CN106573382A - 吸振和自动重新对齐的机器人手指 - Google Patents

Abstract

一种机器人机构，包括通过第一节段与第二节段在它们相对的面处抵接而形成的连杆、从第一节段进入第二节段的至少一根腱，其中第一节段通过施加于至少一个节段的拉力被保持为与第二节段接触。

Description

吸振和自动重新对齐的机器人手指

相关申请的交叉引用

本国际专利申请要求2014年8月25日提交的题为“用于机器人机械操纵器结构的线缆引导系统”的美国临时专利申请第62/041,332号、2014年12月4日提交的题为“用于具有渐进式包装连杆的欠驱动机器人操纵器的腱构造”的临时专利申请第62/087,664号、2015年5月21日提交的题为“用于具有渐进式包装连杆的欠驱动机器人操纵器的腱构造”的临时专利申请第62/165,080号以及2015年5月21日提交的题为“用于将装置附接于机器人手指的装置和方法”的临时专利申请第62/165,074号的权益，上述所有内容整体通过引用被包含于本发明中。

技术领域

本发明主要涉及包括利用转动关节的串联连杆结构的机器人机构，例如机械操纵器、机器人抓取器以及用于机器人应用中的附属物。

背景技术

包括利用转动关节的串联连杆结构的机器人机构包括机器人抓取器，其通常被连接在机器人手臂的端部。由起到类似于手指的作用的连杆和关节组成的机器人抓取器容易损坏。如果机器人使手指碰撞坚硬面，则很容易意外损坏机器人抓取器的手指。这在机器人用于非结构化环境之处是尤为可能发生的，其中机器人的反馈系统和动态控制可能不能防止这种意外。

潜在的解决方案包括将机器人抓取器和手指制造为十分坚固或十分柔韧。这两种解决方案都已经被实施。增加的强度通常导致增加的重量和成本，这两者都对机器人抓取器的性能和市场生存能力产生负面影响。另一个替代方案是增大手指的柔性，但是这对于柔性来说牺牲了刚度，这可能在机器人抓取器的功能性上具有负面性能影响。

机器人抓取器可分为两类，本征和非本征机器人抓取器。本征机器人抓取器具有在它们所控制的关节中或附近的马达。非本征机器人抓取器通常使用在它们所控制的关节之间的某些类型的腱或线缆以及远离关节的致动器。

已经开发了保护手指免受损害的解决方案，其使用磁体将手指保持于机器人抓取器的手掌，但是手指被强力冲击时会从手掌“裂开”。这种解决方案有利地保护手指免受损害，同时保持了手指的结构特性。然而，这种解决方案使手指和马达均处在手指的“裂开”部分上，这更类似于本征手指设计。

这种设计的缺陷在于，通过手指施加的能量受到手指与机器人抓取器之间的磁性连接的限制。因此，十分强力的手指需要与机器人抓取器的手掌十分强力的磁性连接。机器人抓取器的手掌中的磁场越强，与机器人操作环境的磁作用就越强，这会具有影响铁磁部件或颗粒或干扰磁敏感设备的负面结果。

磁性手指附接件的现有手段的另一缺陷是，如果手指从机器人抓取器的手掌上被撞掉，则手指不再附接于机器人，并且不能容易地在没有人工或十分智能的机器人干预的情况下被重新附接。例如，如果在人员不能操作的污染灾害现场操作机器人并且手指被撞掉，则取回手指并且将其重新放置在手掌上开销巨大。

在现有的手指磁性附接件中，手指上负荷的力完全由磁体支撑。由于两种力作用在手指上，即需要的负荷和不需要的负荷(意外冲击)，因此手指在承受需要的负荷时更有可能脱落。当手指不承受负荷时，它们具有十分强的力保持它们附接于机器人抓取器。这在它们最需要保护时限制了它们的保护。

最后，机器人抓取器中的手指磁性附接件的现有技术不适用于使用腱将能量传递至关节的非本征构造。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种包括利用转动关节的串联连杆结构的机器人机构由至少两个连续的零件组成，它们仅仅通过跨过连杆零件的交界面的腱上的压缩拉力被保持在一起。当力冲击机器人机构的连杆结构时，由连续的零件组成的连杆可被拉开，使得结构的剩余部分不会损坏。当两个零件被手动或自动地重新对齐时，两个连杆零件的对齐会被重新对齐，其中腱的路径穿过两个连杆零件之间。结果是，不对连杆结构产生任何损害(即，手指拉开但是不会损坏)。

根据本发明的第二方面，除了腱之外，在连杆的两个连续的零件之间使用成形插座。当腱承受拉力时，连杆的两个零件被保持在一起并且通过腱对齐。插座中两个零件的互补配合提供了另一个对准机构。

插座连接的形状应提供两个连杆零件的对准，但不应以防止两个连杆零件在破坏性负荷下拉开的方式限制两个连杆零件的角关系。

根据本发明的第三实施方式，基于腱的结构中的连杆由至少两个连续的零件组成，它们具有在两个连杆零件之间提供吸引力的磁性对。此外，腱跨过连杆零件之间的交界面，以提供使连杆零件保持在一起的另一份力。在承受拉力时，连杆零件的结构仅应使用腱来牢固地保持。连杆零件的结构仅应使用连杆零件之间的磁力来保持。

磁性对可由两个磁体组成，即磁体和一块金属材料，例如铁，或提供了对之间的磁吸引的磁体与磁性材料的组合。

根据本发明的第四方面，两个连杆零件可使腱、插座和磁性对结合，以提供将连杆保持在一起的力以及使两个零件对齐的插座。

根据本发明的第五方面，磁性对的组合可改进两个连杆零件的自动对齐。这可使用三个或更多磁体来实现，以基于磁体的磁极提供对齐。示例性实施在两个对中使用四个磁体。两个磁体在连杆的第一半中，并且两个磁体在连杆的第二半中。磁体被设置为使得连杆的第一半中的磁体与连杆的第二半中的磁体对齐。然而，两对相吸的磁体设置有相反的磁极，使得它们仅可在一个方向上吸引。这在连杆被撞掉并且通过确保连杆被正确对齐而自动重新连接时提高了连杆的坚固性。

根据本发明的第六方面，连杆零件被定位为靠近机器人抓取器的机器人手指与手掌之间的关节。

根据本发明的第七方面，结合地实现磁吸引的磁体和磁性材料的任何组合都可被设置于手指和手掌中。磁体可位于手指的基部中或手掌中或它们二者中。互补的金属可在手指的基部中或手掌中。或者，可将磁体用于两个位置中。

根据本发明的第八方面，连杆零件之间的磁性连接强度需要足够强，以在负荷下将连杆保持到位，但是比足够破坏或损坏连杆的力更弱。因此，连接力对于较强的连杆能够更强，并且对于强度较弱的连杆应更弱。

附图说明

图1A是示出根据本发明的通过腱致动的连杆和关节组合的示意图，其中中心连杆包括两个零件，它们通过腱的拉力被保持在一起。

图1B是示意图，其示出图1的连杆和关节组合在预定扭矩或力超出用于连杆的运动的正常范围时或施加了拉动连杆的预定力时彼此裂开。

图2是示出了根据本发明的连杆和关节组合的示意图，其中中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力以及两个节段之间的插座交界面被保持在一起。

图3是示出了根据本发明的连杆和关节组合的示意图，其中中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力以及两个节段之间的磁性对被保持在一起。

图4是示出了根据本发明的连杆和关节组合的示意图，其中中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力、两个节段之间的磁性对被保持在一起并且通过两个零件之间的插座交界面对齐。

图5是示出了根据本发明的连杆和关节组合的示意图，其中中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力以及两个节段之间的两个磁性对被保持在一起，该两个磁性对具有相反的磁极定向，以促进两个零件之间的特定的对齐。

图6是示出机器人抓取器的示意图，其仅示出了根据本发明的一根手指，其与机器人抓取器的手掌之间具有连杆，其中手指与手指之间的连杆交界面包括将手指保持于手掌的腱、插座和磁体。

图7是示出了图6的机器人抓取器的示意图，其处于手指通过施加过大的力而在连杆的两个零件之间的交界面处与手掌分离的状态。

具体实施方式

本领域的一般技术人员会理解本发明的下述说明仅为说明性的，并且不以任何方式做出限制。本发明的其他实施方式自身将容易地对这种技术人员产生启发。

在说明性环境中描述本发明中提供的示例，包括在诸如基于腱的机器人抓取器的机构中的连杆，其由至少两个连续的零件形成，该两个连续的零件仅通过跨过连杆零件交界面的腱上的拉力的压缩力被保持在一起。本领域的一般技术人员会容易地理解本文所公开的本发明的原理更主要是关于包括利用转动关节的串联连杆结构的机器人机构，并且本发明的范围旨在包含所有这种包括利用转动关节的串联连杆结构的机器人机构。

首先参考图1A，示意图示出了根据本发明的原理的说明性连杆组件10。图1所示的连杆组件10示出为了通过两个关节18和20彼此连接的三个连续的连杆12、14和16。中心连杆14由两个分离的节段22a和22b形成，它们通过施加于穿过连杆12和16并且穿过形成中心连杆14的两个零件22a和22b的腱24和26的拉力被拉在一起。腱24和26上的拉力在中心连杆14的两个节段22a和22b的交界面28处将两个节段22a和22b拉在一起，形成刚性连接。腱24和26彼此分离，并且穿过不同的线缆引导件30和32，该线缆引导件30和32也提供了中心连杆14的两个节段22a和22b之间的对齐力。因为本实施方式中的腱24和26穿过不同的、隔开的线缆引导件走线，所以节段22a和22b并不围绕垂直于腱24和26的轴相对于彼此旋转。线缆引导件30和32提供了使腱24和26穿过连杆12、14和16走线的方式，并且还提供了用于组成中心连杆14的两个节段22a和22b的对齐机构。

现在参考图1B，示意图示出了图1的连杆和关节的组合在预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或施加了拉动连杆的预定力时彼此裂开。如图1B所示，图1A的布置允许两个节段22a和22b在过大的扭矩或力沿一个或多个方向施加于连杆12、14和16的组合时彼此裂开。当过大的力从连杆的组合移除时，两个节段22a和22b通过腱24和26的拉力被彼此拉回并且重新对齐。通过本实施方式提供的保护受到腱24和26的强度限制。

现在参考图2，示意图示出了根据本发明的原理的另一个说明性连杆组件40，其中，中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力和两个节段之间的插座交界面被保持在一起。使用图1中所用的相同附图标记来表示与图1的组件相同的图2的元件。

在图2的实施方式中，三个连续的连杆12、14和16通过两个关节18和20被连接在一起。中心连杆14由两个分离的节段22a和22b组成，它们通过施加于腱24和26的拉力被压在一起。如图1的实施方式中那样，腱24和26彼此分离，并且穿过不同的线缆引导件30和32，该线缆引导件30和32也提供了中心连杆14的两个节段22a和22b之间的对齐力。线缆引导件30和32提供了使腱24和26穿过连杆12、14和16走线的方式，并且还提供了用于组成中心连杆14的两个节段22a和22b的对齐机构。

中心连杆14的两个节段之间的交界面28包括位于两个节段22a和22b的相对的面上的匹配成形部分42和44，以在承受压缩拉力时提供中心连杆14的两个节段22a和22b上的对齐力。匹配成形部分42和44的形状被示意地示出为与从最右侧节段22b伸出的包围部分配合的、最左侧节段22a的面和边缘，使得节段22a和22b对齐并且可像部分的球和插座那样简单。更复杂的插座，例如V型槽，可用于提供连杆14的改善的方向性对齐。本领域的一般技术人员会理解的是，匹配成形部分42和44的深度应被选择为允许两个节段22a和22b在预定量的过大的力施加于连杆12、14和16的组合时彼此裂开。当过大的力从连杆12、14和16的组合移除时，两个节段22a和22b通过腱24和26的拉力且通过匹配成形部分42和44被彼此拉回并且重新对齐。通过本实施方式提供的保护受到腱24和26的强度限制。

现在参考图3，示意图示出了根据本发明的原理的另一个说明性连杆组件50，其中，中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力和两个零件之间的磁性对被保持在一起。使用图1中所用的相同附图标记来表示与图1的组件相同的图3的元件。

图3示出了通过两个关节18和20被连接在一起的三个连续的连杆12、14和16。中心连杆14由被压在一起的两个分离的节段22a和22b形成。磁性对52和54被设置于中心连杆2的两个节段22a与22b之间的交界面42处。磁性对10和11可包括两个磁体、磁体和磁性材料或包括多个磁体和/或磁性材料的组合。

磁性对52的一半被设置在最左侧节段22a上，并且磁性对54的另一半被设置在最右侧节段22b上。磁性对52和54在中心连杆14的两个节段22a与22b之间共同提供了磁吸引力。本领域的一般技术人员会理解的是，两半磁性对52与54之间的磁力强度应被选择为允许两个节段22a和22b在预定量的过大的力施加于连杆12、14和16的组合时彼此裂开。当过大的力从连杆12、14和16的组合移除时，两个节段22a和22b通过两半磁性对52与54之间的磁力以及腱24和26的拉力被彼此拉回并且重新对齐。通过本实施方式提供的保护受到腱24和26的强度限制。

现在参考图4，示意图示出了根据本发明的原理的另一个说明性连杆组件60，其中，中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力和该两个节段之间的磁性对被保持在一起，并且通过匹配成形部分对齐，该匹配成形部分例如为在两个节段之间、在两个节段的相对的面上的插座交界面。使用图1中所用的相同附图标记来表示与图1至3的组件相同的图4的元件。

图4示出了通过两个关节18和20被连接在一起的三个连续的连杆12、14和16。中心连杆14由被压在一起的两个分离的节段22a和22b形成。中心连杆14的两个节段22a与22b之间的交界面28包括磁性对52与54之间的磁性连接、由两个节段22a和22b的匹配成形部分42形成的匹配插座布置。腱24和26跨过中心连杆14的两个节段22a与22b之间的交界面28。本领域的一般技术人员会理解的是，磁性对52与54之间的磁力强度以及两个节段22a和22b的匹配成形部分42之间的插座布置的形状应被选择为允许两个节段22a和22b在预定量的过大的力施加于连杆12、14和16的组合时彼此裂开。当过大的力从连杆12、14和16的组合移除时，两个节段22a和22b通过两半磁性对52与54之间的磁力、两个节段22a和22b的交界面处的成形插座布置以及腱24和26的拉力被彼此拉回并且重新对齐。通过本实施方式提供的保护受到腱24和26的强度限制。

现在参考图5，示意图示出了根据本发明的原理的另一个说明性连杆组件60，其中中心连杆包括两个节段，它们通过腱的拉力和该两个节段之间的两个磁性对被保持在一起，该两个磁性对具有被定向为促进两个节段之间特定的对齐的相反的磁极。

图5示出了通过两个关节18和20被连接在一起的三个连续的连杆12、14和16。中心连杆14由通过腱24和26的拉力被压在一起的两个分离的节段22a和22b形成。中心连杆14的两个节段22a与22b之间的交界面28包括磁性连接15，其提供了两个连杆节段22a与22b之间的改进的对齐。

磁体62和64在中心连杆14的一侧被附接于节段22a，并且磁体66和68在中心连杆14的另一侧被附接于节段22b。在图5所示的构造中，相对的一对磁体62和66的磁极的定向与相对的一对磁体64和68的磁极的定向相反，以提供磁性键合的对齐。仅在节段22a和22b相对于彼此对齐时产生连杆14的节段22a和22b的磁体之间的磁吸引，以使磁体62和66彼此相对地对齐且磁体64和68彼此相对地对齐。

本领域的一般技术人员会理解的是，两个磁性对62和66与64和68之间的磁力强度应被选择为允许两个节段22a和22b在预定量的过大的力施加于连杆12、14和16的组合时彼此裂开。当过大的力从连杆12、14和16的组合移除时，两个节段22a和22b通过两个磁性对62和66与64和68之间的磁吸引力以及腱24和26的拉力被彼此拉回并且重新对齐。通过本实施方式提供的保护受到腱24和26的强度限制。

现在参考图6，示意图示出了机器人抓取器80，其包括连杆组件，该连杆组件具有通过关节86被连接的连杆82和84。连杆84使用连杆节段90连接至机器人抓取器基部88。连杆节段90通过关节92被连接至连杆84。连杆节段90使用本文所公开的技术的组合被连接至机器人抓取器基部。

在图6所示的说明性实施方式中，连杆节段90与机器人抓取器基部88之间的交界面包括本文所述的技术的组合。腱94和96在连杆82与机器人抓取器基部88之间穿过连杆节段90。腱94穿过连杆84、连杆节段90以及机器人抓取器基部88中的线缆引导件98。腱96穿过连杆84、连杆节段90以及机器人抓取器基部88中的线缆引导件100。

此外，分别位于连杆节段90和机器人抓取器基部88中的磁性对102和104像已经参考图3和4在本文中描述的那样操作。

最后，通过机器人抓取器基部88和连杆节段90的交界面处的匹配成形部分106形成的匹配插座布置协作，以在连杆82和84已经由于过大的力施加于连杆而从机器人抓取器基部88移位之后使包括连杆82和84的连杆组件重新对齐。

如会被本领域的一般技术人员理解的那样，腱、插座布置以及磁连接通过与本文中参考图1-5所描述的相同方式来操作，并且协作以提供可恢复的裂开操作。

虽然出于说明本发明的目的在图6中仅示出了一根手指，但是本领域的一般技术人员会理解根据本发明的原理的机器人抓取器通常会配备有多根手指。优选的是每根手指都配备有本发明的一个或多个特征，以提供对于过大的力的保护。

图7示出了具有手指的机器人抓取器80，该手指包括连杆82和84，它们响应施加在实线箭头方向上的过大的力而被从机器人抓取器基部88拉开。根据本发明，随着过大的力被移除，腱94和96以及磁性对的构件102与104之间的吸引力提供了使手指回到手掌和插座的力，并且还提供了手指与手掌之间的对齐。

本发明相比仅使用磁体的现有技术布置的一个优点在于，当用于机器人抓取器时，手指并不响应过大的力的施加而从机器人抓取器掉落，而是至少保持为通过腱挂住并且不引起结构损坏。手指不会像采用现有技术布置那样丢失。

本发明提供的另一个优点在于，当腱通过致动器拉紧时，其会趋于将手指拉回至其正常位置。这意味着在手指裂开时能够使其快速回到正确的对齐，以用于连续的、不受干扰的操作。本发明因此提供了与现有装置的机器人抓取器中手指的基于磁性的连接相比的主要优点。

在机器人操作中，手指在没有抓取物体时受损的可能性比其抓取了物体时更高。为此，一种简单的解释是在手指延展并且没有抓取物体时，它们比包裹在物体周围时更加暴露。

在现有技术中，将手指保持于手掌的磁体必须是强力的，或比通过手指施加以抓取物体的最大力更强，以使手指不会掉落。

在采用磁体的本发明的实施方式中，当机器人抓取器没有抓取物体时，保持手指附接于手掌的主要的力是磁体和/或腱的较小拉力。在这种情况下，手指最易断裂，并因此具有手指到手掌的更弱的附接、提供了更简单的断裂功能，因此提供了机器人手指的改进的保护。

通过本发明，当机器人抓取器抓取物体时，将手指保持于手掌的主要的力是腱的拉力。所承载的来自于物体的负荷、例如来自于一件沉重的行李的负荷主要通过腱承载而不是磁体。因此，在负荷下，手指不易脱落。

本发明的概念可以放大并且被应用于机器人机构的更大装置，包括利用转动关节的串联连杆结构，其利用腱传递力。

虽然已经示出和描述了本发明的实施方式和应用，但是对于本领域技术人员显而易见的是，能够在不脱离本文的创造性概念的情况下做出比上述更多的变型。因此，本发明在所附实施方式的主旨之外不受限制。

Claims (13)

1.一种机器人机构，其包括：

连杆，其通过第一节段与第二节段在它们相对的面处抵接而形成；

至少一根腱，其从第一节段进入第二节段，

其中，通过施加于至少一个节段的拉力，第一节段被保持为与第二节段接触。

2.根据权利要求1所述的机器人机构，其中，至少一根腱在拉力下被操作，该拉力被选择为，在预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或施加了拉动连杆的预定力时，允许第一节段与第二节段彼此之间至少部分地分离。

3.根据权利要求1所述的机器人机构，其进一步包括在第一节段和第二节段的相对的面上的匹配成形部分，该匹配成形部分被配置为，在预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或施加了拉动连杆的预定扭矩或力时，允许第一节段和第二节段彼此裂开，并且在预定扭矩或力从连杆移除且第一节段和第二节段通过至少一根腱的拉力被彼此拉回时，允许第一节段和第二节段彼此重新对齐。

4.根据权利要求1所述的机器人机构，其中，至少一根腱包括：

第一腱，其从第一节段进入第二节段；

第二腱，其在与第二腱从第一节段到第二节段的位置隔开的位置处从第一节段进入第二节段。

5.一种机器人机构，其包括：

连杆，其通过第一节段与第二节段在它们相对的面处抵接而形成；

至少一根腱，其从第一节段进入第二节段；以及

两件式磁性对，该磁性对的其中一件磁性地连接至相对的面中的每个面。

6.根据权利要求5所述的机器人机构，其中：

至少一根腱在拉力下被操作，该拉力被选择为，在第一预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或向至少一个连杆施加了拉动连杆的预定扭矩或力时，允许第一节段与第二节段彼此之间至少部分地分离；并且

磁性对的两件之间的磁吸引力被选择为，在第二预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或向至少一个连杆施加了拉动连杆的预定扭矩或力时，允许第一节段与第二节段彼此之间至少部分地分离。

7.根据权利要求5所述的机器人机构，其中，磁性对的其中一件是磁体，并且磁性对中的另一件是铁磁材料。

8.根据权利要求5所述的机器人机构，其中，磁性对中的两件都是磁体。

9.根据权利要求5所述的机器人机构，其进一步包括在第一节段和第二节段的相对的面上的匹配成形部分，该匹配成形部分被配置为，在预定扭矩或力超出用于连杆沿至少一个方向运动的正常范围时或对连杆施加了拉动连杆的预定扭矩或力时，允许第一节段和第二节段彼此裂开，并且在预定扭矩或力从连杆移除且第一节段和第二节段通过第一腱和第二腱的拉力以及磁性对的两件之间的磁力被彼此拉回时，允许第一节段和第二节段彼此重新对齐。

10.根据权利要求5所述的机器人机构，其中，至少一根腱包括：

第一腱，其从第一节段进入第二节段；

第二腱，其在与第二腱从第一节段到第二节段的位置隔开的位置处从第一节段进入第二节段。

11.一种机器人机构，其包括：

连杆，其通过第一节段与第二节段在它们相对的面处抵接而形成；

至少一根腱，其从第一节段进入第二节段，

第一对磁体，其包括第一磁体和第二磁体，第一磁体磁性地连接至相对的面中的一个，并且第二磁体磁性地连接至相对的面中的另一个，第一对磁体的磁极被定向为在第一磁体与第二磁体之间提供磁吸引力；以及

第二对磁体，其包括第三磁体和第四磁体，第三磁体磁性地连接至相对的面中的一个，并且第四磁体磁性地连接至相对的面中的另一个，第二对磁体的磁极被定向为在第三磁体与第四磁体之间提供磁吸引力，第一对磁体的磁极与第二对磁体的磁极相反地对齐。

12.根据权利要求11所述的机器人机构，其中，至少一根腱包括：

第一腱，其从第一节段进入第二节段；

第二腱，其在与第二腱从第一节段到第二节段的位置隔开的位置处从第一节段进入第二节段。

13.根据权利要求11所述的机器人机构，其进一步包括在第一节段和第二节段的相对的面上的匹配成形部分，该匹配成形部分被配置为，在预定扭矩或力超出用于连杆的运动的正常范围时或向连杆施加了拉动连杆的预定扭矩或力时，允许第一节段和第二节段彼此裂开，并且在预定扭矩或力从连杆移除且第一节段和第二节段通过第一腱和第二腱的拉力以及第一对磁体与第二对磁体之间的磁力被彼此拉回时，允许第一节段和第二节段彼此重新对齐。