CN107962581A - 双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

双段滑杆支撑式末端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、两个指段、两个关节轴、电机、两个连杆、滑槽、滑块、两个辅助杆、两个限位凸块和两个簧件等。该装置实现了机器人手指直线平夹和自适应抓取的功能；该装置在平行夹持阶段第二指段末端沿直线轨迹平动，适用于工作台上平夹捏持不同尺寸的薄板物体，无需机械臂的协同配合去调整机器人手的位置，降低了控制难度。该装置既能直线平动第二指段进行直线平夹，也能在第一指段抓取物体后自动包络物体，自适应抓取不同大小、形状物体；利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的实时传感与控制系统，成本低，适用于机器人手。

Description

双段滑杆支撑式末端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，特别涉及一种双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

欠驱动机器人手通过少数电机驱动多个自由度关节，以达成对物体的抓取，较少的电机数量节省了机器人手的手掌空间，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时欠驱动机械手无需实时电子传感，简化了机器人手的控制系统，可以实现对物体的稳定抓取，控制简单方便，成本低。

已有的一种欠驱动手指装置(美国专利US8973958B2)包括五个连杆、弹簧、电机等，该装置实现了圆弧平夹与自适应抓取模式。在工作时，该装置先保持末端指段相对基座姿态不变，进行圆弧轨迹的平动，达到平夹的效果，或者实现自适应包络抓取。其不足之处在于：该装置在平夹阶段是一种圆弧平动末端指段，无法实现直线平动末端指段，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机械臂协同配合，以调整机器人手的位置，从而增加了控制难度，不利于高速柔性抓取。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有两种抓取模式，既能直线轨迹平动第二指段末端实现直线平夹抓取模式，又能在第一指段抓取物体后自动弯曲远关节，达到自适应包络握持不同形状、尺寸物体的功能，实现自适应抓取模式；抓取范围大，控制简单，成本低。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种双段滑杆支撑式末端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、第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴、电机、传动机构、第一限位凸块和第一簧件；所述电机固接在基座上，所述电机的输出轴与传动机构输入端相连，所述传动机构的输出端与第一连杆相连；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；所述第一轴套设在基座中，所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二指段套接在第三轴上；所述第一簧件的两端分别连接第一连杆和第二连杆；所述近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴和第三轴相互平行，设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一轴的中心为C，第二轴的中心为D，第三轴的中心为E，线段AC等于线段BE，线段AB在初始状态时等于线段CE，线段AC与近关节轴的中心线垂直，点D位于四边形ABEC的外侧；所述第一限位凸块与第二连杆固接，在初始状态时第一限位凸块与第一连杆接触，第一限位凸块限制线段CD与线段DE的夹角不小于初始状态的夹角；其特征在于：该双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置还包括滑槽、滑块、第一辅助杆、第四轴、第二辅助杆、第二指段表面罩、第二限位凸块和第二簧件；所述滑槽固接在基座上，所述滑块滑动镶嵌在滑槽中，滑块的滑动方向与线段AC平行；所述第一辅助杆的一端与滑块固接，第一辅助杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴与远关节轴平行；所述第二辅助杆的一端套接在第四轴上，第二辅助杆的另一端与第二指段表面罩固接；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；所述第二限位凸块与第二辅助杆固接；在初始状态时第二限位凸块与第一辅助杆接触；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的运动方向为近关节反方向；设初始状态时第二辅助杆相对于第一辅助杆的旋转角度为0度，从初始位置开始，第二辅助杆朝近关节正方向旋转时的转动方向为正，第二辅助杆朝近关节反方向的转动角度为负，所述第二限位凸块限制第二辅助杆的转动方向只能为正；所述第二簧件的两端分别连接第一辅助杆和第二辅助杆。

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、多个连杆、两个辅助杆、滑块、滑槽、两个限位凸块和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平夹和自适应抓取；该装置在平行夹持阶段第二指段末端沿直线轨迹平动，适用于工作台上平夹捏持不同尺寸的薄板物体，无需机械臂的协同配合去调整机器人手的位置，降低了控制难度。该装置既能直线平动第二指段进行直线平夹，也能在第一指段抓取物体后自动包络物体，自适应抓取不同大小、形状物体；利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的实时传感与控制系统，成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的滑杆辅助末端直线平夹自适应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所示实施例的侧面外观图(图2的右视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的左视图)。

图5是图2的A-A剖视图。

图6是图2的B-B剖视图。

图7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8是图1所示实施例的正面外观图(未画出第一指段前板、基座前板、第一指段左侧板和第一指段右侧板)。

图9是图1所示实施例的爆炸视图。

图10至图12是图1所示实施例在以平行夹持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图13至图16是图1所示实施例在以自适应包络的方式抓取物体的动作过程示意图。

图17至图18是图1所示实施例在抓取过程中，在第一指段接触物体前后，第一连杆、第二连杆、第一限位凸块和第一簧件相对位置的变化情况。

图19至图20是图1所示实施例在抓取过程中，在第一指段接触物体前后，第一辅助杆、第二辅助杆、第二限位凸块和第二簧件相对位置的变化情况。

图21是图1所示实施例在初始状态(也可以是其他位置为初始状态)的机构简图。

图22是图1所示实施例在直线平行夹持抓取模式的机构简图，其中实线为平夹抓取物体状态，双点划线为对应图22的初始状态位置。

图23是图1所示实施例在自适应抓取模式的机构简图，其中实线为自适应抓取物体状态，双点划线为对应图23的直线平行夹持位置。

在图1至图23中：

1-基座， 10-电机， 101-减速器， 102-蜗杆，

103-蜗轮， 104-传动轴， 105-第一齿轮， 106-第二齿轮，

21-第一指段， 22-第二指段， 23-第二指段表面罩， 31-近关节轴，

32-远关节轴， 41-第一连杆， 42-第二连杆， 51-第一轴，

52-第二轴， 53-第三轴， 54-第四轴， 61-第一限位凸块，

62-第二限位凸块， 71-第一簧件， 72-第二簧件， 81-滑槽，

82-滑块， 91-第一辅助杆， 92-第二辅助杆， 99-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。

本发明设计的一种双段滑杆支撑式末端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9所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32、第一连杆41、第二连杆42、第一轴51、第二轴52、第三轴53、电机10、传动机构、第一限位凸块61和第一簧件71；所述电机10固接在基座1上，所述电机10的输出轴与传动机构输入端相连，所述传动机构的输出端与第一连杆41相连；所述近关节轴31套设在基座1中，所述第一指段21套接在近关节轴31上，所述远关节轴32套设在第一指段21中，所述第二指段22套接在远关节轴上；所述第一轴51套设在基座1中，所述第一连杆41的一端套接在第一轴51上，第一连杆41的另一端套接在第二轴52上；所述第二连杆42的一端套接在第二轴52上，第二连杆42的另一端套接在第三轴53上；所述第二指段22套接在第三轴53上；所述第一簧件71的两端分别连接第一连杆41和第二连杆42上；所述近关节轴31、远关节轴32、第一轴51、第二轴52和第三轴53相互平行，设近关节轴31的中心为A，远关节轴32的中心为B，第一轴51的中心为C，第二轴52的中心为D，第三轴53的中心为E，第四轴54的中心为F；线段AC等于线段BE，线段AB在初始状态时等于线段CE，线段AC与近关节轴31的中心线垂直，点D位于四边形ABEC的外侧；所述第一限位凸块61与第二连杆42固接，在初始状态时第一限位凸块61与第一连杆41接触，第一限位凸块61限制线段CD与线段DE的夹角不小于初始状态的夹角；该双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置还包括滑槽81、滑块82、第一辅助杆91、第四轴54、第二辅助杆92、第二指段表面罩23、第二限位凸块62和第二簧件72；所述滑槽81固接在基座1上，所述滑块82滑动镶嵌在滑槽81中，滑块82的滑动方向与线段AC平行；所述第一辅助杆91的一端与滑块82固接，第一辅助杆91的另一端套接在第四轴54上；所述第四轴54与远关节轴32平行；所述第二辅助杆92的一端套接在第四轴54上，第二辅助杆92的另一端与第二指段表面罩23固接；所述第二指段表面罩23滑动镶嵌在第二指段22上；所述第二限位凸块62与第二辅助杆92固接；在初始状态时第二限位凸块62与第一辅助杆91接触；设第一指段21靠向物体99的转动方向为近关节正方向，第一指段21远离物体99的运动方向为近关节反方向；设初始状态时第二辅助杆92相对于第一辅助杆91的旋转角度为0度，从初始位置开始，第二辅助杆92朝近关节正方向旋转时的转动方向为正，第二辅助杆92朝近关节反方向的转动角度为负，所述第二限位凸块62限制第二辅助杆92的转动方向只能为正；所述第二簧件72的两端分别连接第一辅助杆91和第二辅助杆92。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板、基座后板、基座左板、基座右板和基座底板。本实施例中，所述第一指段22包括固接在一起的第一指段连杆、第一指段前板、第一指段左板和第一指段右板。

本实施例中，所述传动机构包括减速器101、蜗杆102、蜗轮103、传动轴104、第一齿轮105和第二齿轮106；所述电机10的输出轴与减速器101的输入轴相连，所述蜗杆102套固在减速器101的输出轴上，所述蜗轮103套固在传动轴104上，所述蜗杆102和蜗轮103啮合；所述传动轴104套设在基座1中，所述第一齿轮105套固在传动轴104上，所述第一齿轮105与第二齿轮106啮合，所述第二齿轮106活动套接在近关节轴31上，所述第二齿轮106与第一连杆41固接。

本实施例还采用了若干轴承和若干螺钉等零件，属于公知常用技术，不再赘述。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

图21至图23展示了初始状态，从初始状态到平夹抓取，从平夹抓取到自适应抓取三个典型位置的机构简图。

本实施例处于初始状态时，如图6、图10和图21所示。

抓取物体99时，电机10转动，通过传动机构带动第一连杆41绕第一轴51的中心线顺时针转动(如图6所示的顺时针)，在不同的情况下会进入两种不同的抓取模式：

1)直线平行夹持抓取模式

直线平行夹持抓取模式，即本实施例在抓取物体99过程中，第二指段22和第二指段表面罩23均保持相对于基座1固定的姿态，同时第二指段表面罩23与基座1在竖直方向(在图6中的竖直方向)上保持不变的距离，如图10至图12所示，机构简图如图22所示。

电机10正转，通过蜗杆102和蜗轮103的传动，带动第一齿轮105转动，第二齿轮106转动，带动第一连杆41绕第一轴51的中心线顺时针(图6)转动一个角度α(如图22所示)；向第二轴52产生推力，驱动第二连杆42转动。由于第一簧件71的作用，使得第二连杆42上的第一限位凸块61紧靠第一连杆41(如图17所示)，因而第二连杆42相对第一连杆41未发生转动，第一连杆的α角度转动带来线段EC的α角度转动；因为线段AB、线段BE、线段EC和线段CA构成平行四边形ABEC，线段EC的α角度转动带来第一指段的α角度转动，平行四边形ABEC变形，但是线段BE保持与线段CA的平行，从而使第二指段22相对基座1的姿态保持不变。第三轴53上的推力会推动第二指段22向右圆弧平动(线段BE发生了高度上的变化，变化量为s，如图22所示)。当第二指段22相对于基座1发生平动时，第二指段22带动第二指段表面罩23向右平动一段距离d(如图22所示)，带动第二辅助杆92平移；由于第二簧件72的作用，使得第二辅助杆92上的第二限位凸块62紧靠第一辅助杆91，使得第二辅助杆92相对第一辅助杆91保持初始姿态(如图19所示)；由于第二辅助杆92、第一辅助杆91、第四轴53和第二指段表面罩23的连接，使得第二指段表面罩23与基座1之间的距离为恒定值H(如图22所示)，由于第二指段表面罩23滑动镶嵌在第二指段22上，因此第二指段表面罩23会在第二指段22上滑动一段距离s，第二指段表面罩23的滑动距离刚好抵消远关节轴32在转动中产生的高度变化量；相应的第二指段表面罩23、第二辅助杆92、第四轴54、第一辅助杆91和滑块82水平滑动了一段相同的距离d(如图22所示)；此时如果第二指段表面罩23接触物体，则抓取结束，即实现了直线平夹抓取模式，如图22所示。

2)自适应抓取模式：

自适应抓取模式即在本实施例抓取物体99过程中第一指段与第二指段表面罩均与物体99表面接触，达到适应物体99表面的抓取效果。

当第一指段21转动一个角度α(如图23所示)接触到物体99而被物体99阻挡不能再转动，传动机构继续驱动第一连杆41顺时针(图13)转动一个角度β(如图23所示)，此时第一连杆41对第一轴51产生推力，第一轴51又将推力传递给第二连杆42，迫使第二连杆42对第一簧件71产生拉力，第一簧件71被拉伸，第一连杆41与第二连杆42间的夹角变大(如图18所示)，因此第一轴51与第三轴53之间的距离变大；使得第三轴53与第一轴51之间的距离增大，推动第二指段22绕远关节轴32转动一个角度θ(如图23所示)。当第二指段22旋转时，会带动第二指段表面罩23绕远关节轴32转动同一个角度θ，第二指段表面罩23在第二指段22上会滑动一段距离，同时第二指段表面罩23带动固接的第二辅助杆92，第二簧件72变形，第一辅助杆92与第二限位凸块62分离，使第二辅助杆92绕第四轴54转动(如图20所示)。由于第二指段表面罩23绕远关节轴32转动，第二辅助杆92绕第四轴54转动，第二指段表面罩23与第二辅助杆92固接，远关节轴32与第四轴54一般情况下不重合，而远关节轴32位置此时是固定的，因此第四轴54的位置需要随时改变，带动第一辅助杆91和滑块82在滑槽81中滑动一段水平距离q(如图23所示)。此时第二指段22可以顺时针旋转，直到第二指段表面罩23接触物体99，抓取结束。该抓取过程对不同形状、尺寸的物体可以自动适应，即实现了自适应夹持抓取模式，如图14至图16所示(之前的平动第二指段表面罩23过程如图13至图14所示，其中图14为从平夹阶段进入到自适应阶段的临界状态)，机构简图如图23所示。

释放物体99的过程：电机10反转，后续过程与上述抓取物体99的过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、多个连杆、两个辅助杆、滑块、滑槽、两个限位凸块和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平夹和自适应抓取的功能；该装置在平行夹持阶段第二指段末端沿直线轨迹平动，适用于工作台上平夹捏持不同尺寸的薄板物体，无需机械臂的协同配合去调整机器人手的位置，降低了控制难度。该装置既能直线平动第二指段进行直线平夹，也能在第一指段抓取物体后自动包络物体，自适应抓取不同大小、形状物体；利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的实时传感与控制系统，成本低，适用于机器人手。

Claims (1)

1.一种双段滑杆支撑式末端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、第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴、电机、传动机构、第一限位凸块和第一簧件；所述电机固接在基座上，所述电机的输出轴与传动机构输入端相连，所述传动机构的输出端与第一连杆相连；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；所述第一轴套设在基座中，所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二指段套接在第三轴上；所述第一簧件的两端分别连接第一连杆和第二连杆；所述近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴和第三轴相互平行，设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一轴的中心为C，第二轴的中心为D，第三轴的中心为E，线段AC等于线段BE，线段AB在初始状态时等于线段CE，线段AC与近关节轴的中心线垂直，点D位于四边形ABEC的外侧；所述第一限位凸块与第二连杆固接，在初始状态时第一限位凸块与第一连杆接触，第一限位凸块限制线段CD与线段DE的夹角不小于初始状态的夹角；其特征在于：该双段滑杆支撑式末端直线平夹自适应机器人手指装置还包括滑槽、滑块、第一辅助杆、第四轴、第二辅助杆、第二指段表面罩、第二限位凸块和第二簧件；所述滑槽固接在基座上，所述滑块滑动镶嵌在滑槽中，滑块的滑动方向与线段AC平行；所述第一辅助杆的一端与滑块固接，第一辅助杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴与远关节轴平行；所述第二辅助杆的一端套接在第四轴上，第二辅助杆的另一端与第二指段表面罩固接；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；所述第二限位凸块与第二辅助杆固接；在初始状态时第二限位凸块与第一辅助杆接触；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的运动方向为近关节反方向；设初始状态时第二辅助杆相对于第一辅助杆的旋转角度为0度，从初始位置开始，第二辅助杆朝近关节正方向旋转时的转动方向为正，第二辅助杆朝近关节反方向的转动角度为负，所述第二限位凸块限制第二辅助杆的转动方向只能为正；所述第二簧件的两端分别连接第一辅助杆和第二辅助杆。