: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN106346508A

Abstract

四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、两个传动件、四个传动轮、三个连杆、弹簧、滑块和第二传动机构等。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与间接自适应抓取的功能；该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个指段，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

四连杆传动轮直线平夹间接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，特别涉及一种四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是实现抓取物体的重要装置。抓取物体的方法是从相对的两个方向限制住物体在该方向上的运动可能性。物体在空间中的运动存在多个方向，为了限制所抓物体的各种运动可能性，需要机器人手从各个方向限制物体运动。平行夹持抓取(简称平夹抓取)是一种常见的抓取方式，末端指段在运动过程中始终保持相对手掌基座相对固定的姿态，在抓取过程中，相对的两个手指或者多个手指在物体的两个或多个侧面接触物体并施加抓持力，通过手指表面的弹性变形材料来获得软指面从来改善抓取的稳定性，这种平行夹持的机器已经被工业上广泛应用，称之为工业夹持器。工业夹持器是指具有两个或多个手指，手指上没有关节或多个耦合运动的关节的机器，在抓取物体时使用平行夹持的方式，或末端尖点对物体进行捏持，这种抓取方式针对日常物品是有效的，能够达到最多种类的物体抓取。

模仿人手的机器人手目前具有很多的关节自由度，分别由多个电机控制，也称为灵巧手，灵巧手定义为至少具有三个手指，有九个以上自由度，抓取时需要确定物体姿态，对空间中的路线进行路径规划，确定物体空间布局，这些都带来复杂的控制。因而传统的灵巧手比较昂贵。

传统的欠驱动手利用少的驱动器驱动较多的关节，节能环保，重量低。传统的欠驱动手仅具有先转动近关节，再转动远关节的僵化抓取，虽然可以适应形状，但是不能以末端指段捏持物体，更不能实现直线平夹与自适应的抓取模式。

具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，如专利WO2016063314A1，包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动，利用第二指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置仅能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取的功能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置。该装置能实现沿着近似水平直线平行夹持的抓取效果，对中抓取，同时体积小、成本低，适用于安装在机器人上作为末端夹持器使用。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第一指段套接在近关节轴上；所述远关节轴活动套设在第一指段中；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：四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括第一传动件、第二传动件、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、滑块、第二传动机构和弹簧；所述第一轴、第二轴、第三轴与近关节轴的中心线平行；所述第一轴、第二轴分别活动套设在基座中；所述第一传动机构的输出端与第二轴相连；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上；所述近关节轴活动套设在第二连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在远关节轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一连杆的一端套固在第二轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；设第一轴的中心点为A，第二轴中心点为B，第三轴的中心点为C，近关节轴的中心点为D，远关节轴中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍；所述第一传动轮活动套接在第一轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮和第二传动轮；所述第二传动轮活动套接在近关节轴上；通过第一传动件的传动，第一传动轮与第二传动轮为同向传动关系；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接；所述第二传动件分别连接第三传动轮和第四传动轮；所述第四传动轮套接在远关节轴上；通过第二传动件的传动，第三传动轮与第四传动轮为同向传动关系；所述第二指段和第四传动轮相连；通过第一传动件和第二传动件的传动，从第一传动轮到第四传动轮的传动为等速传动；第四传动轮有凸台，在初始位置时，第二指段紧靠在第四传动轮的凸台上；所述滑块滑动镶嵌在第一指段中，所述弹簧的两端分别连接滑块和第一指段；所述滑块与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括齿条和齿轮；所述齿条与滑块固接，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮套接在远关节轴上，所述齿轮与第二指段固接。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述弹簧采用压簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、多个连杆、多个传动轮、两个传动件、传动机构、滑块和弹簧等综合实现了机器人手指直线平行夹持与间接自适应抓取的功能；该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个指段，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的四连杆传动轮直线平夹间接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所示实施例的侧视图。

图4是图1所示实施例的正面剖视图。

图5至图6是图1所示实施例以直线平夹方式抓取物体的过程图。

图7至图9是图1所示实施例以被动自适应包络抓取方式抓取物体的示意图。

图10是图1所示实施例张开到最大以及合拢状态(双点划线)的示意图。

图11是图1所示实施例的局部视图，显示出点A、B、C、D和E的位置。

图12是图11所示的连杆AD、BC、CDE及基座连杆AB的多连杆机构简图，显示出在主动转动连杆 BC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的移动轨迹。

在图1至图9中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 51－第一轴， 52－第二轴， 53－第三轴，

61－第一传动轮， 62－第二传动轮， 63－第三传动轮， 64－第四传动轮，

71－第一连杆， 72－第二连杆， 73－第三连杆， 81－第一传动件，

82－第二传动件， 9－弹簧， 11－第一传动机构， 111－主动锥齿轮，

112－从动锥齿轮， 113－主动传动轮， 114－从动传动轮， 115－过渡传动带，

116－过渡轴， 117－减速器， 12－电机， 13－滑块，

14－齿条， 15－齿轮， 100－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。

本发明设计的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图6所示，包括基座1、电机12、第一传动机构11、第一指段2、第二指段3、近关节轴4和远关节轴5；所述电机 12与基座1固接；所述电机12的输出轴与第一传动机构11的输入端相连；所述第一指段2套接在近关节轴4上；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；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；该四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括第一传动件81、第二传动件82、第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63、第四传动轮64、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第一轴51、第二轴52、第三轴53、滑块13、第二传动机构和弹簧9；所述第一轴 51、第二轴52、第三轴53与近关节轴4的中心线平行；所述第一轴51、第二轴52分别活动套设在基座1中；所述第一传动机构11的输出端与第二轴52相连；所述第三连杆73的一端套接在第一轴51上，第三连杆73的另一端套接在近关节轴4上；所述近关节轴4活动套设在第二连杆72的中部；所述第二连杆72 的一端套接在远关节轴5上，第二连杆72的另一端套接在第三轴53上；所述第一连杆71的一端套固在第二轴52上，第一连杆71的另一端套接在第三轴53上；设第一轴51的中心点为A，第二轴52中心点为B，第三轴53的中心点为C，近关节轴4的中心点为D，远关节轴5中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的 2.5倍；所述第一传动轮61活动套接在第一轴51上；所述第一传动件81分别连接第一传动轮61和第二传动轮62；所述第二传动轮62活动套接在近关节轴4上；通过第一传动件81的传动，第一传动轮61与第二传动轮62为同向传动关系；所述第三传动轮63活动套接在近关节轴4上，所述第二传动轮62与第三传动轮63固接；所述第二传动件82分别连接第三传动轮63和第四传动轮64；所述第四传动轮64套接在远关节轴5上；通过第二传动件82的传动，第三传动轮63与第四传动轮64为同向传动关系；所述第二指段3和第四传动轮64相连；通过第一传动件81和第二传动件82的传动，从第一传动轮61到第四传动轮64的传动为等速传动；第四传动轮有凸台，在初始位置时，第二指段3紧靠在第四传动轮64的凸台上；所述滑块13滑动镶嵌在第一指段2中，所述弹簧9的两端分别连接滑块13和第一指段2；所述滑块 13与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段3相连。

本实施例中，所述第二传动机构包括齿条14和齿轮15；所述齿条14与滑块13固接，所述齿条14与齿轮15啮合，所述齿轮15套接在远关节轴5上，所述齿轮15与第二指段3固接。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件81 采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，第一传动件81采用传动带。

本发明所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动件82 采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，第二传动件82采用传动带。

本实施例中，所述弹簧9采用压簧。

本实施例中第一传动机构11包括主动锥齿轮111，从动锥齿轮112，主动传动轮113，从动传动轮114，过渡传动带115，过渡轴116和减速器117。所述减速器117的输入端与电机12的输出端相连，所述减速器117与基座1固接，所述主动锥齿轮111固接在减速器117的输出轴，所述过渡轴116套设在基座1中，所述从动锥齿轮112与过渡轴116固接，所述主动锥齿轮111与从动锥齿轮112啮合，所述主动传动轮113 与过渡轴116固接，所述从动传动轮114与第二轴52固接，所述过渡传动带115连接主动传动轮113与从动传动轮114，所述过渡传动带115成“0”字形。

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、图2和图3所示。

本实施例中，将初始位置设置为第三连杆73竖直的状态(如图1所示)。

电机12转动，通过传动机构带动第二轴52转动，第一传动轮61绕着第一轴51的中心线转动；因为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、基座1构成四连杆机构，并且满足条件：

a)线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，

b)线段CD的长度、线段DE的长度和线段AD的长度三者相等，

c)线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍，

如9图所示，该四连杆机构将因为第一连杆71的转动带动远关节轴5直线运动。

当本实施例抓取物体100时，会呈现两种抓取模式，即直线平夹模式(第一阶段)和间接自适应包络抓取模式(第二阶段)：

a)当第二指段3先于滑块13碰触到物体100时，本实施例采用直线平夹的抓取模式。电机12转动，通过第一传动机构11的传动，使第二轴52转动，带动着固接在第二轴51上的第一连杆71转动，第二连杆72和第三连杆73绕着各自的中心轴转动，套设在第二连杆72上的远关节轴5沿着直线平行移动。第一传动轮61固接在基座1上，通过第一传动件81和第二传动件82的传动，第四传动轮64相对于基座1 处于相对平移的状态，不会发生转动。在初始位置时，第二指段3紧靠在第四传动轮64上，与第二指段3 固接的齿轮15与齿条14啮合。弹簧9的作用使第二指段3在第一阶段紧靠在第二传动轮62上，直至物体100碰到第二指段3，直线平夹抓取模式结束。如图5至图6所示。

b)当滑块13先于第二指段3接触到物体100时，本实施例采用间接自适应的抓取模式。电机12带动第一连杆71、第二连杆72和第三连杆73，第三连杆73向物体100方向靠近，物体100压迫滑块13，使滑块13在第二指段3中滑动，弹簧9被压缩。齿轮15与齿条14啮合传动，使与齿轮15固接的第二指段3向物体100靠近，第四传动轮64凸块与第二指段3分开，直至接触到物体100，间接自适应抓取过程结束。如图7至图9所示。

释放过程与上述过程刚好相反，不赘述。

Claims

1.一种四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第一指段套接在近关节轴上；所述远关节轴活动套设在第一指段中；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：该四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括第一传动件、第二传动件、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、滑块、第二传动机构和弹簧；所述第一轴、第二轴、第三轴与近关节轴的中心线平行；所述第一轴、第二轴分别活动套设在基座中；所述第一传动机构的输出端与第二轴相连；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上；所述近关节轴活动套设在第二连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在远关节轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一连杆的一端套固在第二轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；设第一轴的中心点为A，第二轴中心点为B，第三轴的中心点为C，近关节轴的中心点为D，远关节轴中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍；所述第一传动轮活动套接在第一轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮和第二传动轮；所述第二传动轮活动套接在近关节轴上；通过第一传动件的传动，第一传动轮与第二传动轮为同向传动关系；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接；所述第二传动件分别连接第三传动轮和第四传动轮；所述第四传动轮套接在远关节轴上；通过第二传动件的传动，第三传动轮与第四传动轮为同向传动关系；所述第二指段和第四传动轮相连；通过第一传动件和第二传动件的传动，从第一传动轮到第四传动轮的传动为等速传动；第四传动轮有凸台，在初始位置时，第二指段紧靠在第四传动轮的凸台上；所述滑块滑动镶嵌在第一指段中，所述弹簧的两端分别连接滑块和第一指段；所述滑块与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连。

2.如权利要求1所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括齿条和齿轮；所述齿条与滑块固接，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮套接在远关节轴上，所述齿轮与第二指段固接。

3.如权利要求1所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。

4.如权利要求1所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。

5.如权利要求1所述的四连杆传动轮直线平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述弹簧采用压簧。