CN107414880B - 基于变胞原理的欠驱动机械手指 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，其包括：指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分和驱动部分；所述指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分和驱动部分中相邻部分之间相互铰接；所述驱动部分采用单自由度驱动结构，驱动所述指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的多自由度运动。本发明的机械手指结构简单、易制造、成本低；采用单驱动结构，驱动元件少、易控制、灵活性高；适用范围广，通用性强；能与被抓物体柔性接触，自动适应被抓物体的表面形状，进而实现无损且可靠的抓取。

Description

基于变胞原理的欠驱动机械手指

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种用于机械臂执行末端的手爪上基于变胞原理的欠驱动机械手指。

背景技术

随着社会发展和科技进步，当今世界机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国的重视，在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民生活等许多领域得到了巨大的发展和越来越广泛的应用。机器人作业环境和执行任务的精细及复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以及与其配置的末端夹持装置己远远不能满足航天作业、深海作业、核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求，人们期待着能够将一种通用的、智能化的、能适应各种复杂工作需要的末端操作装置与机器人组装起来，协调完成各种复杂和精巧的工作任务。在这种背景下，机器人多指灵巧手的研究己成为机器人研究领域的热门研究方向之一。

传统的专用夹持器虽具有制造简单，控制方便、负载能力强、可靠性高等特点，但是仅对少量特定形状的物体适用，缺乏通用性，不能满足多任务、高适应性的要求。在这种情况下，出于拟人化的想象，多关节多手指的灵巧手成为机器人末端执行器的发展趋势，这种多关节多指手具有形状适应能力强的优点，能适应多种不同任务的需要。

而变胞机构是一类具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征的机构。可根据功能需求或环境等的变化，进行自我重组和重构，在运动中改变构态，使变胞机构适应不同的任务需求，应用于不同的场合，将变胞机构理论应用于机械手设计，可使机械手适应不同的任务需求更大地发挥其功能。

欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。将欠驱动系统理论应用到机械手的设计中可以简化其结构，降低重量和成本。

但是，为了增强仿人机械手的拟人化，要为机械手设计较多的关节自由度，而为了减轻对机械手的控制难度，以及减小机械手的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾。在多指机械手的研究和应用中，一般都采用串联若干关节的办法来构造机械手的手指，并为每个自由度都设置一个驱动和传感器，导致驱动元件过多，控制复杂，降低了机械手的灵活性和可控性，同时还增加了机械手的开 发成本。

而目前被研制出的一些欠驱动机械手的手指部分为刚性结构，既不能适应被抓物体的表面形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂物体的特殊性要求，同时还会对被抓持物体产生较大冲击。

因此，如何解决机械手自由度数、驱动方式、重量、灵活性、抓取能力、可靠性之间的矛盾问题，成为了新型机械手研制与开发中的关键问题。针对此问题，基于变胞原理的欠驱动机构作为设计机械手的新思路，并受到了热切关注。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于变胞原理的欠驱动机械手指，解决了现有技术驱动元件过多、控制复杂、灵活性低、结构复杂、不易制造以及成本高的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，其包括：指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分和驱动部分；所述指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分和驱动部分中相邻部分之间相互铰接；

所述驱动部分采用单自由度驱动结构，驱动所述指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的多自由度运动。

作为本发明的进一步改进，所述驱动部分包括直线轨道、移动件和驱动所述移动件在所述直线轨道上往复移动的动力源，所述移动件与所述指根部分铰接。

作为本发明的进一步改进，所述直线轨道为直线移动光轴，所述移动件为直线轴承及其直线轴承座，所述直线轴承套置在所述直线移动光轴上，所述直线轴承座与所述直线轴承固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述指尖部分包括指尖连杆，所述指尖连杆的第一端包括上铰接点和下铰接点；

所述小指部分包括小指连杆和小指筋连杆；所述指尖连杆第一端的下铰接点和上铰接点分别与所述小指连杆的第一端和所述小指筋连杆的第一端铰接。

作为本发明的进一步改进，所述指尖连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述指尖连杆的至少部分外周包裹有仿指软垫；

所述小指连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述小指筋连杆设置在两根小指连杆的间隙内；

所述小指筋连杆的第一端设置在所述两根指尖连杆第一端的上铰接点之间；

所述指尖连杆第一端的下铰接点设置在两根小指连杆的第一端之间。

作为本发明的进一步改进，所述中指部分包括中指筋连杆、中指连杆和三角板连杆；所述中指连杆的第一端包括上铰接点和下铰接点；

所述中指连杆的第一端的上铰接点与所述小指连杆的第二端铰接；

所述中指连杆的第一端的下铰接点与所述小指筋连杆的中部铰接；

所述中指筋连杆的第一端与所述小指筋连杆的第二端铰接；

所述中指筋连杆的第二端与所述三角板连杆的第一端铰接；

所述中指连杆的第二端与所述三角板连杆的第二端铰接。

作为本发明的进一步改进，所述中指筋连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述中指连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指筋连杆自所述中指连杆之间穿过并且其第二端设置在所述两根中指筋连杆的第一端之间；

所述小指筋连杆的中部设置在两根中指连杆第一端的下铰接点之间；

所述中指连杆第一端的上铰接点设置在两根小指连杆的第二端之间；

所述三角板连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述中指筋连杆的第二端设置在两根三角板连杆的第一端之间；

所述中指连杆的第二端设置在两根三角板连杆的第二端之间。

作为本发明的进一步改进，所述指根部分包括指根连杆、指根筋连杆和固定基座；

所述指根连杆的第一端和所述中指连杆的第二端、所述三角板连杆的第二端铰接；

所述指根连杆的第二端固定连接于所述固定基座的第一端；

所述指根筋连杆的第一端与所述三角板连杆的第三端铰接；

所述指根筋连杆的第二端与所述移动件铰接；

所述直线轨道固接于固定基座上。

作为本发明的进一步改进，所述指根筋连杆包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述三角板连杆的第三端设置在两根指根筋连杆的第一端之间；

所述指根连杆的第一端设置在两根中指连杆的第二端之间；

所述指根连杆的第二端和所述固定基座的第一端设置在两根指根筋连杆的间隙内。

作为本发明的进一步改进，所述任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于所述移动件的运动方向。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、结构简单、易制造、成本低；

2、采用单驱动结构，驱动元件少、易控制、灵活性高；

3、只要被抓物体的大小在所述机械手指能抓取的最大物体截面尺寸与最小物体截面尺寸之间，即可通过所述机械手指抓取，对被抓物体的表面形状没有特别要求，适用范围广，通用性强；

4、仿指软垫的设计，使所述机械手指能与被抓物体柔性接触，通过指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的配合，拟合人手指形态贴合物体表面，自动适应被抓物体的表面形状，进而实现无损且可靠的抓取。

附图说明

图1为本发明机械手指的初始状态主视图；

图2为本发明机械手指的初始状态轴测图；

图3为本发明机械手指的状态二主视图；

图4为本发明机械手指的状态二轴测图；

图5为本发明机械手指的状态三主视图；

图6为本发明机械手指的状态三轴测图；

图7为本发明机械手指的状态四主视图；

图8为本发明机械手指的状态四轴测图；

图9为本发明机械手指的状态五主视图；

图10为本发明机械手指的状态五轴测图。

【附图标记说明】

1：指尖连杆；2：小指连杆；3：小指筋连杆；4：中指筋连杆； 5：中指连杆；6：三角板连杆；7：指根连杆；8：指根筋连杆；9：直线移动光轴；10：固定基座；11：直线轴承；12：直线轴承座；13：安装部；14：缓冲部；15：缓冲部指尖。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1和图2所示，为机械手指处于初始状态，即手指处于伸直的状态。该机械手指包括：指尖部分、小指部分、中指部分、指根部分和驱动部分。可选地，所述指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的表面均设有弹性缓冲材料，如橡胶、塑料或硅胶，可防止被抓物的受损。可选地，所述指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的整体上设置为有一定刚度的弹性缓冲材料。

所述驱动部分采用单自由度驱动结构，驱动所述指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的多自由度运动，采用单驱动结构，驱动元件少、易控制、灵活性高。具体包括直线轨道、移动件和动力源，所述动力源可驱动所述移动件在直线轨道上往复移动，所述移动件与所述指根部分铰接。所述动力源一般为滚珠丝杠丝母或者气动气缸，本发明对所述动力源并不作限制。优选地，所述直线轨道为直线移动光轴9，所述移动件为直线轴承11和直线轴承座12，所述直线轴承11套置在直线移动光轴9上，直线轴承座12与直线轴承11固定连接。

可选地，所述直线轨道为齿条，所述移动件为齿轮，所述齿轮与齿条相互啮合，所述齿轮与所述指根部分铰接。所述动力源驱动齿轮在齿条上往复移动。

所述指尖部分包括指尖连杆1，所述指尖连杆1的第一端包括上铰接点和下铰接点；小指部分包括小指连杆2和小指筋连杆3；指尖连杆1第一端的下铰接点和上铰接点分别与所述小指连杆2的第一端和所述小指筋连杆3的第一端铰接。

优选地，所述指尖连杆1包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指连杆2包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指筋连杆3设置在两根小指连杆2的间隙内；所述小指筋连杆3的第一端设置在所述两根指尖连杆1第一端的上铰接点之间；所述指尖连杆1第一端的下铰接点设置在两根小指连杆2的第一端之间。优选地，所述小指筋连杆3采用中空结构。所述指尖连杆1的至少部分外周包裹有仿指软垫，所述仿指软垫采用弹性缓冲材料，使机械手接触被抓物体时可以柔性接触，从而防止被抓物体受损。

优选地，所述仿指软垫夹设在所述两根指尖连杆1的间隙内，具体包括安装部13和缓冲部14，所述安装部13与所述指尖连杆1上对应的夹设位置固定连接，所述缓冲部14朝指尖连杆1与被抓物体的接触侧突出设置。优选地，所述缓冲部14还包括缓冲部指尖15，所述缓冲部指尖 15突出于所述指尖连杆1的第二端设置。可选地，所述仿指软垫只在指尖连杆1与被抓物体的接触侧突出设置。

所述中指部分包括中指筋连杆4、中指连杆5和三角板连杆6，所述三角板连杆6采用三角形结构增大了结构的稳定性。优选地，所述三角板连杆6采用中空结构，可以节省材料，减轻重量，节约成本。可选地，所述三角板连杆6采用如小指筋连杆3的形状。

所述中指连杆5的第一端包括上铰接点和下铰接点，所述中指连杆5 第一端的上铰接点与所述小指连杆2的第二端较接；所述中指连杆5第一端的下铰接点与所述小指筋连杆3的中部铰接；所述中指筋连杆4的第一端与所述小指筋连杆3的第二端铰接；所述中指筋连杆4的第二端与所述三角板连杆6的第一端铰接；所述中指连杆5的第二端与所述三角板连杆6的第二端铰接。

优选地，所述中指筋连杆4包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述中指连杆5包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指筋连杆3自所述中指连杆5之间穿过并且其第二端设置在所述两根中指筋连杆4的第一端之间；所述小指筋连杆3的中部设置在两根中指连杆5第一端的下铰接点之间；所述中指连杆5第一端的上铰接点设置在两根小指连杆2的第二端之间；所述三角板连杆6包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述中指筋连杆4的第二端设置在两根三角板连杆6的第一端之间；所述中指连杆5的第二端设置在两根三角板连杆6的第二端之间。

所述指根部分包括指根连杆7、指根筋连杆8和固定基座10；所述指根连杆7的第一端和所述中指连杆5的第二端、所述三角板连杆6的第二端铰接；所述指根连杆7的第二端固定连接于所述固定基座10的第一端；所述指根筋连杆8的第一端与所述三角板连杆6的第三端铰接；所述指根筋连杆8的第二端与所述移动件铰接；所述直线轨道固接于固定基座10上。

优选地，所述指根筋连杆8包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述三角板连杆6的第三端设置在两根指根筋连杆8的第一端之间；所述指根连杆7的第一端设置在两根中指连杆5的第二端之间；所述指根连杆7的第二端和所述固定基座10的第一端设置在两根指根筋连杆8的间隙内。

优选地，所述指根连杆7的第二端对称设置两个铰接点，所述固定基座10的第一端对称设置两个铰接点，所述指根连杆7第二端的两个铰接点分别与固定基座10第一端的两个铰接点固定连接，设置两个铰接点分别连接可增大结构的稳定性。可选地，指根连杆7的第二端和固定基座10的第一端分别只设置一个铰接点且固定连接。

当直线轴承11的法兰面与固定基座10的第一端面贴合时，机械手指处于初始状态，即小指部分，中指部分和指根部分在连杆群的几何关系约束下都平行于水平面。

如图3和图4所示，为机械手指在状态二中的姿态，根据变胞原理的内容，此状态限定了中指连杆5的转动自由度，即手指在抓取大一些物体的时候，物体外表面与中指连杆5接触，限制了其转动的自由度，所以当直线轴承11和直线轴承座12向后运动时，带动各个连杆运动，产生了状态二的姿态。

如图5和图6所示，为机械手指在状态三中的姿态，此状态仍限制了中指连杆5的转动自由度，直线轴承11和直线轴承座12向后运动到极限位置时，各个连杆也运动到了此状态的极限位置，可以看出，此时指尖部分、小指部分和中指部分围成了一个半包围的区域，即在被限制了中指连杆5的转动自由度后，机械手指能抓取的最大物体截面尺寸。

如图7和图8所示，为机械手指在状态四中的姿态，此状态未对任何连杆进行约束，是一种随机自然状态时的姿态，根据变胞原理和欠驱动的内容，若此时转动中指连杆5，其下游的指尖连杆1、小指连杆2、小指筋连杆3也会随之发生姿态变化。因此在机械手指抓取物体的时候，若没有接触到中指连杆5限制其运动，其下游的所有指连杆将会继续运动，直至夹取紧物体为止。因此该机械手通过指尖部分、小指部分、中指部分和指根部分的配合，拟合人手指形态贴合物体表面，可以自动适应被抓物体的表面形状，灵活性高，进而实现无损且可靠的抓取。

如图9和图10所示，为机械手指在状态五中的姿态，此时直线轴承 11和直线轴承座12已经运动到固定基座10的右端面，达到了极限位置，所以此时的机械手指各连杆也运动到了极限位置，指尖部分、小指部分和中指部分围成了一个半包围的区域，即机械手指能抓取的最小物体截面尺寸。因此只要被抓物体的大小在所述机械手指能抓取的最大物体截面尺寸与最小物体截面尺寸之间，即可通过所述机械手指抓取，对被抓物体的表面形状没有特别要求，适用范围广，通用性强。

在任何状态下，所述任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于所述移动件的移动方向；如图1、图3、图5、图7和图9中可以看出，所述任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行且垂直于图示纸面，所述移动件沿移动轨道在纸面内水平移动。

Claims (8)

1.一种基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，其包括：指尖部分、小指部分(2,3)、中指部分(4,5,6)、指根部分(7,8,10)和驱动部分(9,11,12)；所述指尖部分、小指部分(2,3)、中指部分(4,5,6)、指根部分(7,8,10)和驱动部分(9,11,12)中相邻部分之间相互铰接；

所述驱动部分(9,11,12)采用单自由度驱动结构，驱动所述指尖部分、小指部分(2,3)、中指部分(4,5,6)和指根部分(7,8,10)的多自由度运动；

所述指尖部分包括指尖连杆(1)，所述指尖连杆(1)的第一端包括上铰接点和下铰接点；

所述小指部分(2,3)包括小指连杆(2)和小指筋连杆(3)；所述指尖连杆(1)第一端的下铰接点和上铰接点分别与所述小指连杆(2)的第一端和所述小指筋连杆(3)的第一端铰接；

所述中指部分(4,5,6)包括中指筋连杆(4)、中指连杆(5)和三角板连杆(6)；所述中指连杆(5)的第一端包括上铰接点和下铰接点；

所述中指连杆(5)的第一端的上铰接点与所述小指连杆(2)的第二端铰接；

所述中指连杆(5)的第一端的下铰接点与所述小指筋连杆(3)的中部铰接；

所述中指筋连杆(4)的第一端与所述小指筋连杆(3)的第二端铰接；

所述中指筋连杆(4)的第二端与所述三角板连杆(6)的第一端铰接；

所述中指连杆(5)的第二端与所述三角板连杆(6)的第二端铰接。

2.如权利要求1所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述驱动部分(9,11,12)包括直线轨道、移动件(11,12)和驱动所述移动件(11,12)在所述直线轨道上往复移动的动力源，所述移动件(11,12)与所述指根部分(7,8,10)铰接。

3.如权利要求2所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述直线轨道为直线移动光轴(9)，所述移动件(11,12)为直线轴承(11)及其直线轴承座(12)，所述直线轴承(11)套置在所述直线移动光轴(9)上，所述直线轴承座(12)与所述直线轴承(11)固定连接。

4.如权利要求2所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述指尖连杆(1)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述指尖连杆(1)的至少部分外周包裹有仿指软垫；

所述小指连杆(2)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述小指筋连杆(3)设置在两根小指连杆(2)的间隙内；

所述小指筋连杆(3)的第一端设置在所述两根指尖连杆(1)第一端的上铰接点之间；

所述指尖连杆(1)第一端的下铰接点设置在两根小指连杆(2)的第一端之间。

5.如权利要求2所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述中指筋连杆(4)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述中指连杆(5)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙；所述小指筋连杆(3)自所述中指连杆(5)之间穿过并且其第二端设置在所述两根中指筋连杆(4)的第一端之间；

所述小指筋连杆(3)的中部设置在两根中指连杆(5)第一端的下铰接点之间；

所述中指连杆(5)第一端的上铰接点设置在两根小指连杆(2)的第二端之间；

所述三角板连杆(6)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述中指筋连杆(4)的第二端设置在两根三角板连杆(6)的第一端之间；

所述中指连杆(5)的第二端设置在两根三角板连杆(6)的第二端之间。

6.如权利要求2所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述指根部分(7,8,10)包括指根连杆(7)、指根筋连杆(8)和固定基座(10)；

所述指根连杆(7)的第一端和所述中指连杆(5)的第二端、所述三角板连杆(6)的第二端铰接；

所述指根连杆(7)的第二端固定连接于所述固定基座(10)的第一端；

所述指根筋连杆(8)的第一端与所述三角板连杆(6)的第三端铰接；

所述指根筋连杆(8)的第二端与所述移动件(11,12)铰接；

所述直线轨道固接于固定基座(10)上。

7.如权利要求6所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述指根筋连杆(8)包括左右对称设置的两根，且两根之间留有间隙，所述三角板连杆(6)的第三端设置在两根指根筋连杆(8)的第一端之间；

所述指根连杆(7)的第一端设置在两根中指连杆(5)的第二端之间；

所述指根连杆(7)的第二端和所述固定基座(10)的第一端设置在两根指根筋连杆(8)的间隙内。

8.如权利要求2-7任一项所述的基于变胞原理的欠驱动机械手指，其特征在于，所述任意一处铰接的枢转轴线方向相互平行，且垂直于所述移动件(11,12)的运动方向。