CN106737776A - 齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置及控制方法，装置包括基座、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个齿轮、传感器、控制模块和电机驱动模块等。实现了四种抓取模式：1)正向平行夹持抓取模式；2)正向先平行夹持，再自适应抓取模式；3)反向平行夹持抓取模式；4)反向先平行夹持，再自适应抓取模式。该装置既能达到传统感知自适应手指的单方向自适应抓取效果，又具有传统感知自适应手指没有的双方向自适应抓取效果和双方向平行夹持抓取效果；抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便；可实现高灵巧性、高自适应性、高可靠性、高稳定性和低控制难度，适用于机器人手。

Description

齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置及控制方法

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种灵巧机器人手指装置及其控制方法的设计。

背景技术

机器人已经可以实现较多的操作功能，其大部分功能需要机器人手的操作来实现，因此手部结构的设计是机器人设计的关键技术。目前机器人手指分为灵巧手和欠驱动手两类，它们各自有自身的优点，同时也有自身的不足之处。

现有灵巧手指的缺点是对所抓物体的形状、大小没有自动适应性，无法完成双向抓取，故抓取范围窄、抓取动作单一，需要经过大量的运动学和动力学的复杂计算，难以满足非结构化环境下的可靠的鲁棒抓取，并且还有成本昂贵、对操作人员要求高等不足，长期以来难以广泛实用化。现有灵巧手的优点是抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，灵活性高，稳定性高，可靠性高。

现有欠驱动手指的缺点是传动链长，在传动过程中会产生空程、间隙和丢步等问题，使手指抓取性能降低，使得当手指根部的第一指段施加于物体上的抓取力较小时，欠驱动手指不能工作，当第一指段抓取力较大时，欠驱动手指虽然能够实现自适应抓取动作，但是会导致第二指段抓取力与第一指段抓取力相比非常小，且两者呈某种比例，为了提高第二指段抓取力，不得不增加第一指段抓取力，但是过大的第一指段抓取力会挤坏物体，因此，对许多物体的抓取来说，欠驱动手指抓取方式很不理想，如利用齿轮传动实现的欠驱动手指(CN1289269C)、利用连杆传动实现的欠驱动手指(US5762390)这些技术方案都在不同程度上有上述的缺点和不足。现有欠驱动手指的优点是驱动器少，结构简单，不需要进行大量运动学和动力学的复杂计算，不需要进行复杂编程，具有自动适应物体形状、大小的特点。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种闭环柔性件双向感知自适应机器人手指装置及控制方法。该装置综合利用了灵巧手和欠驱动手的结构特点，独创性地实现了双向抓取功能，可以更好地实现平行夹持及自适应抓取的功能，能根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第二指段和第一指段自适应不同形状、大小的物体。同时，该装置抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。

一种齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，用于抓握物体，其特征在于：包括基座、设置在该基座的上部的第一指段和第二指段、近关节轴、远关节轴、设置在基座的下部的第一电机和第二电机、第一停抓传感器、第二停抓传感器、第一接触传感器、第二接触传感器、第一停放传感器、第二停放传感器、初位传感器、控制模块、驱动电机运转的电机驱动模块以及第一传动机构、第二传动机构、第一齿轮、第二齿轮、齿轮组，第一电机与基座的下部固定连接，第二电机与基座的下部固定连接且与第一电机并排设置，近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行，控制模块包括第一停放输入端、第二停放输入端、第一停抓输入端、第二停抓输入端、第一接触输入端、第二接触输入端、初位输入端、电机驱动输出端和复位端，近关节轴活动套设在基座中，远关节轴活动套设在第一指段中，第一指段套接在近关节轴上，第二指段套接在远关节轴上，第一传动机构设置在基座中，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，第一传动机构的输出端套接在近关节轴的一端上，第二传动机构设置在基座中且与第一传动机构并排设置，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，第二传动机构的输出端活动套设在近关节轴上，第二传动机构的输出端与第一齿轮相连，第一齿轮活动套接在近关节轴上，第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固定连接，齿轮组安装在第一指段中，包括至少一个齿轮或相啮合的多个齿轮，齿轮组的输入齿轮与第一齿轮啮合，齿轮组的输出齿轮与第二齿轮相啮合，第一齿轮的传动半径与第二齿轮的传动半径相等。

本发明提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制模块的复位端用于连接复位信号，控制模块的电机驱动输出端与电机驱动模块的输入端连接，电机驱动模块的输出端分别与第一电机、第二电机的引线连接，第一接触传感器的信号引出端与控制模块的第一接触输入端连接，第一接触传感器固定安装在第一指段的正向抓取面上用于采集所抓物体碰触第一指段正向的信息，第二接触传感器的信号引出端与控制模块的第二接触输入端连接，第二接触传感器固定安装在第一指段的反向抓取面上用于采集所抓物体碰触第一指段反向的信息，第一停抓传感器的信号引出端与控制模块的第一停抓输入端连接，第一停抓传感器固定安装在第二指段的正向抓取面上用于采集所抓物体碰触第二指段正向的信息，第二停抓传感器的信号引出端与控制模块的第二停抓输入端连接，第二停抓传感器固定安装在第二指段的反向抓取面上用于采集所抓物体碰触第二指段反向的信息，第一停放传感器的信号引出端与控制模块的第一停放输入端连接，第一停放传感器固定安装在基座上用于采集第一指段相对于基座绕近关节轴正向转动到某个设定角度的信息，第二停放传感器的信号引出端与控制模块的第二停放输入端连接，第二停放传感器固定安装在基座上用于采集第一指段相对于基座绕近关节轴反向转动到某个设定角度的信息，初位传感器的信号引出端与控制模块的初位输入端连接，初位传感器固定安装在基座的中间板上用于采集第二指段与基座垂直位置的信息，控制模块接收来自上述的传感器的各种信号，并发送指令给电机驱动模块来驱动第一电机、第二电机转动，实现第一指段、第二指段的弯曲或伸直。

本发明提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第一传动机构包括第一减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、第一带轮、第二带轮和第一传动带，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，第一锥齿轮套接固定在第一减速器的输出轴上，第二锥齿轮套接固定在第一过渡轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第一过渡轴套设在基座中，第一带轮套接固定在第一过渡轴上，第二带轮套接固定在近关节轴上，第一传动带连接第一带轮和第二带轮，三者形成带轮传动关系。

本发明提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第二传动机构包括第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第二过渡轴、第三带轮、第四带轮和第二传动带，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第三锥齿轮套接固定在第二减速器的输出轴上，第四锥齿轮套接固定在第二过渡轴上，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第二过渡轴套设在基座中，第三带轮套接固定在第一过渡轴上，第四带轮活动套接在近关节轴上，第二传动带连接第三带轮和第四带轮，三者形成带轮传动关系。

本发明提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第一接触传感器、第二接触传感器、第一停抓传感器、第二停抓传感器、第一停放传感器、第二停放传感器以及初位传感器为采用多个基本传感器呈阵列布置而得到的传感器组合，基本传感器为位移传感器、压力传感器以及力矩传感器中的任意一种。

本发明提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制模块采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中的一种或几种的组合，控制模块内含有A/D转换电路。

本发明还提供一种齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法，其特征在于，具有以下步骤：

1)、令复位标志位为R，令第一停抓标志位为A，令第二停抓标志位为B，令第一接触标志位为C，令第二接触标志位为D，令第一停放标志位为E，令第二停放标志位为F，令初位标志位为G，开始时，令复位标志位R＝0；

2)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓传感器的第一停抓信号，则令第一停抓标志位A＝1，否则令停抓标志位A＝0；

3)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓传感器的第二停抓信号，则令第二停抓标志位B＝1，否则令停抓标志位B＝0；

4)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触传感器的第一接触信号，则令第一接触标志位C＝1，否则令第一接触标志位C＝0；

5)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触传感器的第二接触信号，则令第二接触标志位D＝1，否则令第二接触标志位D＝0；

6)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放传感器的第一停放信号，则令第一停放标志位E＝1，否则令停放标志位E＝0；

7)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放传感器的第二停放信号，则令第二停放标志位F＝1；否则令停放标志位F＝0；

8)、当控制模块的初位输入端接收到初位传感器的初位信号，则令初位标志位G＝1，否则令停放标志位G＝0，

9)、当控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，并进行步骤11)，否则进行步骤10)；

10)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触信号，即第一接触标志位C＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤13)；

11)、当控制模块的初位输入端接收到初位信号，即初位标志位G＝1，则进行步骤25)，否则进行步骤26)；

12)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤23)；

13)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤14)；

14)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤15)，否则进行步骤16)；

15)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤17)，否则进行步骤18)；

16)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤10)，否则进行步骤11)；

17)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

18)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤17)；否则进行步骤19)；

19)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤21)；

20)、控制模块控制第一电机停转，进行步骤1)；

21)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤15)；

22)、控制模块控制第二电机停转，进行步骤1)；

23)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤12)；

24)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤25)；

25)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

26)、控制模块控制第二电机停转，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

27)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤28)，否则进行步骤29)；

28)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤27)，否则进行步骤10)；

29)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤10)；

30)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤33)；

31)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤32)；

32)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

33)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

34)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

35)、当控制模块接收到关机信号时，结束，否则进行步骤1)。

发明作用与效果

根据本发明所提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，由于利用双电机驱动、柔性传动件、多传感器反馈信号、控制模块和自适应抓取的控制方法，独创性地实现了双向抓取功能，并通过采集物体接触或离开手指的信息，综合实现了对不同形状和大小的物体进行平行夹持、感知及自适应的自动抓取功能。

该装置与传统欠驱动手指相比，抓取效果更优，第一指段、第二指段对物体的抓取力是相互独立的，便于稳定抓取，抓取力可控，传动链短，从而减少了传动间隙和控制死区，抓取过程更稳定，适应范围更广。

该装置与传统的主动控制灵巧手指相比，不仅具有独创性的双向抓取功能，还具有平行夹持和自适应抓取的优点，在对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。利用该装置可以实现高灵巧自由度、高自适应、低控制难度和高可靠性的机器人手。

所以，本发明所提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，综合利用了灵巧手和欠驱动手的结构特点，独创性地实现了双向抓取功能，可以更好地实现平行夹持及自适应抓取的功能，能根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第二指段和第一指段自适应不同形状、大小的物体。同时，该装置抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置的立体示意图；

图2是图1的正视图；

图3是图1所示实施例的侧视图；

图4是图2的A-A剖视图；

图5是图2的B-B剖视图；

图6是图1从一个角度观察的内部立体视图(部分零件未画出)；

图7是图1的正面外观图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一触发传感器)；

图8是图1在第二指段保持与基座垂直时，第四带轮与基座中间板相对位置示意图，其中a是侧视图，b是a的C-C向剖视图；

图9是图1在第二指段正向自适应抓取时，第四带轮与基座中间板相对位置示意图，其中a是侧视图，b是a的D-D向剖视图；

图10是图1在第二指段反向自适应抓取时，第四带轮与基座中间板相对位置示意图，其中a是侧视图，b是a的E-E向剖视图；

图11是图1中的电路连接原理示意图；

图12是本发明提供的采用闭环柔性件双向感知自适应机器人手指装置的控制方法的流程图；

图13是图1所示实施例的爆炸视图；

图14至图17是图1所示实施例在进行正向平行夹持过程的示意图；

图18至图22是图1所示实施例在进行正向自适应抓取过程的示意图；

图23至图29是图1所示实施例在进行反向自适应抓取过程的示意图；以及

图30至图35是图1所示实施例在进行反向平行夹持过程的示意图。

在图1至图35中：

1－基座，111－基座前板，112－基座后板，13－基座左侧板，114－基座右侧板，115－基座表面板，116－基座底板，117－基座中间板；

2－第一指段，221－第一指段左侧板，222－第一指段中间板，223－第一指段右侧板，224－第一指段前板，225－第一指段后板，226－第一指段骨板；

3－第二指段；4－近关节轴；5－远关节轴；6－第一齿轮；7－第二齿轮；

8－齿轮组，82－过渡轴，83－轴承，84－套筒，85－螺钉，86－销钉；

121－控制模块，122－电机驱动模块；

14－第一电机，141－第一减速器，142－第一锥齿轮，143－第二锥齿轮，144－第一过渡轴，145－第一带轮，146－第二带轮，147－第一传动带；

15－第二电机，151－第二减速器，152－第三锥齿轮，153－第四锥齿轮，154－第二过渡轴，155－第三带轮，156－第四带轮，157－第二传动带；

161-第一停抓传感器(此实施例采用压力传感器)，162-第二停抓传感器(此实施例采用压力传感器)，163-第一触发传感器(此实施例采用压力传感器)，164-第二触发传感器(此实施例采用压力传感器)，165-第一停放传感器(此实施例采用压力传感器)，166-第二停放传感器(此实施例采用压力传感器)，167-初位传感器(此实施例采用压力传感器)。

17－物体。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的闭环柔性件双向感知自适应机器人手指装置的结构、原理、控制方法、技术效果作具体阐述。

实施例

本发明设计的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置的一个实施例，如图1至图12所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、第一电机14、第二电机15、第一停抓传感器161、第二停抓传感器162、第一接触传感器163、第二接触传感器164、第一停放传感器165、第二停放传感器166、初位传感器167、控制模块121、电机驱动模块122以及第一传动机构、第二传动机构、第一齿轮6、第二齿轮7、齿轮组8。

第一电机14与基座1固定连接，第二电机15与基座1也固定连接，近关节轴4的轴线与远关节轴5的轴线平行。

控制模块121包括第一停放输入端、第二停放输入端、第一停抓输入端、第二停抓输入端、第一接触输入端、第二接触输入端、初位输入端、电机驱动输出端和复位端。

近关节轴4活动套设在基座1中，远关节轴5活动套设在第一指段2中。

第一指段2套接在近关节轴4上，第二指段3套接在远关节轴5上。

第一传动机构设置在基座1中，第一电机14的输出轴与第一传动机构的输入端相连，第一传动机构的输出端套接在近关节轴4上。

第二传动机构设置在基座1中，第二电机15的输出轴与第二传动机构的输入端相连，第二传动机构的输出端活动套设在近关节轴4上。

第二传动机构的输出端与第一齿轮6相连，第一齿轮6活动套接在近关节轴4上，第二齿轮7套接在远关节轴5上，第二齿轮7与第二指段3固接。

齿轮组8安装在第一指段2中，齿轮组8包括至少一个齿轮或相啮合的多个齿轮，齿轮组8的输入齿轮与第一齿轮6啮合，齿轮组8的输出齿轮与第二齿轮7相啮合。

第一齿轮6的传动半径与第二齿轮8的传动半径相等；定义向外抓取物体17的一侧为该齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置的正向，相对的另一侧即向内抓取物体17的那一侧为该装置的反向。

本实施例中，控制模块121的复位端连接复位信号。

控制模块121的电机驱动输出端与电机驱动模块122的输入端连接，电机驱动模块122的输出端分别与第一电机14、第二电机15的引线连接。

第一接触传感器163的信号引出端与控制模块121的第一接触输入端连接。第一接触传感器163固定安装在第一指段2的正向抓取面上，采集所抓物体17碰触第一指段2正向的信息。

第二接触传感器164的信号引出端与控制模块121的第二接触输入端连接。第二接触传感器164固定安装在第一指段2的反向抓取面上，采集所抓物17体碰触第一指段2反向的信息。

第一停抓传感器161的信号引出端与控制模块121的第一停抓输入端连接。的第一停抓传感器161固定安装在第二指段3的正向抓取面上，采集所抓物体17碰触第二指段3正向的信息。

第二停抓传感器162的信号引出端与控制模块121的第二停抓输入端连接，的第二停抓传感器162固定安装在第二指段3的反向抓取面上，采集所抓物体17碰触第二指段3反向的信息。

第一停放传感器165的信号引出端与控制模块121的第一停放输入端连接，第一停放传感器165固定安装在基座1上，采集第一指段2相对于基座1绕近关节轴4正向转动到某个设定角度的信息。

第二停放传感器166的信号引出端与控制模块121的第二停放输入端连接，第二停放传感器166固定安装在基座1上，采集第一指段2相对于基座1绕近关节轴4反向转动到某个设定角度的信息。

初位传感器167的信号引出端与控制模块121的初位输入端连接。的初位传感器167固定安装在基座1中间板上，采集第二指段3与基座1垂直位置的信息。

控制模块121运行控制程序，利用来自传感器的各种信号，发出指令通过电机驱动模块122驱动电机转动，实现弯曲或伸直手指的功能。

本实施例中，第一传动机构包括第一减速器141、第一锥齿轮142、第二锥齿轮143、过渡轴144、第一带轮145、第二带轮146和第一传动带147。

第一电机14的输出轴与第一减速器141的输入轴相连，第一锥齿轮142套固在第一减速器141的输出轴上，第二锥齿轮143套固在第一过渡轴144上，第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合。

第一过渡轴144套设在基座1中，第一带轮145套固在第一过渡轴144上，第二带轮146套固在近关节轴4上，第一传动带147连接第一带轮145和第二带轮146，第一传动带147、第一带轮145和第二带轮147形成带轮传动关系，传动带呈“O”字形。

本实施例中，第二传动机构包括第二减速器151、第三锥齿轮152、第四锥齿轮153、第二过渡轴154、第三带轮155、第四带轮156和第二传动带157。

第二电机15的输出轴与第二减速器151的输入轴相连，第三锥齿轮152套固在第二减速器151的输出轴上，第四锥齿轮153套固在第二过渡轴154上，第三锥齿轮152与第四锥齿轮153啮合。

第二过渡轴154套设在基座1中，第三带轮155套固在第一过渡轴154上，第四带轮156活动套接在近关节轴4上，第二传动带157连接第三带轮155和第四带轮156，第二传动带157、第三带轮155和第四带轮156形成带轮传动关系，传动带呈“O”字形。

本实施例中，的第一接触传感器163、第二接触传感器164、第一停抓传感器161、第二停抓传感器162、第一停放传感器165、第二停放传感器166和初位传感器167采用多个位移传感器、压力传感器或力矩传感器且呈阵列布置而得到的传感器组合。

本实施例中，的控制模块121采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中一种或几种的组合，控制模块121内含有A/D转换子模块。

本实施例中，本发明提供的一种采用如权利要求1闭环柔性件双向感知自适应机器人手指装置的控制方法，如图12所示，包括如下步骤：

1)、令复位标志位为R，令第一停抓标志位为A，令第二停抓标志位为B，令第一接触标志位为C，令第二接触标志位为D，令第一停放标志位为E，令第二停放标志位为F，令初位标志位为G，开始时，令复位标志位R＝0；

2)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓传感器的第一停抓信号，则令第一停抓标志位A＝1，否则令停抓标志位A＝0；

3)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓传感器的第二停抓信号，则令第二停抓标志位B＝1，否则令停抓标志位B＝0；

4)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触传感器的第一接触信号，则令第一接触标志位C＝1，否则令第一接触标志位C＝0；

5)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触传感器的第二接触信号，则令第二接触标志位D＝1，否则令第二接触标志位D＝0；

6)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放传感器的第一停放信号，则令第一停放标志位E＝1，否则令停放标志位E＝0；

7)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放传感器的第二停放信号，则令第二停放标志位F＝1；否则令停放标志位F＝0；

8)、当控制模块的初位输入端接收到初位传感器的初位信号，则令初位标志位G＝1，否则令停放标志位G＝0；

9)、当控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，并进行步骤11)，否则进行步骤10)；

10)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触信号，即第一接触标志位C＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤13)；

11)、当控制模块的初位输入端接收到初位信号，即初位标志位G＝1，则进行步骤25)，否则进行步骤26)；

12)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤23)；

13)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤14)；

14)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤15)，否则进行步骤16)；

15)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤17)，否则进行步骤18)；

16)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤10)，否则进行步骤11)；

17)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

18)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤17)；否则进行步骤19)；

19)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤21)；

20)、控制模块控制第一电机停转，进行步骤1)；

21)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤15)；

22)、控制模块控制第二电机停转，进行步骤1)；

23)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤12)；

24)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤25)；

25)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

26)、控制模块控制第二电机停转，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

27)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤28)，否则进行步骤29)；

28)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤27)，否则进行步骤10)；

29)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤10)；

30)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤33)；

31)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤32)；

32)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

33)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

34)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

35)、当控制模块接收到关机信号时，结束，否则进行步骤1)。

下面结合附图图11、图12及图14至图35来具体说明本实施例的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置夹取不同物体时的不同模式：

1)正向平行夹持抓取模式；

2)正向先平行夹持，再自适应抓取模式；

3)反向平行夹持抓取模式；

4)反向先平行夹持，再自适应抓取模式；

的详细过程，叙述如下：

图14至图17是图1所示实施例在进行正向平行夹持过程的示意图。

本实施例的初始位置为手指向内收紧的状态，如图14所示，此时第二指段3相对于基座1呈伸直状态，第一指段2相对于基座1呈水平状态。

当使用本实施例正向平行夹持物体17时(即正向平行夹持抓取模式)，如图14至图17所示，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14正向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线正向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第二指段3接触到物体17，第二指段3表面的第一停抓传感器161将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，完成正向平行夹持过程。

图18至图22是图1所示实施例在进行正向自适应抓取过程的示意图。

当使用本实施例正向先平行夹持，再自适应抓取物体17时(即正向先平行夹持，再自适应抓取模式)，如图18至图22所示，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14正向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线正向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第一指段2接触到物体17，第一指段2表面的第一接触传感器163将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，并使第二电机15正向转动，通过第二传动机构，带动第二指段3绕着远关节轴5的轴线正向转动一个角度。此时，即第一指段2停住，第二电机15驱动第二指段3向物体17靠近，当第二指段3接触到物体17时，第二指段3表面的第一停抓传感器161将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第二电机15停转，即第二指段3停住，完成正向先平行夹持，再自适应抓取过程。

图23至图29是图1所示实施例在进行反向自适应抓取过程的示意图。

当使用本实施例反向先平行夹持，再自适应抓取物体17时(即反向平行夹持抓取模式)，如图23至图29所示，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14正向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线正向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第一指段2到达正向极限位置时，第一停放传感器165将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第第一电机14反向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线反向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第一指段2接触到物体17，第一指段2表面的第二接触传感器164将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，并使第二电机15反向转动，通过第二传动机构，带动第二指段3绕着远关节轴5的轴线反向转动一个角度。此时，即第一指段2停住，第二电机15驱动第二指段3向物体17靠近，当第二指段3接触到物体17时，第二指段3表面的第二停抓传感器162将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第二电机15停转，即第二指段3停住，完成反向先平行夹持，再自适应抓取过程。

图30至图35是图1所示实施例在进行反向平行夹持过程的示意图。

当使用本实施例反向平行夹持物体17时(即反向先平行夹持，再自适应抓取模式)，如图30至图35所示，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14正向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线正向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第一指段2到达正向极限位置时，第一停放传感器165将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第第一电机14反向转动，通过第一传动机构，带动第一指段2绕着近关节轴4的轴线反向转动一个角度，此时第二指段3保持与初始状态相平行的姿态靠近物体17，当第二指段3接触到物体17，第二指段3表面的第二停抓传感器162将接受到信号，通过控制模块121和电机驱动模块122使第一电机14停转，完成反向平行夹持过程。

当使用本实施例放开物体17时，本实施例可自动检测当前位置状态，然后通过控制模块121和电机驱动模块122驱动第一电机14和第二电机15转动，使得手指逐渐远离物体17从而实现手指恢复初始位置，具体过程与抓取过程类似。

此外，在某些情况下，根据需要可以采用复位信号进行手指装置的复位，手指将转动到初始位置。

实施例的作用和有益效果

根据本实施例所提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，由于利用双电机驱动、柔性传动件、多传感器反馈信号、控制模块和自适应抓取的控制方法，独创性地实现了双向抓取功能，并通过采集物体接触或离开手指的信息，综合实现了对不同形状和大小的物体进行平行夹持、感知及自适应的自动抓取功能。

该装置与传统欠驱动手指相比，抓取效果更优，第一指段、第二指段对物体的抓取力是相互独立的，便于稳定抓取，抓取力可控，传动链短，从而减少了传动间隙和控制死区，抓取过程更稳定，适应范围更广。

该装置与传统的主动控制灵巧手指相比，不仅具有独创性的双向抓取功能，还具有平行夹持和自适应抓取的优点，在对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。利用该装置可以实现高灵巧自由度、高自适应、低控制难度和高可靠性的机器人手。

所以，本实施例所提供的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，综合利用了灵巧手和欠驱动手的结构特点，独创性地实现了双向抓取功能，可以更好地实现平行夹持及自适应抓取的功能，能根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第二指段和第一指段自适应不同形状、大小的物体。同时，该装置抓取范围大，抓取过程稳定，抓取力可控，传动链短，对不同物体抓取时无需重新编程，使用简单方便。

Claims (7)

1.一种齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，用于抓握物体，其特征在于：包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一电机、第二电机、第一停抓传感器、第二停抓传感器、第一接触传感器、第二接触传感器、第一停放传感器、第二停放传感器、初位传感器、控制模块、电机驱动模块以及第一传动机构、第二传动机构、第一齿轮、第二齿轮、齿轮组，

所述第一电机与所述基座的下部固定连接，所述第二电机与所述基座的下部固定连接且与所述第一电机并排设置，所述近关节轴的轴线与所述远关节轴的轴线平行，所述控制模块包括第一停放输入端、第二停放输入端、第一停抓输入端、第二停抓输入端、第一接触输入端、第二接触输入端、初位输入端、电机驱动输出端和复位端，

所述近关节轴活动套设在所述基座中，

所述远关节轴活动套设在所述第一指段中，

所述第一指段套接在所述近关节轴上，所述第二指段套接在所述远关节轴上，

所述第一传动机构设置在所述基座中，所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端套接在所述近关节轴的一端上，

所述第二传动机构设置在基座中且与所述第一传动机构并排设置，所述第二电机的输出轴与所述第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端活动套设在所述近关节轴上，

所述第二传动机构的输出端与所述第一齿轮相连，所述第一齿轮活动套接在所述近关节轴上，

所述第二齿轮套接在所述远关节轴上，

所述第二齿轮与所述第二指段固定连接，

所述齿轮组安装在所述第一指段中，包括至少一个齿轮或相啮合的多个齿轮，所述齿轮组的输入齿轮与第一齿轮啮合，所述齿轮组的输出齿轮与所述第二齿轮相啮合，

所述第一齿轮的传动半径与所述第二齿轮的传动半径相等。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：

其中，所述控制模块的复位端用于接收复位信号，

所述控制模块的电机驱动输出端与所述电机驱动模块的输入端连接，所述电机驱动模块的输出端分别与第一电机、第二电机的引线连接，

所述第一接触传感器的信号引出端与所述控制模块的第一接触输入端连接，

所述第一接触传感器固定安装在所述第一指段的正向抓取面上用于采集所抓物体碰触第一指段正向的信息，

所述第二接触传感器的信号引出端与所述控制模块的第二接触输入端连接，

所述第二接触传感器固定安装在所述第一指段的反向抓取面上用于采集所抓物体碰触第一指段反向的信息，

所述第一停抓传感器的信号引出端与所述控制模块的第一停抓输入端连接，所述第一停抓传感器固定安装在第二指段的正向抓取面上用于采集所抓物体碰触第二指段正向的信息，

所述第二停抓传感器的信号引出端与所述控制模块的第二停抓输入端连接，所述第二停抓传感器固定安装在所述第二指段的反向抓取面上用于采集所抓物体碰触第二指段反向的信息，

所述第一停放传感器的信号引出端与所述控制模块的第一停放输入端连接，所述第一停放传感器固定安装在所述基座上用于采集第一指段相对于所述基座绕近关节轴正向转动到某个设定角度的信息，

所述第二停放传感器的信号引出端与所述控制模块的第二停放输入端连接，所述第二停放传感器固定安装在所述基座上用于采集第一指段相对于基座绕近关节轴反向转动到某个设定角度的信息，

所述初位传感器的信号引出端与所述控制模块的初位输入端连接，所述初位传感器固定安装在所述基座的中间板上用于采集第二指段与所述基座垂直位置的信息，

所述控制模块接收来自上述的传感器的各种信号，并发送指令给所述电机驱动模块来驱动所述第一电机、所述第二电机转动，实现所述第一指段、第二指段的弯曲或伸直。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：

其中，所述第一传动机构包括第一减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、第一带轮、第二带轮和第一传动带，

所述第一电机的输出轴与所述第一减速器的输入轴相连，

所述第一锥齿轮套接固定在所述第一减速器的输出轴上，

所述第二锥齿轮套接固定在所述第一过渡轴上，

所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合，

所述第一过渡轴套设在所述基座中，所述第一带轮套接固定在第一过渡轴上，

所述第二带轮套接固定在所述近关节轴上，

所述第一传动带连接第一带轮和第二带轮，三者形成带轮传动关系。

4.根据权利要求1所述的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：

其中，所述第二传动机构包括第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第二过渡轴、第三带轮、第四带轮和第二传动带，

所述第二电机的输出轴与所述第二减速器的输入轴相连，

所述第三锥齿轮套接固定在所述第二减速器的输出轴上，

所述第四锥齿轮套接固定在所述第二过渡轴上，

所述第三锥齿轮与所述第四锥齿轮啮合，

所述第二过渡轴套设在所述基座中，所述第三带轮套接固定在第一过渡轴上，

所述第四带轮活动套接在所述近关节轴上，

所述第二传动带连接第三带轮和第四带轮，三者形成带轮传动关系。

5.根据权利要求1所述的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：

其中，所述第一接触传感器、第二接触传感器、第一停抓传感器、第二停抓传感器、第一停放传感器、第二停放传感器以及初位传感器为采用多个基本传感器呈阵列布置而得到的传感器组合，

所述基本传感器为位移传感器、压力传感器以及力矩传感器中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置，其特征在于：

其中，所述控制模块采用计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中的一种或几种的组合，

控制模块内含有A/D转换电路。

7.一种齿轮传动双向平夹感知自适应机器人手指装置的控制方法，其特征在于，具有以下步骤：

1)、令复位标志位为R，令第一停抓标志位为A，令第二停抓标志位为B，令第一接触标志位为C，令第二接触标志位为D，令第一停放标志位为E，令第二停放标志位为F，令初位标志位为G，开始时，令复位标志位R＝0；

2)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓传感器的第一停抓信号，则令第一停抓标志位A＝1，否则令停抓标志位A＝0；

3)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓传感器的第二停抓信号，则令第二停抓标志位B＝1，否则令停抓标志位B＝0；

4)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触传感器的第一接触信号，则令第一接触标志位C＝1，否则令第一接触标志位C＝0；

5)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触传感器的第二接触信号，则令第二接触标志位D＝1，否则令第二接触标志位D＝0；

6)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放传感器的第一停放信号，则令第一停放标志位E＝1，否则令停放标志位E＝0；

7)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放传感器的第二停放信号，则令第二停放标志位F＝1；否则令停放标志位F＝0；

8)、当控制模块的初位输入端接收到初位传感器的初位信号，则令初位标志位G＝1，否则令停放标志位G＝0，

9)、当控制模块的复位端接收到复位信号，则令复位标志位R＝1，并进行步骤11)，否则进行步骤10)；

10)、当控制模块的第一接触输入端接收到第一接触信号，即第一接触标志位C＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤13)；

11)、当控制模块的初位输入端接收到初位信号，即初位标志位G＝1，则进行步骤25)，否则进行步骤26)；

12)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤23)；

13)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤12)，否则进行步骤14)；

14)、当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤15)，否则进行步骤16)；

15)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤17)，否则进行步骤18)；

16)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤10)，否则进行步骤11)；

17)、控制模块控制第一电机停转，当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

18)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤17)，否则进行步骤19)；

19)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤21)；

20)、控制模块控制第一电机停转，进行步骤1)；

21)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤15)；

22)、控制模块控制第二电机停转，进行步骤1)；

23)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤12)；

24)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤25)；

25)、当控制模块的第二停抓输入端接收到第二停抓信号，即第二停抓标志位B＝1，则进行步骤22)，否则进行步骤24)；

26)、控制模块控制第二电机停转，当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

27)、当控制模块的第一停抓输入端接收到第一停抓信号，即第一停抓标志位A＝1，则进行步骤28)，否则进行步骤29)；

28)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机正转，使得第二指段绕远关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤27)，否则进行步骤10)；

29)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第二电机反转，使得第二指段绕远关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤11)，否则进行步骤10)；

30)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机反转，使得第一指段绕近关节轴向反向转动一个小角度，当控制模块的第一停放输入端接收到第一停放信号，即第一停放标志位E＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤33)；

31)、当控制模块的第二停放输入端接收到第二停放信号，即第二停放标志位F＝1，则进行步骤20)，否则进行步骤32)；

32)、在预定的小时间段⊿t内，控制模块驱动第一电机正转，使得第一指段绕近关节轴向正向转动一个小角度，当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

33)、当控制模块的复位端接收到复位信号，即复位标志位R＝1，则进行步骤34)，否则进行步骤10)；

34)、当控制模块的第二接触输入端接收到第二接触信号，即第二接触标志位D＝1，则进行步骤30)；否则进行步骤31)；

35)、当控制模块接收到关机信号时，结束，否则进行步骤1)。