CN106564065B - 人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置 - Google Patents

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Abstract

人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,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、两个滑块、两个簧件、齿轮和齿条等。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

人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置
技术领域
本发明属于机器人手技术领域,特别涉及一种人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置的结构设计。
背景技术
机器人手是机器人的关键组成部分之一。机器人代替人开展各种抓取物体与操作物体的任务,主要依赖机器人手装置。由于人手非常灵活,关节自由度多,体积小,力量大,模仿人手非常困难。机器人手需要实现抓取、搬运和操作不同形状和大小的复杂物体,这对于机器人手的控制精度等方面要求较高,而且机器人手要求大小合适、重量小等特点,因此现在的机器人手要求在尽可能小的体积上集成尽可能多的功能。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。
工业夹持器是目前最为广泛应用的实用化机器人手,结构相对简单,控制简单。
一种直线平行夹持的工业夹持器装置,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,可以实现直线平行夹持的功能。该装置的不足之处在于:不能实现自适应,这使它的工作模式单一,只能捏取物体,难以抓握形状复杂的物体。
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。灵巧手具有非常仿人外观、尺寸和动作的多个手指和关节,但是由于驱动器数量较多,控制比较困难,每一次抓取都需要大量的传感、实时规划计算等,整个装置过于复杂。
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,相比工业夹持器和灵巧手体现出了很好的实用价值,近年来成为研究的热点。欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个指段,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,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,控制简单方便,降低了制造成本。但是,多数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。
已有的一种自适应手,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。其不足之处在于,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。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置。该装置具有多种抓取模式,既能平动第二指段夹持物体,也能先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体;抓取范围大;无需复杂的传感和控制系统。
本发明的技术方案如下:
本发明设计的一种人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,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:该人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第一滑块、第二滑块、第一簧件、第二簧件、齿轮和齿条;所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六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,该滑动方向定义为直线K;所述第一轴的中心线与直线K垂直;所述传动机构的输出轴与第一滑块相连,所述第一滑块与齿条固接,所述齿条与齿轮啮合,所述齿轮固接在第一轴上,所述第一轴套设在第二滑块上;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三轴上;所述第一指段与第一连杆固接,所述第二指段套接在第三轴上,所述第二指段套接在第五轴上;所述第三连杆的一端套接在第五轴上,第三连杆的另一端套接在第四轴上;所述第四连杆的一端固接在第一轴上,第四连杆的另一端套接在第四轴上;所述第二轴套设在第一连杆的中部,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第六轴上;所述第六轴套设在基座中;所述第一簧件的两端分别连接在第一滑块和第二滑块上,所述第二簧件的两端分别连接在第四连杆和第二滑块上,所述第二滑块上设有固接的限位块,所述第四连杆在初始状态时与限位块接触;设第一轴中心点为A点,设第二轴中心点为B点,设第三轴中心点为C点,设第六轴中心点为D点,设第四轴中心点为E点,设第五轴中心点为F点;线段AD平行于直线K,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,所述齿条的分度线平行于直线K;所述齿条在初始状态时与齿轮存在一段距离。
本发明所述的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,其特征在于:所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。
本发明所述的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,其特征在于:所述第一簧件采用压簧,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:
本发明装置利用单驱动器、人字连杆、平行四连杆、滑块、齿条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二指段沿着直线运动,采用平行四连杆实现了第二指段相对于基座保持姿态不变,采用齿条、齿轮和簧件在第一指段接触物体后拨动第四连杆转动,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是本发明设计的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应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所示实施例的侧面外观(未画出部分零件),显示出点A、B、C、D、E和F的位置。
图3是图2所示的AB、BC、BD的多个连杆机构简图,显示出在推动A点时点D的移动轨迹,该轨迹中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4至图6是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作过程图。
图7至图9是图1所示实施例在自适应包络阶段的动作过程图。
图10至图12是图7至图8所示实施例在以包络握持的方式抓取物体时滑块机构的变化过程图。
图13是图1所示实施例的平夹抓取物体示意图。
图14是图1所示实施例的自适应抓取物体示意图。
在图1至图14中:
1-基座,2-第一指段,21-第一连杆,22-第二连杆,
23-第三连杆,24-第四连杆,3-第二指段,41-第一轴,
42-第二轴,43-第三轴,44-第四轴,45-第五轴,
46-第六轴,47-第七轴,51-第一滑块,2-第二滑块,
521-限位块,61-第一簧件,62-第二簧件,71-齿条,
72-齿轮,8-驱动器,81-传动机构,10-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。
本发明设计的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置的一种实施例,如图1至图12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;该人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置还包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、第四连杆24、第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第一滑块51、第二滑块52、第一簧件61、第二簧件62、齿轮72和齿条71;所述第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45和第六轴46的中心线相互平行,所述第一滑块51滑动镶嵌在基座中,所述第二滑块52滑动镶嵌在基座中,所述第一滑块51和第二滑块52滑动方向相同,该方向定义为直线K;所述第一轴41的中心线与直线K垂直;所述传动机构81的输出轴与第一滑块51相连,所述第一滑块51与齿条71固接,所述齿条71与齿轮72啮合,所述齿轮72固接在第一轴41上,所述第一轴41套设在第二滑块52上;所述第一连杆21的一端套接在第一轴41上,第一连杆21的另一端套接在第三轴43上;所述第一指段2与第一连杆21固接,所述第二指段3套接在第三轴43上,所述第二指段3套接在第五轴45上;所述第三连杆23的一端套接在第五轴45上,第三连杆23的另一端套接在第四轴44上;所述第四连杆24的一端固接在第一轴41上,第四连杆24的另一端套接在第四轴44上;所述第二轴42套设在第一连杆21的中部,所述第二连杆22的一端套接在第二轴42上,第二连杆22的另一端套接在第六轴46上;所述第六轴46套设在基座1中;所述第一簧件61的两端分别连接在第一滑块51和第二滑块52上,所述第二簧件62的两端分别连接在第四连杆24和第二滑块52上,所述第二滑块52上设有固接的限位块521,所述第四连杆24在初始状态时与限位块521接触;设第一轴41中心点为A点,设第二轴42中心点为B点,设第三轴43中心点为C点,设第六轴46中心点为D点,设第四轴44中心点为E点,设第五轴45中心点为F点;线段AD平行于直线K,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,所述齿条71的分度线平行于直线K;所述齿条71在初始状态时与齿轮72存在一段距离。
本发明所述的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,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。
本实施例中,所述第一簧件61采用压簧,所述第二簧件62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6所示。
电机8转动,通过传动机构81推动第一滑块51向上直线运动,通过第一簧件61推动第二滑块52向上直线运动,第二滑块52推动第一轴41向上运动;由于第一连杆21、第二连杆22构成人字连杆,且满足AB=BC=BD,因此第三轴43沿着水平直线向左移动;由于第四连杆24在第二簧件62作用下紧靠在第二滑块的限位块521上,由于平行四边形连杆(第一连杆21、第二指段3、第三连杆23和第四连杆24)的作用,第二指段3将保持相对基座1不变的姿态,第二指段3向左直线平移,直到第二指段3接触物体10,抓取结束,达到直线平行夹持物体的效果。
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51向上运动,第一簧件61发生变形,齿条71逐渐接近齿轮72,经过一段时间,齿条71与齿轮72啮合,齿轮72转动,第四连杆24绕第一轴41的中心转动,通过平行四边形连杆(第一连杆21、第二指段3、第三连杆23和第四连杆24)的作用,第二指段3绕第三轴23的中心转动,直到第二指段3接触物体10,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7、图8和图9所示。
释放物体时,电机8反转,与上述过程相反,不再赘述。
本发明装置利用单驱动器、人字连杆、平行四连杆、滑块、齿条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二指段沿着直线运动,采用平行四连杆实现了第二指段相对于基座保持姿态不变,采用齿条、齿轮和簧件在第一指段接触物体后拨动第四连杆转动,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。

Claims (3)

1.一种人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,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:该人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第一滑块、第二滑块、第一簧件、第二簧件、齿轮和齿条;所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六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,该滑动方向定义为直线K;所述第一轴的中心线与直线K垂直;所述传动机构的输出轴与第一滑块相连,所述第一滑块与齿条固接,所述齿条与齿轮啮合,所述齿轮固接在第一轴上,所述第一轴套设在第二滑块上;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三轴上;所述第一指段与第一连杆固接,所述第二指段套接在第三轴上,所述第二指段套接在第五轴上;所述第三连杆的一端套接在第五轴上,第三连杆的另一端套接在第四轴上;所述第四连杆的一端固接在第一轴上,第四连杆的另一端套接在第四轴上;所述第二轴套设在第一连杆的中部,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第六轴上;所述第六轴套设在基座中;所述第一簧件的两端分别连接在第一滑块和第二滑块上,所述第二簧件的两端分别连接在第四连杆和第二滑块上,所述第二滑块上设有固接的限位块,所述第四连杆在初始状态时与限位块接触;设第一轴中心点为A点,设第二轴中心点为B点,设第三轴中心点为C点,设第六轴中心点为D点,设第四轴中心点为E点,设第五轴中心点为F点;线段AD平行于直线K,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,所述齿条的分度线平行于直线K;所述齿条在初始状态时与齿轮存在一段距离。
2.如权利要求1所述的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,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所述的人字连杆齿条滑块直线平夹自适应手指装置,其特征在于:所述第一簧件采用压簧,所述第二簧件采用拉簧。
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