CN107891439A

CN107891439A - 波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN107891439A
Application number: CN201711173378.1A
Authority: CN
Inventors: 门靖洋; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN107891439B

Abstract

波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，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、四个传动轮、柔性传动件、主动凸块、从动凸块、五个簧件、七个连杆、四个转轴、两个中间轴、两个中间轮和限位凸块。该装置实现了直线平行夹持与自适应抓取手指功能，既能直线平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，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；该装置适合以直线平夹方式抓取位于工作台面上的不同物体，对不同尺寸的物体无需重新调节基座的位置，工作效率高，抓取范围大；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，适用于机器人手。

Description

波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感的传感器也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是夹持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段环绕包络物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。工业夹持器一般采用末端平行的夹持方式，难以具有包络握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施末端平行夹持抓取，例如，已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端平行夹持抓取效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有两个关节，具有多种抓取模式，既能直线平动第二指段夹持物体，也能先后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；该装置适合以直线平夹方式抓取位于工作台面上的不同物体，对不同尺寸的物体无需重新调节基座的位置；仅用一个电机驱动，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机和传动机构；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴活动套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、柔性传动件、主动凸块、从动凸块、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、第五簧件、限位凸块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第一中间轴、第二中间轴、第一中间轮和第二中间轮；所述第一指段上设有固定的滑槽，所述远关节轴滑动镶嵌在滑槽中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮套固在近关节轴上；所述第二传动轮套固在近关节轴上；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上；所述第四传动轮套接在远关节轴上，第四传动轮与第二指段固接；所述第一簧件的两端分别连接第一传动轮、第一指段；所述第二簧件的两端分别连接第一传动轮、第一连杆；所述第三簧件的两端分别连接第三传动轮、限位凸块；所述第四簧件的两端分别连接第一中间轴、第一指段；所述第五簧件的两端分别连接第二中间轴、第一指段；所述柔性传动件连接第三传动轮、第一中间轮、第四传动轮、第二中间轮；所述柔性传动件为无交叉的封闭曲线形状；所述柔性传动件、第三传动轮、第一中间轮、第四传动轮、第二中间轮五者形成传动关系；所述第三传动轮和第四传动轮的传动半径相等；所述第一中间轮和第二中间轮为张紧轮，所述第一中间轮活动套接在第一中间轴上，所述第二中间轮活动套接在第二中间轴上；所述主动凸块固定在第二传动轮上，所述从动凸块固定在第三传动轮上；所述主动凸块与从动凸块在初始状态时分开一段角度距离；所述限位凸块固定在基座中；所述第三传动轮与限位凸块在初始状态时相接触；所述第一连杆的一端活动套接在近关节轴上，第一连杆的另一端活动套接在第一转轴上；所述第二连杆的一端活动套接在第一转轴上，第二连杆的另一端活动套接在第二转轴上；所述第三连杆的一端活动套接在第二转轴上，第三连杆的另一端活动套接在远关节轴上；所述第四连杆的一端活动套接在第二转轴上，第四连杆的另一端活动套接在第三转轴上；所述第五连杆的一端活动套接在第一转轴上，第五连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第六连杆的一端活动套接在远关节轴上，第六连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第七连杆的一端活动套接在第三转轴上，第七连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第三转轴固定套接在基座上；设近关节轴中心点为A，第一转轴中心点为B，第二转轴中心点为C，远关节轴中心点为D，第三转轴中心点为E，第四转轴中心点为F；线段AE的长度等于线段AB，线段BC的长度等于线段CD，线段BC的长度等于线段BF，线段CD的长度等于线段DF，线段CE的长度等于线段EF；所述滑槽的滑动方向与线段AD共线；所述第一中间轴滑动镶嵌在第一指段中；所述第二中间轴滑动镶嵌在第一指段中。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、柔性件传动机构、五个簧件、主动凸块、从动凸块、七个连杆、六个转轴、两个转轮和限位凸块等综合实现了双关节机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能直线平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，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；该装置适合以直线平夹方式抓取位于工作台面上的不同物体，对不同尺寸的物体无需重新调节基座的位置，工作效率高，抓取范围大；仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体视图(未画出基座前板，基座右板，第一指段右板)。

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所示实施例的正视图(未画出基座前板、第一指段左板、第一指段右板)。

图5是图1所示实施例中部分零件位置图。

图6是图1所示实施例中部分零件位置图。

图7是图1所示实施例中部分零件位置图。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9至图13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14至图16是图1所示实施例在以直线平行夹持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图17、图18是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，第三传动轮、第三簧件与限位凸块的相对位置的变化情况。

图19至图22是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，主动凸块(第二传动轮)和从动凸块(第三传动轮)的相对位置的变化情况。

在图1至图22中：

1－基座， 11－限位凸块， 111－基座前板， 112－基座后板，

113－基座左侧板， 114－基座右侧板， 115－基座表面板， 116－基座底板，

14－电机， 141－减速器， 142－蜗杆， 143－蜗轮，

144－过渡齿轮轴， 145－过渡齿轮， 2－第一指段， 20-滑槽，

201－第一指段前 202－第一指段后 203－第一指段左侧 204－第一指段右侧板，板，板，板，

205-第一中间板， 3－第二指段， 4－近关节轴， 5－远关节轴，

21－第一传动轮， 22－第二传动轮， 23－第三传动轮， 24－第四传动轮，

25－柔性传动件， 221－主动凸块， 231－从动凸块， 61-第一连杆，

62-第二连杆， 63-第三连杆， 64-第四连杆， 65-第五连杆，

66-第六连杆， 67-第七连杆， 90－物体， 71-第一转轴，

72-第二转轴， 73-第三转轴， 74-第四转轴， 75-第一中间轴，

76-第二中间轴， 77-第一中间轮， 78-第二中间轮， 81－第一簧件，

82－第二簧件， 83－第三簧件， 84－第四簧件， 85－第五簧件。

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。

本发明设计的波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8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、电机14和传动机构；所述电机14与基座1固接；所述电机14的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；该波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮21、第二传动轮22、第三传动轮23、第四传动轮24、柔性传动件25、主动凸块221、从动凸块231、第一簧件81、第二簧件82、第三簧件83、第四簧件84、第五簧件85、限位凸块11、第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、第一转轴71、第二转轴72、第三转轴73、第四转轴74、第一中间轴75、第二中间轴76、第一中间轮77和第二中间轮78；所述第一指段2上设有固定的滑槽20，所述远关节轴5滑动镶嵌在滑槽20中；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述传动机构的输出端与第一传动轮21相连；所述第一传动轮21套固在近关节轴4上；所述第二传动轮22套固在近关节轴4上；所述第三传动轮23活动套接在近关节轴4上；所述第四传动轮24套接在远关节轴5上，第四传动轮24与第二指段3固接；所述第一簧件81的两端分别连接第一传动轮21、第一指段2；所述第二簧件82的两端分别连接第一传动轮21、第一连杆61；所述第三簧件83的两端分别连接第三传动轮23、限位凸块11；所述第四簧件84的两端分别连接第一中间轴75、第一指段2；所述第五簧件85的两端分别连接第二中间轴76、第一指段2；所述柔性传动件25连接第三传动轮23、第一中间轮77、第四传动轮24、第二中间轮78；所述柔性传动件25为无交叉的封闭曲线形状；所述柔性传动件25、第三传动轮23、第一中间轮77、第四传动轮24、第二中间轮78五者形成传动关系；所述第三传动轮23和第四传动轮24的传动半径相等；所述第一中间轮77和第二中间轮78为张紧轮，所述第一中间轮77活动套接在第一中间轴75上，所述第二中间轮78活动套接在第二中间轴76上；所述主动凸块221固定在第二传动轮22上，所述从动凸块231固定在第三传动轮23上；所述主动凸块221与从动凸块231在初始状态时分开一段角度距离；所述限位凸块11固定在基座1中；所述第三传动轮23与限位凸块11在初始状态时相接触；所述第一连杆61的一端活动套接在近关节轴4上，第一连杆61的另一端活动套接在第一转轴71上；所述第二连杆62的一端活动套接在第一转轴71上，第二连杆62的另一端活动套接在第二转轴72上；所述第三连杆63的一端活动套接在第二转轴72上，第三连杆63的另一端活动套接在远关节轴5上；所述第四连杆64的一端活动套接在第二转轴72上，第四连杆64的另一端活动套接在第三转轴73上；所述第五连杆65的一端活动套接在第一转轴71上，第五连杆65的另一端活动套接在第四转轴74上；所述第六连杆66的一端活动套接在远关节轴5上，第六连杆66的另一端活动套接在第四转轴74上；所述第七连杆67的一端活动套接在第三转轴73上，第七连杆67的另一端活动套接在第四转轴74上；所述第三转轴73固定套接在基座1上；设近关节轴4中心点为A，第一转轴71中心点为B，第二转轴72中心点为C，远关节轴5中心点为D，第三转轴73中心点为E，第四转轴74中心点为F；线段AE的长度等于线段AB，线段BC的长度等于线段CD，线段BC的长度等于线段BF，线段CD的长度等于线段DF，线段CE的长度等于线段EF；即：AE＝AB，BC＝CD，BC＝BF，CD＝DF，CE＝EF；所述滑槽20的滑动方向与线段AD共线；所述第一中间轴75滑动镶嵌在第一指段2中；所述第二中间轴76滑动镶嵌在第一指段2中。

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1、图5、图6和图7所示。

电机14转动，通过减速机141带动蜗杆142，带动涡轮143，带动过渡齿轮轴144，带动过渡齿轮145，驱动第一传动轮21转动，通过第一簧件81拉动第一指段2绕近关节轴4转动，实现第一关节转动；此时，主动凸块221还没有接触从动凸块231，第三簧件83拉着第三传动轮23使其紧靠在限位凸块11上，所以第二传动轮22保持初始状态不变；此时，在柔性传动件25作用下，第二指段3仍然保持初始姿态，原因是：通过柔性传动件25的传动，从第三传动轮23到第四传动轮24的传动是同向传动且传动比等于1，所以当第一指段2绕近关节轴4转动且第三传动轮23不动时，第四传动轮24相对基座1只进行平移运动而不会旋转，由于第四传动轮24与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转，始终保持着原有的姿态。此时，第二簧件82发生变形，带动第一连杆61绕近关节轴4转动，在第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67的相互作用下，第二连杆62、第三连杆63、第五连杆65、第六连杆66构成的菱形结构进行收缩，使远关节轴5在滑槽20上滑动，第一转轴71和远关节轴5的距离改变，使得第一转轴21在一条直线上运动。

a)第二指段2接触物体90的直线平行夹持(也称直线平行开合或直线平夹)抓取模式：

如果此时第二指段2接触物体90，则是直线平行夹持抓取模式。动作过程如图14至图16所示。

电机14继续转动，第一传动轮21、第二传动轮22继续转动但主动凸块221还没有接触从动凸块231时，第一簧件81发生较大变形，第一簧件81的变形弹力(该力称为F₁)，通过第一指段2、远关节轴5等施加到了第二指段3对物体90的抓持力中，如果抓持力足够，电机14停转，抓取结束。

在上述过程之后，如果抓持力不够，第一传动轮21继续转动一个角度，此时第一簧件81发生了更大变形，F₁更大；同时，主动凸块221接触从动凸块231并施加一个力(该力称为F₂)给从动凸块231，F₂通过第三传动轮23、柔性传动件25和第四传动轮24施加到了第二指段3对物体90的抓持力中(需要扣除第三簧件83的变形弹力对抓持力的影响)，电机14停转，抓取结束。

平行夹持抓取模式适合以第二指段3去夹持物体90，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外撑取物体90。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。

b)第一指段2接触物体90的自适应抓取模式：

第一阶段的直线平夹抓取与第二阶段的自适应抓取合称为平夹自适应(或平耦自适应)抓取模式。

当第一指段2接触物体90而被物体90阻挡不能再转动，将自动进入自适应抓取阶段。电机14继续转动，第一传动轮21、第二传动轮22继续转动，但主动凸块221还没有接触从动凸块231时，第一簧件81发生较大变形，第一簧件81的变形弹力(该力称为F₁)，施加到第一指段2对物体90的抓持力中。

电机14继续转动，第一传动轮21、第二传动轮22继续转动一个角度，此时第一簧件81发生了更大变形，F₁更大；同时，主动凸块221接触从动凸块231并推动从动凸块231，第三传动轮23在克服第三簧件83的变形弹力发生转动，通过柔性传动件25带动第四传动轮24和第二指段3转动，直到第二指段3接触物体17并施加抓持力，电机14停转，抓取结束，完成自适应包络抓取物体的效果。动作过程如图9至13所示。

针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体。

图6是图9、图10和图11的第三传动轮23、限位凸块11和第三簧件83的情况。此时本实施例处在初始位置或者仅弯曲了第一指段，第三簧件83使第三传动轮23与限位凸块11相接触，第二指段3处于相对于基座1的固定初始姿态，这种情况一直持续到图11的包络抓取开始，或者图16的夹持抓取结束。

图17是图12的主动凸块221、从动凸块231，第三传动轮23、限位凸块11和第三簧件83的相对位置变化情况。此时本实施例的第一指段2已经接触到物体17被阻挡而不能运动，在驱动器14的驱动作用下，第二指段3已经绕远关节轴5转动一个角度(相对于基座1转动)，第二指段3已经不再保持原来竖直的初始姿态，第三传动轮23离开了原来一直接触的限位凸块11。

图18是图13的第三传动轮23、限位凸块11和第三簧件83的相对位置变化情况。此时本实施例完成对物体的两个指段的接触——实现自适应包络抓取，对不同形状尺寸的物体能够自动包络抓取，抓取稳定；与图17的情况相比，第三传动轮23转动到了更大的角度，离开限位凸块11更远的距离，第二指段3也转动了与凸块拨盘12的转角相同的角度。

图19、图20是图11的主动凸块和从动凸块的位置情况。图21是图12的主动凸块和从动凸块的位置情况。图22是图13的主动凸块和从动凸块的位置情况。

释放物体17的过程：电机14反转，后续过程与上述抓取物体17的过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、闭环柔性件传动机构、主动凸块、从动凸块、五个簧件、七个连杆、六个转轴、限位凸块和两个转轮等综合实现了双关节机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能直线平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，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；该装置适合以直线平夹方式抓取位于工作台面上的不同物体，对不同尺寸的物体无需重新调节基座的位置，工作效率高，抓取范围大；仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统，适用于机器人手。

Claims

1.一种波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机和传动机构；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴活动套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该波舍利连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、柔性传动件、主动凸块、从动凸块、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、第五簧件、限位凸块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴、第一中间轴、第二中间轴、第一中间轮和第二中间轮；所述第一指段上设有固定的滑槽，所述远关节轴滑动镶嵌在滑槽中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮套固在近关节轴上；所述第二传动轮套固在近关节轴上；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上；所述第四传动轮套接在远关节轴上，第四传动轮与第二指段固接；所述第一簧件的两端分别连接第一传动轮、第一指段；所述第二簧件的两端分别连接第一传动轮、第一连杆；所述第三簧件的两端分别连接第三传动轮、限位凸块；所述第四簧件的两端分别连接第一中间轴、第一指段；所述第五簧件的两端分别连接第二中间轴、第一指段；所述柔性传动件连接第三传动轮、第一中间轮、第四传动轮、第二中间轮；所述柔性传动件为无交叉的封闭曲线形状；所述柔性传动件、第三传动轮、第一中间轮、第四传动轮、第二中间轮五者形成传动关系；所述第三传动轮和第四传动轮的传动半径相等；所述第一中间轮和第二中间轮为张紧轮，所述第一中间轮活动套接在第一中间轴上，所述第二中间轮活动套接在第二中间轴上；所述主动凸块固定在第二传动轮上，所述从动凸块固定在第三传动轮上；所述主动凸块与从动凸块在初始状态时分开一段角度距离；所述限位凸块固定在基座中；所述第三传动轮与限位凸块在初始状态时相接触；所述第一连杆的一端活动套接在近关节轴上，第一连杆的另一端活动套接在第一转轴上；所述第二连杆的一端活动套接在第一转轴上，第二连杆的另一端活动套接在第二转轴上；所述第三连杆的一端活动套接在第二转轴上，第三连杆的另一端活动套接在远关节轴上；所述第四连杆的一端活动套接在第二转轴上，第四连杆的另一端活动套接在第三转轴上；所述第五连杆的一端活动套接在第一转轴上，第五连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第六连杆的一端活动套接在远关节轴上，第六连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第七连杆的一端活动套接在第三转轴上，第七连杆的另一端活动套接在第四转轴上；所述第三转轴套设在基座上；设近关节轴中心点为A，第一转轴中心点为B，第二转轴中心点为C，远关节轴中心点为D，第三转轴中心点为E，第四转轴中心点为F；线段AE的长度等于线段AB，线段BC的长度等于线段CD，线段BC的长度等于线段BF，线段CD的长度等于线段DF，线段CE的长度等于线段EF；所述滑槽的滑动方向与线段AD共线；所述第一中间轴滑动镶嵌在第一指段中；所述第二中间轴滑动镶嵌在第一指段中。