CN108274487B - 齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
齿条滑杆直线平夹间接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、主动杆、从动件、导杆、三个齿轮、两个齿条、两个滑块、簧件、限位凸块和限位柱。该装置既能平动第二指段夹持物体,也能在第一指段接触物体之后再转动第二指段包络物体,达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的;在平动第二指段夹持物体的阶段,第二指段末端始终保持直线的轨迹运动,适合在工作台上抓取薄板物体,减少机械臂编程需求;仅用一个驱动器驱动两个关节,结构简单,加工、装配和维护成本低,无需复杂的传感和控制系统,适用于机器人手。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域,特别涉及一种齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置的结构设计。
背景技术
随着自动化技术的发展,机器人技术迎来了新的高峰,机器人手作为机器人的一种末端执行器,也引起更多的关注,在机器人手方面的研究也越来越多。机器人手指末端平行夹持抓取是一种常见的抓取方式,末端指段在运动过程中始终保持相对基座固定的姿态,在抓取过程中,相对的两个手指施加抓持力,这种平行夹持的装置在工业上被广泛应用;也有些机器人手装置不仅具有平行夹持功能,而且具有自适应包络功能,抓取范围扩大,但是由于其手指末端做圆弧平动,在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人手臂运动才能配合实现抓取,因此增加了编程需求,使用较为麻烦,增加时间开销,降低劳动生产率。
具有直线平动夹持的机器人手已经被设计出来,如专利WO2016063314A1,包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动,利用第二指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。其不足之处在于:该装置无法实现自适应包络抓取的功能。
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。欠驱动手目前已经开发出具有耦合抓取、平夹抓取和复合抓取模式的几类机器人手,其中平夹与自适应复合抓取欠驱动机器人手具有广泛应用的前景,得到了较多的研究。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,如加拿大Laval大学的专利US5762390A,包括基座、驱动器、传动机构、六个连杆、三个指段、限位机构和多个弹簧等。该装置实现了平夹及自适应包络物体的效果:最初阶段该装置转动整体绕根部近关节转动,同时末端指段相对于基座保持竖直的初始姿态不变,直到近指段接触物体,中部关节转动,中部指段接触物体,末端关节转动,末端指段才最终转动扣向物体,最后达到多个指段均包络抓取物体的特效。该装置的不足之处在于:该装置在平夹抓取的最初阶段中,手指末端呈圆弧运动——末端圆弧平动,无法实现末端指段直线平动的效果,在抓取桌面物体时,需要机械臂的良好配合,因而增大了对机械臂协同控制编程的依赖。
一种远程传动导套连杆直线平夹自适应机器人手指装置(中国发明专利CN105619441A),包括机架、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件、拨盘、拨杆和两个簧件等。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,保持第二指段的姿态直线平动第二指段接触物体,或是在第一指段接触物体后自动转动第二指段去接触物体,达到直线平行夹持和自适应包络物体的目的,该装置不足之处在于机构零件多,抓取的有效工作空间小,体积大,结构复杂,使用两个簧件不便设计和更换,能耗大。
一种齿轮齿条末端近似直线复合抓取机器人手指装置(中国发明专利CN107598949A),包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、多个连杆、齿轮、两个齿条、两个弹簧和限位凸块等。该装置实现了近似直线平夹与自适应复合抓取模式:既能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不同形状、大小的物体,该装置不足之处在于其第二指段是以近似直线平行夹持的方式抓取物体,并非完全精确的直线平行夹持,当需要高精度的夹取时,仍不能满足需求。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提供一种齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置。该装置能平动第二指段夹持物体,也能在第一指段接触物体之后再转动第二指段包络物体,达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的;在平动第二指段夹持物体的阶段,第二指段末端始终保持直线的轨迹运动,减少机械臂的编程需求;利用一个驱动器驱动两个指段,该装置结构简单,加工、装配和维护成本低,无需复杂的传感和控制系统。
本发明的技术方案如下:
本发明设计的一种齿条滑杆直线平夹间接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、驱动器和传动机构;所述驱动器与基座固接;所述传动机构设置在基座中;所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连;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;其特征在于:该齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括过渡轴、主动杆、第一滑块、从动件、导杆、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、第二滑块、中间轴、簧件、限位凸块和限位柱;所述传动机构的输出端与主动杆相连,所述主动杆滑动镶嵌在基座中;所述过渡轴套设在主动杆中;所述从动件套接在近关节轴上,从动件的一端套接在过渡轴上,从动件的另一端套接在远关节轴上;设过渡轴的中心点为A,近关节轴的中心点为B,远关节轴的中心点为C;主动杆的滑动方向与第一滑块的滑动方向的夹角为α,线段AB与线段BC相互垂直,线段BC的长度是线段AB的长度的tan(π/2-α)倍;所述导杆固接于基座,所述第一滑块滑动镶嵌在导杆上;所述近关节轴套设在第一滑块上;所述第一齿轮活动套接在近关节轴上;所述中间轴套设在第一指段中,所述中间轴的中心线与近关节轴的中心线平行;所述第二齿轮套接在中间轴上,第二齿轮与第一齿轮啮合;所述第一齿条与第二滑块固接,第一齿条与第二齿轮啮合;所述第二滑块滑动镶嵌于第一指段中;所述第二齿条与第二滑块固接,所述第三齿轮套接在远关节轴上,第三齿轮与第二齿条啮合;第三齿轮与第二指段固接;所述第一齿轮与第二齿轮的分度圆相等;所述第三齿轮与第二齿轮的分度圆相等;所述第一齿轮、第二齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿轮的模数相同;所述限位凸块固接在第一齿轮上,所述限位柱固接在第一滑块上;在初始位置时,所述限位凸块与限位柱相接触;所述簧件的两端分别连接限位凸块和第一滑块。
本发明所述的齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置,其特征在于:所述驱动器采用电机。
本发明所述的齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置,其特征在于:所述簧件采用拉簧。
本发明所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、基座轴、过渡齿轮和过渡齿条;所述驱动器的输出轴与减速器的输入轴相连,所述蜗杆套固在减速器的输出轴上,所述蜗轮套固在基座轴上,所述蜗轮与蜗杆啮合,所述基座轴套设在基座中,所述过渡齿轮套固在基座轴上,所述过渡齿条滑动镶嵌在基座中,所述过渡齿轮与过渡齿条啮合;所述主动杆与过渡齿条固接。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
本装置利用电机、从动件、两个齿条、多个齿轮、两个滑块、弹簧和限位凸块等综合实现了直线平夹与自适应复合抓取模式:既能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不同形状、大小的物体;在平动第二指段夹持物体阶段,第二指段末端始终保持近似直线的轨迹运动,适合在工作台上抓取薄板物体,减少机械臂编程需求;仅用一个电机驱动两个关节,无需复杂的传感和控制系统,该装置结构简单紧凑,成本低,制造和维护成本低,适用于机器人手。
附图说明
图1是本发明设计的齿条滑杆直线平夹间接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所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。
图3是图1所示实施例的另一个角度观察的立体视图。
图4是图1所示实施例的侧视图。
图5是图1的剖视图(未画出部分零件)。
图6是图1所示实施例的另一个角度观察的立体视图。
图7是图1所示实施例的内部立体视图(未画出部分零件)。
图8是图1所示实施例的前视图(未画出部分零件)。
图9是图1所示实施例的后视图(未画出部分零件)。
图10至图12是图1所示实施例在以直线平行夹持方式抓取物体时的动作过程图。
图13至图15是图1所示实施例在以自适应包络方式抓取物体时的动作过程图。
图16至图18是图1所示实施例在直线平行夹持的过程中,内部组件相对位置变化的情况(未画出部分零件)。
图19至图21是图1所示实施例在自适应抓取物体的过程中,内部组件相对位置变化的情况(未画出部分零件)。
图22是图1所示实施例的侧面视图(未画出部分零件)。
图23是图1所示实施例的动作示意图。
图24是图1所示实施例的原理示意图。
图25至图27是图1所示实施例在自适应包络抓取物体的动作过程中几个关键位置时,第一滑块、簧件、限位凸块与限位柱的相对位置的变化情况。
图28是图1所示实施例内部的部分零件结构图。
在图1至图28中:
1-电机,2-减速器,3-蜗杆,4-蜗轮,
10-基座,101-基座前板,102-基座第一侧板,103-基座第二侧板,
104-基座后板,105-基座底板,11-第一指段,111-第一指段第一侧板,
112-第一指段第二侧板,113-第一指段后板,12-第二指段,25-近关节轴,
26-远关节轴,27-基座轴,28-过渡轴,29-中间轴,
31-第一齿轮,32-第二齿轮,33-第三齿轮,34-过渡齿轮,
35-过渡齿条,36-第一齿条,37-第二齿条,351-主动杆,
41-第一滑块,42-第二滑块,43-导杆,57-从动件,
61-限位柱,62-限位凸块,71-簧件,9-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。
本发明设计的齿条滑杆直线平夹间接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10、第一指段11、第二指段12、近关节轴25、远关节轴26、驱动器和传动机构;所述驱动器与基座10固接;所述传动机构设置在基座10中;所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连;所述第一指段11套接在近关节轴25上;所述远关节轴26套设在第一指段11中,所述第二指段12套接在远关节轴26上;所述近关节轴25的中心线与远关节轴26的中心线平行;该齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括过渡轴28、主动杆351、第一滑块41、从动件57、导杆43、第一齿轮31、第二齿轮32、第三齿轮33、第一齿条36、第二齿条37、第二滑块42、中间轴29、簧件71、限位凸块62和限位柱61;所述传动机构的输出端与主动杆351相连,所述主动杆351滑动镶嵌在基座10中;所述过渡轴28套设在主动杆351中;所述从动件套接在近关节轴25上,从动件57的一端套接在过渡轴28上,从动件57的另一端套接在远关节轴26上;设过渡轴28的中心点为A,近关节轴25的中心点为B,远关节轴26的中心点为C;主动杆351的滑动方向与第一滑块42的滑动方向的夹角为α,线段AB与线段BC相互垂直,线段BC的长度是线段AB的长度的tan(π/2-α)倍;所述导杆43固接于基座10,所述第一滑块41滑动镶嵌在导杆43上;所述近关节轴25套设在第一滑块41上;所述第一齿轮31活动套接在近关节轴25上;所述中间轴29套设在第一指段11中,所述中间轴29的中心线与近关节轴25的中心线平行;所述第二齿轮32套接在中间轴29上,所述第二齿轮32与第一齿轮31啮合;所述第一齿条36与第二滑块42固接,第一齿条36与第二齿轮32啮合;所述第二滑块42滑动镶嵌于第一指段11中;所述第二齿条37与第二滑块42固接,所述第三齿轮33套接在远关节轴26上,第三齿轮33与第二齿条37啮合;第三齿轮33与第二指段12固接;所述第一齿轮31与第二齿轮32的分度圆相等;所述第三齿轮33与第二齿轮32的分度圆相等;所述第一齿轮31、第二齿轮32、第一齿条36、第二齿条37、第三齿轮33的模数相同;所述限位凸块62固接在第一齿轮31上,所述限位柱61固接在第一滑块41上;在初始位置时,所述限位凸块62与限位柱61相接触;所述簧件71的两端分别连接限位凸块62和第一滑块41。
本实施例中,α=30°。
本实施例中,所述驱动器采用电机1。
本实施例中,所述簧件71采用拉簧。
本实施例中,所述传动机构包括减速器2、蜗杆3、蜗轮4、基座轴27、过渡齿轮34和过渡齿条35;所述驱动器的输出轴与减速器2的输入轴相连,所述蜗杆3套固在减速器2的输出轴上,所述蜗轮4套固在基座轴27上,所述蜗轮4与蜗杆3啮合,所述基座轴27套设在基座10中,所述过渡齿轮34套固在基座轴27上,所述过渡齿条35滑动镶嵌在基座10中,所述过渡齿轮34与过渡齿条35啮合;所述主动杆351与过渡齿条35固接。
本实施例中,所述基座10包括基座前板101、基座第一侧板102、基座第二侧板103、基座后板104和基座底板105;所述基座前板101、基座第一侧板102、基座第二侧板103、基座后板104和基座底板105固接在一起。
本实施例中,所述第一指段11包括第一指段第一侧板111、第一指段第二侧板112和第一指段后板113;所述第一指段第一侧板111、第一指段第二侧板112和第一指段后板113固接在一起。
本实施例还采用了若干轴承、轴用弹性挡圈和螺钉等零件,属于公知常用技术,不赘述。
本实施例的工作原理,结合附图10至图28叙述如下:
记过渡轴的中心点A在基座中的上下滑动构成直线AO,其中O点为点A滑动直线与B点在导杆上的滑动直线的交点,如图24所示。
本发明装置包括了一个四点共圆的机构,下面给出该机构中四点共圆的证明。
已知:∠AOB=α,BC/BA=tan(π/2-α),AB⊥BC,在某一时刻,点A1、B1、C1分别为点A、B、C运动后的当前点,点A1在直线AO上平动,对应的,B1在直线OB上相应平动,下面证明点C1在直线CO上平动,且直线CO垂直与直线AO。
∵AB⊥BC.
∴线段AC为经过点A、B、C三点的圆的直径.
∵BC/BA=tan(π/2-α).
∴∠ACB=α. (1)
又∵∠AOB=α. (2)
由(1)、(2)得:∠AOB=∠ACB=α.
根据“同一个弦对应的两个圆周角相等,则四个点共圆”,
∴点O、A、B、C四点共圆.
记∠BAC=β,有:β=π/2-α.
根据“相同弦长的圆周角相等”,
则在点O、A、B、C四点的共圆中对应弦长BC的∠BOC=∠BAC=β,
而β的一条边为固定的直线BO,
故β的另一条边为直线CO,CO是固定的,
即C1点始终在直线CO上.
∵α+β=π/2,
∴CO⊥AO.
本实施例处于初始状态时,如图10所示。当电机1开始转动,通过蜗杆3和蜗轮4的传动,带动基座轴27转动,基座轴27带动过渡齿轮34转动,过渡齿条35和主动杆351在基座10中垂直向下滑动,通过过渡轴28,带动从动件57,如图22、图23所示;从动件57带动近关节轴25位移,第一滑块41随着近关节轴25运动,驱动第一指段11运动;从动件57带动第一指段11绕着近关节轴25转动;由于簧件71的作用,限位凸块62紧靠在限位柱61上,第一齿轮31在第一指段11转动时与第一滑块无相对运动,第二齿轮32随第一指段11相对滑块的转动而转动,通过第一齿条36的作用,第二滑块42向手指外平动;当第二滑块42向外平动时,通过第二齿条37,第三齿轮33反转,第二指段12反转。
由于第一齿轮31和第二齿轮32的分度圆相等,第三齿轮33与第二齿轮32的分度圆相等;第一齿轮31、第二齿轮32、第一齿条36、第二齿条37、第三齿轮33的模数相同,第一齿轮31到第三齿轮33的传动比为1,所以第一齿轮31转角与第三齿轮33反向转角相等,因此第一指段11正转的角度相等于第二指段12反转的角度,第二指段12相对于基座10只进行平动而无旋转,始终保持原有姿态;如图22和24所示,线段AB与线段BC之间的夹角为直角,使得过渡轴28中心点位置(A点)在垂直方向上下运动时,远关节轴26的中心位置(C点)会沿着水平线的方向左右运动,由于在此过程中,远关节轴26反转并在水平方向移动,因此第二指段12达到直线平夹移动的目的;这是直线平行夹持的阶段,如图10至图12、图16至图18所示,直到第二指段12接触到物体9,则抓取结束。这一阶段适合以第二指段12去夹持物体9,或是通过外张的方式用第二指段12向外称取物体9。例如一个空心圆柱筒,适合从该物体内侧向外张开撑柱筒壁抓取。
在上图10至图12的平夹过程中,当第二滑块42碰触到物体9后,进入到间接自适应抓取模式(如图13、图14和图15所示)。此时电机1持续转动,通过传动机构的传动,继续带动从动件57驱动第一指段11继续向物体转动,物体反作用力挤压第二滑块42,第二滑块42向手指内部滑动,通过第二齿条37带动第三齿轮33正转,第二指段12随着第三齿轮33正转转向物体;通过第一齿条36,带动第二齿轮32反向转动,第一齿轮31正向转动,限位凸块62绕近关节轴25转动,簧件71发生变形(如图25至图27所示),此时第二指段12绕远关节轴26的中心线继续正向转动,直到第二指段12接触到物体9为止,完成自适应包络抓取阶段;自适应包络抓取方式能很好的适应不同形状大小的物体,本实施例具有自适应性,能够抓取不同形状、尺寸的物体。
图25至图27是图1所示实施例依次以间接自适应包络抓取物体的动作过程几个关键位置,展示出第一齿轮31、第一滑块41、限位凸块62和限位柱61的相对位置变化情形;图25所示的情况是图10、图11、图12、图13、图19的位置情况,此时本实施例在初始位置或者仅转动了第一指段11,簧件71使限位凸块62与限位柱61保持接触,在直线平行夹持的过程中,第二指段12相对于基座10包括初始姿态(本实施例中为竖直状态),直到第二滑块42接触到物体为止;图26所示对应于图14、图20的情况,电机1持续转动,物体反作用力使第二滑块42受挤压向手指内部滑动,通过第二齿条37、第三齿轮33的传动,第二指段12不再保持原来的竖直状态,此时通过第一齿条36、第二齿轮32和第一齿轮31的传动,簧件71被拉长,限位凸块62离开了限位柱61;图27所示对应于图15、图21的情况,直到第二指段12接触到物体,完成对物体的自适应包络抓取(第一指段11、第二指段12均接触物体),对不同形状、尺寸的物体能够良好的适应,抓取稳定;图27与图26相比,第一齿轮31绕近关节轴25转动了更大的角度,限位凸块62离开限位柱61更远的距离,簧件71产生了更大的变形。
释放物体的过程:电机1反转,后续过程与上述抓取物体的过程刚好相反,不再赘述。
本装置利用电机、从动件、两个齿条、多个齿轮、两个滑块、弹簧和限位凸块等综合实现了直线平夹与自适应复合抓取模式:既能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不同形状、大小的物体;在平动第二指段夹持物体阶段,第二指段末端始终保持近似直线的轨迹运动,适合在工作台上抓取薄板物体,减少机械臂编程需求;仅用一个电机驱动两个关节,无需复杂的传感和控制系统,该装置结构简单紧凑,成本低,制造和维护成本低,适用于机器人手。
Claims (4)
1.一种齿条滑杆直线平夹间接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、驱动器和传动机构;所述驱动器与基座固接;所述传动机构设置在基座中;所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连;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;其特征在于:该齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置还包括过渡轴、主动杆、第一滑块、从动件、导杆、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、第二滑块、中间轴、簧件、限位凸块和限位柱;所述传动机构的输出端与主动杆相连,所述主动杆滑动镶嵌在基座中;所述过渡轴套设在主动杆中;所述从动件套接在近关节轴上,从动件的一端套接在过渡轴上,从动件的另一端套接在远关节轴上;设过渡轴的中心点为A,近关节轴的中心点为B,远关节轴的中心点为C;主动杆的滑动方向与第一滑块的滑动方向的夹角为α,线段AB与线段BC相互垂直,线段BC的长度是线段AB的长度的tan(π/2-α)倍;所述导杆固接于基座,所述第一滑块滑动镶嵌在导杆上;所述近关节轴套设在第一滑块上;所述第一齿轮活动套接在近关节轴上;所述中间轴套设在第一指段中,所述中间轴的中心线与近关节轴的中心线平行;所述第二齿轮套接在中间轴上,第二齿轮与第一齿轮啮合;所述第一齿条与第二滑块固接,第一齿条与第二齿轮啮合;所述第二滑块滑动镶嵌于第一指段中;所述第二齿条与第二滑块固接,所述第三齿轮套接在远关节轴上,第三齿轮与第二齿条啮合;第三齿轮与第二指段固接;所述第一齿轮与第二齿轮的分度圆相等;所述第三齿轮与第二齿轮的分度圆相等;所述第一齿轮、第二齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿轮的模数相同;所述限位凸块固接在第一齿轮上,所述限位柱固接在第一滑块上;在初始位置时,所述限位凸块与限位柱相接触;所述簧件的两端分别连接限位凸块和第一滑块。
2.如权利要求1所述的齿条滑杆直线平夹间接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。
3.如权利要求1所述的齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置,其特征在于:所述簧件采用拉簧。
4.如权利要求1所述的齿条滑杆直线平夹间接自适应机器人手指装置,其特征在于:所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、基座轴、过渡齿轮和过渡齿条;电机的输出轴与减速器的输入轴相连,所述蜗杆套固在减速器的输出轴上,所述蜗轮套固在基座轴上,所述蜗轮与蜗杆啮合,所述基座轴套设在基座中,所述过渡齿轮套固在基座轴上,所述过渡齿条滑动镶嵌在基座中,所述过渡齿轮与过渡齿条啮合;所述主动杆与过渡齿条固接。
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