CN108115715B

CN108115715B - 差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN108115715B
Application number: CN201711175174.1A
Authority: CN
Inventors: 王香香; 张文增; 徐向荣
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN108115715A

Abstract

差动连杆反向传动增效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、两个传动机构、簧件和两个限位凸块。该装置实现了双关节机器人手指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包络不同形状、大小的物体，且第二指段在自适应过程中转动的角度范围较大；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；该装置结构简单、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

差动连杆反向传动增效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，特别涉及一种差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的重要部件，是机器人研究的热点和难点。已开发出来的机器人手(工业夹持器、欠驱动手、灵巧手和特种手等)配合机器人传感与控制系统，能在许多特殊的环境中完成特定任务。

灵巧手具有较多的关节自由度和较高的拟人灵巧性，能够完成多数人手抓取、操作和感知功能，但是实时传感与控制需求较高，系统比较复杂，成本比较昂贵，不利于推广应用。特种手主要是针对特定物体开发的各种无手指机器人手的统称，例如吸盘、磁铁、静电以及主动吸气式装置，在抓取物体方面，不如具有多个手指的机器人手更适合在人居环境中使用。

工业夹持器一般采用平行夹持的方式，为了保持夹持的稳定性，需要施加一定的夹紧力。

欠驱动机器人手是一类利用较少电机驱动较多关节自由度来达到较好抓取物体目的的多指机器人手。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。

为了保持常用的平夹抓取，同时增加对物体包络抓取效果以提高抓取范围和抓取稳定性，具有平行夹持和自适应包络两种抓取模式的平夹自适应欠驱动机器人手被开发出来。

已有的一种欠驱动机器人手指装置(专利WO2013075245A1)，包括基座、电机、两个连杆、两个指段、限位块和簧件等。该装置实现了平夹自适应复合抓取物体的功能：最初阶段近指段绕近关节轴转动，同时远指段相对于基座保持初始姿态不变，达到平夹抓取的效果；当近指段接触物体被物体阻挡不能再继续转动之后，电机驱动主动杆转动，使得限位块分离，主动杆的转动通过连杆推动远指段绕远关节轴转动，直到接触物体为止，达到自适应包络不同抓取。其不足在于：该装置的抓取范围有限。由于平夹阶段，远指段反转了一个角度α(与近指段相同的角度)，所以在自适应包络握持物体时需要远指段绕远关节轴转动一个较大的角度β，当该角度等于近指段角度时，仅仅能达到让手指伸直——即远指段恢复到相对于近指段的初始状态，这样β＝α的转动还不足以称为远关节弯曲，也难以包络物体，所以为了达到包络握持且抓取范围大，需要β比α大很多才行；而该装置由于连杆机构的限制，无法做到这样的抓取范围。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置。该装置结构简单，具有多种抓取模式，既能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。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机，所述电机固接在基座中，所述电机的输出轴与第一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，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一限位凸块、第二限位凸块、簧件和第二传动机构；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；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第一转轴的中心点为C，第二转轴的中心点为D，第三转轴的中心点为E，线段AB等于线段CD，线段AC在初始状态时等于线段BD，点B、点D、点E的连线构成三角形，点E与点C分别在直线BD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；所述第三连杆的一端套接在第三转轴上，所述第三连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第二传动机构的输入端与第二连杆相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连；通过第二传动机构的传动，在传动中所述第二传动机构的输入端相对于第三连杆的转动方向与第二传动机构的输出端相对于第三连杆的转动方向相反，所述第二传动机构的输入端与输出端的传动比为i,i＜1；所述第二指段套接在远关节轴上；所述第一限位凸块与第二连杆固接，所述第二限位凸块与第三连杆固接，所述第一限位凸块与第二限位凸块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三连杆；所述第一限位凸块与第二限位凸块限制线段DE与线段BE的夹角不大于初始状态时的夹角。

本发明所述的差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括：第一带轮、第二带轮和传动带；所述第一带轮套接在第三转轴上，所述第一带轮与第二连杆相连，所述第二带轮套接在远关节轴上，所述第二指段与第二带轮相连；所述传动带的两端分别连接第一带轮和第二带轮，所述传动带呈“8”字形，所述第一带轮通过传动带传到第二带轮的传动比为i,i＜1。

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、两个传动机构、簧件和两个限位凸块等综合实现了双关节机器人手指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包络不同形状、大小的物体，且第二指段在自适应过程中转动的角度范围较大；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；该装置结构简单、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的差动连杆反向传动增效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所示实施例的正视图(未画出部分零部件)。

图4是图1所示实施例的背面视图。

图5是图2的左视图。

图6是图2的右视图。

图7是图1所示实施例的爆炸视图。

图8至图10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11至图14是图1所示实施例在以自适应包络物体的方式抓取物体的动作过程示意图。

图15是初始位置时第二连杆、第一限位凸块、第二限位凸块、簧件、第二传动机构和第二指段的相对位置关系。

图16是平夹过程中第二连杆、第一限位凸块、第二限位凸块、簧件、第二传动机构和第二指段的相对位置关系。

图17是自适应过程中第二连杆、第一限位凸块、第二限位凸块、簧件、第二传动机构和第二指段的相对位置关系。

图18是图1所示实施例的工作过程原理图。

在图1至图18中：

1—基座， 10—电机 11—第一传动机构，

12—物体， 2—第一指段， 3—第二指段，

41—近关节轴， 42—远关节轴， 51—第一转轴，

52—第二转轴， 53—第三转轴， 61—第一连杆，

62—第二连杆， 63—第三连杆， 71—第一限位凸块，

72—第二限位凸块， 8—簧件， 91—第一带轮，

92—第二带轮， 93—传动带。

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。

本发明设计的差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一传动机构11、第一指段2、第二指段3、近关节轴41、远关节轴42和电机10，所述电机10固接在基座1中，所述电机10的输出轴与第一传动机构11的输入端相连；所述近关节轴41套设在基座1中，所述第一指段2套接在近关节轴41上，所述远关节轴42套设在第一指段2中，所述近关节轴41与远关节轴42的中心线平行；本实施例还包括第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第一转轴51、第二转轴52、第三转轴53、第一限位凸块71、第二限位凸块72、簧件8和第二传动机构；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41的中心线平行；所述第一连杆61的一端套接在第一转轴51上，所述第一连杆61的另一端套接在第二转轴52上，所述第一传动机构11的输出端与第一连杆61相连；设近关节轴41的中心点为A，远关节轴42的中心点为B，第一转轴51的中心点为C，第二转轴52的中心点为D，第三转轴53的中心点为E，线段AB等于线段CD，线段AC在初始状态时等于线段BD，点B、点D、点E的连线构成三角形，点E与点C分别在直线BD的两侧；所述第二连杆62的一端套接在第二转轴52上，所述第二连杆62的另一端套接在第三转轴53上；所述第三连杆63的一端套接在第三转轴53上，所述第三连杆63的另一端套接在远关节轴42上；所述第二传动机构的输入端与第二连杆62相连；所述第二传动机构的输出端与第二指段3相连，通过第二传动机构的传动，在传动中所述第二传动机构的输入端相对于第三连杆63的转动方向与第二传动机构的输出端相对于第三连杆63的转动方向相反，所述第二传动机构将第二连杆62相对于第三连杆63的转动转变为第二指段3相对于第三连杆63的反向转动，所述第二传动机构的输入端与输出端的传动比为i,i＜1；所述第二指段3套接在远关节轴42上；所述第一限位凸块71与第二连杆62固接，所述第二限位凸块72与第三连杆63固接，所述第一限位凸块71与第二限位凸块72在初始位置时相接触，所述簧件8的两端分别连接第二连杆62和第三连杆63；所述第一限位凸块71与第二限位凸块72限制线段DE与线段BE的夹角不大于初始状态时的夹角。

本实施例中，所述第二传动机构包括：第一带轮91、第二带轮92和传动带93；所述第一带轮91套接在第三转轴53上，所述第一带轮91与第二连杆62相连，所述第二带轮92套接在远关节轴42上，所述第二指段3与第二带轮92相连；所述传动带93的两端分别连接第一带轮91和第二带轮92，所述传动带93呈“8”字形，所述第一带轮91通过传动带93传到第二带轮92的传动比为i,i＝0.5。

本实施例的工作原理，结合附图8至图18，叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图2所示。电机10转动，通过第一传动机构11带动第一连杆61转动角度α(如图18所示)，由于簧件8拉着第一限位凸块71并使其紧靠第二限位凸块72，使得第二连杆62与第三连杆63保持初始的相对位置关系而平动，因此第二传动机构和第二指段3保持初始姿态平动(此时第二连杆62、第一限位凸块71、第二限位凸块72、簧件8、第二传动机构和第二指段3的相对位置如图16所示)，第一指段2转动相同的角度α，适合平行夹持物体12。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体12，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体12。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。在上述过程中，当第二指段3接触物体12，则抓取结束，动作过程如图8至图10所示。

在上述图8至图10的平夹过程中，当第一指段2接触物体12时，进入另一抓取模式。此时电机10继续转动，带动第一连杆61继续转动角度β(如图18所示)，由于第一指段2被物体12阻挡不能继续转动，簧件8发生变形使得第一限位凸块71与第二限位凸块72分离(变化过程如图15至图17所示)，此时，线段BE与线段DE之间的角度变小，第二连杆62带动第一带轮91相对第三连杆63逆时针转动(图18)，通过传动带93使得第二带轮92相对第三连杆63顺时针转动一个大角度(图18)，第二指段3向着靠近物体12的方向转动直至接触物体12，达到自适应包络物体12的效果，动作过程如图11至图14所示。

释放物体12时，电机10反转，与上述过程相反，不再赘述。

Claims

1.差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机，所述电机固接在基座中，所述电机的输出轴与第一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，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一限位凸块、第二限位凸块、簧件和第二传动机构；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；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第一转轴的中心点为C，第二转轴的中心点为D，第三转轴的中心点为E，线段AB等于线段CD，线段AC在初始状态时等于线段BD，点B、点D、点E的连线构成三角形，点E与点C分别在直线BD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；所述第三连杆的一端套接在第三转轴上，所述第三连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第二传动机构的输入端与第二连杆相连，所述第二传动机构的输出端与第二指段相连；通过第二传动机构的传动，在传动中所述第二传动机构的输入端相对于第三连杆的转动方向与第二传动机构的输出端相对于第三连杆的转动方向相反，所述第二传动机构的输入端与输出端的传动比为i,i＜1；所述第二指段套接在远关节轴上；所述第一限位凸块与第二连杆固接，所述第二限位凸块与第三连杆固接，所述第一限位凸块与第二限位凸块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三连杆；所述第一限位凸块与第二限位凸块限制线段DE与线段BE的夹角不大于初始状态时的夹角。

2.如权利要求1所述的差动连杆反向传动增效平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括：第一带轮、第二带轮和传动带；所述第一带轮套接在第三转轴上，所述第一带轮与第二连杆相连，所述第二带轮套接在远关节轴上，所述第二指段与第二带轮相连；所述传动带的两端分别连接第一带轮和第二带轮，所述传动带呈“8”字形，所述第一带轮通过传动带传到第二带轮的传动比为i,i＜1。