CN108818577B

CN108818577B - 摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN108818577B
Application number: CN201810596275.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋若萱; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2038-06-11
Also published as: CN108818577A

Abstract

摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、底座、电机、三套传动机构、摆杆、滑槽、两个指段、两个关节轴、簧件和限位块。该装置实现了机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个手指，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种多连杆平行夹持自适应包络机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的重要部件，是机器人研究的热点和难点。有些手被设计成人手的形状去模仿人手的运动，也有有些手被开发出来用于工业作业中，例如工业夹持器、欠驱动手、灵巧手和特种手等。这些手可以配合机器人的传感与控制系统，在许多特殊的环境中完成特定的抓取任务。然而，大多数夹持器仅针对一个特定的任务而设计，只能抓住一些特殊类型的物体。多自由度的灵巧手具有较高的的拟人性，可以完成多数人手抓取、操作和感知功能，可是这类手通常比传统的夹持器更复杂、易碎和昂贵。特种手是各种无手指机器人手的统称，主要是针对特定物体开发，例如利用吸盘、磁铁等装置。可这种手在抓取物体方面，普及度不如多个手指的机器人手高，不是非常适合在日常生活中使用。为了适应不同的抓持任务，扩大行业的使用范围，自适应欠驱动机器人综合了市面上一般机器人手的优点，将一般手的复杂机械结构改为一种结构简单、电机数量少和应用范围广的装置。

人手的另一个重要特征是实现混合抓取模式，该模式不限于单个抓取模式，既可以实现握持也可以实现捏持。大多数欠驱动的手能够实现一个物体的包围式抓握或包络抓握。然而，这样的手不能捏持，利用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体。自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取。已有的一种欠驱动机器人手指装置(国际专利WO 2013/075245A1)，包括连杆、弹簧、机械约束。此装置实现了连杆欠驱动耦合转动多个关节，然后再手指弯曲自适应抓取物体的功能，是一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。其不足在于该装置无法实现末端指段平行夹持抓取效果，导致其无法抓取在水平平面上一些小而薄的物体，无法实施平行捏持或外张撑取物体。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置。该装置结构简单，具有多种抓取模式，既能平动第二指段夹持或外张撑取物体，也能利用连杆跟弹簧自适应包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大，仅利用一个电机驱动两个手指，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴、簧件和限位块；所述近关节轴套设在基座中，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；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二指段套接在第三轴上；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；所述限位块与第二连杆固接，所述限位块与第一连杆在初始位置时相接触，所述限位块限制第一连杆与第二连杆的夹角不得小于初始角度；所述簧件的两端分别连接第一连杆与第二连杆；所述近关节轴的中心线、远关节轴的中心线、第一轴的中心线、第二轴的中心线和第三轴的中心线相互平行；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第三轴的中心点为 C，第二轴的中心点为D，第一轴的中心点为E；线段AE等于线段BC；在初始位置时线段AB等于CE；在初始位置时线段AB、BC、CE、EA构成平行四边形；在初始位置时D点在ABCE四边形之外；其特征在于：该摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置还包括底座、摆杆、滑槽件、第四轴、第五轴、第二传动机构和第三传动机构；所述基座滑动镶嵌在底座上；所述滑槽件上有滑槽，所述滑槽为直线滑槽；所述基座在底座上的滑动方向与滑槽的中心线垂直；所述第四轴套设在基座中；所述第一指段与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与摆杆相连；所述摆杆的一端套接在第四轴上，摆杆的另一端套接在第五轴上；所述第五轴滑动镶嵌在滑槽中；所述滑槽件滑动镶嵌在基座中；所述滑槽件在基座中滑动的方向与滑槽的中心线垂直；所述滑槽件的滑动方向与线段FG的夹角为β，基座在底座中的滑动方向与线段AB的夹角为β；所述滑槽件与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与底座相连；所述第二传动机构为等速传动；设第四轴的中心点为F，第五轴的中心点为G；线段FG的长度与线段AB的长度之比为k，第三传动机构的传动比为q，k与q相等。

本发明所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、绳轮传动机构和链轮传动机构中的一种或多种的组合；所述第三传动机构采用齿轮传动机构、齿条传动机构、带轮传动机构、绳轮传动机构和链轮传动机构中的一种或多种的组合。

本发明所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构；所述第二传动机构包括第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在第四轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合。

本发明所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三传动机构采用齿轮传动机构和齿条传动机构的组合；所述第三传动机构包括第一齿条、第三齿轮、第四齿轮和第二齿条；所述第三齿轮套接在第四轴上；所述第四齿轮套接在第四轴上；所述第三齿轮和第四齿轮固接；所述第三齿轮与第四齿轮的直径比为w,w与k相等；所述第三齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条与滑槽件固接；所述滑槽件在基座中的滑动方向与第一齿条的分度线平行；所述第四齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条与基座固接，所述基座在底座中的滑动方向与第二齿条的分度线平行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、连杆、传动机构、摆杆、滑槽、两个指段、两个关节轴、簧件和限位块等综合实现了机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持或外张撑取物体，也能利用连杆跟弹簧自适应包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大，仅利用一个电机驱动两个手指，制造和维护成本低；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个手指，无需复杂的传感和控制系统；该装置利用摆杆滑槽实现基座的整体抬升或下降，可适用于多种不同的机器人以实现末端指段的平动，且不影响该装置的原本抓取功能。

附图说明

图1是本发明设计的摆杆滑槽直线平行夹持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所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的正视图(未画出部分零部件)。

图4是图1所示实施例的后视图。

图5是图1所示实施例的后视图(未画出部分零部件)。

图6是图5的简化视图，但未画出第三齿轮、第四齿轮。

图7是图2的左视图。

图8是图2的右视图。

图9是图1所示实施例的爆炸视图。

图10至图12是图1所示实施例在以直线平行夹持的方式抓取物体的动作过程图，所述第二指段的末端轨迹为直线(如图10中的虚线)。

图13是图10至图12动作过程叠加示意图。

图14至图17是图1所示实施例在以自适应模式抓取物体的动作过程图。

图18是图14至图17动作过程叠加示意图。

图19是第二指段末端在平行夹持阶段沿直线平动的原理图，其中线段AB代表了第一指段，线段FG 代表了摆杆，线段AB转动一个角度后变为AB’，此时线段FG转动一个角度后达到FG’。

图20是平行夹持过程中第一指段、第二指段、第一连杆和第二连杆的相对位置示意图，其中，三角形CDE在平行夹持阶段保持不变形，所以CE在此阶段与AB长度相等，四边形ABCE为平行四边形，因此线段BC在此阶段保持与线段AE平行，于是第二指段在平行夹持阶段保持与基座姿态不变。

在图1至图18中：

1—底座， 11—电机， 12—第一传动机构，

13—簧件， 14—基座， 15—物体，

21—第一指段， 22—第二指段， 31—近关节轴，

32—远关节轴， 41—第一连杆， 42—第二连杆，

43—摆杆， 51—第一轴， 52—第二轴，

53—第三轴， 54—第四轴， 55—第五轴，

61—第一齿轮， 62—第二齿轮， 63—第三齿轮，

64—第四齿轮， 71—第一齿条， 72—第二齿条，

81—滑槽件， 82—滑杆， 9—限位块。

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。

本发明设计的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8所示，包括基座14、电机11、第一传动机构12、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32、第一连杆 41、第二连杆42、第一轴51、第二轴52、第三轴53、簧件13和限位块9；所述近关节轴套设在基座中，所述第一指段21套接在近关节轴31上，所述远关节轴32套设在第一指段21中，所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述第一轴51套设在基座14中；所述第一连杆41的一端套接在第一轴51上，第一连杆41的另一端套接在第二轴52上；所述第二连杆42的一端套接在第二轴52上，所述第二连杆42的另一端套接在第三轴53上；所述第二指段22套接在第三轴53上；所述电机11与基座14固接；所述电机11的输出轴与第一传动机构12的输入端相连，所述第一传动机构12的输出端与第一连杆41相连；所述限位块9与第二连杆42固接，所述限位块9与第一连杆41在初始位置时相接触，所述限位块9限制第一连杆41与第二连杆42的夹角不得小于初始角度；所述簧件的两端分别连接第一连杆41与第二连杆42；所述近关节轴31的中心线、远关节轴32的中心线、第一轴51的中心线、第二轴52的中心线和第三轴53 的中心线相互平行；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第三轴的中心点为C，第二轴的中心点为D，第一轴的中心点为E；线段AE等于线段BC；在初始位置时线段AB等于CE；在初始位置时线段AB、BC、CE、EA构成平行四边形；在初始位置时D点在ABCE四边形之外；本实施例还包括底座1、摆杆43、滑槽件81、第四轴54、第五轴55、第二传动机构和第三传动机构；所述基座14滑动镶嵌在底座1 上；所述滑槽件81上有滑槽，所述滑槽为直线滑槽；所述基座在底座上的滑动方向与滑槽的中心线垂直；所述第四轴54套设在基座14中；所述第一指段21与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与摆杆43相连；所述摆杆43的一端套接在第四轴54上，摆杆43的另一端套接在第五轴55上；所述第五轴55滑动镶嵌在滑槽中；所述滑槽件81滑动镶嵌在基座14中；所述滑槽件81在基座中滑动的方向与滑槽的中心线垂直；所述滑槽件81的滑动方向(图19中直线n)与线段FG的夹角为β，基座14 在底座1中的滑动方向(图19中直线m)与线段AB的夹角为β；所述滑槽件81与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与底座1相连；所述第二传动机构为等速传动；设第四轴54的中心点为F，第五轴55的中心点为G；线段FG的长度与线段AB的长度之比为k，第三传动机构的传动比为q，k 与q相等。本实施例中，q＝k＝1/2。

在本实施例中，所述第二传动机构采用齿轮传动机构；所述第二传动机构包括第一齿轮61和第二齿轮62；所述第一齿轮61套接在近关节轴31上；所述第二齿轮62套接在第四轴54上；所述第一齿轮61 与第二齿轮62啮合。

本实施例中，所述第三传动机构采用齿轮传动机构和齿条传动机构的组合；所述第三传动机构包括第一齿条71、第三齿轮63、第四齿轮64和第二齿条72；所述第三齿轮63套接在第四轴54上；所述第四齿轮64套接在第四轴54上；所述第三齿轮63和第四齿轮64固接；所述第三齿轮63与第四齿轮64的直径比为w,w与k相等，本实施例中，w＝1/2。所述第三齿轮63与第一齿条71啮合；所述第一齿条71与滑槽件81固接；所述滑槽件81在基座14中的滑动方向与第一齿条71的分度线平行；所述第四齿轮64与第二齿条72啮合；所述第二齿条72与基座14固接，所述基座14在底座1中的滑动方向与第二齿条72 的分度线平行。

本实施例的工作原理，结合附图10至图20，叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图10所示。电机11转动，通过第一传动机构12带动第一连杆41相对于基座14绕第一轴51转动一个角度α，由于簧件13拉着限位块9并使限位块9紧靠第一连杆41，使第一连杆41与第二连杆42保持某个初始设定的角度,例如第一连杆41与第二连杆42呈90度(也可以是其他角度)。限位块9、第二连杆42和簧件13的相对位置如图2所示，由于线段AB、BC、CE、EA构成平行四边形，第一指段21与第一连杆41均相对于基座转动角度α。

同时，第一指段21带动第一齿轮61转动角度α，第二齿轮62反方向转动角度α，如图19，摆杆43 转动角度α。带动第五轴55在滑槽件81里直线滑动，滑槽件81带动第一齿条71移动。带动第三齿轮63 转动角度α，如图5所示，第四齿轮64转动角度α。点B相对于基座14在垂直方向上升的高度为Δh₁，点G相对于基座14在垂直方向下降的高度为Δh₂，实施例将满足以下的公式：

设线段AB的长度为L，线段FG的长度为l,则满足以下的公式：

L＝l/k (公式1)

△h₁＝L sin(π/2-β+α)-L sin(π/2-β) (公式2)

由于第四齿轮64的直径R为第三齿轮63直径r的1/k倍，实施例将满足点B相对于底座沿直线平动。

第二指段22保持相对于底座1不变的姿态，第二指段22的末端的运动轨迹为直线，如果此时第二指段22接触物体15，可以达到平行夹持物体15的效果。这一阶段适合以第二指段22去夹持物体15，或者通过外张的方式用第二指段22去从内向外打开的方式外张撑取物体15。例如一个空心筒柱的拿取，从该物体15的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。在上述过程中，当第二指段22接触物体15，则抓取结束，动作过程如图10至图12、图13所示。

在上述图10至图12的平行夹持过程中，当第一指段21接触物体15时，进入另一抓取模式。此时电机11继续转动，带动第一连杆41继续转动角度，由于第一连杆41被物体15阻挡不能继续转动，簧件13 发生变形使得限位块9离开第一连杆41，因此线段CD与线段DE不再保持初始的角度，第二指段22保持相对于基座的姿态发生变化，此时线段AB与线段BC之间的角度变大，第二指段22向着靠近物体15的方向转动直至接触物体15，达到自适应包络物体15的效果，动作过程如图14至图17、图18所示。

释放物体15时，电机11反转，与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用本发明装置利用电机、连杆、传动机构、摆杆、滑槽、两个指段、两个关节轴、簧件和限位块等综合实现了机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持或外张撑取物体，也能利用连杆跟弹簧自适应包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大，仅利用一个电机驱动两个手指，制造和维护成本低；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个手指，无需复杂的传感和控制系统；该装置利用摆杆滑槽实现基座的整体抬升或下降，可适用于多种不同的机器人手以实现末端指段的平动，且不影响该装置的原本抓取功能。

Claims

1.一种摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴、簧件和限位块；所述近关节轴套设在基座中，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；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，所述第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二指段套接在第三轴上；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；所述限位块与第二连杆固接，所述限位块与第一连杆在初始位置时相接触，所述限位块限制第一连杆与第二连杆的夹角不得小于初始角度；所述簧件的两端分别连接第一连杆与第二连杆；所述近关节轴的中心线、远关节轴的中心线、第一轴的中心线、第二轴的中心线和第三轴的中心线相互平行；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第三轴的中心点为C，第二轴的中心点为D，第一轴的中心点为E；线段AE等于线段BC；在初始位置时线段AB等于CE；在初始位置时线段AB、BC、CE、EA构成平行四边形；在初始位置时D点在ABCE四边形之外；其特征在于：该摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座、摆杆、滑槽件、第四轴、第五轴、第二传动机构和第三传动机构；所述基座滑动镶嵌在底座上；所述滑槽件上有滑槽，所述滑槽为直线滑槽；所述基座在底座上的滑动方向与滑槽的中心线垂直；所述第四轴套设在基座中；所述第一指段与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与摆杆相连；所述摆杆的一端套接在第四轴上，摆杆的另一端套接在第五轴上；所述第五轴滑动镶嵌在滑槽中；所述滑槽件滑动镶嵌在基座中；所述滑槽件在基座中滑动的方向与滑槽的中心线垂直；所述滑槽件的滑动方向与线段FG的夹角为β，基座在底座中的滑动方向与线段AB的夹角为β；所述滑槽件与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与底座相连；所述第二传动机构为等速传动；设第四轴的中心点为F，第五轴的中心点为G；线段FG的长度与线段AB的长度之比为k，第三传动机构的传动比为q，k与q相等。

2.如权利要求1所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、绳轮传动机构和链轮传动机构中的一种或多种的组合；所述第三传动机构采用齿轮传动机构、齿条传动机构、带轮传动机构、绳轮传动机构和链轮传动机构中的一种或多种的组合。

3.如权利要求2所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构采用齿轮传动机构；所述第二传动机构包括第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在第四轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合。

4.如权利要求2所述的摆杆滑槽直线平行夹持自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三传动机构采用齿轮传动机构和齿条传动机构的组合；所述第三传动机构包括第一齿条、第三齿轮、第四齿轮和第二齿条；所述第三齿轮套接在第四轴上；所述第四齿轮套接在第四轴上；所述第三齿轮和第四齿轮固接；所述第三齿轮与第四齿轮的直径比为w,w与k相等；所述第三齿轮与第一齿条啮合；所述第一齿条与滑槽件固接；所述滑槽件在基座中的滑动方向与第一齿条的分度线平行；所述第四齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条与基座固接，所述基座在底座中的滑动方向与第二齿条的分度线平行。