CN107984484A - 末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

末端精确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、多个连杆、中间传动机构、T形滑槽件、齿轮、齿条、限位块和簧件等。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：在近关节转动时，第二指段表面罩相对于基座沿直线平动；在第一指段接触物体后，再转动第二指段表面罩去接触物体；达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个电机驱动两个关节；该装置结构简单，成本低，适用于机器人手。

Description

末端精确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，特别涉及一种末端精确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

机器人的发明为人类的生活带来了便利。在机器人的组成部分中，机器人手是其中最为灵巧的部件之一。各种各样的机器人手被开发出来帮助机器人完成各项任务。这些机器人的种类包括工业夹持器、灵巧手、特种手等。开发出能够抓取多种多样的物体，完成各种任务的机器人手一直是科学工作者的共同目标。

机器人手的研究开始以灵巧手为主，每个手指关节各设置电机，在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取。但是灵巧手成本较高，控制复杂，需要经常进行维护、抓持力较小，因此应用受到了极大地限制。现有的灵巧手关节电机(如电机、空气肌肉等)产生的驱动力较小，而灵巧手各指段的运动由灵巧手关节电机直接驱动，使得灵巧手负载能力较弱，这些使得灵巧手不能广泛的投入生产实践和日常生活中。

为了解决灵巧手的种种问题，欠驱动手被科学工作者开发出来。欠驱动手是电机数目少于关节自由度的机器人手。欠驱动机器人手理论较早有加拿大Laval大学提出，并设计出了一种经典的四连杆-弹簧结构的欠驱动机器人手。理论和实践证明，欠驱动机器人手由于电机较少，成本低、控制简单、结构紧凑、抓取力大，具有很高的应用价值。此后，大量关于欠驱动手的研究成果涌现，欠驱动手也被大量投入生产实践。

空间中的物体多种多样、大小不一，并且机器人手需要同时限制住物体的6个自由度才能成功抓持物体。为此，科学工作者提出了许多抓取模式。在机器人手抓取模式中，适应物体表面抓取是运用极为广泛的的一种。适应物体表面抓取主要采用手指表面对物体表面的作用力与物体受到的外力达到力学平衡的原理，使得物体静止，从而实现对物体的抓取。其对物体的作用力大小取决于物体与手指接触表面作用力和物体所受的外力等。由于不需要较大的摩擦力，适应物体表面抓取模式下各手指表面对物体表面的作用力可以大大降低，例如小于仅有两个平行手指的工业夹持器抓取物体时对物体表面的作用力。适应物体表面抓取也被称为强力抓取。

自适应抓取模式属于适应物体表面抓取模式。自适应抓取模式是指采用柔性关节或弹簧等部件使得机器人手指在抓取物体时各指段能够根据物体表面发生相对运动，达到自适应物体表面包络抓取物体效果的抓取模式。一些采用自适应抓取模式的手包括加拿大Laval大学开发的SARAH手和美国人Stark开发的Stark手等。

一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)已经被发明出来，包括基座、电机、中部指段、末端指段和带轮传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动弯曲抓取物体的效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处在于：手指只具有适应物体表面抓取模式，不具有平行夹持模式。平行夹持抓取模式(也称为末端平行捏持)是指：在抓取时，两个手指在近关节转动时末端指段始终保持相对于基座的初始姿态而达到相互平行的效果。对于放置在工作台面上的小尺寸物体，手指相对于物体表面积过大，难以形成自适应抓取，平行夹持是唯一的抓取方式，此外，不具有平行夹持模式的机器人手装置极难较好抓取小尺寸物体。

具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，例如专利WO2016063314A1，包括若干连杆，一个夹持指段，电机组成。该装置能够实现夹持指段的直线平动，利用夹持指段的平行移动对不同大小的物体实现平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置只能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取物体的功能。

现有的一种具有两种抓取模式的欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括多个连杆、弹簧、机械约束和电机等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置仅能实现圆弧平行夹持功能，无法实现直线平行夹持功能——该装置在平夹抓取阶段，其手指末端会在高度方向上发生变化，导致使用该装置在工作台上夹持不同尺寸的物体时，无法用同一个手掌的位置去实施多次抓取，必须要机器人臂部配合运动来调节机器人手的手掌位置，增加了编程难度，同时不利于高速抓取与操作，影响了机器人生产线的柔性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置。该装置能够实现直线平夹与自适应复合抓取模式，既能直线平动第二指段夹持物体——第二指段的末端无高度方向的变化，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；适合进行工作台上不同尺寸物体的抓取，无需调节机器人手的整体位置，提高机器人手的适用性。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的末端精确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、第一轴、第二轴、第三轴、簧件、限位块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、电机和传动机构；所述电机与基座固接，所述电机的输出端与传动机构的输入端相连；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，所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第二连杆的一端套接在第一轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上；所述第四连杆的一端套接在第三轴上，第四连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二轴套设在第二指段中；所述簧件的两端分别连接基座和第三连杆；所述限位块固接在基座上；在初始状态时限位块与第三连杆相接触；设近关节轴的中心点为A，第三轴的中心点为B，第二轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，线段AB的长度和线段CD的长度相等，线段BC的长度和线段AD的长度相等；所述第一轴的中心点为F，线段AF的长度大于线段CD的长度；其特征在于：该末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第四轴、T形滑槽件、第一齿条、第二齿条、第一齿轮、第二齿轮、中间传动机构和第二指段表面罩；所述第四轴套设在第四连杆上，所述T形滑槽件设有滑槽，所述第四轴滑动镶嵌在滑槽中；所述T形滑槽件滑动镶嵌第三连杆中，所述T形滑槽件在第三连杆上的滑动方向与第四轴在T形滑槽件中的滑动方向垂直；设所述第四轴的中心点为E，点C、点E和点B三者共线，线段BC的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述第一齿条固接在T形滑槽件上，第一齿轮活动套接在近关节轴上，第一齿轮与第一齿条啮合；所述第二齿轮活动套接在远关节轴上，第二齿轮与第二齿条啮合，所述第二指段表面罩固接在第二齿条上；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；所述第一齿轮与中间传动机构的输入端相连，所述中间传动机构的输出端与第二齿轮相连；所述第二指段表面罩在第二指段上的滑动方向和T形滑槽件在第三连杆上的滑动方向相互平行；所述中间传动机构的传动比为1；所述第二齿轮的分度圆半径是第一齿轮的分度圆半径的k倍。

本发明所述的末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间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、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：

本发明装置利用两个指段、多个连杆、电机、滑槽、齿条、齿轮、中间传动机构和簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：该装置能直线平动第二指段表面罩去夹持物体——第二指段的末端无高度方向的变化，，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段表面罩去接触物体，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；适合进行工作台上不同尺寸物体的抓取，无需调节机器人手的整体位置，提高机器人手的适用性；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个电机驱动两个关节；该装置结构简单，成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的末端精确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所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的机构简图，图中显示出A、B、C、D、E、F点的位置。

图4是图1所示实施例的剖面图。

图5是图1所示实施例内部结构的立体图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的在直线平夹抓取阶段第二指段接触物体的平夹抓取物体的示意图，不同的双点划线代表该实施例在直线平夹抓取物体的不同工位。

图8至图10是图1所示实施例自适应包络握持物体的动作过程，该抓取过程中，第一指段被物体阻挡不能再运动，第二指段在电机作用下继续绕远关节轴转动，直到第二指段表面罩接触物体为止，对不同形状和尺寸物体具有自适应性。

在图1至图10中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－簧件，

5－限位块， 6－近关节轴， 7－远关节轴， 8－T形滑槽件，

9－第四轴， 10—第二指段表面罩 21－第一轴， 22－第二轴，

23－第三轴， 31－第一连杆， 32－第二连杆， 33－第三连杆，

34－第四连杆， 41－第一齿轮， 42－第二齿轮， 43－第一齿条，

44－第二齿条， 45—中间传动机构， 200－电机， 201－传动机构，

300－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。

本发明设计的末端精确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6所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴6、远关节轴7、第一轴21、第二轴22、第三轴23、簧件4、限位块5、第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34、电机200和传动机构201；所述电机200与基座1固接，所述电机200的输出端与传动机构201的输入端相连；所述近关节轴6套设在基座1中，所述第一指段2套接在近关节轴6上，所述远关节轴7套设在第一指段2中，所述第二指段3套接在远关节轴7上，所述近关节轴6的中心线与远关节轴7的中心线平行；所述传动机构201的输出端与第一连杆31相连；所述第一连杆31的一端套接在近关节轴6上，第一连杆31的另一端套接在第一轴21上；所述第二连杆32的一端套接在第一轴21上，第二连杆32的另一端套接在第二轴22上；所述第三连杆33的一端套接在近关节轴6上，第三连杆33的另一端套接在第三轴23上；所述第四连杆34的一端套接在第三轴23上，第四连杆34的另一端套接在第二轴22上；所述第二轴22套设在第二指段3中；所述簧件4的两端分别连接基座1和第三连杆33；所述限位块5固接在基座1上；在初始状态时限位块5与第三连杆33相接触；设近关节轴6的中心点为A，第三轴23的中心点为B，第二轴22的中心点为C，远关节轴7的中心点为D，线段AB的长度和线段CD的长度相等，线段BC的长度和线段AD的长度相等；所述第一轴21的中心点为F，线段AF的长度大于线段CD的长度；该末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第四轴9、T形滑槽件8、第一齿条43、第二齿条44、第一齿轮41、第二齿轮42、中间传动机构45和第二指段表面罩11；所述第四轴9套设在第四连杆上，所述T形滑槽件8设有滑槽，所述第四轴9滑动镶嵌在滑槽中；所述T形滑槽件8滑动镶嵌第三连杆33中，所述T形滑槽件8在第三连杆33上的滑动方向与第四轴9在T形滑槽件8中的滑动方向垂直；设所述第四轴9的中心点为E，点C、点E和点B三者共线，线段BC的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述第一齿条43固接在T形滑槽件8上，第一齿轮41套接在近关节轴6上，第一齿轮41与第一齿条43啮合；所述第二齿轮42活动套接在远关节轴7上，第二齿轮42与第二齿条44啮合，所述第二指段表面罩11固接在第二齿条44上；所述第二指段表面罩11滑动镶嵌在第二指段3上；所述第一齿轮41与中间传动机构45的输入端相连，所述中间传动机构45的输出端与第二齿轮42相连；所述第二指段表面罩11在第二指段3上的滑动方向和T形滑槽件8在第三连杆33上的滑动方向相互平行；所述中间传动机构45的传动比为1；所述第二齿轮42的分度圆半径是第一齿轮41的分度圆半径的k倍。

其中，线段AF的长度大于线段CD的长度，是为了使得本实施例有解。

在本实施例中，k为2，线段BC的长度与线段BE的长度的比值为2，所述第二齿轮的分度圆半径是第一齿轮的分度圆半径的2倍。

本发明所述的末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构45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、绳轮传动机构中的一种或多种的组合。本实施例中，所述中间传动机构45采用带轮传动机构，包括传动带、第一传动轮和第二传动轮，所述传动带分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述传动带、第一传动轮、第二传动轮三者构成带轮传动关系，所述传动带呈“O”形；所述第一传动轮套接在近关节轴上，所述第二传动轮套接在远关节轴上，所述第一传动轮与第一齿轮固接，所述第二传动轮与第二齿轮固接；所述第一传动轮的传动半径与第二传动轮的传动半径相等，即第一传动轮通过传动带到第二传动轮的传动为传动比为1的等速传动。

本实施例中，所述簧件4采用拉簧。

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，第三连杆33在簧件4的拉力作用下紧靠限位块5，第三连杆33与基座1保持相对静止，由于第一指段2、第二指段3、第三连杆33和第四连杆34构成的ABCD平行四连杆机构的作用和限位块5对位置的限定，使得第二指段3相对于基座始终保持初始姿态。电机200转动，通过传动机构201带动第一连杆31顺时针(该顺时针指在图3上的顺时针，下同)转动，通过第二连杆32给第二轴22施加一个推力。该推力在水平方向上有向右的分力，由于第一指段2、第二指段3、第三连杆33和第四连杆34构成的平行四边形机构的作用，使得第一指段2绕近关节轴6顺时针转动，同时第二指段3向右作绕近关节轴6的圆弧运动。

本实施例具有两种抓取模式，即直线平夹抓取模式和自适应包络抓取模式，介绍如下：

(1)直线平夹抓取模式

电机200通过传动机构201驱动第一连杆31转动的过程中，当第一指段2未接触物体300时，此时为直线平夹抓取模式(如图7所示)：第二指段3相对于基座1保持固定的姿态平行运动，第二指段表面罩10可以相对于第二指段3沿着竖直方向运动，从而实现第二指段表面罩10在水平方向上跟随第二指段3同步运动，且第二指段表面罩10相对于基座1沿着直线运动。当第二指段表面罩10接触物体300并施加足够的抓取力时，直线平夹抓取过程结束。该直线平夹抓取模式使得本实施例在夹取工作台上不同尺寸物体300时不需要调整本实施例的基座所处位置(一般由连接基座的机械臂编程实现)，简化了编程，消除了需要调整基座的时间开销，提高了工作效率，特别适合高速抓取不同尺寸物体。

下面结合本实施例(如图3所示)介绍第二指段表面罩10在直线平夹模式下的直线运动过程。

设第一齿轮41的模数为m₁、第一齿轮41的齿数为z₁，第二齿轮42的模数为m₂、第二齿轮42的齿数为z₂，则有

设θ为第一指段2相对于初始的竖直方向的转角，单位：rad；线段AD、线段BC的长度均为L，单位：mm；线段BE的长度为a，单位：mm；第一齿条43相对于第三连杆33移动距离为s₁，单位：mm；第二齿条44相对于第二指段3移动距离为s₂，单位：mm；在平行夹持阶段，点D在转动过程中在竖直方向上下降的距离为b，在平行夹持阶段，点E相对于第三连杆33在竖直方向上的位移为c，单位：mm。

则有：

b＝L(1-cosθ) (2)

c＝a(1-cosθ) (3)

s₁＝c (4)

已知

s₂＝ks₁ (5)

又因为：

L＝ak (6)

联立上面多个公式，可以解得：

s₂＝b (7)

即第二指段表面罩10末端可以实现直线平动，本实施例达到了直线平行夹持抓取模式。

在上述过程中，当第二指段表面罩10接触物体300，则抓取结束，此抓取过程如图7所示，其中双点划线代表了另外三个平夹抓取状态，这种抓取是直线平行夹持抓取模式。

(2)自适应抓取模式

在上述直线平夹过程中，如果第二指段表面罩10未接触物体300，而第一指段2先接触了物体300被阻挡不能继续转动，此时，电机200继续转动，通过传动机构201带动第一连杆31继续顺时针转动，带动第二指段3绕着远关节轴7顺时针转动，由于第一指段2、第二指段3、第三连杆33和第四连杆34构成的平行四连杆机构，第二指段3通过第四连杆44使得第三连杆43克服簧件4的作用绕着近关节轴6顺时针转动，从而第二指段3可以绕着远关节轴7顺时针转动，直到第二指段3也接触物体300，抓取结束。这种抓取方式可以适应不同形状、尺寸的物体300——即达到了自适应抓取效果，此过程如图8至图10所示。

本实施例释放物体时，电机反转，释放物体的过程与上述抓取过程相反，不再赘述。

本发明装置利用两个指段、多个连杆、电机、滑槽、齿条、齿轮、中间传动机构和簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：该装置能直线平动第二指段表面罩去夹持物体——第二指段的末端无高度方向的变化，，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段表面罩去接触物体，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；适合进行工作台上不同尺寸物体的抓取，无需调节机器人手的整体位置，提高机器人手的适用性；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个电机驱动两个关节；该装置结构简单，成本低，适用于机器人手。

Claims (2)

1.一种末端精确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、第一轴、第二轴、第三轴、簧件、限位块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、电机和传动机构；所述电机与基座固接，所述电机的输出端与传动机构的输入端相连；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，所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第二连杆的一端套接在第一轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上；所述第四连杆的一端套接在第三轴上，第四连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二轴套设在第二指段中；所述簧件的两端分别连接基座和第三连杆；所述限位块固接在基座上；在初始状态时限位块与第三连杆相接触；设近关节轴的中心点为A，第三轴的中心点为B，第二轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，线段AB的长度和线段CD的长度相等，线段BC的长度和线段AD的长度相等；所述第一轴的中心点为F，线段AF的长度大于线段CD的长度；其特征在于：该末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置还包括第四轴、T形滑槽件、第一齿条、第二齿条、第一齿轮、第二齿轮、中间传动机构和第二指段表面罩；所述第四轴套设在第四连杆上，所述T形滑槽件设有滑槽，所述第四轴滑动镶嵌在滑槽中；所述T形滑槽件滑动镶嵌第三连杆中，所述T形滑槽件在第三连杆上的滑动方向与第四轴在T形滑槽件中的滑动方向垂直；设所述第四轴的中心点为E，点C、点E和点B三者共线，线段BC的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述第一齿条固接在T形滑槽件上，第一齿轮活动套接在近关节轴上，第一齿轮与第一齿条啮合；所述第二齿轮活动套接在远关节轴上，第二齿轮与第二齿条啮合，所述第二指段表面罩固接在第二齿条上；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；所述第一齿轮与中间传动机构的输入端相连，所述中间传动机构的输出端与第二齿轮相连；所述第二指段表面罩在第二指段上的滑动方向和T形滑槽件在第三连杆上的滑动方向相互平行；所述中间传动机构的传动比为1；所述第二齿轮的分度圆半径是第一齿轮的分度圆半径的k倍。

2.如权利要求1所述的末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间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、绳轮传动机构中的一种或多种的组合。