CN108189057B - 流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

流体增速末端伸缩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、驱动器、多个连杆、第二指段表面罩、传动机构和一个簧件等。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。该装置根据物体形状和位置的不同，能保持第二指段的姿态直线平动第二指段去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，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；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Description

流体增速末端伸缩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，特别涉及一种流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

随着智能技术的发展，机器人技术成为当今的研究热点，机器人手也引起越来越多的关注，在此方面的研究成果也越来越多。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。空间的物体多种多样、大小不一，有薄的纸张、形状不规则的石头、较大的球体等，物体具有六个自由度，机器人手在抓住物体的同时需要限制物体的六个自由度才能稳定的抓住物体。为了协助机器人完成更多的任务，机器人手需要能够最大限度的适应抓取多种不同形状尺寸的物体。

为此，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。研制能像人手一样灵活，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驱动器，但控制复杂，且抓持力较小，灵巧手的应用受到极大地限制。

适应物体表面抓取主要采用各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，进而物体达到静力平衡状态的方式，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与物体受到的外力平衡的过程，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远小于工业夹持器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，例如SARAH手和Southampton手就是采用自适应抓取模式。

现有的灵巧手和欠驱动手能够实现适应物体表面抓取模式。灵巧手虽然在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取，但其成本较高，控制复杂，需要经常进行维护。现有的灵巧手关节驱动器(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驱动器直接驱动，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。

为此，欠驱动拟人机器人手应运而生，欠驱动手是驱动器数目少于关节自由度的机器人手，加拿大Laval大学较早的提出了欠驱动机器人手理论和一种经典的四连杆-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驱动器较少控制简单，抓取力大，结构紧凑，具有很高的应用价值。此后，涌现了大量关于欠驱动手的研究成果，欠驱动手也被大量投入生产实践。

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、末端指段和平行带轮式传动机构等。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在于：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，难以实现较好的末端平行夹持抓取效果。但对于体积小的物体，由于物体表面小，而欠驱动机器人手指的每个指段的长度相对于物体表面来说又过长，难以自适应物体的表面，此时平行夹持就取得了明显的优势。

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，驱动器组成。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。

具有两种抓取模式的传统欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。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，(1)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，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人臂部运动才能配合实现抓取，因此抓取存在严重不足；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种流体增速末端伸缩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，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。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种流体增速末端伸缩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、簧件、限位块、第一连杆、第二连杆、第一传动轮、第二传动轮、传动件、驱动器和传动机构；所述驱动器与基座固接，所述驱动器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二传动轮相连；所述第二传动轮套设在近关节轴上，第一传动轮套接在远关节轴上，第一传动轮与第二指段固接；所述传动件的两端分别连接第二传动轮和第一传动轮，第一传动轮、传动件和第二传动轮三者构成传动关系，通过传动件的传动，第二传动轮到第一传动轮的传动大于1；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四连杆；所述限位块固接在基座上；在初始状态时限位块与第四连杆相接触；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第二轴的中心点为C，第一轴的中心点为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；其特征在于：该流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置还包括第三轴、滑块、滑杆、第一活塞、第二活塞、缸体、流体、活塞杆和第二指段表面罩；所述第三轴套设在第一指段中，设第三轴的中心点为点E，点E、点A和点B三者共线，线段AB的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述滑块套设在第三轴上；所述滑杆滑动镶嵌在滑块中；所述第一活塞滑动镶嵌在缸体中，第二活塞滑动镶嵌在缸体中，所述流体存储于第一活塞、第二活塞与缸体三者构成的封闭空腔中，第一活塞在缸体中的滑动方向与第二活塞在缸体中的滑动方向相互平行；所述缸体固接在第二指段中；所述第一活塞、流体和第二活塞三者构成传动关系，经过流体的传动，使得第一活塞相对于缸体的移动速度与第二活塞相对于缸体的移动速度的比值为k；所述第二活塞在缸体中的滑动方向与滑杆在滑块中的滑动方向相互垂直，第二活塞相对于液压缸的滑动方向垂直于线段AD；所述活塞杆的一端与第一活塞固接，活塞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，第二指段表面罩相对于第二指段的滑动方向与第一活塞相对于缸体的滑动方向相互平行。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮、蜗杆、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合，所述第一传动轮采用齿轮、带轮、链轮或绳轮，所述第二传动轮采用齿轮、带轮、链轮或绳轮。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述流体采用液体或气体。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用多个连杆、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、两个活塞、缸体、第二指段表面罩、两个传动轮、传动件、传动机构和一个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；通过两个传动轮和传动件实现了第一指段和第二指段的抓取运动；采用平行四边形机构和簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用满足一定条件的正弦机构和流体传动线性增速机构等实现了第二指段表面罩相对于基座沿着直线运动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，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；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的流体增速末端伸缩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所示实施例的机构原理图(未画出部分零件)，图中显示出A、B、C、D、E点和直线K的位置。

图4是图1所示实施例的正视图(剖视了部分零件)。

图5是图1所示实施例的立体剖视图(剖视基座，未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的立体剖视图(剖视基座和第一指段)。

图7是图1所示实施例的爆炸图。

图8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，双点划线代表运动过程中的三个状态。

图9和图10是图1所示实施例的直线自适应抓取的动作过程图，该抓取过程中，第二指段表面罩保持原来姿态直线运动。

图11和图12是图1所示实施例自适应抓取物体的动作过程图，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，从而达到自适应抓取物体的目的。

图13至图16是图1所示实施例的抓取过程中第一连杆44、限位块91和簧件90(剖视基座和第一指段)。

在图1至图16中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 6－第二指段表面罩， 7－流体， 8－滑杆，

9－滑块， 101－第一轴， 102－第二轴， 103－第三轴，

90－簧件， 91－限位块， 31－第一传动轮， 32－传动件，

33－第二传动轮， 11－第一连杆， 12－第二连杆， 71－活塞杆，

72－第一活塞， 73－缸体， 74－第二活塞， 200－驱动器，

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。

本发明设计的一种流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、第一轴101、第二轴102、簧件90、限位块91、第一连杆11、第二连杆12、第一传动轮31、第二传动轮33、传动件32、驱动器200和传动机构201；所述驱动器200与基座1固接，所述驱动器200的输出端与传动机构201的输入端相连；所述近关节轴4套设在基座1中，所述第一指段2套接在近关节轴4上，所述远关节轴5套设在第一指段2中，所述第二指段3套接在远关节轴5上，所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；所述传动机构201的输出端与第二传动轮33相连；所述第二传动轮33套设在近关节轴4上，第一传动轮31套接在远关节轴5上，第一传动轮31与第二指段3固接；所述传动件32的两端分别连接第二传动轮33和第一传动轮31，第一传动轮31、传动件32和第二传动轮33三者构成传动关系，通过传动件32的传动，第二传动轮33到第一传动轮31的传动大于1；所述第一连杆11的一端套接在近关节轴4上，第一连杆11的另一端套接在第一轴101上；所述第二连杆12的一端套接在第一轴101上，第二连杆12的另一端套接在第二轴102上；所述第二轴102套设在第二指段3中；所述簧件90的两端分别连接基座1和第四连杆；所述限位块91固接在基座1上；在初始状态时限位块91与第四连杆相接触；设近关节轴4的中心点为A，远关节轴5的中心点为B，第二轴102的中心点为C，第一轴101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；其特征在于：该流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置还包括第三轴103、滑块9、滑杆8、第一活塞72、第二活塞74、缸体73、流体7、活塞杆71和第二指段表面罩6；所述第三轴103套设在第一指段2中，设第三轴103的中心点为点E，点E、点A和点B三者共线，线段AB的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述滑块9套设在第三轴103上；所述滑杆8滑动镶嵌在滑块9中；所述第一活塞72滑动镶嵌在缸体73中，第二活塞74滑动镶嵌在缸体73中，所述流体7存储于第一活塞72、第二活塞74与缸体73三者构成的封闭空腔中，第一活塞72在缸体73中的滑动方向与第二活塞74在缸体73中的滑动方向相互平行；所述缸体73固接在第二指段3中；所述第一活塞72、流体7和第二活塞74三者构成传动关系，经过流体7的传动，使得第一活塞72相对于缸体73的移动速度与第二活塞74相对于缸体73的移动速度的比值为k；所述第二活塞74在缸体73中的滑动方向与滑杆8在滑块9中的滑动方向相互垂直，第二活塞74相对于液压缸的滑动方向垂直于线段AD；所述活塞杆71的一端与第一活塞72固接，活塞杆71的另一端与第二指段表面罩6固接；所述第二指段表面罩6滑动镶嵌在第二指段3上，第二指段表面罩6相对于第二指段3的滑动方向与第一活塞72相对于缸体73的滑动方向相互平行。

本发明所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构201采用齿轮、蜗杆、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合。

本实施例中，所述驱动器200采用电机，所述第一传动轮31采用齿轮，所述传动件32采用齿轮传动，所述第二传动轮33采用齿轮，所述簧件90采用拉簧，所述流体7采用液压油。

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，第四连杆在簧件90的拉力作用下紧靠限位块91与基座1保持相对静止，由于第一指段2、第二指段3、第一连杆11和第二连杆12四者构成的平行四边形机构的作用和限位块91的位置的设定，使得第二指段3与竖直方向保持平行。电机转动，通过传动机构201(减速器和带轮等)带动第二传动轮33逆时针(该逆时针指在图3上的逆时针，下同)转动，通过传动件32的传动使得第一传动轮31逆时针转动，第一传动轮31上的转矩在点C产生一个力。该力在水平方向上有向左的分力，由于第一指段2、第二指段3、第一连杆11和第二连杆12四者构成的平行四边形机构的作用，使得第二指段3保持固定的姿态向左作圆弧运动，同时第一指段2绕近关节轴44逆时针转动。该机器人手指具有两种抓取模式，即直线平夹抓取模式和自适应包络抓取模式。

(1)直线平夹抓取模式

电机通过传动机构201驱动机器人手指运动的过程中，当第一指段2未接触物体300时，进入直线平夹抓取模式：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6可以被如图3所示的机构驱动相对于第二指段3沿着竖直方向运动从而实现第二活动指段相对于基座1沿着直线运动同时在水平方向上相对于第二指段3同步运动。当第二指段表面罩6接触物体300并施加足够的抓取力时，抓取过程结束。该模式使得在夹取工作台上薄片物体300时不需要机械臂末端配合运动一段位移，简化了传感控制系统。下面结合该机器人手指的机构的几何关系(如图3所示)，证明第二指段表面罩6在直线平夹模式下的直线运动过程。

设θ为第一指段2相对于竖直方向的转角，单位：rad；线段AB、CD的长度为L，单位：mm；线段BE的长度为d，单位：mm；第一活塞72在缸体73中的移动距离为s₁，单位：mm；第二活塞74在缸体73中的移动距离为s₂，单位：mm；点E相对于第二指段3在竖直方向上的位移为t，点B在转动过程中在竖直方向上下降的距离为q，单位：mm。

则有：

联立解得：

s₁＝L·(1-cosθ)＝q

即第一活塞72在缸体73中的移动距离为s₁等于点B在竖直方向上下降的距离q，即第一活塞72相对于基座1在在竖直方向上的位移为0，又由于第二指段表面罩6通过活塞杆71与第一活塞72固接，因此第二指段表面罩6在竖直方向上相对于基座1无位移，即第二指段表面罩6相对于基座1沿着直线运动。

在上述过程中，当第二指段表面罩6接触物体300，则抓取结束，此抓取过程如图8所示，其中双点划线代表了另外两个平夹抓取状态，这种抓取是直线平行夹持抓取模式。

(2)自适应抓取模式

当上述过程中，如果第二指段表面罩6未接触物体300，而第一指段2接触了物体300被阻挡，第一指段2不能再进一步转动，电机继续转动，第一传动轮31上的力矩在点C产生的力不断增大。由于第一指段2、第二指段3、第一连杆11和第二连杆12构成的平行四边形机构的作用，第二指段33的转矩传递到第一连杆11使得第一连杆11克服簧件90的作用绕着近关节轴4逆时针转动，从而带动第二指段3绕着远关节轴5逆时针转动。直到第二指段3接触物体300，抓取结束。这种抓取可以适应不同形状、尺寸的物体300——即达到了自适应抓取效果，此过程如图9至图12所示，其中图9至图10为远关节轴5沿直线向右靠近物体300，同时第二指段3耦合转动，图11和图12为第一指段2已经接触物体300被阻挡不能运动，第二指段3继续绕远关节轴5自适应转动的过程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用多个连杆、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、两个活塞、缸体、第二指段表面罩、两个传动轮、传动件、传动机构和一个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；通过两个传动轮和传动件实现了第一指段和第二指段的抓取运动；采用平行四边形机构和簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用满足一定条件的正弦机构和流体传动线性增速机构等实现了第二指段表面罩相对于基座沿着直线运动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，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；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

Claims (6)

1.一种流体增速末端伸缩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、簧件、限位块、第一连杆、第二连杆、第一传动轮、第二传动轮、传动件、驱动器和传动机构；所述驱动器与基座固接，所述驱动器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二传动轮相连；所述第二传动轮套设在近关节轴上，第一传动轮套接在远关节轴上，第一传动轮与第二指段固接；所述传动件的两端分别连接第二传动轮和第一传动轮，第一传动轮、传动件和第二传动轮三者构成传动关系，通过传动件的传动，第二传动轮到第一传动轮的传动大于1；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四连杆；所述限位块固接在基座上；在初始状态时限位块与第四连杆相接触；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第二轴的中心点为C，第一轴的中心点为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；其特征在于：该流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置还包括第三轴、滑块、滑杆、第一活塞、第二活塞、缸体、流体、活塞杆和第二指段表面罩；所述第三轴套设在第一指段中，设第三轴的中心点为点E，点E、点A和点B三者共线，线段AB的长度与线段BE的长度的比值为k，k>1；所述滑块套设在第三轴上；所述滑杆滑动镶嵌在滑块中；所述第一活塞滑动镶嵌在缸体中，第二活塞滑动镶嵌在缸体中，所述流体存储于第一活塞、第二活塞与缸体三者构成的封闭空腔中，第一活塞在缸体中的滑动方向与第二活塞在缸体中的滑动方向相互平行；所述缸体固接在第二指段中；所述第一活塞、流体和第二活塞三者构成传动关系，经过流体的传动，使得第一活塞相对于缸体的移动速度与第二活塞相对于缸体的移动速度的比值为k；所述第二活塞在缸体中的滑动方向与滑杆在滑块中的滑动方向相互垂直，第二活塞相对于液压缸的滑动方向垂直于线段AD；所述活塞杆的一端与第一活塞固接，活塞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，第二指段表面罩相对于第二指段的滑动方向与第一活塞相对于缸体的滑动方向相互平行。

2.如权利要求1所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮、蜗杆、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

4.如权利要求1所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合，所述第一传动轮采用齿轮、带轮、链轮或绳轮，所述第二传动轮采用齿轮、带轮、链轮或绳轮。

5.如权利要求1所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述流体采用液体或气体。

6.如权利要求1所述的流体增速末端伸缩直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧。

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