CN107953353B - 欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置 - Google Patents

Abstract

欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，属于机器人手技术领域，包括基座、N个指段、N个关节轴、电机、传动机构、滑动架、主动轴、主动轮、Q个从动轮、Q级连杆组件。该装置实现了对机械手指多个关节任意角度位置即时同步锁定的功能，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面可以提供较大的抓取力，实施对重物的提取；可以先锁定后抓取，用于抓取脆弱物体，降低对物体的损害；在锁定各关节后再打开第一关节，提高再次抓取同类物体的效率；锁定机构独立于自适应欠驱动手指，可以简单移植使用在各类自适应欠驱动手指中，可以保留原手指的优点，结构简单、体积小、易于控制。

Description

欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置的结构设计。

背景技术

在工业生产中，机器人已经成为了不可或缺的中坚力量。随着工业的发展，对于机器人的要求逐渐提高，机器人手作为机器人末端的功能性单元，简单的开合抓取已经难以满足任务需求。现有的机器人手主要分为两大类，拟人手和非拟人手，二者都有非常广泛的用途。由于人的手非常灵活,功能强大,在仿生学上有很大的研究学习价值,拟人机器人手的开发有很大的前景。目前的拟人机器人手主要分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

目前，对于拟人机器人手的工作要求复杂，需要能够按照需求完成抓取、搬运、推拉不同形状和大小的物体。仅能完成单一任务的简单夹持型机器人手(也称为工业夹持器)难以满足日渐复杂的工业生产需求。现有的工业夹持器能够很好地完成单一任务，但适用范围过小。

具有较多主动关节自由度的高仿真拟人灵巧机器人手(简称灵巧手)有足够的关节数量和大量的电机，能够完成各类精准的手部动作和手内操作，但是不仅因为所用电机和传感器等过多，而且传感与控制系统相当复杂，在小体积的手部空间难以安装较大力矩的电机，因此抓握力量一般都非常小，性价比在较长时间内还难以达到普遍推广应用，而且其设计、生产制造、装配与之后的维护等工作均比较繁杂和成本昂贵。

自适应欠驱动机器人手能够较好的完成对不同形状、尺寸物体的抓取任务，并且控制十分简单，无需电子传感器与实时控制，成本低。目前来说，具有少自由度的一定关节数量的多指仿人手的欠驱动机器人手是折中方案，将在很大范围内得到推广应用，已经有了较好的基础研究和一定量成功的应用案例。由于欠驱动手具有非常强大的自适应抓取性能，已经在近十余年成为世界上研究机器人手的一个重要领域和研究方向，在这方面已经有较多的欠驱动机器人手被开发出来。

但是现有的自适应欠驱动机器人手为提高对抓取物体的适应性而牺牲了部分关节的力量与稳定性，并且强调抓取能力而牺牲了完成如推拉提等任务的能力，因此还有很大的提升空间。

已有的一种同步锁定自适应机器人手指装置(发明专利CN105583848A)，包括由电机、指段、关节轴、关节簧件、腱绳、拉绳件、关节滑轮、拨盘和柔性件传动机构组成的自适应欠驱动机器人手指。还包括腱绳、拉绳件、摩擦块组成的锁定机构。完成对被抓取物体的包络后，腱绳拉动摩擦块对关节处通过摩擦力进行锁定。该装置不足之处在于：1)该装置仅能在抓取完成后来启动锁定，不能达到任意角度位置的即时锁定。该装置仅能在手指完成自适应抓取后对指关节进行锁定。这种抓取模式难以应用于脆弱或软性被抓取物。2)该装置锁定是针对全部关节，无法仅针对除了根部第一关节之外的各关节进行锁定，这样使得该装置无法进行固定中部关节打开根部第一关节的快速抓取，这种抓取方式在抓取同类形状尺寸物体时有很大的作用，可以提高抓取的效率。3)锁定机构与自适应欠驱动手指并不独立，无法分离，也难以简单移植和通用地被使用在各种类型的自适应欠驱动手指中。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置。该装置具有多个关节的手指，可以即时同步锁定手指的多个关节，抓取物体之中随时锁定关节，防止抓取中指段回弹，提高抓取稳定性，提供较大的抓取力，提高抓取物体范围，还能够在锁定了多个中部关节后仅打开手指的根部第一关节，提高重复抓取同样形状尺寸物体的效率。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，包括基座、N个指段和N个关节轴；第1关节轴套设在基座上…第i关节轴套设在第i-1指段中；第1指段套接在所述第1关节轴上…第i 指段套接在第i关节轴上；所有关节轴的中心线相互平行；该欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置还包括电机、传动机构、滑动架、主动轴、主动轮、Q个从动轮、Q级连杆组件；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，所述传动机构的输出端与滑动架相连；所述滑动架滑动镶嵌在基座上，滑动架的滑动方向与主动轴的中心线垂直，所述主动轴的中心线与关节轴的中心线平行；所述主动轴套设在滑动架上，所述主动轮套接在主动轴上；所述主动轮与所有从动轮在滑动架的滑动行程内相接触；所有所述从动轮分别活动套接在第1关节轴上；记第m关节轴中心点为Am；第1级连杆组件为第1近关节连杆；所述第1近关节连杆与第1从动轮、第1指段分别固接；第j级连杆组件包括：第j近关节连杆、j-1个辅助连杆和j-1个传动连杆；所述第j近关节连杆的一端与第j从动轮固接，另一端记为Bj1；在第j级连杆组件中：第j级第k辅助连杆的一端套接在第k+1关节轴上，另一端记为Bj(k+1)；第j级第k传动连杆的下端铰接在Bjk，上端铰接在Bj(k+1)；第j级第j-1辅助连杆固接在第j指段上；A1、 A2、Bj2、Bj1构成平行四边形的四个顶点，A2、A3、Bj3、Bj2构成平行四边形的四个顶点……A(j-1)、 Aj、Bjj、Bj(j-1)构成平行四边形的四个顶点；第j级连杆组件中，所有辅助连杆相互平行；N为大于1的自然数，i为2,3…N，Q为2,3…N，m为大于1的自然数，j为2,3…N，k为1,2…j-1。

本发明所述的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，其特征在于：所述主动轮采用齿轮或摩擦轮，所有所述从动轮采用齿轮或摩擦轮；所述主动轮和所有所述从动轮在接触时能形成传动关系。

本发明与现有技术相比，具有以下有点和突出效果：

本发明装置利用电机、滑动架、主动轴、主动轮、从动轮和多级连杆组件等综合实现了对机械手指多个关节任意角度位置即时同步锁定的功能，包括以下几个方面：

1)本装置能在抓取之中的任意角度位置进行即时锁定，这种锁定具有很大的优点：抓取之中锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面可以提供较大的抓取力，锁定后手指多个指段可以近似看做一个刚体，在承载能力方面能更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对重物(比如行李箱)的提取；本装置可以实现先锁定后抓取的功能，用于实施对结构脆弱的物体的抓取，减轻在抓取过程中可能对物体造成的伤害；本装置锁定关节的角度可以是连续和任意的；

2)本装置可以在锁定各关节的情况下打开根部第一关节，提高再次抓取同样形状尺寸物体的效率，增强对不同材质、重量物体的适应力；

3)本装置的锁定机构是与自适应欠驱动手指相互独立的部分，可以分离，因而可以简单移植和通用地被使用在各种类型的自适应欠驱动手指中；

4)本装置用于辅助已有机械手指工作，可以保留原有机械手指的功能优点，而且本装置结构简单，体积小，重量轻，易于控制。

附图说明

图1本发明提供的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置的一种实施例的立体视图。

图2是图1所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4是图1所示实施例的下方部分机构的剖面图。

图5是图1所示实施例的爆炸视图。

图6是图1所示实施例的第1级连杆组件与第1指段的侧视图。

图7是图1所示实施例的第1级连杆组件与第1指段的正视图(图6的正视图)。

图8是图1所示实施例的第2级连杆组件与第2指段的侧视图。

图9是图1所示实施例的第2级连杆组件与第2指段的正视图(图8的正视图)。

图10是图1所示实施例的第3级连杆组件与第3指段的侧视图。

图11是图1所示实施例的第3级连杆组件与第3指段的正视图(图10的正视图)。

图12是图1所示实施例下方部分机构在锁定后的剖面图。

图13至18是图1所示实施例抓取物体一种的示意图。

图19至21是图1所示实施例的锁定后打开的示意图。

在图1至图18中：

1-基座， 10-电机，

111-减速器， 112-丝杆，

101-第1指段， 102-第2指段， 103-第3指段，

2-滑动架， 20-主动轴， 21-主动轮，

31-第1关节轴， 32-第2关节轴， 33-第3关节轴，

41-第1从动轮， 42-第2从动轮， 43-第3从动轮，

51-第1近关节连杆， 52-第2近关节连杆， 53-第3近关节连杆，

621-第2级第1辅助连杆， 721-第2级第1传动连杆，

631-第3级第1辅助连杆， 731-第3级第1传动连杆，

632-第3级第2辅助连杆， 732-第3级第2传动连杆，

8-物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明提供的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，包括基座、N个指段和N个关节轴；第1关节轴套设在基座上…第i关节轴套设在第i-1指段中；第1指段套接在所述第1关节轴上…第i 指段套接在第i关节轴上；所有关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置还包括电机、传动机构、滑动架、主动轴、主动轮、Q个从动轮、Q级连杆组件；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，所述传动机构的输出端与滑动架相连；所述滑动架滑动镶嵌在基座上，滑动架的滑动方向与主动轴的中心线垂直，所述主动轴的中心线与关节轴的中心线平行；所述主动轴套设在滑动架上，所述主动轮套接在主动轴上；所述主动轮与所有从动轮在滑动架的滑动行程内相接触；所有所述从动轮分别活动套接在第1关节轴上；记第m关节轴中心点为Am；第1级连杆组件为第1近关节连杆；所述第1近关节连杆与第1从动轮、第1指段分别固接；第j级连杆组件包括：第j近关节连杆、j-1个辅助连杆和j-1个传动连杆；所述第j近关节连杆的一端与第j从动轮固接，另一端记为Bj1；在第j级连杆组件中：第j级第k辅助连杆的一端套接在第k+1关节轴上，另一端记为Bj(k+1)；第j级第k传动连杆的下端铰接在Bjk，上端铰接在Bj(k+1)；第j级第j-1辅助连杆固接在第 j指段上；A1、A2、Bj2、Bj1构成平行四边形的四个顶点，A2、A3、Bj3、Bj2构成平行四边形的四个顶点……A(j-1)、Aj、Bjj、Bj(j-1)构成平行四边形的四个顶点；第j级连杆组件中，所有辅助连杆相互平行；N为大于1的自然数，i为2,3…N，Q为2,3…N，m为大于1的自然数，j为2,3…N，k为1,2…j-1。

本实施例中，取N＝3，Q＝3，如图1至图5所示，包括基座1、3个指段(第1指段101、第2指段102 和第3指段103)和3个关节轴(第1关节轴31、第2关节轴32和第3关节轴33)；第1关节轴31套设在基座1上，第2关节轴32套设在第1指段101中，第3关节轴33套设在第2指段102中；第1指段101 套接在所述第1关节轴31上，第2指段102套接在第2关节轴32上，第3指段103套接在第3关节轴33 上；所有关节轴的中心线相互平行；本实施例还包括电机10、传动机构、滑动架2、主动轴20、主动轮 21、3个从动轮(第1从动轮41、第2从动轮42和第3从动轮43)、3级连杆(第1级连杆组件、第2级连杆组件和第3级连杆组件)；所述电机10与基座1固接；所述电机10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滑动架2相连；所述滑动架2滑动镶嵌在基座1上，滑动架2的滑动方向与主动轴20的中心线垂直，所述主动轴20的中心线与关节轴的中心线平行；所述主动轴20套设在滑动架2 上，所述主动轮21套接在主动轴20上；所述主动轮21与所有从动轮在滑动架2的滑动行程内相接触；所有所述从动轮分别活动套接在第1关节轴31上；记第1关节轴31中心点为A1，第2关节轴32中心点为A2，第3关节轴33中心点为A3；第1级连杆组件为第1近关节连杆51；所述第1近关节连杆51与第 1从动轮41、第1指段101分别固接；第2级连杆组件包括：第2近关节连杆52、第2级第1辅助连杆 621和第2级第1传动连杆721；所述第2近关节连杆52的一端与第2从动轮42固接，另一端记为B21；第2级连杆组件中：第2级第1辅助连杆621的一端套接在第2关节轴32上，另一端记为B22；第2级第 1传动连杆721下端铰接在B21，上端铰接在B22；第2级第1辅助连杆621固接在第2指段102上；A1、 A2、B22、B21构成平行四边形的四个顶点；第2级连杆组件中，所有辅助连杆相互平行；第3级连杆组件包括：第3近关节连杆53、2个辅助连杆(第3级第1辅助连杆631和第3级第2辅助连杆632)和2个传动连杆(第3级第1传动连杆731和第3级第2传动连杆732)；所述第3近关节连杆53的一端与第3 从动轮43固接，另一端记为B31；第3级连件中：第3级第1辅助连杆631的一端套接在第2关节轴32 上，另一端记为B32；第3级第1传动连杆731的下端铰接在B31，上端铰接在B32；第3级第2辅助连杆 632的一端套接在第3关节轴33上，另一端记为B33；第3级第2传动连杆732的下端铰接在B32，上端铰接在B33；第3级第2辅助连杆632固接在第3指段103上；A1、A2、B32、B31构成平行四边形的四个顶点，A2、A3、B33、B32构成平行四边形的四个顶点；第3级连杆组件中，所有辅助连杆相互平行。

本发明所述的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，其特征在于：所述主动轮采用齿轮或摩擦轮，所有所述从动轮采用齿轮或摩擦轮；所述主动轮和所有所述从动轮在接触时能形成传动关系。本实施例中，所述主动轮采用摩擦轮，所有所述从动轮采用摩擦轮；所述主动轮和所有所述摩擦轮接触时能形成传动关系。

本实施例中，所述传动机构包括减速器111和丝杆112，滑动架2上有固定的螺母，螺母与丝杆112 螺纹相连，所述丝杆112与减速器111的输出轴固接，所述丝杆112与减速器111的输出轴同轴。

结合附图介绍本实施例的工作原理入下：

不同机器人手指均可以叠加本实施例来达到锁定关节角度的目的。锁定角度是任意的，且可以在任意时间达成锁定。机器人手指可以是自适应欠驱动手指(如专利US20060129248A1、CN101214649B等所示的机器人手指)，还可以是平夹自适应手指(如专利US5762390、CN105818158A等所示的机器人手指)。增加本实施例之后，可以使机器人手指具有更强的抵抗变形能力，在抓取手提箱等重物时显得尤为重要。增加本实施例之后还可以实现先锁定后抓取的功能，加强了机器人手指对脆弱物体如鸡蛋等的适应能力。

本实施例中，指段的主动运动由手指本身固有机构控制。

本实施例中，第1级连杆组件与机器人手指连接关系如图6和图7所示，第2级连杆组件与机器人手指连接关系如图8和图9所示，第3级连杆组件与机器人手指连接关系如图10和图11所示。

在未锁定时，本实施例的各级连杆组件随第1指段、第2指段和第3指段的运动而自由运动。第1指段101相对基座1角度改变，由于第1近关节连杆51与第1指段101固接，第1近关节连杆绕第1关节轴31转动，第1近关节连杆带动第1从动轮41绕第1关节轴31转动，转动角度与第1指段101相对基座角度相同。第1指段101固定时第2指段102运动或是第2指段102随第1指段101运动都会导致第2 指段102与基座1间的角度发生变化，带动第2级第1辅助连杆621绕第2关节轴32运动，拖动第2级第1传动连杆721，从而带动第2近关节连杆52绕第1关节轴31运动，第2近关节连杆52带动第2从动轮42运动，转动角度与第2指段102相对基座角度相同。第1指段101、第2指段102固定时第3指段 103运动或是第3指段103随着第1指段101、第2指段102运动都会导致第3指段103与基座1间角度发生变化，带动第3级第2辅助连杆632绕第3关节轴33运动，拖动第3级第2传动连杆732，从而带动第3级第1辅助连杆631绕第2关节轴32转动，第3级第1辅助连杆631拖动第3级第1传动连杆731，带动第3级第1辅助连杆631绕第3近关节连杆513运动，第3近关节连杆513运动带动第3从动轮43 运动，转动角度与第3指段103相对基座角度相同。

当手指为自适应欠驱动手指时，运动过程如图13至图15所示。

当手指为平夹自适应手指时，运动过程如图16至图18所示。

需要本实施例工作锁定各关节时，电机10转动，通过减速器111传动，丝杆112转动，滑动架2沿着基座1中的滑槽直线运动，主动轴20随滑动架2运动，带动主动轮21运动。当滑动架2上升一定距离后，主动轮21与第1从动轮41、第2从动轮42和第3从动轮43挤压并产生摩擦，形成传动关系，所有从动轮由独立转动变为同步转动，使得各个指段间角度不能发生变化，从而达到锁定的目的。锁定过程如图4和图12所示。

如图19至21所示，完成锁定后所有指段可以相对基座1进行同步运动。

本发明装置利用电机、滑动架、主动轴、主动轮、从动轮和多级连杆组件等综合实现了对机械手指多个关节任意角度位置即时同步锁定的功能，包括以下几个方面：

1)本装置能在抓取之中的任意角度位置进行即时锁定，这种锁定具有很大的优点：抓取之中锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面可以提供较大的抓取力，锁定后手指多个指段可以近似看做一个刚体，在承载能力方面能更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对重物(比如行李箱)的提取；本装置可以实现先锁定后抓取的功能，用于实施对结构脆弱的物体的抓取，减轻在抓取过程中可能对物体造成的伤害；本装置锁定关节的角度可以是连续和任意的；

2)本装置可以在锁定各关节的情况下打开根部第一关节，提高再次抓取同样形状尺寸物体的效率，增强对不同材质、重量物体的适应力；

3)本装置的锁定机构是与自适应欠驱动手指相互独立的部分，可以分离，因而可以简单移植和通用地被使用在各种类型的自适应欠驱动手指中；

4)本装置用于辅助已有机械手指工作，可以保留原有机械手指的功能优点，而且本装置结构简单，体积小，重量轻，易于控制。

Claims (2)

1.一种欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，包括基座、N个指段和N个关节轴；第1关节轴套设在基座上…第i关节轴套设在第i-1指段中；第1指段套接在所述第1关节轴上…第i指段套接在第i关节轴上；所有关节轴的中心线相互平行；该欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置还包括电机、传动机构、滑动架、主动轴、主动轮、Q个从动轮、Q级连杆组件；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，所述传动机构的输出端与滑动架相连；所述滑动架滑动镶嵌在基座上，滑动架的滑动方向与主动轴的中心线垂直，所述主动轴的中心线与关节轴的中心线平行；所述主动轴套设在滑动架上，所述主动轮套接在主动轴上；所述主动轮与所有从动轮在滑动架的滑动行程内相接触；所有所述从动轮分别活动套接在第1关节轴上；记第m关节轴中心点为Am；第1级连杆组件为第1近关节连杆；所述第1近关节连杆与第1从动轮、第1指段分别固接；第j级连杆组件包括：第j近关节连杆、j-1个辅助连杆和j-1个传动连杆；所述第j近关节连杆的一端与第j从动轮固接，另一端记为Bj1；在第j级连杆组件中：第j级第k辅助连杆的一端套接在第k+1关节轴上，另一端记为Bj(k+1)；第j级第k传动连杆的下端铰接在Bjk，上端铰接在Bj(k+1)；第j级第j-1辅助连杆固接在第j指段上；A1、A2、Bj2、Bj1构成平行四边形的四个顶点，A2、A3、Bj3、Bj2构成平行四边形的四个顶点……A(j-1)、Aj、Bjj、Bj(j-1)构成平行四边形的四个顶点；第j级连杆组件中，所有辅助连杆相互平行；N为大于1的自然数，i为2,3…N，Q为2,3…N，m为大于1的自然数，j为2,3…N，k为1,2…j-1。

2.如权利要求1所述的欠驱动机器人手指多关节任意角度即时同步锁定装置，其特征在于：所述主动轮采用齿轮或摩擦轮，所有所述从动轮采用齿轮或摩擦轮；所述主动轮和所有所述从动轮在接触时能形成传动关系。

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