CN107598949B - 齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置，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、多个连杆、齿轮、两个齿条、两个弹簧和两个限位凸块等。该装置实现了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，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络不同形状、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，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，结构简单紧凑，成本低，无需复杂的传感和控制系统，适用在机器人需要抓取和操作不同尺寸物体的场合。

Description

齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术

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。机器人手指末端平行夹持抓取是一种常见的抓取方式，末端指段在运动过程中始终保持相对基座固定的姿态，在抓取过程中，相对的两个手指或者多个手指在物体的两个或多个侧面接触物体并施加抓持力，通过手指表面的弹性变形材料来获得软指面从而改善抓取的稳定性，这种平行夹持的装置已经在工业上广泛应用；也有些机器人手装置不仅具有平行夹持功能，而且具有自适应包络功能，抓取范围扩大，但是由于其手指末端做圆弧平行运动，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人手臂运动才能配合实现抓取，因此抓取存在不足。

具有直线平动夹持的机器人手已经被设计出来，如专利WO2016063314A1，包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动，利用第二指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。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应用的前景，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，提供一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置。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，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络不同形状、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，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅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：

本发明设计的一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置，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二限位凸块；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、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形，线段AE、线段EC、线段CD和线段DA构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度；其特征在于：该齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置还包括齿轮、第一齿条、第二齿条、第二指段表面罩和第二弹簧；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上，所述第二指段表面罩的滑动方向与线段CD垂直；所述齿轮套接在远关节轴上，所述齿轮与第一指段固接；所述第一齿条与齿轮啮合，所述第一齿条滑动镶嵌在第二指段表面罩中，所述第二齿条与齿轮啮合，所述第二齿条滑动镶嵌在第二指段表面罩中，所述第一齿条与第二齿条滑动方向平行；所述第一齿条与齿轮啮合点为F, 所述第二齿条与齿轮啮合点为G，F和G点分别位于齿轮的两侧；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。

本发明所述的齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置，其特征在于：设所述第一指段的长度为

，所述齿轮的分度圆半径为

，所述第一指段转动的角度为

，所述第一指段转动的最大角度为

，所述齿条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

，使得

在0到

范围内变化时，下式取最小：

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、连杆传动机构、齿轮齿条传动机构、弹簧和限位凸块等综合实现了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，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络不同形状、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，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，结构简单紧凑，成本低，无需复杂的传感和控制系统，适用在机器人需要抓取和操作不同尺寸物体的场合，降低人工编程、调试和维修等工作需求，提高生产效率，改善加工、制造领域的智能水平。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮齿条末端近似直线复合抓取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2的A-A剖视图。

图5是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图（未画出部分零件）。

图6是图1所示实施例的背面外观图（未画出基座后盖板）。

图7是图1所示实施例的爆炸视图。

图8至图10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11、图12是图1所示实施例在以平行夹持的方式向外张开撑取物体（内抓）的动作过程示意图。

图13至图15是图1所示实施例在以平行夹持的方式向左抓取工作台物体的动作过程示意图。

图16至图17是图1所示实施例在以平行夹持的方式向右抓取工作台物体的动作过程示意图。

图18至图21是图1所示实施例在以自适应包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图22至图26是图1所示实施例在平行夹持及自适应抓取物体的动作过程中几个关键位置时，六连杆和齿轮齿条的相对位置变化情况。

图27是图1所示实施例在末端近似直线的平行夹持运动的原理图。

在图1至图27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，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， 51－第一转轴，

52－第二转轴， 53－第三转轴， 61－齿轮， 62－第一齿条，

63－第二齿条， 71－第一弹簧， 72－第二弹簧， 73－第一限位凸块，

74－第二限位凸块， 8－第二指段表面罩，9－轴承， 91－螺钉，

92－物体， 93－物体。

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。

本发明设计的一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7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51、第二转轴52、第三转轴53、第一弹簧71、第一限位凸块73和第二限位凸块74；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，所述第一连杆的41另一端套接在第一转轴51上；所述第二连杆42的一端套接在第一转轴51上，所述第二连杆42的另一端套接在第三转轴53上；所述第二指段连杆121的一端套接在第三转轴53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52上；所述第四连杆44的一端套接在第二转轴52上，所述第四连杆44的另一端套接在第三转轴53上；所述第一限位凸块73固接在基座40上，所述第二限位凸块74固接在第一连杆41上，所述第二限位凸块74与第一限位凸块73在初始位置时相接触；所述第一弹簧71的两端分别连接基座10和第二限位凸块74；设近关节轴31的中心点为A，第一转轴51的中心点为B，第三转轴53的中心点为C，远关节轴32的中心点为D，第二转轴52的中心点为E，如图24、图27所示，线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形，线段AE、线段EC、线段CD和线段DA构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度；本实施例还包括齿轮61、第一齿条62、第二齿条63、第二指段表面罩8和第二弹簧72；所述第二指段表面罩8滑动镶嵌在第二指段12上，所述第二指段表面罩8的滑动方向与线段CD垂直；所述齿轮61套接在近关节轴31上，所述齿轮61与第一指段11固接；所述第一齿条62与齿轮61啮合，所述第一齿条62滑动镶嵌在第二指段表面罩8中，所述第二齿条63与齿轮61啮合，所述第二齿条63滑动镶嵌在第二指段表面罩8中，所述第一齿条62与第二齿条63滑动方向平行；所述第一齿条62与齿轮61啮合点为F, 所述第二齿条63与齿轮61啮合点为G，F和G点分别位于齿轮61的两侧；所述第二弹簧72的两端分别连接第二指段12和第二指段表面罩8。

本实施例中，设所述第一指段11的长度为

，所述齿轮61的分度圆半径为

，所述第一指段11转动的角度为

，所述第一指段11转动的最大角度为

，所述齿条61移动的距离与第二指段12在竖直方向降低的高度的差绝对值为

，使得

在0到

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、过渡轴22、第一锥齿轮23、第二锥齿轮24、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，所述第一带轮25与第二带轮26通过传动带27相连，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轴承9和若干螺钉91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4所示。电机2转动，通过传动机构带动第三连杆43转动，使得第三连杆43、第四连杆44、第二指段连杆121和第一指段11构成的四边形AECD发生变形，带动第一指段11转动，由于第一弹簧71拉着第二限位凸块74使其紧靠第一限位凸块73，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，与第二指段连杆121固接的第二指段12保持初始姿态达到平夹移动（圆弧轨迹平动）的目的；在上述过程中，当第二指段12接触物体92，则抓取结束，动作过程（外抓，从外侧抓取物体）如图8至图10所示。

在平夹模式下，当第一指段11顺时针（图24顺时针）绕近关节轴31相对基座10转过了一个角度

（如图27所示），第二指段12相对基座10姿态固定，则与第一指段11固接的齿轮61相对第二指段12顺时针转动相同的角度

，与齿轮61啮合的第一齿条62在第二指段12中沿竖直方向移动

，第一齿条62推动第二指段表面罩8沿竖直方向移动相同的距离为

，有：

（公式1）

其中，

为第一齿条62移动距离，

为齿轮61分度圆直径，

为第一指段11转过的角度。

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

为：

（公式2）

其中，

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92，需要满足：所述第一指段11转动的最大角度为

，所述第一齿条61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

，使得

在0到

范围内变化时，下式取最小：

（公式3）

图27中，平夹阶段，第二指段表面罩8的末端保持在近似直线Q附近，达到了近似直线平夹的效果。

当第一指段11逆时针（图22顺时针）绕近关节轴31转过了一个角度时，该装置从物体92内部向外张开抓取物体92（内抓，从内部向外撑开抓取筒状物体），与上述外抓过程相同，不再赘述，动作过程如图11和图12所示。

本实施例抓取桌面物体的情况如图13至图17所示，其中图13至图15为向左抓取，图16至图17为向右抓取。

在上述图8至图10的平夹过程中，当第一指段11接触物体93被阻挡时，进入另一抓取模式。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绕远关节轴转动，第二指段12绕远关节轴32转动，此时平行四边形ABCD发生变形，带动第一连杆41转动，此时第一弹簧71发生较大变形，使得第一限位凸块73与第二限位凸块74分离，第二指段12绕远关节轴32转动，此时与第一指段11固接的齿轮61不转动，第一齿条62与齿轮61啮合，第二齿条63与齿轮61啮合，第一齿条62和第二齿条63绕齿轮61转动并向第一指段11靠近，直到第二指段12接触物体93并施加抓持力，电机2停转，抓取结束，完成自适应包络抓取物体93的效果。动作过程如图18至21所示。

图3为初始状态，其剖视图如图4所示，其内部情况如图23所示，图12、图19、图20、图21的内部情况如图22、图24、图25、图26所示。

释放物体93时，电机2反转，与上述过程相反，不再赘述。

本装置利用电机、连杆传动机构、齿轮齿条传动机构、弹簧和限位凸块等综合实现了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，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络不同形状、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，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，结构简单紧凑，成本低，无需复杂的传感和控制系统，适用在机器人需要抓取和操作不同尺寸物体的场合，降低人工编程、调试和维修等工作需求，提高生产效率，改善加工、制造领域的智能水平。

Claims (2)

1.一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置，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二限位凸块；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、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形，线段AE、线段EC、线段CD和线段DA构成四边形，线段AE的长度大于线段AB的长度；其特征在于：该齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置还包括齿轮、第一齿条、第二齿条、第二指段表面罩和第二弹簧；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上，所述第二指段表面罩的滑动方向与线段CD垂直；所述齿轮套接在远关节轴上，所述齿轮与第一指段固接；所述第一齿条与齿轮啮合，所述第一齿条滑动镶嵌在第二指段表面罩中，所述第二齿条与齿轮啮合，所述第二齿条滑动镶嵌在第二指段表面罩中，所述第一齿条与第二齿条滑动方向平行；所述第一齿条与齿轮啮合点为F,所述第二齿条与齿轮啮合点为G，F和G点分别位于齿轮的两侧；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。

2.如权利要求1所述的齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置，其特征在于：设所述第一指段的长度为L，所述齿轮的分度圆半径为r，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，所述第一齿条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：

e＝|L(1-cosθ)-rθ|.

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