CN107433607A

CN107433607A - 适合桌面物抓取的机器人手指装置

Info

Publication number: CN107433607A
Application number: CN201710685900.8A
Authority: CN
Inventors: 王香香; 张文增; 徐向荣
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2037-08-11
Also published as: CN107433607B

Abstract

一种适合桌面物抓取的机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、传动机构、多个连杆、两个弹簧、两个滑块和第二指段表面罩等。该装置实现了直线平夹与自适应抓取的功能：既能平动第二指段夹持物体，也能依次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；在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持在近似直线的轨迹运动，适合在桌面上抓取薄板物体，减少对机械臂协同控制编程的需求；该装置抓取范围大，抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Description

适合桌面物抓取的机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种适合桌面物抓取的机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的重要部件，是机器人研究的热点和难点。已开发出来的机器人手(工业夹持器、欠驱动手、灵巧手和特种手等)配合机器人传感与控制系统，能在许多特殊的环境中完成特定任务。

灵巧手具有较多的关节自由度和较高的拟人灵巧性，能够完成多数人手抓取、操作和感知功能，但是实时传感与控制需求较高，系统比较复杂，成本比较昂贵，不利于推广应用。特种手主要是针对特定物体开发的各种无手指机器人手的统称，例如吸盘、磁铁、静电以及主动吸气式装置，在抓取物体方面，不如具有多个手指的机器人手更适合在人居环境中使用。

工业夹持器一般采用平行夹持的方式，但是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，然而较大的夹紧力会使物体表面产生大的应变，甚至使物体产生塑性变形或破坏物体。具有直线平动夹持的机器人手已经被设计出来，例如专利 WO2016063314A1，包括基座、驱动器、若干连杆、一个夹持指段等。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：该装置无法实现自适应包络抓取物体的功能。

欠驱动机器人手是一类利用较少电机驱动较多关节自由度来达到较好抓取物体目的的多指机器人手。欠驱动手目前已经开发出具有耦合抓取、平夹抓取和复合抓取模式的几类机器人手，其中平夹与自适应复合抓取欠驱动机器人手具有广泛的应用前景，得到了较多的研究。为了保持常用的平夹抓取，同时增加对物体包络抓取效果以提高抓取范围和抓取稳定性，具有平行夹持和自适应包络两种抓取模式的平夹自适应欠驱动机器人手被开发出来。已有的一种欠驱动机器人手指装置，如加拿大Laval大学的专利US5762390A，包括基座、驱动器、传动机构、六个连杆、三个指段、限位机构和多个弹簧等。该装置实现了平夹及自适应包络物体的效果：最初阶段该装置转动整体绕根部近关节转动，同时末端指段相对于基座保持竖直的初始姿态不变，直到近指段接触物体，中部关节转动，中部指段接触物体，末端关节转动，末端指段才最终转动扣向物体，最后达到多个指段均包络抓取物体的特效。该装置的不足之处在于：该装置在平夹抓取的最初阶段中，手指末端呈圆弧运动——末端圆弧平动，无法实现末端指段直线平动的效果，在抓取桌面物体时，需要机械臂的良好配合，因而增大了对机械臂协同控制编程的依赖。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种适合桌面物抓取的机器人手指装置。该装置能够实现直线平夹与自适应复合抓取模式：既能平动第二指段夹持物体，也能依次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；在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持在近似直线的轨迹运动，适合在桌面上抓取薄板物体，减少对机械臂协同控制编程的需求；该装置抓取范围大，抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种适合桌面物抓取的机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第二指段连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一弹簧、第一限位凸块和第二限位凸块；所述近关节轴套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套接在远关节轴上，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；所述电机固接在基座中，所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第三连杆相连；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，所述第一连杆的另一端套接在第一转轴上；所述第二连杆的一端套接在第一转轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第二指段连杆的一端套接在第三转轴上，所述第二指段连杆的另一端套接在远关节轴上，所述第二指段连杆与第二指段固接；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，所述第三连杆的另一端套接在第二转轴上；所述第四连杆的一端套接在第二转轴上，所述第四连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第一限位凸块固接在基座上，所述第二限位凸块固接在第一连杆上，所述第二限位凸块与第一限位凸块在初始位置时相接触；所述第一弹簧的两端分别连接基座和第一连杆；设近关节轴的中心点为A，第一转轴的中心点为B，第三转轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，第二转轴的中心点为E，线段AB、BC、CD和AD构成平行四边形，线段AE、EC、CD和AD构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度；其特征在于：该适合桌面物抓取的机器人手指装置还包括第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第四转轴、第五转轴、第六转轴、第七转轴、第一滑块、第二滑块、第二弹簧和第二指段表面罩；所述第五连杆的一端套接在远关节轴上，所述第五连杆的另一端套接在第四转轴上，所述第五连杆固接在第一指段上；所述第六连杆的一端套接在第四转轴上，所述第六连杆的另一端套接在第五转轴上；所述第五转轴套设在第一滑块中，所述第一滑块滑动镶嵌在第二指段中；所述第七连杆的一端套接在远关节轴上，所述第七连杆的另一端套接在第六转轴上，所述第七连杆固接在第一指段上；所述第八连杆的一端套接在第六转轴上，所述第八连杆的另一端套接在第七转轴上；所述第七转轴套设在第二滑块中，所述第二滑块滑动镶嵌在第二指段中；所述第一滑块的滑动方向与第二滑块的滑动方向平行；所述远关节轴的中心线与近关节轴的中心线构成平面 Q，所述第五连杆与第七连杆位于平面Q的两侧；所述第二弹簧的两端分别连接第二指段和第二指段表面罩，所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；设第四转轴的中心点为F,第五转轴的中心点为G，第六转轴的中心点为H，第七转轴的中心点为I，线段DF、FG和GD构成三角形，线段DH、HI和ID构成三角形；所述第一滑块与第二滑块中至少一个与第二指段表面罩相接触；所述第五连杆和第七连杆的长度相等；所述第六连杆和第八连杆的长度相等。

本发明所述的适合桌面物抓取的机器人手指装置，其特征在于：设所述第一指段长度为L，所述第一指段转动的角度为θ，所述第一指段转动的最大角度为θ_max，所述第五连杆和第七连杆的长度均为a，所述第六连杆和第八连杆的长度均为b，所述第一滑块移动的距离与第二指段在竖直方向降低的高度的差的绝对值为e，使得θ在0到θ_max范围内变化时，下式取最小：

本发明所述的适合桌面物抓取的机器人手指装置，其特征在于：所述第一滑块的滑动方向与线段CD 垂直，所述第二滑块的滑动方向与线段CD垂直；所述第二指段表面罩的滑动方向与线段CD垂直。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本装置利用电机、传动机构、多个连杆、第一弹簧、第二弹簧、两个滑块和第二指段表面罩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：既能平动第二指段夹持物体，也能依次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；在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持在近似直线的轨迹运动，适合在桌面上抓取薄板物体，减少对机械臂协同控制编程的需求；该装置抓取范围大，抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的适合桌面物抓取的机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的背面视图(未画出基座后盖板)。

图5是图2的A-A剖视图。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7至图9是图1所示实施例在以平行夹持的方式抓取物体(外抓)的动作过程示意图。

图10至图11是图1所示实施例在以平行夹持的方式抓取物体(内抓)的动作过程示意图。

图12至图15是图1所示实施例在以自适应包络物体的方式抓取物体的动作过程示意图。

图16至图19是图1所示实施例在平行夹持及自适应抓取物体动作过程中几个关键位置时，第一滑块与第二滑块的相对位置变化情况以及各个连杆的相对位置变化情况。

图20是图1所示实施例的平行夹持动作过程原理的示意图。

在图1至图20中：

10—基座， 101—基座后盖板， 11—第一指段，

12—第二指段， 121—第二指段连杆， 13—物体一，

14—物体二， 15—螺钉， 16—轴承，

2—电机， 21—减速器， 22—过渡轴，

23—第一锥齿轮， 24—第二锥齿轮， 25—第一带轮，

26—第二带轮， 27—传动带， 31—近关节轴，

32—远关节轴， 41—第一连杆， 42—第二连杆，

43—第三连杆， 44—第四连杆， 45—第五连杆，

46—第六连杆， 47—第七连杆， 48—第八连杆，

49—第一滑块， 410—第二滑块， 51—第一限位凸块，

52—第二限位凸块， 61—第一弹簧， 62—第二弹簧，

71—第一转轴， 72—第二转轴， 73—第三转轴，

74—第四转轴， 75—第五转轴， 76—第六转轴，

77—第七转轴， 8—第二指段表面罩。

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。

本发明设计的适合桌面物抓取的机器人手指装置的一种实施例，如图1至图6所示，包括基座10、第一指段11、第二指段12、近关节轴31、远关节轴32、电机2、传动机构、第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、第四连杆44、第二指段连杆121、第一转轴71、第二转轴72、第三转轴73、第一弹簧61、第一限位凸块51和第二限位凸块52；所述近关节轴31套设在基座10中，所述第一指段11套接在近关节轴 31上，所述远关节轴32套设在第一指段11中，所述第二指段12套接在远关节轴32上，所述近关节轴 31与远关节轴32的中心线平行；所述电机2固接在基座10中，所述电机2的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第三连杆43相连；所述第一连杆41的一端套接在近关节轴31上，所述第一连杆41的另一端套接在第一转轴71上；所述第二连杆42的一端套接在第一转轴71上，所述第二连杆42的另一端套接在第三转轴73上；所述第二指段连杆121的一端套接在第三转轴73上，所述第二指段连杆121的另一端套接在远关节轴32上，所述第二指段连杆121与第二指段12固接；所述第三连杆43 的一端套接在近关节轴31上，所述第三连杆43的另一端套接在第二转轴72上；所述第四连杆44的一端套接在第二转轴72上，所述第四连杆44的另一端套接在第三转轴73上；所述第一限位凸块51固接在基座10上，所述第二限位凸块52固接在第一连杆41上，所述第二限位凸块52与第一限位凸块51在初始位置时相接触；所述第一弹簧61的两端分别连接基座10和第一连杆41；设近关节轴31的中心点为A，第一转轴71的中心点为B，第三转轴73的中心点为C，远关节轴32的中心点为D，第二转轴72的中心点为E，线段AB、BC、CD和AD构成平行四边形，线段AE、EC、CD和AD构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度。本实施例还包括第五连杆45、第六连杆46、第七连杆47、第八连杆48、第四转轴74、第五转轴75、第六转轴76、第七转轴77、第一滑块49、第二滑块410、第二弹簧62和第二指段表面罩8；所述第五连杆45的一端套接在远关节轴32上，所述第五连杆45的另一端套接在第四转轴74上，所述第五连杆45固接在第一指段11上；所述第六连杆46的一端套接在第四转轴74上，所述第六连杆46的另一端套接在第五转轴75上；所述第五转轴75套设在第一滑块49中，所述第一滑块49滑动镶嵌在第二指段12中；所述第七连杆47的一端套接在远关节轴32上，所述第七连杆47的另一端套接在第六转轴76上，所述第七连杆47固接在第一指段11上；所述第八连杆48的一端套接在第六转轴76上，所述第八连杆48的另一端套接在第七转轴77上；所述第七转轴77套设在第二滑块410中，所述第二滑块410滑动镶嵌在第二指段12中；所述第一滑块49的滑动方向与第二滑块410的滑动方向平行；所述远关节轴32的中心线与近关节轴31的中心线构成平面Q，所述第五连杆45与第七连杆47位于平面Q的两侧；所述第二弹簧62的两端分别连接第二指段12和第二指段表面罩8，所述第二指段表面罩8滑动镶嵌在第二指段12上；设第四转轴74的中心点为F,第五转轴75的中心点为G，第六转轴76的中心点为H，第七转轴77的中心点为I，线段DF、FG和GD构成三角形，线段DH、HI和ID构成三角形；所述第一滑块49与第二滑块410中至少一个与第二指段表面罩8相接触；所述第五连杆45和第七连杆47的长度相等；所述第六连杆46和第八连杆48的长度相等。

本实施例中，设所述第一指段11长度为L，所述第一指段11转动的角度为θ，所述第一指段11转动的最大角度为θ_max，所述第五连杆45和第七连杆47的长度均为a，所述第六连杆46和第八连杆48的长度均为b，所述第一滑块49移动的距离与第二指段12在竖直方向降低的高度的差的绝对值为e，使得θ在 0到θ_max范围内变化时，下式取最小：

本实施例中，所述传动机构包括减速器21、第一锥齿轮23、第二锥齿轮24、过渡轴22、第一带轮25、第二带轮26和传动带27，所述电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连，所述第一锥齿轮23套固在减速器21的输出轴上，所述第一锥齿轮23与第二锥齿轮24啮合，所述第二锥齿轮24套固在过渡轴22上；所述第一带轮25套固在过渡轴22上，所述传动带27的两端分别连接第一带轮25与第二带轮26，所述第二带轮26套接在近关节轴31上，所述第二带轮26与第三连杆43固接。

本实施例还采用了若干螺钉15和若干轴承16等零件，属于公知常用技术，不赘述。

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3所示。电机2转动，通过传动机构带动第三连杆43转动，使得四边形AECD带动第一指段11转动，由于第一弹簧61拉着第二限位凸块52并使其紧靠第一限位凸块51，此时第一连杆41保持初始姿态，平行四边形ABCD的CD边平动(圆弧轨迹平动)且与第一连杆41保持平行，此时，第二指段12平动(圆弧轨迹平动)；由于第五连杆45和第一指段11固接，第一指段11带动第五连杆45转动，通过第六连杆46推动第一滑块49在第二指段12中滑动，此时，第二弹簧62发生变形，使得高出第二指段12末端的第一滑块49推动第二指段表面罩8在竖直方向(如图17所示)滑动，达到平行夹持物体二14的效果。在上述过程中，当第二指段表面罩8接触物体二14，则抓取结束，动作过程(外抓)如图7至图9所示。

在平夹模式下，动作过程原理如图20所示。当第一指段11顺时针(图5顺时针，图17逆时针)绕近关节轴31相对基座10转过了一个角度θ，第二指段12相对基座10姿态固定，则与第一指段11固接的第五连杆45相对第二指段12顺时针(图5顺时针，图17逆时针)转动相同的角度θ，此时第一滑块 49在第二指段12中沿竖直方向移动s，第一滑块49推动第二指段表面罩8沿竖直方向移动相同的距离为 s，有：

其中，s为第一滑块49移动距离，a为第五连杆45的长度，b为第六连杆46的长度。

因第一指段11转动导致远关节轴32和第二指段12在竖直方向降低的高度h为：

h＝L(1-cosθ). (公式2)

其中，L为第一指段11长度(即远关节轴32与近关节轴31的距离)。

为了实现手指末端近似直线抓取物体二14，需要满足：所述第一指段11转动的最大角度为θ_max，所述第一滑块49移动的距离s与第二指段12在竖直方向降低的高度h的差的绝对值为e，使得θ在0到θ_max范围内变化时，下式取最小：

图20中，在平夹抓取阶段，第二指段表面罩的末端沿着近似直线轨迹K运动。

当第一指段11逆时针(图5逆时针，图19顺时针)绕近关节轴31转过了一个角度时，该装置从物体二14内部向外张开抓取(内抓，从物体内部向外张开撑取筒件)，与上述外抓过程相同，不再赘述，动作过程如图10、图11所示。

在上述图7至图9的平夹过程中，当第一指段11接触物体一13被阻挡时，进入另一抓取模式。此时，电机2继续转动，通过传动机构带动第三连杆43继续转动，通过第四连杆44带动第二指段连杆121绕远关节轴32转动，第二指段12绕远关节轴32转动，使得四边形AECD发生变形，此时平行四边形ABCD 变形，带动第一连杆11转动，第一弹簧61发生较大变形，使得第一限位凸块51与第二限位凸块52分离，第二指段连杆121绕远关节轴32转动，达到自适应包络物体一13的效果。由于第五连杆45和第七连杆 47与第一指段11固接，而第一指段11被物体一13阻挡不动，所以第五连杆45和第七连杆47也不发生转动，因为第二指段连杆121和第二指段12的转动，通过第六连杆46、第八连杆48使得第一滑块49、第二滑块410在第二指段12上分别相应滑动一个距离，第二指段表面罩8在第二指段12上滑动；当第二指段表面罩8接触物体一13时，则抓取结束，动作过程如图12至图15所示。

本实施例在直线平夹及自适应抓取物体动作过程中几个关节位置时，第一滑块49与第二滑块410的相对位置变化情况及各个连杆的变化情况如图16至图19所示。

释放物体时，电机2反转，与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、传动机构、多个连杆、第一弹簧、第二弹簧、两个滑块和第二指段表面罩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：既能平动第二指段夹持物体，也能依次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；在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持近似直线的轨迹运动，适合在桌面上抓取薄板物体，减少对机械臂协同控制编程的需求；该装置抓取范围大，抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Claims

1.一种适合桌面物抓取的机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机、传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第二指段连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一弹簧、第一限位凸块和第二限位凸块；所述近关节轴套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套接在远关节轴上，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；所述电机固接在基座中，所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第三连杆相连；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，所述第一连杆的另一端套接在第一转轴上；所述第二连杆的一端套接在第一转轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第二指段连杆的一端套接在第三转轴上，所述第二指段连杆的另一端套接在远关节轴上，所述第二指段连杆与第二指段固接；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，所述第三连杆的另一端套接在第二转轴上；所述第四连杆的一端套接在第二转轴上，所述第四连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第一限位凸块固接在基座上，所述第二限位凸块固接在第一连杆上，所述第二限位凸块与第一限位凸块在初始位置时相接触；所述第一弹簧的两端分别连接基座和第一连杆；设近关节轴的中心点为A，第一转轴的中心点为B，第三转轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，第二转轴的中心点为E，线段AB、BC、CD和AD构成平行四边形，线段AE、EC、CD和AD构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度；其特征在于：该适合桌面物抓取的机器人手指装置还包括第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第四转轴、第五转轴、第六转轴、第七转轴、第一滑块、第二滑块、第二弹簧和第二指段表面罩；所述第五连杆的一端套接在远关节轴上，所述第五连杆的另一端套接在第四转轴上，所述第五连杆固接在第一指段上；所述第六连杆的一端套接在第四转轴上，所述第六连杆的另一端套接在第五转轴上；所述第五转轴套设在第一滑块中，所述第一滑块滑动镶嵌在第二指段中；所述第七连杆的一端套接在远关节轴上，所述第七连杆的另一端套接在第六转轴上，所述第七连杆固接在第一指段上；所述第八连杆的一端套接在第六转轴上，所述第八连杆的另一端套接在第七转轴上；所述第七转轴套设在第二滑块中，所述第二滑块滑动镶嵌在第二指段中；所述第一滑块的滑动方向与第二滑块的滑动方向平行；所述远关节轴的中心线与近关节轴的中心线构成平面Q，所述第五连杆与第七连杆位于平面Q的两侧；所述第二弹簧的两端分别连接第二指段和第二指段表面罩，所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；设第四转轴的中心点为F,第五转轴的中心点为G，第六转轴的中心点为H，第七转轴的中心点为I，线段DF、FG和GD构成三角形，线段DH、HI和ID构成三角形；所述第一滑块与第二滑块中至少一个与第二指段表面罩相接触；所述第五连杆和第七连杆的长度相等；所述第六连杆和第八连杆的长度相等。

2.如权利要求1所述的适合桌面物抓取的机器人手指装置，其特征在于：设所述第一指段长度为L，所述第一指段转动的角度为θ，所述第一指段转动的最大角度为θ_max，所述第五连杆和第七连杆的长度均为a，所述第六连杆和第八连杆的长度均为b，所述第一滑块移动的距离与第二指段在竖直方向降低的高度的差的绝对值为e，使得θ在0到θ_max范围内变化时，下式取最小：

。

3.如权利要求1所述的适合桌面物抓取的机器人手指装置，其特征在于：所述第一滑块的滑动方向与线段CD垂直，所述第二滑块的滑动方向与线段CD垂直；所述第二指段表面罩的滑动方向与线段CD垂直。