CN106564066A - 双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置 Download PDF

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张文增
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Abstract

双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,包括机架、两个指段、两个壳体、两个关节轴、电机、多个连杆、三个簧件、导轨和滑块等。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,尤其是针对薄壁工件能够实现良好夹持;采用满足一定条件的曲柄滑块机构实现了远关节轴和近关节轴沿着直线运动,采用四连杆机构配合簧件实现第二指段相对第一指段位置不变,实现平动;采用六连杆机构配合簧件实现自适应抓取功能,可以适应不同形状、大小物体的抓取;抓取范围大,抓取稳定可靠;利用一个电机驱动两个指段;结构简单,加工、装配和维修成本低。

Description

双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置
技术领域
[0001] 本发明属于机器人手技术领域,特别涉及一种双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
[0002]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。
[0003] 具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来,例如专利W02016063314A1,包括若干连杆,一个夹持指段,电机组成。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。
[0004]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电机分别控制,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电机就能够驱动比电机数目更多的关节,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。
[0005]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,(I)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
[0006] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种双肘节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。
[0007] 本发明的技术方案如下:
[0008] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种双肘节连杆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;抓取范围大。
[0009] 本发明的技术方案如下:
[0010] —种双肘节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、导轨、滑块、电机和传动机构;所述电机与机架固接,电机的输出端与传动机构的输入端相连,电机的输出端与滑块相连;所述滑块滑动镶嵌在导轨中,所述导轨与机架固接,所述导轨的中心线与远关节轴的中心线垂直;所述第二指段的一端套接在远关节轴上;所述第一指段的一端套接在远关节轴上,第一指段的另一端套接在近关节轴上;其特征在于:该双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、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第一簧件、第二簧件和第三簧件;所述第八轴套设在机架上;所述第七连杆的一端套接在第八轴上,第七连杆的另一端套接第四轴上;所述第六连杆的第一端套接在第四轴上,第六连杆的第二端套接在第七轴上,第六连杆的第三端套接第五轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆另一端套接在第二轴上;所述第三连杆的一端套接在第二轴上,第三连杆的另一端套接在第一轴上;所述第四连杆的一端套设在第二轴上,第四连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第一轴套设在第二指段的另一端上;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三轴上;所述第六轴套设在滑块上;所述第二连杆的一端套接在第六轴上,第二连杆的另一端套接第三轴上;所述第一簧件两端分别连接第一连杆和第二连杆;所述第二簧件的两端分别连接第一指段和第二指段;所述第三簧件的两端分别连接第五连杆和第六连杆;所述各轴中心线相互平行;设第六轴的中心为点A,近关节的中心为点B,第二轴的中心为点C,第七轴的中心为点D,远关节轴中心为点E,第一轴中心点为F,第三轴中心为点G,第五轴中心为点H,第八轴中心为点K,第四轴中心为点Q,线段AB的长和线段CD的长度相等,线段AD的长和线段BC的长度相等,线段CQ、线段DQ和线段QK的长度三者相等,线段CD的长度等于线段QD的长度的2倍;所述电机的输出端与滑块的一端相连;所述第一指段设有限位结构;所述第二指段设有限位结构;所述第一连杆设有限位结构;所述第二连杆设有限位结构;所述第六连杆设有限位结构;所述第五连杆设有限位结构。
[0011] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一簧件采用拉簧或扭簧,第二簧件采用拉簧或扭簧,第二簧件采用拉簧或扭簧。
[0012] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一指段设有限位结构,限制第二指段相对第一指段运动的范围。
[0013] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一连杆设有限位结构,限制第二连杆相对第一连杆运动的范围。
[0014] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第六连杆设有限位结构,限制第六连杆相对第五连杆运动的范围。
[0015] 本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
[0016] 本发明装置利用单电机、连杆机构、簧件、限位机构、曲柄滑块机构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曲柄滑块机构配合满足一定条件的六连杆机构实现了近关节轴和远关节轴的直线运动,采用簧件配合限位机构实现第二指段的保持固定姿态的平动;采用采用簧件配合限位机构实现当物体接触第一指段时,第二指段绕远关节轴的自适应转动。该装置根据物体形状和位置的不同,能直线平动第二指段去夹持物体,尤其是针对薄壁或外形复杂的物体的夹持,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;利用一个电机驱动手指的平动和第二指段绕远关节轴的转动;该装置结构简单,成本低。
附图说明
[0017]图1是本发明设计的双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正视全剖视图(未画出部分零件)。
[0018]图2是图1所示实施例的爆炸图。
[0019]图3是图1所示实施例的立体外观图(未画出部分零件)。
[0020]图4是图1所示实施例的正视图(未画出部分零件)。
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 图5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、F、G、H、K和Q的位置。
[0025]图6是图1所示实施例的机构简图。
[0026]图7至图10是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作过程图。
[0027]图11至图14是图1所示实施例在自适应包络阶段的动作过程图。
[0028]图15是采用三个图1所示实施例构成的机器人手立体外观图。
[0029]图16是图15所示实施例的爆炸图。
[0030] 在图1至图16中:
[0031] I —导轨,2 —第一指段,3 —第二指段,4 —第一连杆,
[0032] 5 一第二连杆,6一滑块,7 一第三连杆,8 一第四连杆,
[0033] 9 -第五连杆,1 —第六连杆,11 —第七连杆,12 —远关节轴,
[0034] 13—第一轴,14 一近关节轴,15—第二轴,16—第三轴,
[0035] 17 —第四轴,18 —第五轴,19 —第六轴,20 —第七轴,
[0036] 24—第一簧件,25—第二簧件,26—第三簧件,27 —第八轴,
[0037] 28 —电机,29 —机架,30 —传动机构,40 —外罩,
[0038] 41 一基座,50 — 物体,
[0039] 60—双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置。
具体实施方式
[0040]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。
[0041] 本发明设计的双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6所示,一种双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,包括机架29、第一指段2、第二指段3、近关节轴14、远关节轴12、导轨1、滑块6、电机28和传动机构30;所述电机28与机架29固接,电机28的输出端与传动机构30的输入端相连,电机28的输出端与滑块6相连;所述滑块6滑动镶嵌在导轨I中,所述导轨I与机架29固接,所述导轨I的中心线与远关节轴12的中心线垂直;所述第二指段3的一端套接在远关节轴12上;所述第一指段2的一端套接在远关节轴12上,第一指段2的另一端套接在近关节轴14上;其特征在于:该双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4、第二连杆5、第三连杆7、第四连杆8、第五连杆
9、第六连杆10、第七连杆11、第一轴13、第二轴15、第三轴16、第四轴17、第五轴18、第六轴19、第七轴20、第八轴27、第一簧件24、第二簧件25和第三簧件26;所述第八轴27套设在机架29上;所述第七连杆11的一端套接在第八轴27上,第七连杆11的另一端套接第四轴17上;所述第六连杆10的第一端套接在第四轴17上,第六连杆10的第二端套接在第七轴20上,第六连杆10的第三端套接第五轴18上;所述第五连杆9的一端套接在第五轴18上,第五连杆9另一端套接在第二轴15上;所述第三连杆7的一端套接在第二轴15上,第三连杆7的另一端套接在第一轴13上;所述第四连杆8的一端套设在第二轴15上,第四连杆8的另一端套接在近关节轴14上;所述第一轴13套设在第二指段3的另一端上;所述第一连杆4的一端套接在近关节轴14上,第一连杆4的另一端套接在第三轴16上;所述第六轴19套设在滑块6上;所述第二连杆5的一端套接在第六轴19上,第二连杆5的另一端套接第三轴16上;所述第一簧件24两端分别连接第一连杆4和第二连杆5;所述第二簧件25的两端分别连接第一指段2和第二指段3;所述第三簧件26的两端分别连接第五连杆9和第六连杆10;所述各轴中心线相互平行;设第六轴19的中心为点A,近关节的中心为点B,第二轴15的中心为点C,第七轴20的中心为点D,远关节轴12中心为点E,第一轴13中心点为F,第三轴16中心为点G,第五轴18中心为点H,第八轴27中心为点K,第四轴17中心为点Q,线段AB的长和线段CD的长度相等,线段AD的长和线段BC的长度相等,线段CQ、线段DQ和线段QK的长度三者相等,线段CD的长度等于线段QD的长度的2倍;所述电机28的输出端与滑块6的一端相连;所述第一指段2设有限位结构;所述第二指段3设有限位结构;所述第一连杆4设有限位结构;所述第二连杆5设有限位结构;所述第六连杆10设有限位结构;所述第五连杆9设有限位结构。
[0042] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一簧件24采用拉簧或扭簧,第二簧件25采用拉簧或扭簧,第二簧件25采用拉簧或扭簧。
[0043] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一指段2设有限位结构,限制第二指段3相对第一指段2运动的范围。
[0044] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一连杆4设有限位结构,限制第二连杆5相对第一连杆4运动的范围。
[0045] 本发明所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第六连杆10设有限位结构,限制第六连杆10相对第五连杆9运动的范围。
[0046] 采用本实施例构成的一种机器人手装置,包括多个双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置60,所有所述双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置装置32的基座I固接在一起。采用3个图1所示实施例60组成的机器人手装置如图16所示,该机器人手装置可以平夹抓取(如图10所示)或者自适应抓取物体(如图14所示)。当然也可以采用2个或3个以上的图1所示实施例去构成机器人手装置,不再赘述。
[0047] 本实施例的工作原理,结合附图叙述如下:
[0048]当双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时,如图1所示。电机28经传动机构30带动滑块6向上(所述向上为图1中的向上)移动。因为第一连杆4、第二连杆
5、第五连杆9、第四连杆8、第六连杆10、第七连杆11、滑块6、和导轨I构成了曲柄滑块机构和六连杆机构,并且满足以下条件:
[0049] a)线段AB的长和线段CD的长度相等,
[0050] b)线段AD的长和线段BC的长度相等,
[0051] c)线段CQ、线段DQ和线段QK的长度三者相等,
[0052] d)线段CD的长度等于线段QD的长度的2倍;
[0053]如图7至图10所示,该四连杆机构将因为滑块6的上下移动带动第一指段2和第二指段3直线运动,即为直线平行夹持抓取阶段。
[0054] 于是,远关节轴12将沿着直线平动,如图7至图10所示。滑块6继续向上移动,当第一壳体30碰到物体50时,第一指段2停止运动,如图10所示;滑块6继续向上移动,第一簧件24变形,第五连杆9绕第五轴18顺时针转动(所述顺时针为图1中的顺时针),线段CD距离增加;第三簧件26受压变短,第一连杆4绕第六轴16逆时针(所述逆时针为图1中的逆时针,下同)转动,线段CD距离变长;第四连杆8绕B点逆时针旋转,第二簧件25变形,第二指段3绕远关节轴12转动;当第二指段3接触物体50时,滑块6停止运动,电机28继续施加夹紧力夹紧物体50,形成自适应包络物体50。
[0055] 本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
[0056] 本发明装置利用单电机、连杆机构、簧件、限位机构、曲柄滑块机构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曲柄滑块机构配合满足一定条件的六连杆机构实现了近关节轴和远关节轴的直线运动,采用簧件配合限位机构实现第二指段的保持固定姿态的平动;采用采用簧件配合限位机构实现当物体接触第一指段时,第二指段绕远关节轴的自适应转动。该装置根据物体形状和位置的不同,能直线平动第二指段去夹持物体,尤其是针对薄壁或外形复杂的物体的夹持,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;利用一个电机驱动手指的平动和第二指段绕远关节轴的转动;该装置结构简单,成本低。

Claims (5)

1.一种双肘节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、导轨、滑块、电机和传动机构;所述电机与机架固接,电机的输出端与传动机构的输入端相连,电机的输出端与滑块相连;所述滑块滑动镶嵌在导轨中,所述导轨与机架固接,所述导轨的中心线与远关节轴的中心线垂直;所述第二指段的一端套接在远关节轴上;所述第一指段的一端套接在远关节轴上,第一指段的另一端套接在近关节轴上;其特征在于:该双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、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第一簧件、第二簧件和第三簧件;所述第八轴套设在机架上;所述第七连杆的一端套接在第八轴上,第七连杆的另一端套接第四轴上;所述第六连杆的第一端套接在第四轴上,第六连杆的第二端套接在第七轴上,第六连杆的第三端套接第五轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆另一端套接在第二轴上;所述第三连杆的一端套接在第二轴上,第三连杆的另一端套接在第一轴上;所述第四连杆的一端套设在第二轴上,第四连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第一轴套设在第二指段的另一端上;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三轴上;所述第六轴套设在滑块上;所述第二连杆的一端套接在第六轴上,第二连杆的另一端套接第三轴上;所述第一簧件两端分别连接第一连杆和第二连杆;所述第二簧件的两端分别连接第一指段和第二指段;所述第三簧件的两端分别连接第五连杆和第六连杆;所述各轴中心线相互平行;设第六轴的中心为点A,近关节的中心为点B,第二轴的中心为点C,第七轴的中心为点D,远关节轴中心为点E,第一轴中心点为F,第三轴中心为点G,第五轴中心为点H,第八轴中心为点K,第四轴中心为点Q,线段AB的长和线段CD的长度相等,线段AD的长和线段BC的长度相等,线段CQ、线段DQ和线段QK的长度三者相等,线段CD的长度等于线段QD的长度的2倍;所述电机的输出端与滑块的一端相连;所述第一指段设有限位结构;所述第二指段设有限位结构;所述第一连杆设有限位结构;所述第二连杆设有限位结构;所述第六连杆设有限位结构;所述第五连杆设有限位结构。
2.如权利要求1所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一簧件采用拉簧或扭簧,第二簧件采用拉簧或扭簧,第二簧件采用拉簧或扭簧。
3.如权利要求1所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一指段设有限位结构,限制第二指段相对第一指段运动的范围。
4.如权利要求1所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第一连杆设有限位结构,限制第二连杆相对第一连杆运动的范围。
5.如权利要求1所述的双肘节连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述第六连杆设有限位结构,限制第六连杆相对第五连杆运动的范围。
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