CN108724239A - 柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性机械手，包括：三个或以上的柔性手指，每个所述柔性手指包括手指主体、手指底座和软轴，所述手指主体的一端可转动地连接至所述手指底座；机械手底座；其中，所述手指底座固定至所述机械手底座；所述软轴的一端连接至所述手指主体的内部，另一端连接至驱动单元，且所述软轴设置为偏离所述手指主体的纵向中心轴；在所述驱动单元驱动作用下，所述软轴能够旋转或拉伸，从而使每根所述柔性手指具有弯曲和旋转两个自由度。

Description

柔性机械手

技术领域

本发明涉及一种柔性机械手，特别涉及一种通过软轴驱动的柔性机械手。

背景技术

在未知环境中完成不确定的任务对于机械手操作来说是一个很大的挑战。为了完成抓取任务，机械手的结构必须是灵活和稳健的。对于这个问题，基于刚性连杆的解决方法包括采用复杂的传感器。相反地，利用柔性材料及机构设计，机械操作手的稳健性及适应性可以得到很好的满足。

带有柔性手指的机械手可以很好地提高操作的鲁棒性和自适应性。柔性手指的欠驱动机构可以减少控制系统中驱动器的个数。不仅如此，它还可以保证简化及紧凑的设计。带有柔性的机械手在一些文章已经有了描述。US Patent 7,168,748描述一个三指结构的机械手。每个手指都可以通过齿轮副来传递动力从而实现关节的运动，每个手指都有三个主动的自由度包括一个可转动的手指根部。齿轮副的大量使用导致整个机械结构复杂，脆弱并且很难维护。US Patent 6,244,644展示了一个有五根手指的灵巧机械手，它利用绳驱驱动连杆来实现弯曲运动。这个手指的机理是利用连杆把驱动力从根部传到末端。因此，所有的驱动单元都可以安排在手指的根部。然而，每根手指的根部都固定在手掌上，所以很难实施转动来从而对带有瓶盖的目标物进行相应操作。US Patent 7,296,835描述了一个带有五根手指的机械手和一些手臂附件。每根手指通过绳驱来实现相对于手指根部的弯曲和转动。为了实现对于手指上可弯曲关节的主动控制，线传输的机构应该限制在一个小的几何尺寸，这就导致了整体机构的复杂和脆弱。US2010/0259057描述了一个具有类似人的手指的机械手。驱动所用的绳子穿过手指内部复杂的路径。这个机械手也受困于复杂的机构。

上述的机械手都受困于复杂而且脆弱的机械结构，而且刚性的连杆导致操作不规则目标物时需要复杂的算法。因此，需要一种结构简单，鲁棒性和自适应性的柔性机械手。

本发明提供了一个具有，它可以抓取尺寸、形状和质量范围很广的目标物。不仅如此，这个机械手可以松开\拧紧带瓶盖的目标物。

发明内容

为此，有必要针对现有机械手的以上问题，提供一种柔性机械手，包括：

三个或以上的柔性手指，每个所述柔性手指包括手指主体、手指底座和软轴，所述手指主体的一端可转动地连接至所述手指底座；

机械手底座；

其中，所述手指底座固定至所述机械手底座；

所述软轴的一端连接至所述手指主体的内部，另一端连接至驱动单元，且所述软轴设置为偏离所述手指主体的纵向中心轴；在所述驱动单元驱动作用下，所述软轴能够旋转或拉伸，从而使每根所述柔性手指具有弯曲和旋转两个自由度。

优选地，所述手指主体由柔性材料制成。

优选地，所述手指主体在其纵向中心轴两侧设置有不同的切口，一侧的切口角度大于另一侧的切口角度。

优选地，所述软轴偏离所述手指主体的纵向中心轴的距离为1mm-3mm。

优选地，所述柔性手指还包括上层罩子，所述轴承的内圈嵌套在所述手指主体的一端，所述轴承的外圈嵌套在上层罩子的内壁上，所述上层罩子的上端通过弹簧与所述手指底座连接。

优选地，所述驱动单元包括两个电机A和B，所述电机A用于驱动所述软轴进行旋转运动，所述电机B用于驱动所述软轴进行线性运动。

优选地，所述驱动单元还包括两个支撑板A和B，丝杠，和光轴，其中，丝杠一端通过滚珠螺母固定至所述支撑板A，穿过支撑板B另一端与所述电机B连接，从而通过所述电机B转动所述丝杠会驱动所述支撑板B线性移动；光轴一端固定至所述支撑板A，穿过支撑板B另一端固定至固定有所述电机B的板；所述电机A固定至支撑板B上，并与所述软轴连接。

优选地，所述手指主体包括位于其另一端的手指甲，所述软轴的一端连接至所述手指甲。

优选地，每个所述柔性手指通过一根软轴来实现所述两个自由度。

优选地，独立操作三个或以上所述柔性手指，或使其相互配合。

优选地，所述柔性机械手还包括手掌，该手掌设置有与所述手指主体的形状相匹配的凹部，以供所述手指主体穿过；所述手掌固定至机械手底座，所述手指底座位于所述手掌与所述机械手底座之间的空间中。

上述柔性机械手，通过软轴实现两个自由度，即通过拉伸软轴，所述柔性手指弯曲运动，放松软轴，所述柔性手指可以恢复到初始位置；转动软轴，所述柔性手指绕自身的纵向中心轴进行转动。从而实现抓取、提升和拧紧/松开目标物的目的。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的柔性机械手系统的总体结构示意图；

图2为图1所示的柔性机械手的透视图；

图3(A)、(B)、(C)分别为图2所示柔性机械手的柔性手指的透视图、剖视图和分解图；

图4(A)、(B)分别为图3(A)、(B)、(C)所示柔性手指弯曲和旋转运动的示意图；

图5(A)、(B)、(C)、(D)、(E)为图2所示柔性机械手用于不同任务时的柔性手指位置方向分布的示意图；

图6为图3(A)、(B)、(C)所示的柔性手指的驱动单元的示意图；

图7为图2所示柔性机械手抓取球形目标物的示意图；

图8为图2所示柔性机械手抓取圆柱形目标物的示意图；

图9为图2所示柔性机械手抓取方形目标物的示意图；

图10(A)、(B)为图2所示柔性机械手通过内部空腔提起重物的示意图；

图11(A)、(B)、(C)为图2所示柔性机械手拧紧\松开带瓶盖目标物的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

根据本发明的一个实施例，提供一种柔性机械手系统。如图1所示，该柔性机械手系统包括一个平台底座1，驱动单元2、3、4，驱动控制器5，输入接口6，柔性机械手支撑7，柔性机械手8，及用于动力传输的软轴9、10、11。

在本实施例中，如图2所示，柔性机械手8包括一个机械手底座12，手掌13和三个柔性手指14、15、16。柔性手指14、15、16分别包括由驱动单元驱动的软轴9、10、11。三根软轴可以同时移动，也可以分开控制。当一根或者两根柔性手指移动时，剩下的可以保持静止。每根柔性手指可以实现两个自由度，包括一个弯曲自由度来抓取目标物和一个转动自由度用来调整姿态。本领域技术人员可以理解，在一些实施例中，根据实际需要，柔性机械手可以包括三个以上的柔性手指。下面，具体描述柔性手指14、15、16的结构。

在本实施例中，如图3(A)、(B)、(C)所示，柔性手指14(或15、或16)包括手指底座17、手指主体24、手指甲25、上层罩子26、轴承27、轴承座28和下层罩子29。轴承27的内圈被嵌套在手指主体24的近端，轴承27的外圈被嵌套在上层罩子的内壁上。不仅如此，轴承座28通过销子31限制住轴承27从而把轴承27固定在手指主体24上。因此，轴承27内圈和外圈的相对转动可以驱动手指主体24绕其轴向转动。轴承21和30被固定在上层罩子26上并且分别被轴承盖22和23夹住。因此，手指主体24可以绕着轴承21和30的中心轴转动。弹簧19的两端分别用螺钉18和20连接到手指底座17和上层罩子26的上端。当软轴9放松时，手指主体24的初始姿态如图3(B)所示。手指主体24的纵向中心轴相比于垂直状态有向后的趋势，使得柔性手指14(或15、或16)可以张开更大从而抓取更大尺寸范围的目标物。软轴9的一端通过定位螺栓32固定到手指甲25上，另一端连接到驱动单元(2、3、4)。因此，拉动软轴9可以驱动手指主体24弯曲，旋转软轴9可以驱动手指主体24绕轴承27的中心轴转动。在优选实施例中，软轴9可以由几股钢丝相互缠绕而成，从而在传递转矩和抗拉伸性方面具有优越的性能。

如上所述，手指主体24被精心设计来实现弯曲运动。在一些实施例中，手指主体24是用超弹性的柔性材料或类似材料打印而成。手指主体24的纵向中心轴的两边都被切成不同形状。切口的角度分别是ψ和φ。为了使手指主体更容易弯向一边，切口角度ψ，大于切口角度φ，软轴9和手指主体24的中心轴之间的距离是1mm。因此，在近端拉动软轴9会让手指主体24向单一方向弯曲。在一些实施例中，软轴9与手指主体24的中心轴之间的距离还可以是其他合适数值，例如1mm-3mm的任意值。

如上所述，手指主体24的精心设计可以保证当底部固定时有单一的弯曲方向。弹簧19的刚度小于手指主体24的刚度，所以，当软轴9(10、11)被拉动时，柔性手指的主体24首先从姿态I移动到姿态II。当下层罩子29与手指底座17接触后，继续拉动软轴9(10、11)，手指主体24会从如图4(A)所示的姿态II移动到姿态III。由于软轴9(10、11)的远端固定到手指甲25上，手指主体24可以绕着轴承27转动，所以，手指主体24通过转动软轴9可以获得如图4(B)所示的任意姿态。

为了完成不同的任务，可以调整柔性手指14、15、16的相对姿态。如图5(A)(B)(C)(D)(E)所示，柔性手指14、15和16将采用120°的弯曲取向面来抓取球形物体。两根柔性手指的弯曲取向面是相同的，与第三根手指相对，以此来抓取圆柱形目标物或者方形目标物。由于柔性手指14、15和16都可以沿着他们的手指底座获得任意的旋转角度，三根柔性手指可以伸进一个空腔中靠抓住内壁来提起中空的物体。不仅如此，三根柔性手指可以首先抓住一个带瓶盖的目标物，然后控制三根手指同时向相同方向转动，这样可以用来拧紧\松开带瓶盖的物体，如图5(E)所示。

如上所述，软轴9、10和11能够通过驱动单元2、3和4获得拉伸和旋转运动。如图6所示，对于单个驱动单元(以驱动单元2为例)，包括两个电机或相似机构来提供驱动。安装在板34上的电机33用于将旋转运动转化成线性运动。通过联轴器35连接到电机33上的丝杠37通过滚珠螺母42被支撑板41支撑。电机33的转动会驱动丝杠37绕其中心轴转动。螺母38通过螺钉46被固定到支撑板40上(在本发明中，所有的螺钉都被称为螺钉46)，因而，转动丝杠37会驱动支撑板40线性移动。两根光轴36和45被用来引导和支撑板40的移动，它们的两端分别用螺钉46固定到板34和41上。软轴9(10、11)通过联轴器47连接到电机43上。电机43的转动会驱动软轴9(10、11)绕其中心轴转动。电机33和43产生的线性运动和旋转运动的组合可以驱动软轴9(10、11)使其同时产生拉伸和旋转运动。

如上所述，可以调整三根柔性手指14、15和16的姿态来完成相应的任务。将三根柔性手指14、15和16的相对弯曲姿态的平面调整到120°，然后通过拉伸软轴9、10和11来抓取球形目标48，如图7所示。由于柔性手指14、15和16具有优越的鲁棒性和适应性，故而在抓取过程会顺应球的形状。

为了稳定地抓取圆柱形的目标物49和方形的目标物50，紧握目标物可以很好地提高抓取成功率。将两根柔性手指的弯曲姿态的平面调整成相互平行，并正对于第三根柔性手指的弯曲姿态的平面。因此，一根柔性手指会交叉地弯向其它两根柔性手指。这就保证了抓取力垂直于目标物的中心轴，并且柔性手指会顺应目标物的形状，如图8和图9所示。

如上所述，可以任意调整三根手指的弯曲姿态。因此，将三根柔性手指14、15和16的姿态调整成相互背靠背。然后将三根柔性手指伸进一个中空的目标物51，通过拉动软轴9、10和11来抵住中空目标物51的内壁，然后抓住目标物的内壁把它提起来，如图10(A)、(B)所示。

如上所述，软轴9、10和11的拉伸运动和旋转运动是解耦的。因此，通过拉伸软轴9、10和11可以驱动柔性手指14、15和16抓住带瓶盖的目标物52，然后同时向相同方向转动软轴。软轴的转动会驱动柔性手指绕其初始状态的中心轴转动，从而在带瓶盖的目标物52上产生一个切向力。软轴9、10和11会被释放从而使柔性手指与目标物不再接触，然后转到开始位置开始下一次的抓取和转动。通过重复抓取和转动带瓶盖的目标物，拧紧\松开瓶盖的功能能够被实现，见图11(A)、(B)、(C)。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性机械手，其特征在于，包括：

三个或以上的柔性手指，每个所述柔性手指包括手指主体、手指底座和软轴，所述手指主体的一端可转动地连接至所述手指底座；

机械手底座；

其中，所述手指底座固定至所述机械手底座；

所述软轴的一端连接至所述手指主体的内部，另一端连接至驱动单元，且所述软轴设置为偏离所述手指主体的纵向中心轴；在所述驱动单元驱动作用下，所述软轴能够旋转或拉伸，从而使每根所述柔性手指具有弯曲和旋转两个自由度。

2.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述手指主体由柔性材料制成。

3.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述手指主体在其纵向中心轴两侧设置有不同的切口，一侧的切口角度大于另一侧的切口角度。

4.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述软轴偏离所述手指主体的纵向中心轴的距离为1mm-3mm。

5.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述柔性手指还包括上层罩子，所述轴承的内圈嵌套在所述手指主体的一端，所述轴承的外圈嵌套在上层罩子的内壁上，所述上层罩子的上端通过弹簧与所述手指底座连接。

6.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述驱动单元包括两个电机A和B，所述电机A用于驱动所述软轴进行旋转运动，所述电机B用于驱动所述软轴进行线性运动。

7.根据权利要求6所述的柔性机械手，其特征在于，所述驱动单元还包括两个支撑板A和B，丝杠，和光轴，其中，丝杠一端通过滚珠螺母固定至所述支撑板A，穿过支撑板B另一端与所述电机B连接，从而通过所述电机B转动所述丝杠会驱动所述支撑板B线性移动；光轴一端固定至所述支撑板A，穿过支撑板B另一端固定至固定有所述电机B的板；所述电机A固定至支撑板B上，并与所述软轴连接。

8.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述手指主体包括位于其另一端的手指甲，所述软轴的一端连接至所述手指甲。

9.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，每个所述柔性手指通过一根软轴来实现所述两个自由度，且每个所述柔性手指能够独立操作，或与其他柔性手指配合操作。

10.根据权利要求1-9任一项所述的柔性机械手，其特征在于，还包括手掌，该手掌设置有与所述手指主体的形状相匹配的凹部，以供所述手指主体穿过；所述手掌固定至机械手底座，所述手指底座位于所述手掌与所述机械手底座之间的空间中。