CN107972051A

CN107972051A - 限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN107972051A
Application number: CN201711225855.4A
Authority: CN
Inventors: 郭楚凡; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-05-01

Abstract

限位杆系增速补偿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、第二指段表面罩、滑槽件、拨动件、拨动轴、滑轮、两个齿条、两个齿轮、两个传动机构、簧件和限位凸块等。该装置实现了直线平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能沿直线轨迹平动第二指段末端捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

限位杆系增速补偿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，特别涉及一种限位杆系增速补偿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、簧件、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，提供一种限位杆系增速补偿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：

本发明设计的限位杆系增速补偿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、第一传动机构；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述电机与基座固接；所述第一传动机构设置在基座中；其特征在于：该限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、限位凸块、簧件、拨动件、拨动轴、滑槽件、滑轮、第一齿条、第二齿条、第一齿轮、第二齿轮、齿轮轴、第二传动机构和第二指段表面罩；所述第一转轴套设在基座中，所述第一转轴、第二转轴、第三转轴分别与近关节轴的中心线平行；所述第一连杆的一端套接在第一转轴上，所述第一连杆的另一端套接在第二转轴上；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一转轴的中心点为M，第二转轴的中心点为N，第三转轴的中心点为Q，线段AB等于线段MN，线段AM在初始状态时等于线段BN，点B、点N、点Q的连线构成三角形，点Q、点M分别在直线BN的两侧；所述第二连杆的一端套接在第二转轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第二指段套接在远关节轴上，所述第二指段套接在第三转轴上；所述限位凸块与第二连杆固接，所述限位凸块与第二指段在初始位置时相接触；所述簧件的两端分别连接第二连杆和第二指段；所述限位凸块限制线段NQ与线段BQ的夹角不大于初始状态时的夹角；所述拨动件与第一指段固接，所述拨动轴套设在拨动件中，所述滑轮活动套接在拨动轴上；所述拨动轴与远关节轴平行；所述第二指段中设有固定的第一滑槽，所述滑槽件滑动嵌套在第一滑槽中；所述滑槽件中设有固定的第二滑槽，所述滑轮滑动嵌套在第二滑槽中；所述第一齿条与滑槽件固接，所述第一齿轮活动套接于远关节轴，所述第一齿条与第一齿轮啮合；所述第一齿轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二齿轮相连；所述第一齿轮轴和第二齿轮轴套设在第二指段中，所述第二齿轮活动套接在第二齿轮轴上，所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条与第二指段表面罩固接；所述第二指段表面罩滑动嵌套在第二指段上；设第二齿轮轴的中心为C，拨动轴的中心为E，滑槽件在第一滑槽上的滑动方向与线段BC平行，所述滑轮在第二滑槽上的滑动方向与线段BC垂直；线段AB与线段BE共线；通过第一齿条、第一齿轮、第二传动机构、第二齿轮和第二齿条的传动，使得当滑槽件向靠近第一指段的方向滑动时第二指段表面罩向离开第二指段的方向滑动；设近关节轴到远关节轴的距离为L，拨动轴到远关节轴的距离为a，设滑槽件向靠近第一指段的方向滑动的速度为u，第二指段表面罩向离开第二指段的方向滑动的速度为v，通过第一齿条、第一齿轮、第二传动机构、第二齿轮和第二齿条的传动，使得v＝uL/a。

本发明所述的限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构、连杆传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构或绳轮传动机构中的一种或多种的组合。

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、两个连杆、第二指段表面罩、滑槽件、拨动件、拨动轴、滑轮、齿轮、齿条、簧件和限位凸块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是本发明设计的限位杆系增速补偿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所示实施例的另一角度的立体外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图1的右视图)。

图4是图1所示实施例的一个背面外观图。(图1的左视图)

图5是图1所示实施例的一个正面外观图。(图2的右视图)

图6是图5的B-B剖视图。

图7是图5的C-C剖视图。

图8是图1所示实施例的从某个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件，局部剖视)。

图9是图1所示实施例的爆炸视图。

图10是图1所示实施例的局部内部立体视图(未画出部分零件)。

图11是图1所示实施例的限位凸块附近局部内部立体视图(未画出部分零件，图4的A-A剖视图)。

图12至图16是是图1所示实例以精确直线平行夹取方式和自适应抓取物体方式运动的动作过程图(未画出部分零件)。

图17至图19是图1所示实施例以精确直线平行夹取方式夹取工作台物体的动作过程示意图。

图20至图22是图1所示实施例从精确直线平夹运动切换成自适应抓取物体的动作过程示意图。

在图1至图22中：

1-基座，10-电机，11-减速器，12-第一锥齿轮，

13-第二锥齿轮，14-过渡轴，15-第一过渡齿轮，16-第二过渡齿轮，

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，431-限位凸块，

432-簧件，51-第一转轴，52-第二转轴，53-第三转轴

61-拨动件，62-拨动轴，63-滑轮，7-滑槽件，

71-第一滑槽，72-第二滑槽，81-第一齿条，82-第二齿条，

901-第一齿轮轴，902-第二齿轮轴，91-第一齿轮，92-第二齿轮，

93-第一中间齿轮，94-第二中间齿轮，95-第三中间齿轮，96-第四中间齿轮，

100-物体，101-工作台。

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。

本发明设计的限位杆系增速补偿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11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、电机10、第一传动机构；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线平行；所述近关节轴31活动套设在基座1中；所述远关节轴32活动套设在第一指段21中；所述第一指段21套接在近关节轴31上；所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述电机10与基座1固接；所述第一传动机构设置在基座1中；该限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆41、第二连杆42、第一转轴51、第二转轴52、第三转轴53、限位凸块431、簧件432、拨动件61、拨动轴62、滑槽件7、滑轮63、第一齿条81、第二齿条82、第一齿轮91、第二齿轮92、第一齿轮轴901、第二齿轮轴902、第二传动机构和第二指段表面23；所述第一转轴51套设在基座1中，所述第一转轴51、第二转轴52、第三转轴53分别与近关节轴的中心线平行；所述第一连杆41的一端套接在第一转轴51上，所述第一连杆41的另一端套接在第二转轴52上；所述电机10的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一连杆41相连；设近关节轴31的中心为A，远关节轴32的中心为B，第一转轴51的中心点为M，第二转轴52的中心点为N，第三转轴53的中心点为Q，线段AB等于线段MN，线段AM在初始状态时等于线段BN，点B、点N、点Q的连线构成三角形，点Q、点M分别在直线BN的两侧；所述第二连杆42的一端套接在第二转轴上，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22套接在远关节轴32上，所述第二指段22套接在第三转轴53上；所述限位凸块431与第二连杆42固接，所述限位凸块431与第二指段22在初始位置时相接触；所述簧件432的两端分别连接第二连杆42和第二指段22；所述限位凸块432限制线段NQ与线段BQ的夹角不大于初始状态时的夹角；所述拨动件61与第一指段21固接，所述拨动轴62套设在拨动件61中，所述滑轮63活动套接在拨动轴62上；所述拨动轴62与远关节轴32平行；所述第二指段22中设有固定的第一滑槽71，所述滑槽件7滑动嵌套在第一滑槽71中；所述滑槽件7中设有固定的第二滑槽72，所述滑轮63滑动嵌套在第二滑槽72中；所述第一齿条81与滑槽件7固接，所述第一齿轮91活动套接于远关节轴32，所述第一齿条81与第一齿轮91啮合；所述第一齿轮91与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二齿轮92相连；所述第一齿轮轴901，第二齿轮轴902套设在第二指段22中，所述第二齿轮92活动套接在第二齿轮轴上902，所述第二齿轮92与第二齿条82啮合；所述第二齿条82与第二指段表面罩23固接；所述第二指段表面罩23滑动嵌套在第二指段22上；设第二齿轮轴902的中心为C，拨动轴62的中心为E，滑槽件7在第一滑槽71上的滑动方向与线段BC平行，所述滑轮63在第二滑槽72上的滑动方向与线段BC垂直；线段AB与线段BE共线；通过第一齿条81、第一齿轮91、第二传动机构、第二齿轮92和第二齿条82的传动，使得当滑槽件7向靠近第一指段21的方向滑动时第二指段表面罩23向离开第二指段22的方向滑动；设近关节轴31到远关节轴32的距离为L，拨动轴62到远关节轴32的距离为a，设滑槽件7向靠近第一指段21的方向滑动的速度为u，第二指段表面罩23向离开第二指段22的方向滑动的速度为v，通过第一齿条81、第一齿轮91、第二传动机构、第二齿轮92和第二齿条82的传动，使得v＝uL/a。

本实施例中，所述第一传动机构包括减速器11、第一锥齿轮12、第二锥齿轮13、过渡轴14、第一齿轮15、第二齿轮16；所述电机10的输出轴与减速器11的输入轴相连，所述第一锥齿轮12套固在减速器11的输出轴上，所述第二锥齿轮13套固在过渡轴14上，所述第一锥齿轮12与第二锥齿轮13啮合；所述过渡轴14套设在基座1中，所述第一齿轮15套固在过渡轴14上，所述第二齿轮16套接在第一转轴上，所述第二齿轮与第一连杆固接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例具有两种抓取模式，即直线平行夹持抓取模式和自适应包络抓取模式。

1.直线平行夹持抓取模式

初始状态时，限位凸块431与第二指段22相接触，第一连杆41与第一指段21相互平行，电机10转动，通过第一传动机构带动第一连杆41逆时针旋转，限位凸块431与第二指段22仍相互接触，使得第二连杆42与第二指段22之间夹角不变，三角形BNQ不变形的平动，线段BN长度仍然等于线段AM，ABNM为平行四边形，第一连杆41通过第二连杆42、第二指段22带动第一指段21逆时针转动，且第一连杆41与第一指段21保持平行状态，第二连杆42与第二指段22平动，实现了平行夹持运动。

近关节轴31到远关节轴32的距离为L(如图11所示)，拨动轴62到远关节轴32的距离为a(如图11所示)，电机10转动，第一指段21绕近关节轴31转动，第二指段22保持原有姿态运动过程中，与第一指段21固接的拨动件61拨动滑轮63在第二滑槽72中滑动，当第一指段21相对基座逆时针旋转θ角度时，远关节轴32垂直高度下降了w，有

w＝L(1-cosθ)， (1)

由于拨动件61与第一指段21固接，第二指段22相对于第一指段21顺时针转动θ角度，即拨动件61相对第二指段22逆时针旋转θ角度，拨动件61带动拨动轴62，带动滑轮63拨动滑槽件7，使滑槽件7靠近第一指段21的方向(图11中向下)移动a(1-cosθ)距离，带动第一齿条81，使第一齿轮91转动，带动第一中间齿轮93，带动第二中间齿轮94，带动第三中间齿轮95，带动第四中间齿轮96，第二齿轮92转动，带动第二齿条82向离开第二指段22方向(图11中向上)运动，即第二指段表面罩23向离开第二指段22的方向运动。已知第一齿轮91的齿数为z₁，第二齿轮92的齿数为z₂，第一中间齿轮93的齿数为z₃，第二中间齿轮94的齿数为z₄，第三中间齿轮95的齿数为z₅，第四中间齿轮96的齿数为z₆，从第一齿轮91到第二齿轮92的传动比i为:

i＝(z₄/z₃)(z₆/z₅)(z₁/z₂)， (2)

合理设计z₁、z₂、z₃、z₄、z₅、z₆，可以使得：

i＝a/L， (3)

例如，本实施例中，令a＝L/8，代入(3)式得：i＝1/8，代入(2)式得：(z₄/z₃)(z₆/z₅)(z₁/z₂)＝1/8，因此，可以设计：z₁＝12，z₂＝24，z₃＝24，z₄＝12，z₅＝24，z₆＝12，满足要求。

第二指段表面罩23向离开第二指段22的方向上升了一段距离为d，有：

d＝a(1-cosθ)/i， (4)

所以，

d＝a(1-cosθ)/i＝a(1-cosθ)/(a/L)＝L(1-cosθ). (5)

根据(5)式与(1)式，因此，

d＝w. (6)

即：第二指段表面罩23相对于基座1在高度上无位移变化，第二指段表面罩23相对于基座1在水平方向上沿着直线运动，此时如果第二指段表面罩23接触物体100，则抓取结束，此过程如图17至图19，此过程为直线平行夹持抓取模式。

图17至图19为本实施例在倒置时抓取工作台101上的物体100的过程图，在图17至图19中，基座1均处于相对于工作台101同样的高度，图中H代表了基座1的底面距离工作台101的高度，直线平行夹持抓取模式中，H不变。

2.自适应抓取模式

在上述过程中，如果第二指段表面罩23未接触物体100，而第一指段21先接触了物体100被阻挡，如图20至图21所示，第一指段21不能再进一步转动，此时，第一连杆41受电机10驱动继续转动，第二转轴51(点N)与远关节轴32(点B)之间距离缩短，即BN减小带动第二连杆42转动，限位凸块431与第二指段22分离，线段NQ与线段BQ之间夹角减小，带动第二指段22顺时针旋转；同时，由于第二指段22相对于第一指段21顺时针转动了一个角度，滑轮63会带动滑槽件7相应的滑动，第一齿条81滑动，通过第一齿轮91、第二传动机构和第二齿轮92带动第二齿条82反向滑动，第二指段表面罩23相应滑动；直到第二指段22接触物体100，抓取结束，达到自适应包络握持物体的效果。此抓取模式为自适应抓取模式，可以适应不同形状、尺寸的物体100。

此过程如图17至图22所示，其中图17至图19以及图20至图21为第一指段21绕近关节轴31转动时，第二指段22绕远关节轴32反向转动同样的角度，第二指段表面罩23沿直线向右靠近物体100，第二指段表面罩23相对基座1姿态保持不变且高度也不变。

图21和图22为第一指段22已经接触物体100被阻挡不能运动，第二指段22继续绕远关节轴32自适应转动的过程(同时，第二指段表面罩23在第二指段22上相应滑动)，直到第二指段表面罩23接触物体100，抓取结束。

本实施例释放物体100时，电机10反转，释放物体过程与上述抓取物体的过程相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、两个连杆、第二指段表面罩、滑槽件、拨动件、拨动轴、滑轮、齿轮齿条、簧件和限位凸块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。

Claims

1.一种限位杆系增速补偿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、第一传动机构；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述电机与基座固接；所述第一传动机构设置在基座中；其特征在于：该限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、限位凸块、簧件、拨动件、拨动轴、滑槽件、滑轮、第一齿条、第二齿条、第一齿轮、第二齿轮、齿轮轴、第二传动机构和第二指段表面罩；所述第一转轴套设在基座中，所述第一转轴、第二转轴、第三转轴分别与近关节轴的中心线平行；所述第一连杆的一端套接在第一转轴上，所述第一连杆的另一端套接在第二转轴上；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一转轴的中心点为M，第二转轴的中心点为N，第三转轴的中心点为Q，线段AB等于线段MN，线段AM在初始状态时等于线段BN，点B、点N、点Q的连线构成三角形，点Q、点M分别在直线BN的两侧；所述第二连杆的一端套接在第二转轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三转轴上；所述第二指段套接在远关节轴上，所述第二指段套接在第三转轴上；所述限位凸块与第二连杆固接，所述限位凸块与第二指段在初始位置时相接触；所述簧件的两端分别连接第二连杆和第二指段；所述限位凸块限制线段NQ与线段BQ的夹角不大于初始状态时的夹角；所述拨动件与第一指段固接，所述拨动轴套设在拨动件中，所述滑轮活动套接在拨动轴上；所述拨动轴与远关节轴平行；所述第二指段中设有固定的第一滑槽，所述滑槽件滑动嵌套在第一滑槽中；所述滑槽件中设有固定的第二滑槽，所述滑轮滑动嵌套在第二滑槽中；所述第一齿条与滑槽件固接，所述第一齿轮活动套接于远关节轴，所述第一齿条与第一齿轮啮合；所述第一齿轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二齿轮相连；所述第一齿轮轴和第二齿轮轴套设在第二指段中，所述第二齿轮活动套接在第二齿轮轴上，所述第二齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条与第二指段表面罩固接；所述第二指段表面罩滑动嵌套在第二指段上；设第二齿轮轴的中心为C，拨动轴的中心为E，滑槽件在第一滑槽上的滑动方向与线段BC平行，所述滑轮在第二滑槽上的滑动方向与线段BC垂直；线段AB与线段BE共线；通过第一齿条、第一齿轮、第二传动机构、第二齿轮和第二齿条的传动，使得当滑槽件向靠近第一指段的方向滑动时第二指段表面罩向离开第二指段的方向滑动；设近关节轴到远关节轴的距离为L，拨动轴到远关节轴的距离为a，设滑槽件向靠近第一指段的方向滑动的速度为u，第二指段表面罩向离开第二指段的方向滑动的速度为v，通过第一齿条、第一齿轮、第二传动机构、第二齿轮和第二齿条的传动，使得v＝uL/a。

2.如权利要求1所述的限位杆系增速补偿直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构、连杆传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构或绳轮传动机构中的一种或多种的组合。