CN108393919A - 基于移动机器人的自适应末端夹持器 - Google Patents

Abstract

基于移动机器人的自适应末端夹持器，它涉及移动机器人末端机构，它包括舵机、舵机机架、转动转换直线运动机构、弹簧、多组平行四杆机构以及与平行四杆机构组数相一致的多组卡爪，舵机安装在舵机机架的上部；连杆机架安装在舵机机架的下部，主动连杆与连架杆铰接，从动连杆与连架杆铰接，从动连杆与卡爪固接，连杆机架与卡爪铰接，连架杆与连杆机架铰接；转动转换直线运动机构的转动部分安装在舵机的输出端,主动连杆与转动转换直线运动机构的直线运动部分连接，弹簧的两端分别与卡爪和连杆机架固接。本发明结构简单、控制便捷、可靠性好、适合能够夹持的物体种类较多。

Description

基于移动机器人的自适应末端夹持器

技术领域

本发明涉及移动机器人末端机构，具体涉及一种基于移动机器人的自适应末端夹持器，属于机械电子工程领域。

背景技术

夹持器是一种安装在机器人末端，具有夹持功能的部件。随着传感技术、信息处理、电子工程、计算机工程及控制技术等多行业的不断发展，移动机器人技术不断完善，其应用范围大为扩展，在工业、农业、医疗、服务等行业得到很好的应用。例如，在工业中具有提高生产效率、改进产品质量、改善劳动条件等优势，在航天领域可以协助完成在轨装配、污染清洁、观测与检查、轨道清理与轨道转移及模块更换等工作。目前，移动机器人技术已经得到了国内外的普遍关注。而夹持器作为移动机器人执行机构的重要部分，其结构形式直接决定了移动机器人所能夹持物体的尺寸及形状，对移动机器人的功能有极为重要的作用。

目前的夹持器按照用途和功能原理主要分为四种：卡爪式夹持器、吸附式取料手、专用操作器、仿生多指灵巧手。卡爪式夹持器结构简单，但所支持的夹持物体种类少；吸附式取料手对于具有光滑表面的物体有很好的夹持功能，但需要气泵、气阀等辅助设备；专用操作器只支持单一种类的物体的夹持；仿生灵巧手具有人手的大部分功能，操作灵活，但驱动和控制都极为复杂，离应用还有一定的差距。由于移动机器人作业内容的差异和作业对象的不同，希望末端夹持器所能够夹持的物体种类尽量多，并且不会显著增加其结构和控制的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、控制便捷、可靠性好、适合能够夹持的物体种类较多的基于移动机器人的自适应末端夹持器。

本发明的技术方案是：基于移动机器人的自适应末端夹持器包括舵机、舵机机架、转动转换直线运动机构、弹簧、多组平行四杆机构以及与平行四杆机构组数相一致的多组卡爪，舵机安装在舵机机架的上部；

平行四杆机构包括主动连杆、连架杆、从动连杆和连杆机架；

连杆机架安装在舵机机架的下部，主动连杆与连架杆铰接，从动连杆与连架杆铰接，从动连杆与卡爪固接，连杆机架与卡爪铰接，连架杆与连杆机架铰接；

转动转换直线运动机构的转动部分安装在舵机的输出端,主动连杆与转动转换直线运动机构的直线运动部分连接，弹簧的两端分别与卡爪和连杆机架固接。

进一步地，转动转换直线运动机构包括主动舵盘、从动平台和两个空间连杆；主动舵盘和从动平台之间布置有与二者铰接的两个空间连杆，从动平台的下端面与主动连杆铰接。

本发明相比现有技术的有益效果是：本夹持器由舵机、舵机机架、转动转换直线运动机构、平行四杆机构和卡爪组成，并采用STM32单片机作为控制器驱动舵机，舵机的转动经过转动转换直线运动机构后可以转化为从动平台的直线运动，从动平台通过主动连杆与平行四杆机构中的连架杆连接，而平行四杆机构中的从动连杆与卡爪固联，从而通过控制舵机转角就可以驱动卡爪进行张合运动。

本夹持器工作原理是利用平行四杆机构在一个特殊的位置处具有运动不确定性，这个位置称作平行四杆机构的位置不确定点。如果有外力施加在处于位置不确定点的平行四杆机构上，会使此连杆机构所对应的手爪从有效抓取状态转变为无效抓取状态。本夹持器共有四个运动状态互相独立卡爪，每个卡爪都是由是否在位置不确定点接触到物体，因此，本夹持器的工作状态有四爪模式、三爪模式和两爪模式。当遇到不同形状的物体时，卡爪会根据连杆机构在临界位置是否受到一定接触力的作用决定其工作模式，而不需要额外的控制电路来控制，因此减少了由电气控制带来的不稳定因素，同时本夹持器具有可夹持一定尺寸的多种物体，结构和控制较为简单的优点。本发明夹持器由于具有独立运动的卡爪，因此，能够夹持如球状、块状、杆状、柱状等不同种类及形状复杂的物体。

附图说明

图1为本发明基于移动机器人的自适应末端夹持器整体立体图；

图2为本发明基于移动机器人的自适应末端夹持器主视图；

图3为转动转换直线运动机构的一种状态下的示意图；

图4为转动转换直线运动机构的另一种状态下的示意图；

图5为本发明基于移动机器人的自适应末端夹持器抓取圆柱状物体示意图；

图6为本发明基于移动机器人的自适应末端夹持器抓取球状物体示意图；

图7为起始时连杆机构处于临界点位置工作状态图；

图8为卡爪末端受到作用力时的工作状态图；

图9为卡爪末端受力后转化状态图；

图10为抓取结束后连杆机构恢复状态示意图。

图中：1、舵机，2、舵机机架，3、转动转换直线运动机构，4、平行四杆机构，6、卡爪，7、弹簧，3-1、主动舵盘，3-2、空间连杆，3-3、从动平台，4-1、主动连杆，4-2、连架杆，4-3、从动连杆，4-4、连杆机架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。

参见图1-图4说明，基于移动机器人的自适应末端夹持器包括舵机1、舵机机架2、转动转换直线运动机构3、弹簧7、多组平行四杆机构4以及与平行四杆机构组数相一致的多组卡爪6，舵机1安装在舵机机架2的上部；

平行四杆机构4包括主动连杆4-1、连架杆4-2、从动连杆4-3和连杆机架4-4；

连杆机架4-4安装在舵机机架2的下部，主动连杆4-1与连架杆4-2铰接，从动连杆4-3与连架杆4-2铰接，从动连杆4-3与卡爪6固接，连杆机架4-4与卡爪6铰接，连架杆4-2与连杆机架4-4铰接；

转动转换直线运动机构3的转动部分安装在舵机1的输出端,主动连杆4-1与转动转换直线运动机构3的直线运动部分连接，弹簧7的两端分别与卡爪6和连杆机架4-4固接。

参见图3和图4所示，为了保证运行稳定可靠，转动转换直线运动机构3包括主动舵盘3-1、从动平台3-3和两个空间连杆3-2；

主动舵盘3-1和从动平台3-3之间布置有与二者铰接的两个空间连杆3-2，从动平台3-3的下端面与主动连杆4-1铰接。本夹持器中的转动转换直线运动机构由主动舵盘、万向杆和从动平台组成，是继螺纹传动、滚珠丝杠、圆柱凸轮传动等常见的将转动转化为沿转动轴的直线运动的传动方式之后的一种新型传动方式。相对于传统的运动机构，本运动机构中主动舵盘只需转动较小的行程就可以实现从动平台较大的直线运动行程，配合连杆机构4能很好的完成目标的抓取。空间连杆3-2为拱形杆。如此设置，可实现旋转时角度变化导致在某一个方向投影长度的变化才导致从动平台3-1上下移动。弹簧7作用是为了连杆机构在临界点，也就是位置不确定点回复夹持状态的。

参见图1和图2所示，每组卡爪6包括两个卡爪6，两个卡爪6并列布置并连接一起，两个卡爪6与连杆机架4-4铰接，从动连杆4-3与两个卡爪6固接。舵机机架2为方形框架结构。优选地，卡爪6的与物体接触的面加工有弧形面。便于夹取多种形状物体。

工作原理

本夹持器主要用于移动机器人，配合移动机器人完成一些基本的抓取、搬运等操作。结合附图，本夹持器的工作方式如下：

首先STM32单片机通过程序编写发出控制舵机的PWM脉冲信号，驱动舵机1转动，经过转动转换直线运动机构3，可以将主动舵盘3-1的转动转化为从动平台3-3上下方向的直线运动。图7是某一个卡爪的工作过程原理图，可以看出，随着从动平台3-3的上下运动，带动连杆一4-1运动。在由连杆二4-2、连杆三4-4、卡爪6、连杆机构架5组成的四杆机构中，卡爪6作为四杆机构一个杆，因此，通过连杆一4-1就可以带动连杆二4-2、连杆三4-4、卡爪6一起运动。

在准备抓取物体时，从动平台3-3先达到最高点，此时四杆机构正好位于位置不确定点(如图7所示)。当卡爪6末端受到大于弹簧7预紧力的接触力的作用时(如图8所示)，四杆机构会转化为状态图9所示状态。在此运动状态下，从动平台3-3运动带动卡爪6处于无效的抓取状态。当抓取结束时，调节舵机1使从动平台3-3达到最高点、四杆机构处于临界点位置，由于弹簧7的预紧力，会使四杆机构在下次运动时与初始时不受外力的运动状态相同(如图10所示)，达到了复位的效果。上述为单独的卡爪6在抓取物体时的工作情况，当四个卡爪6都处于有效抓取状态时即为四爪模式，当有一个卡爪6处于无效抓取状态时即三爪模式，当有两个卡爪处6于无效抓取状态时即为两爪模式。例如当夹持器准备夹持一定尺寸的球状和块状物体时，四个卡爪都没有受到垂直方向的接触力，从而四个卡爪都处于工作状态(如图6所示)；当夹持器准备夹持杆状或者柱状物体时，沿着物体轴线方向的两个卡爪受到垂直方向的接触力从而使平行四杆机构越过位置不确定点，两个卡爪均处于无效的抓取状态，只有其他两个卡爪处于有效抓取状态(如图5所示)，以上两种模式是最常见的抓取方式，而三爪模式则很少会用到。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：它包括舵机(1)、舵机机架(2)、转动转换直线运动机构(3)、弹簧(7)、多组平行四杆机构(4)以及与平行四杆机构组数相一致的多组卡爪(6)，舵机(1)安装在舵机机架(2)的上部；

平行四杆机构(4)包括主动连杆(4-1)、连架杆(4-2)、从动连杆(4-3)和连杆机架(4-4)；

连杆机架(4-4)安装在舵机机架(2)的下部，主动连杆(4-1)与连架杆(4-2)铰接，从动连杆(4-3)与连架杆(4-2)铰接，从动连杆(4-3)与卡爪(6)固接，连杆机架(4-4)与卡爪(6)铰接，连架杆(4-2)与连杆机架(4-4)铰接；

转动转换直线运动机构(3)的转动部分安装在舵机(1)的输出端,主动连杆(4-1)与转动转换直线运动机构(3)的直线运动部分连接，弹簧(7)的两端分别与卡爪(6)和连杆机架(4-4)固接。

2.根据权利要求1所述基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：转动转换直线运动机构(3)包括主动舵盘(3-1)、从动平台(3-3)和两个空间连杆(3-2)；

主动舵盘(3-1)和从动平台(3-3)之间布置有与二者铰接的两个空间连杆(3-2)，从动平台(3-3)的下端面与主动连杆(4-1)铰接。

3.根据权利要求2所述基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：空间连杆(3-2)为拱形杆。

4.根据权利要求1、2或3所述基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：每组卡爪(6)包括两个卡爪(6)，两个卡爪(6)并列布置并连接一起，两个卡爪(6)与连杆机架(4-4)铰接，从动连杆(4-3)与两个卡爪(6)固接。

5.根据权利要求4所述基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：舵机机架(2)为方形框架结构。

6.根据权利要求5所述基于移动机器人的自适应末端夹持器，其特征在于：卡爪(6)的与物体接触的面加工有弧形面。