CN108501029B - 一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指，包括手指机架、平行传动链、自适应传动链、驱动部件、刚性指节和柔性的鳍条指节，所述鳍条指节为手指的末端指节，所述平行传动链、所述自适应传动链和所述驱动部件均安装于所述手指机架上；所述刚性指节同时与所述平行传动链和所述自适应传动链活动连接；所述鳍条指节通过所述自适应传动链与所述刚性指节连接；所述自适应传动链连接于所述驱动部件，并在所述驱动部件的驱动下活动，以带动所述平行传动链活动以及促使所述刚性指节和所述鳍条指节产生相适应的运动，同时，所述鳍条指节在所述自适应传动链的作用下产生相适应的形变。
Description
技术领域
本发明涉及机器人的机械手领域，尤其是涉及一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指。
背景技术
机械手爪的研究已有几十年的历史，为了适应工业、医学以及服务业等的不同需求，机械手爪种类众多。其中，欠驱动手爪由于能够自适应地抓取不同形状的物体，同时控制简单、抓取稳定牢靠，成为机械手爪中的一个重要研究方向。
目前，欠驱动手的传动方式主要有两种：腱绳式传动和连杆式传动。腱绳式传动欠驱动手通常设计轻巧，拟人程度高，如公开号为CN 107097246 A的专利文献。连杆式传动欠驱动手虽然在外形拟人程度上不如腱绳式传动欠驱动手，但其负载大，传动更精确、稳定，如公开号为CN 103786161 A的专利申请。并且，一些连杆式传动欠驱动手如Laval大学的平行欠驱动手(公开号US5762390A)通过改善连杆结构，使机械手除了能够包络抓取外，还能实现平行捏取，从而适应捏取形状简单的小物体如小方块，但像尺寸较小的球状、柱状类物体，要靠欠驱动手来成功抓持目前仍很难实现。
采用fin-ray结构设计的柔性机械手作为软体手的一种代表，通过自身的变形能够较好地抓持不同形状的小物体。这种结构在德国Festo公司已得到很多应用。但这种柔性手由于刚性不足很难抓持尺寸较大、重量较大的物体。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指，不仅可以稳定地抓取较大尺寸和重量的物体，同时兼具捏取光滑曲面类小物体的能力，以此实现对不同尺寸、不同形状物体的稳定抓持。
本发明为达上述目的提出以下技术方案：
一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指，包括手指机架、平行传动链、自适应传动链、驱动部件、刚性指节和柔性的鳍条指节，所述鳍条指节为手指的末端指节，所述平行传动链、所述自适应传动链和所述驱动部件均安装于所述手指机架上；所述刚性指节同时与所述平行传动链和所述自适应传动链活动连接；所述鳍条指节通过所述自适应传动链与所述刚性指节连接；所述自适应传动链连接于所述驱动部件，并在所述驱动部件的驱动下活动，以带动所述平行传动链活动以及促使所述刚性指节和所述鳍条指节产生相适应的运动，同时，所述鳍条指节在所述自适应传动链的作用下产生相适应的形变。
本发明提供的上述技术方案，普通指节、自身可弯曲变形的鳍条指节和平行传动链、自适应传动链之间的相互配合工作可以实现不同外形和重量的物体的自适应抓取，其中柔性鳍条指节的变形特点可以很好地将被捏取物体包络于其中，适于抓取大部分外形较小的物体，包括但不限于小圆柱、小球类、小方块等。另一方面，平行传动链的使得欠驱动手指在捏取小物体时，能够始终以平行运动靠近被捏取物体。两指对捏情况下，未触碰物体之前两根手指的鳍条指节始终保持平行相对，为柔性捏取的实现提供条件。
附图说明
图1是本发明具体实施例提供的柔性欠驱动手指的主视图；
图2是本发明具体实施例提供的柔性欠驱动手指的右视图；
图3是本发明具体实施例提供的柔性欠驱动手指的立体图；
图4是图3所示的手指的指节部分与平行传动链的连接结构示意图；
图5是图3所示的手指的指节部分与自适应传动链的连接结构示意图；
图6是图3所示的手指的鳍条指节结构示意图；
图7是图3所示的手指的驱动部件结构示意图；
图8是扭簧的安装位置示意图；
图9是拉簧的安装位置示意图；
图10a和图10b是图3所示的手指做平行运动的两个极限位置示意图；
图11a～图11d是图3所示手指的一组示例性抓取过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的结构以及简化描述，并非指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
本发明的具体实施方式提供一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指，参考图1至图3，该欠驱动手指包括手指机架11、平行传动链2、自适应传动链3、驱动部件4、刚性指节和柔性的鳍条指节14，所述鳍条指节14为手指的末端指节，所述平行传动链2、所述自适应传动链3和所述驱动部件4均安装于所述手指机架11上。所述刚性指节同时与平行传动链2和自适应传动链3活动连接；所述鳍条指节14通过所述自适应传动链3与所述刚性指节连接。自适应传动链3连接于驱动部件4，并在驱动部件4的驱动下活动，以带动平行传动链2活动以及促使所述刚性指节和所述鳍条指节14产生相适应的运动，同时，所述鳍条指节14在所述自适应传动链3的作用下产生相适应的形变。
在本发明的一种优选实施例中，本发明的欠驱动手指具有两个刚性指节，如图1和图3所示，分别为第一指节12和第二指节13。第二指节13、第一指节12和手指机架11依次活动连接，鳍条指节14固定于自适应传动链3输出端部件上，所述输出端部件与第二指节13活动连接。
如图3至图5所示，第一指节12和第二指节13均分别具有左侧壁和右侧壁，平行传动链2与第一指节12的左侧壁121和第二指节13的左侧壁131连接，从而形成两个串联的四连杆机构。自适应传动链3与第一指节12的右侧壁122和第二指节13的右侧壁132连接，从而形成另外两个串联的四连杆机构。
参考图4、图5和图9，所述平行传动链2包括平行底杆21、第一平行连杆22、平行中杆23、第二平行连杆24和平行顶杆25；所述自适应传动链3包括自适应底杆31、第一自适应连杆32、自适应中杆33、第二自适应连杆34和自适应顶杆35；所述手指机架11具有左侧板111、右侧板113和背板115。
如图4所示，第一指节12的左侧壁121的一端(下端)与平行底杆21的一端共同铰接至所述手指机架的左侧板111，第二指节13的左侧壁131的一端(下端)与平行中杆23的一端共同铰接于第一指节左侧壁121的另一端(上端)；平行底杆21的另一端与第一平行连杆22的一端(下端)铰接，第一平行连杆22的另一端(上端)与平行中杆23的另一端铰接；第二平行连杆24的一端(下端)铰接于平行中杆23的中部，第二平行连杆24的另一端(上端)铰接于平行顶杆25的一端。
如图5所示，第一指节的右侧壁122一端(下端)与自适应底杆31的一端共同铰接至所述手指机架的右侧板113，第二指节的右侧壁132一端(下端)与自适应中杆33的一端共同铰接于第一指节的右侧壁122的另一端(上端)，自适应底杆31的另一端与第一自适应连杆32的一端(下端)铰接，第一自适应连杆32的另一端(上端)与自适应中杆33的拐角部铰接，第二自适应连杆34的一端与自适应中杆33的另一端铰接，第二自适应连杆34的另一端铰接于自适应顶杆35的一端。其中，所述拐角部位于所述自适应中杆33的两端之间并将所述自适应中杆33划分为两段，所述两段互成一小于180°的角度，使得在所述自适应传动链的活动过程中第一自适应连杆32和第二自适应连杆34保持一致的运动方向(即第一自适应连杆32向上运动时，第二自适应连杆34也向上运动；第一自适应连杆32向下运动时，第二自适应连杆34也向下运动)，也就是说，这两段构成的该小于180°的夹角朝上。
参考图3至图5，自适应顶杆35的另一端铰接于第二指节的右侧壁132的另一端(上端)，鳍条指节14的底部固定于自适应顶杆35上(自适应顶杆35具有一台面，固定于该台面上)，自适应顶杆35和平行顶杆25之间还采用固定连接例如胶水粘接或采用弹性部件连接。需要说明的是，自适应顶杆35的长度要尽量长一些，以保证自适应传动链3在活动过程中，鳍条指节14不会相对于第二指节向外翻，即鳍条指节14与第二指节13的相对位置极限是图4和图5所示的状态，不论自适应传动链如何运动，鳍条指节14都不会继续向外翻(图中向右下转动)。
参考图3和图5，自适应顶杆35(自适应传动链的输出端部件)主要包括一个平板台面(用于固定鳍条指节)和两根肋板，与第二自适应连杆34铰接的即为右侧肋板，平板台面的角度应当保证鳍条指节14在平行运动过程中的竖直状态。与平行顶杆25相连的肋板决定了图4所示初始位置下平行底杆21、平行中杆23以及平行顶杆25的倾斜程度，从而影响到柔性捏取时的受力大小以及平行运动的运动范围。另一个肋板(右侧肋板)作为自适应传动链的一部分，除了影响自适应传动链的极限位置以外，也会影响到自适应底杆31的倾斜程度，从而影响三个指节的转动范围。
在一具体的实施例中，如图7所示，所述驱动部件4包括步进电机41、电机滑块42、滑块连接件43、导轨滑块44、直线导轨45、传动滑块46和传动连杆47。所述电机滑块42与所述步进电机41的丝杆螺旋连接，同时，所述电机滑块42、所述滑块连接件43以及所述传动滑块46固定连接；所述滑块连接件43与所述导轨滑块44固定连接，所述导轨滑块44与所述直线导轨45可滑动地连接，所述直线导轨45固定连接在所述手指机架11上，所述传动滑块46与所述传动连杆47铰接，所述传动连杆47与所述自适应底杆31铰接。步进电机41的丝杠长度取决于手指总的转动范围，在保证转动范围满足设计需要的前提下，应尽量缩短丝杆的长度以节省空间，从而减小整根手指的长度。当步进电机41转动时，通过其丝杆将电机的转动转换为电机滑块42的滑动，再依次通过传动滑块46和传动连杆47驱使所述自适应底杆31进行绕底部销轴51的转动，从而带动整个欠驱动手指的活动。
其中，所述底部销轴51是将平行底杆21、自适应底杆31以及第一指节的左、右侧壁共同铰接至手指机架上的铰接件。另外，如图3所示，还有一中部销轴52，依次穿过第一指节的左侧壁121的另一端、第二指节的左侧壁131的一端、平行中杆23的一端、自适应中杆33的一端、第二指节的右侧壁132的一端和第一指节的右侧壁122的另一端，以使得第一、第二指节和平行传动链以及自适应传动链都可绕该中部销轴52转动。此外还有一顶部销轴50，依次穿过第二指节的左侧壁131的另一端、所述自适应顶杆35的另一端和所述平行顶杆25的另一端，使得第二指节、鳍条指节和平行传动链以及自适应传动链可绕该顶部销轴50转动。通过所述底部销轴51、中部销轴52和顶部销轴50实现所述刚性指节与所述平行传动链2和所述自适应传动链3之间的活动连接。
在一具体的实施例中，欠驱动手指的欠驱动结构中的弹簧元件包括一扭簧100和一拉簧200，如图8所示，扭簧100套设于所述中部销轴52上，夹设于第一指节左侧壁121和所述中部销轴52的轴帽之间，并且扭簧100的两端部分别固定于第一指节左侧壁121和第二指节左侧壁131上。如图9所示，手指机架11的左侧板111上装有第一螺栓53，所述平行底杆21上装有第二螺栓54，并且所述第二螺栓54裸露的螺纹部分位于手指机架左侧板111和所述平行底杆21之间；所述拉簧200两端分别固定于第一螺栓53和第二螺栓54的螺纹上，并且位于手指机架左侧板111内侧。所述第一螺栓和所述第二螺栓的相对位置使得所述拉簧200在初始状态时也具有预紧力，无法继续压缩复原。
如图8所示，第一指节左侧壁121和第二指节左侧壁131的接触处外侧设计为标准的直角对接，不像内侧一样第一指节左侧壁121端部为圆角设计(可保证第二指节相对于第一指节向下转动)，此限位设计保证了第二指节相对于第一指节到图8的位置后不会再继续向上向右转动。
如图9和图4所示，针对拉簧200的限位设计在平行底杆21上，平行底杆21具有凸出的限位部210，当平行传动链的平行运动进行到一定程度时，所述限位部210可抵接在所述手指机架的背板115上。平行运动只有在触碰物体前才能进行，如果前两个指节12和13先触碰到物体，则基于鳍条指节14做自适应包络抓取运动；如果鳍条指节14先触碰到物体，则基于指节12、13做柔性捏取。当平行底杆21上的限位部210触碰到手指机架11的背板115时，平行运动到达如图10a所示的极限位置，但这并不代表手指指节活动的停止，接下来第二指节13和鳍条指节14会继续转动直到触碰物体或者电机滑块42不能够再向上运动。电机滑块42向下运动到达极限时，手指呈图10b所示的另一极限状态。
手指机架11上除了螺栓53处的孔位之外，还有孔位112也可以放置螺栓，这个备用方案可以增加底部拉簧200的预紧力。底部拉簧由于安装上的困难可能会出现拉簧变形失效或弹性不足的情况，这时可以利用孔位112，通过增加预紧力改善拉簧的工作状况。
本发明的鳍条指节14是基于fin-ray effect(鳍条效应)设计的，该结构由中间的刚性支撑杆，两侧的柔性表皮以及连接处的铰链组成。其效果是当某一侧受力时，该结构会向施力侧弯曲包拢。得益于刚性杆的支撑，鳍条结构在变形的同时能承受更大载荷。具体而言，如图6，本发明的鳍条指节14包括可形变的柔性表层、位于所述柔性表层内的刚性支撑件、位于指尖的刚性指甲145以及所述底部。所述柔性表层包括鳍条指节内侧的连续性表层141和外侧间隔排列的柔性连接件144，其中，所述柔性连接件144由刚性接块143间隔开，并且，所述柔性连接件144的厚度大于所述连续性表层141的厚度(这样有利于鳍条指节本身向内弯曲形变)。每一柔性连接件144与所述连续性表层141之间分别通过一刚性连杆142连接，所述柔性连接件144为“凸”字形的柔性部件，可以代替传统的铰链设计，简化结构的同时利于鳍条指节的一体成型制作。刚性指甲145基于仿生学设计，与刚性接块143一样是为了使鳍条指节能承受更大载荷。
在优选的方案中，该鳍条指节14可以采用一刚性材料和一柔性材料进行3D打印一体成型。刚性材料例如可以采用树脂，柔性部分例如可以采用橡胶，但不限于这两种材料，也可以采用其它的刚性材料和柔性材料。为增加手指抓持时的稳定性，第一指节12、第二指节13和鳍条指节14表面可贴有一层薄膜，以增大摩擦力，例如可以使用乒乓球拍的胶皮，但不限于此。
本发明实施例提供的柔性欠驱动手指的一种示例性抓取过程如图11a～11d所示，为一个典型的自适应包络抓取运动，例如是抓取一圆柱体6。图11a所示是在未触碰物体前柔性欠驱动手指做平行运动；图11b所示是手指的第一指节12触碰到物体，两个弹簧(扭簧100和拉簧200)同时拉伸，第二指节13开始相对第一指节12转动；图11c所示是手指的第二指节13触碰到物体并停止转动，扭簧100随之停止转动，底部拉簧200继续拉伸，鳍条指节14相对第二指节13转动；图11d所示是鳍条指节触碰到物体，接下来是f鳍条指节的柔性形变阶段，图中未示出，其柔性形变向内包络物体直至无法变形，手指停止运动，控制机械手进行抓取。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于鳍条式结构的柔性欠驱动手指，其特征在于：包括手指机架(11)、平行传动链(2)、自适应传动链(3)、驱动部件(4)、刚性指节和柔性的鳍条指节(14)，所述鳍条指节(14)为手指的末端指节，所述平行传动链(2)、所述自适应传动链(3)和所述驱动部件(4)均安装于所述手指机架(11)上；
所述刚性指节同时与所述平行传动链(2)和所述自适应传动链(3)活动连接；
所述鳍条指节(14)通过所述自适应传动链(3)与所述刚性指节连接；所述鳍条指节(14)包括可形变的柔性表层、位于所述柔性表层内的刚性支撑件、位于指尖的刚性指甲(145)以及底部；所述柔性表层包括鳍条指节内侧的连续性表层(141)和外侧间隔排列的柔性连接件(144)，其中，所述柔性连接件(144)由刚性接块(143)间隔开，并且，所述柔性连接件(144)的厚度大于所述连续性表层(141)的厚度；每一柔性连接件(144)与所述连续性表层(141)之间分别通过一刚性连杆(142)连接，所述柔性连接件(144)为“凸”字形；所述鳍条指节(14)采用一刚性材料和一柔性材料进行3D打印一体成型；
所述自适应传动链(3)连接于所述驱动部件(4)，并在所述驱动部件(4)的驱动下活动，以带动所述平行传动链(2)活动以及促使所述刚性指节和所述鳍条指节(14)产生相适应的运动，同时，所述鳍条指节(14)在所述自适应传动链(3)的作用下产生相适应的形变。
2.如权利要求1所述的柔性欠驱动手指，其特征在于：具有两个所述刚性指节，分别为第一指节(12)和第二指节(13)，所述第二指节(13)、所述第一指节(12)和所述手指机架(11)依次活动连接，所述鳍条指节(14)固定于所述自适应传动链(3)输出端部件上，所述输出端部件与所述第二指节(13)活动连接；
所述第一指节(12)和所述第二指节(13)均分别具有左侧壁和右侧壁，所述平行传动链(2)与所述第一指节(12)的左侧壁(121)和所述第二指节(13)的左侧壁(131)连接，并形成两个串联的四连杆机构；所述自适应传动链(3)与所述第一指节(12)的右侧壁(122)和所述第二指节(13)的右侧壁(132)连接，并形成另外两个串联的四连杆机构。
3.如权利要求2所述的柔性欠驱动手指，其特征在于：所述平行传动链(2)包括平行底杆(21)、第一平行连杆(22)、平行中杆(23)、第二平行连杆(24)和平行顶杆(25)；所述自适应传动链(3)包括自适应底杆(31)、第一自适应连杆(32)、自适应中杆(33)、第二自适应连杆(34)和自适应顶杆(35)；所述手指机架(11)具有左侧板(111)、右侧板(113)和背板(115)；
所述第一指节的左侧壁(121)一端与所述平行底杆(21)的一端共同铰接至所述手指机架的左侧板(111)，所述第二指节的左侧壁(131)一端与所述平行中杆(23)的一端共同铰接于所述第一指节的左侧壁(121)另一端，所述平行底杆(21)的另一端与所述第一平行连杆(22)的一端铰接，所述第一平行连杆(22)的另一端与所述平行中杆(23)的另一端铰接，所述第二平行连杆(24)的一端铰接于所述平行中杆(23)的中部，所述第二平行连杆(24)的另一端铰接于所述平行顶杆(25)的一端；
所述第一指节的右侧壁(122)一端与所述自适应底杆(31)的一端共同铰接至所述手指机架的右侧板(113)，所述第二指节的右侧壁(132)一端与所述自适应中杆(33)的一端共同铰接于所述第一指节的右侧壁(122)另一端，所述自适应底杆(31)的另一端与所述第一自适应连杆(32)的一端铰接，所述第一自适应连杆(32)的另一端与所述自适应中杆(33)的拐角部铰接，所述第二自适应连杆(34)的一端与所述自适应中杆(33)的另一端铰接，所述第二自适应连杆(34)的另一端铰接于所述自适应顶杆(35)的一端，其中，所述拐角部位于所述自适应中杆(33)的两端之间并将所述自适应中杆(33)划分为两段，所述两段互成一小于180°的角度，使得在所述自适应传动链的活动过程中所述第一自适应连杆(32)和所述第二自适应连杆(34)保持一致的运动方向；
所述自适应顶杆(35)的另一端铰接于所述第二指节的右侧壁(132)的另一端，所述鳍条指节(14)的底部固定于所述自适应顶杆(35)上，所述自适应顶杆(35)和所述平行顶杆(25)之间固定连接或采用弹性部件连接。
4.如权利要求3所述的柔性欠驱动手指，其特征在于：所述驱动部件(4)包括步进电机(41)、电机滑块(42)、滑块连接件(43)、导轨滑块(44)、直线导轨(45)、传动滑块(46)和传动连杆(47)；
所述电机滑块(42)与所述步进电机(41)的丝杆螺旋连接，同时，所述电机滑块(42)、所述滑块连接件(43)以及所述传动滑块(46)固定连接；所述滑块连接件(43)与所述导轨滑块(44)固定连接，所述导轨滑块(44)与所述直线导轨(45)可滑动地连接，所述直线导轨(45)固定连接在所述手指机架(11)上，所述传动滑块(46)与所述传动连杆(47)铰接，所述传动连杆(47)与所述自适应底杆(31)铰接；
从而，当所述步进电机(41)转动时，通过所述丝杆将电机的转动转换为电机滑块(42)的滑动，再依次通过传动滑块(46)和传动连杆(47)驱使所述自适应底杆(31)进行绕底部销轴(51)的转动，从而带动整个欠驱动手指的活动；
其中，所述底部销轴(51)是将平行底杆(21)、自适应底杆(31)以及第一指节的左、右侧壁共同铰接至手指机架上的铰接件。
5.如权利要求4所述的柔性欠驱动手指，其特征在于：通过一中部销轴(52)依次穿过第一指节的左侧壁(121)另一端、第二指节的左侧壁(131)一端、平行中杆(23)的一端、自适应中杆(33)的一端、第二指节的右侧壁(132)一端和第一指节的右侧壁(122)另一端；通过一顶部销轴(50)依次穿过第二指节的左侧壁(131)另一端、所述自适应顶杆(35)的另一端和所述平行顶杆(25)的另一端；以及，通过所述底部销轴(51)，来实现所述刚性指节与所述平行传动链(2)和所述自适应传动链(3)之间的活动连接。
6.如权利要求5所述的柔性欠驱动手指，其特征在于：所述柔性欠驱动手指的弹簧元件包括一扭簧(100)和一拉簧(200)；所述扭簧(100)套设于所述中部销轴(52)上，夹设于第一指节左侧壁(121)和所述中部销轴的轴帽之间，并且所述扭簧的两端部分别固定于第一指节左侧壁(121)和第二指节左侧壁(131)上；
所述手指机架(11)的左侧板(111)上装有第一螺栓(53)，所述平行底杆(21)上装有第二螺栓(54)，并且所述第二螺栓(54)裸露的螺纹部分位于手指机架左侧板(111)和所述平行底杆(21)之间；所述拉簧(200)两端分别固定于所述第一螺栓和所述第二螺栓的螺纹上，并且位于手指机架左侧板(111)内侧。
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