CN108638098A - 全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，属于机器人技术领域，包括基座、驱动器、传动机构、多个传动件、多个滑框、多个第一簧件、多个伸缩杆单元、滑槽件。其中伸缩杆单元包括滑杆、导杆和第二簧件。该装置能够实现自适应抓取物体的功能。抓取时，部分伸缩杆单元受到物体反作用力轴向被动收缩，第二簧件变形，密集排布的多个伸缩杆单元在不同位置的竖直方向上适应该点物体形状，驱动器通过传动机构、传动件、滑框和第一簧件，拉动伸缩杆单元分别朝不同方向摆动，与物体多点接触，达到抓取物体目的。该装置能一次抓取多个物体，对物体放置位置和姿态不敏感，适合在传送带或工作台上一次抓取多个物体；单个驱动器控制容易，适用范围广、抓取稳定。

Description

全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的执行终端，需要实现抓取与释放两个动作。按使用场合的不同，主要可分为拟人机械手与工业夹持器两大类机器人手。拟人机械手与人手相似，主要作为义肢供残疾人使用，或进行抓取研究。工业夹持器应用广泛，主要用于自动化生产线上对工件进行抓取与操作。目前的机器人手灵活度较差，需要利用复杂的抓取算法才能实现不同物体的抓取，但可靠度不高。通过机械的方式适应不同物体的形状并实施抓取可以减少控制的复杂度，并提高机器人手的通用性。

SCOTT,Peter B(参考文献SCOTT,Peter B.The“Omnigripper”:A form of robotuniversal gripper.Robotica,1985,3(3):153-158)介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用夹持器Omnigripper。该夹持器具有两组杆阵集合，每组杆阵集合有多个相互平行的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组杆阵靠拢或离开，实现对物体的抓持和释放。该装置的不足之处在于自适应性较差。抓取时，抓取力只能沿着两组杆阵集合合拢的方向，相当于二指夹持器，产生的仅仅是一维夹持模式，夹持效果差；如若物体没有跨越两组杆阵，或物体成长条状且平行于两组杆的运动方向，会导致抓取失效。

FU,Hong(参考文献FU,Hong,et al.A novel cluster-tube self-adaptiverobot hand.Robotics and biomimetics,2017,4(1):25)介绍了一种杆簇自适应机器人手。该机器人手利用3条柔性绳侧向拉拽滑动摆杆机构，使得摆杆在轴向适应物体后在侧向接触物体，通过多点接触实现物体的抓取。该装置的所有摆杆均向中心汇聚，具有较强的方向性，因此对抓取物体的位置要求较高，通用性较差。同时由于柔性绳缠绕的机构复杂性，使得摆杆的数量受到极大的限制，很难得到具有较高密度的杆簇，因而自适应性受到限制。

一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置(中国发明专利CN105583831B)，利用多个滑动推杆获得对物体大小和形状的自适应效果；利用流体排出、膜皮和推杆的弯曲弹性实现多个推杆向中心聚拢的弯曲变形，达到对物体的多向抓持效果。由于膜皮为柔性材料，使用寿命与可靠性将受到限制。流体的使用进一步增加了系统的复杂性，使得成本提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，该装置能够实现不同大小和形状物体的自适应抓取，利用单个驱动器驱动，接触物体点多，且能够同时抓取多个物体，抓取稳定。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述一种全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、驱动机构和m个杆槽组件；所述驱动机构包括驱动器、传动机构、n个传动件、n个滑框和k个第一簧件；所述驱动器与基座固接，驱动器的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与所有的传动件相连，所述传动件与对应的滑框相连，所述滑框分别滑动镶嵌在基座中；所述杆槽组件包括n个伸缩杆单元与n个滑槽件；每个杆槽组件中的伸缩杆单元分别与对应的滑框通过对应的第一簧件相连；所述滑槽件固接在基座上，所述滑槽件上有滑槽；所述伸缩杆单元包括滑杆、导杆和第二簧件；所述导杆与基座铰接；所述第二簧件的两端分别连接导杆和滑杆；所述滑杆滑动套接在导杆上；每个伸缩杆单元中的导杆或滑杆穿过对应的滑槽件上的滑槽；所述伸缩杆单元在滑槽中的滑动方向与对应的滑框的滑动方向一致；所述滑槽件周向布置，滑槽轴线构成多边形；m为大于1的自然数，n为大于2的自然数，k＝m×n。

本发明所述全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动件采用连杆；所述传动机构的输出端与所有的连杆相连，所述连杆与对应的滑框相连。

本发明所述全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动机构采用螺纹传动机构；所述传动机构包括丝杠和螺母；所述驱动器的输出端与丝杠相连，所述螺母套接在丝杠上，所述螺母与丝杠形成螺纹传动关系。

本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：

本发明装置采用多个伸缩杆单元和驱动机构综合实现离散空间自适应抓取功能；利用多个伸缩杆单元实现对物体大小和形状的自适应功能，能够抓取不同形状和尺寸的物体；抓取时，部分伸缩杆单元受到物体反作用力轴向被动收缩，第二簧件变形，密集排布的多个伸缩杆单元在不同位置的竖直方向上适应该点物体形状，驱动器通过传动机构、传动件、滑框和第一簧件，拉动伸缩杆单元分别朝不同方向摆动，与物体多点接触，达到抓取物体目的。该装置能一次抓取多个物体，对物体放置位置和姿态不敏感，适合在传送带或工作台上一次抓取多个物体；单个驱动器控制容易，适用范围广、抓取稳定。

附图说明

图1是本发明提供的全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置的一种实施例初始状态的结构图。

图2是图1所示实施例抓取状态的结构图。

图3是图1所示实施例的伸缩杆单元的结构图。

图4是几种不同滑槽实施例的原理示意图。

图5是图1所示实施例不同情形下伸缩杆单元与物体接触的原理示意图。

图6是图1所示实施例的驱动机构结构图。

图7是图1所示实施例的驱动机构原理示意图。

图8是图1所示实施例的滑框的结构图。

图9是图1所示实施例的滑框的原理示意图。

图10、图11、图12、图13是图1所示实施例抓取物体过程的示意图。

在图1至图13中：

1-基座， 11-下基座， 12-上基座， 13-基座套筒，

14-驱动器支座， 15-驱动器支座套筒， 16-连接器， 17-连接器套筒，

2-驱动机构， 21-驱动器， 22-联轴器， 23-丝杠，

24-螺母， 25-传动件， 251-第一连杆， 252-第二连杆，

253-第三连杆， 254-第四连杆， 26-滑框， 261-第一滑框，

262-第二滑框， 263-第三滑框， 264-第四滑框， 27-第一簧件，

28-滑框限位块， 3-杆槽组件， 31-滑槽件， 32-伸缩杆单元，

321-滑杆， 322-导杆， 323-滑杆限位块， 324-第二簧件，

325-摆块， 326-固定块， 41-目标抓取物， 42-支撑面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的一种全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置的一种实施例，如图1至图9所示，包括基座1、驱动机构2和m个杆槽组件3；所述驱动机构2包括驱动器21、传动机构、n个传动件25、n个滑框26和k个第一簧件27；所述驱动器21与基座1固接，驱动器21的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与所有的传动件25相连，所述传动件25与对应的滑框26相连，所述滑框26分别滑动镶嵌在基座1中；所述杆槽组件3包括n个伸缩杆单元32与n个滑槽件31；每个杆槽组件3中的伸缩杆单元32分别与对应的滑框26通过对应的第一簧件27相连；所述滑槽件31固接在基座1上，所述滑槽件31上有滑槽；所述伸缩杆单元32包括滑杆321、导杆322和第二簧件324；所述导杆322与基座1铰接；所述第二簧件324的两端分别连接导杆322和滑杆321；所述滑杆321滑动套接在导杆322上；每个伸缩杆单元32中的导杆322或滑杆321穿过对应的滑槽件31上的滑槽；所述伸缩杆单元32在滑槽中的滑动方向与对应的滑框26的滑动方向一致；所述滑槽件31周向布置，滑槽轴线构成多边形；m为大于1的自然数，n为大于2的自然数，k＝m×n。

本实施例中，m为16，n为4，k＝16×4＝64。

本实施例中，所述传动件采用连杆；所述传动机构的输出端与所有的连杆相连，所述连杆与对应的滑框26相连

本实施例中，所述伸缩杆单元32还包括滑杆限位块323、摆块325和固定块326；所述固定块326与基座1固连；所述摆块325与固定块326铰接；所述导杆322与摆块325固连；所述第二簧件324两端分别与摆块325和滑杆限位块323相连；所述滑杆321与滑杆限位块323固连，如图3所示。

本实施例中，所述传动机构采用螺纹传动机构，所述传动机构包括联轴器22、丝杠23、和螺母24；所述驱动器21输出端通过联轴器22与丝杠23相连；所述螺母24套接在丝杠23上，所述螺母24与丝杠23形成螺纹传动关系。所述传动件25采用连杆，所述螺母24同时与所有的连杆铰接。

本实施例中，所述基座1包括下基座11、上基座12、基座套筒13、驱动器支座14、驱动器支座套筒15、连接器16和连接器套筒17；所述基座套筒13两端分别与下基座11和上基座12固连；所述驱动器支座套筒15两端分别与上基座12和驱动器支座14固连；所述驱动器21壳体与驱动器支座14固连；所述连接器套筒17两端分别与驱动器支座14和连接器16固连。

本实施例中，所述杆槽组件3包括4个伸缩杆单元32与对应穿过的4个滑槽件31；4个伸缩杆单元32在滑槽件31中朝4个不同方向摆动；所述杆槽组件3阵列布置，4个滑框26上的第一簧件27分别连接对应在4个不同运动方向上的伸缩杆单元32，如图1所示；所述滑框26在驱动机构2的驱动下朝4个不同方向滑动，从而拉动4组伸缩杆单元32朝不同方向摆动，如图2所示。

本发明的另外几种优选方案如图4所示，所述杆槽组件3可由3个、4个、5个或更多伸缩杆单元32组成；滑槽件31周向阵列布置，滑槽轴线构成多边形。

下面结合附图介绍图1所示的全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置的实施例的工作原理。

本实施例的初始状态如图1所示，此时所有伸缩杆单元32处于初始状态，相互之间保持平行；抓取状态如图2所示，此时所有伸缩杆单元32相互交错，可抓取在伸缩杆单元32阵列之中的物体。

当驱动器21启动时，带动丝杠23旋转，使得螺母24向下运动；螺母24在竖直方向上的运动通过传动件25传递至滑框26，滑框26在滑框限位块28的约束下在水平方向上平动，如图7所示；螺母24在同一平面内间隔90°的4个方向上分别与第一连杆251、第二连杆252、第三连杆253和第四连杆254铰接，分别驱动第一滑框261、第二滑框262、第三滑框263和第四滑框264朝4个方向运动，如图6所示。

滑框26穿过伸缩杆单元32之间的空隙；每个滑框26只与同一运动方向的伸缩杆单元32通过第一簧件27相连，如图9所示；滑框26与第一簧件27的连接如图8所示。

伸缩杆单元32受到轴向压力时，滑杆321沿导杆322向摆块325抵抗第二簧件324滑动；不受到外力时在第二簧件324的作用下恢复原长，并由滑杆限位块323与第一簧件27的接触限制滑杆321不脱离导杆322；滑杆321受到第一簧件27拉动时，绕摆块325与固定块326之间的铰接点摆动。

全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置通过连接器16与机械臂连接；当抓取物体时，机械臂运动，全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置沿伸缩杆单元32轴向靠近在支撑面42上放置的目标抓取物41，如图10所示；伸缩杆单元32轴向接触到目标抓取物41时，受到压力使得滑杆321上滑，从而在竖直方向适应了目标抓取物41的形状，如图11所示；此时驱动器21启动，通过丝杠23、螺母24和传动件25将动力水平传输至滑框26；滑框26通过第一簧件27拉动伸缩杆单元32摆动；当摆动的伸缩杆单元32侧向接触到目标抓取物41时，在目标抓取物41的约束下停止摆动；此时停止摆动的伸缩杆单元32相连的第一簧件27发生弹性形变，滑框26可以继续滑动，使得其他伸缩杆单元32继续摆动直至陆续接触到目标抓取物41或达到摆动极限角度，如图12所示；与目标抓取物41相接触的伸缩杆单元32将相连的第一簧件27的拉力施加到目标抓取物41上，提供抓取所需的正压力；目标抓取物41四周被伸缩杆单元32包围，在摩擦力的作用下实现了目标抓取物41的抓取，如图13所示。

目标抓取物41的释放通过驱动器21反向运动实现；此时滑框26通过第一簧件27将伸缩杆单元32拉回至初始的竖直姿态，可进行下一次抓取。

本发明装置采用多个伸缩杆单元和驱动机构综合实现离散空间自适应抓取功能；利用多个伸缩杆单元实现对物体大小和形状的自适应功能，能够抓取不同形状和尺寸的物体；抓取时，部分伸缩杆单元受到物体反作用力轴向被动收缩，第二簧件变形，密集排布的多个伸缩杆单元在不同位置的竖直方向上适应该点物体形状，驱动器通过传动机构、传动件、滑框和第一簧件，拉动伸缩杆单元分别朝不同方向摆动，与物体多点接触，达到抓取物体目的。该装置能一次抓取多个物体，对物体放置位置和姿态不敏感，适合在传送带或工作台上一次抓取多个物体；单个驱动器控制容易，适用范围广、抓取稳定。

Claims (3)

1.一种全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、驱动机构和m个杆槽组件；所述驱动机构包括驱动器、传动机构、n个传动件、n个滑框和k个第一簧件；所述驱动器与基座固接，驱动器的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与所有的传动件相连，所述传动件与对应的滑框相连，所述滑框分别滑动镶嵌在基座中；所述杆槽组件包括n个伸缩杆单元和n个滑槽件；每个杆槽组件中的伸缩杆单元分别与对应的滑框通过对应的第一簧件相连；所述滑槽件固接在基座上，所述滑槽件上有滑槽；所述伸缩杆单元包括滑杆、导杆和第二簧件；所述导杆与基座铰接；所述第二簧件的两端分别连接导杆和滑杆；所述滑杆滑动套接在导杆上；每个伸缩杆单元中的导杆或滑杆穿过对应的滑槽件上的滑槽；所述伸缩杆单元在滑槽中的滑动方向与对应的滑框的滑动方向一致；所述滑槽件周向布置，滑槽轴线构成多边形；m为大于1的自然数，n为大于2的自然数，k＝m×n。

2.如权利要求1所述全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动件采用连杆；所述传动机构的输出端与所有的连杆相连，所述连杆与对应的滑框相连。

3.如权利要求1所述全向交错摆动杆阵自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动机构采用螺纹传动机构，所述传动机构包括丝杠和螺母；所述驱动器的输出端与丝杠相连，所述螺母套接在丝杠上，所述螺母与丝杠形成螺纹传动关系，所述螺母与所有的传动件相连。