CN108818580B - 共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置 - Google Patents

Abstract

共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、传动机构、导杆、滑块、滑轴、驱动连杆、转接连杆、四个连杆、平动块、簧件、第一指段、第二指段、两个齿轮和七个轴。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能先直线平动第二指段，待第一指段碰到物体再转动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指段；结构简单，控制容易，成本低，适用于机器人手。

Description

共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置的结构设计。

背景技术

机器人技术是二十世纪的伟大发明之一，机器人技术已经带给人类翻天覆地的变化且仍在持续发展之中。近若干年来，机器人技术得到飞速发展，机器人的各个重要部件的相关技术也随之快速发展。机器人手是机器人身上非常重要的部件，它可以帮助机器人完成许多工作，在这些工作中需要对不同形状、尺寸的物体进行抓取。物体可能存在于桌面(工作台)上，在抓取时机器人手既要抓起物体，又不能碰触桌面。由于有些物体高度较低，因此抓取时需要精细控制机器人手，使它在抓取时不会因碰触到桌面而导致抓取失败。

机器人手在抓取物体时，不能与桌面相撞，一种解决方式为提高机器人手臂的控制精度，做好机器人手臂的运动规划，此方式基于精确的机器人手臂运动学模型和动力学模型，非常繁琐，控制系统研发周期长，造价高；另一种解决方式为研制一种能够在桌面上抓取薄板物体而不会碰撞桌面且控制容易的机器人手。

目前的机器人手以带有手指的多指手为主流，其中欠驱动手是一种技术含量高且应用广泛的高性价比机器人手。欠驱动手快速发展多年，已经出现了耦合、平夹与自适应相结合的复合抓取机器人手指，包括耦合自适应手指和平夹自适应手指，其中平夹自适应手指在抓取桌面上的物体时有独特的优势，因为抓取物体主要采用相对方向的两只手指进行平夹，少数情况下这种平夹方式几乎是唯一的抓取方式。另一种抓取方式为包络物体外形的自适应抓取，这种抓取方式不要求物体的形状、尺寸事先已知，具有很高的环境适应能力。具有平夹与自适应相结合的机器人手已经成为目前的研究主流，得到了广泛的推广、应用。例如加拿大LAVAL大学和Robotiq公司开发的多关节平夹自适应手指，引领了世界上的欠驱动手指研究热潮。不过该类机器人手指在抓取桌面物体时仍然存在不足，即在平夹抓取阶段，虽然末端第二指段平动，但是该平动非直线平动，而是一种圆弧状的平动，给桌面物体抓取带来了额外的工作量——即需要机械臂调整手整体的位姿，尤其在桌面法线的高度方向需要进行调整，从而带来了编程的工作量。在不同物体的夹取过程中，编程与工作中调整手臂高度均需要时间，牺牲了工作效率。于是具有直线平夹和自适应复合抓取模式的新型欠驱动手应运而生。直线平夹指在平夹阶段机器人手指的末端指段进行直线平动，从而降低了对机械臂或手腕整体位姿调整的需求，不需要机械臂在抓取物体的过程中调整手相对桌面的高度，而这一高度在传统平夹自适应手抓取过程中需要调整；另一方面，在抓取不同大小的物体时，直线平夹自适应机器人手指末端高度均相同，因此仅需要一次编程确定高度，大大降低了机器人手的应用门槛。

一种具有直线平动夹持的机器人手指装置，如专利WO2016063314A1，包括基座、电机、过渡传动机构、第二指段、第一指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第一指段的直线平动，利用第一指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置机构复杂，而且仅能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取的功能。

一种具有平夹与自适应复合抓取的机器人手指装置，如专利CN105643647A，包括基座、两个指段、两个关节轴、驱动器、两个柔性传动件、四个传动轮、凸块拨盘、两个簧件和限位凸块等。该装置能够实现平夹自适应复合抓取模式，但是其利用柔性件传动实现了末端第二指段在平夹阶段的圆弧平动，不是直线平动，使得在抓取桌面薄板物体时对机械臂和手腕的位置也要相应地调整，才能够实施抓取，这样带来了控制难度大的问题，此外，柔性件传动带来了传动不精确、容易磨损老化等问题。

一种具有直线平夹自适应的机器人手指装置，如专利CN107984484A，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、多个连杆、中间传动机构、T形滑槽件、齿轮、齿条、限位块和簧件等。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能，但是该装置存在以下不足之处：有三套连杆机构并联布置，机构比较复杂，抓取范围有限，制造困难，成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置。该装置具有直线平行夹持和自适应抓取两种抓取模式，无需对物体环境进行复杂的实时检测、规划，既能沿着直线平动末端的第二指段去夹持物体，也能先后运动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，其特征在于：包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、导杆、滑块、滑轴、驱动连杆、转接连杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、平动块、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第一齿轮、第二齿轮和簧件；所述滑轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴的中心线相互平行；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与驱动连杆的一端相连；所述驱动连杆滑动镶嵌在基座中；所述导杆与基座固接；所述驱动连杆与转接连杆固接；所述转接连杆的一端套接在第一轴上，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，第一连杆的中部套接在滑轴上；滑块中设有滑槽，所述滑轴滑动在滑块的滑槽内；所述滑块滑动套接在导杆上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第三轴套接在平动块上；所述第三连杆的一端套接在第三轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴套接在滑块上；所述第五轴套接在滑块上；所述第四连杆的一端套接在第五轴上，第四连杆的另一端套接在第六轴上；所述第六轴套接在平动块上；所述第七轴套接在平动块上；所述第一齿轮套接在第三轴上；所述第二连杆与第一齿轮固接；所述第二齿轮套接在第七轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第二指段套接在第七轴上；所述第二指段与第二齿轮固接；所述第一指段与第三连杆固接；所述簧件的两端分别连接滑块、滑轴；设第一轴、滑轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴的中心点分别为E、A、B、C、D、G、H；线段AB与线段AE相互垂直，所述滑块沿导杆的滑动方向与驱动连杆在基座中的滑动方向之间的夹角为π/2-θ；所述第一轴的中心线与驱动连杆在基座中的滑动方向垂直；所述线段AB与线段AE之比为tanθ；线段CD、线段DG、线段GH和线段HC构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形。

本发明所述的共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述簧件采用压簧或拉簧。

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、导杆、滑块、滑轴、多个连杆、平动块、簧件和齿轮等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能先直线平动第二指段，待第一指段碰到物体再转动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指段；结构简单，控制容易，成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的四杆滑槽转动空程直线平夹自适应手指装置的实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的单侧手指的正等轴测图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的主视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的后视图(未画出部分零件)

图5～图7是图1所示实施例以直线平夹的方式抓取物体的动作过程示意图。

图8～图10是图1所示实施例以直线平夹的方式抓取工作台表面物体的动作过程示意图。

图11～图13是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向内收缩抓取物体(内抓)的动作过程示意图。

图14～图15是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向外张开撑取物体(外抓)的动作过程示意图。

图16～图19是图1所示实施例以自适应包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图20是图1所示实施例的主视图，并显示出角度θ，点E、A、B、C、D的含义，以及初始位置时，各个连杆的位置关系。

图21是图1所示实施例的直线平夹机构原理示意图。

图22是第一连杆、第二连杆、第三连杆、滑块多连杆机构简图，显示出在第一、二指段未接触物体时第二指段末端的移动轨迹，该直线轨迹就是本实施例的第二指段直线平行夹持的移动轨迹即实施例末端直线平行夹持运动的原理图。

图23是第一连杆、第二连杆、第三连杆、滑块多连杆机构简图，显示出在第一指段先接触物体后，第二指段末端的移动轨迹，该包络轨迹就是本实施例的第二指段自适应包络抓取的移动轨迹即实施例自适应包络抓取的原理图。

在图1至图23中：

1－基座， 10－电机， 11－传动机构， 12－第一指段，

13－第二指段， 14－导杆， 15－驱动连杆， 20－转接连杆，

21－第一连杆， 22－第二连杆， 23－第三连杆， 24－第四连杆，

25－平动块， 31－滑块， 32－滑轴， 41－簧件，

51－第一轴， 52－第二轴， 53－第三轴， 54－第四轴，

55－第五轴， 56－第六轴， 57－第七轴， 61—第一齿轮，

62—第二齿轮， 70－物体。

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。

本发明设计的共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置的一种实施例，包括基座1、电机10、传动机构11、第一指段12、第二指段13、导杆14、滑块31、滑轴32、驱动连杆15、转接连杆20、第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、第四连杆24、平动块25、第一轴51、第二轴52、第三轴53、第四轴54、第五轴55、第六轴56、第七轴57、第一齿轮61、第二齿轮62和簧件41；所述滑轴32、第一轴51、第二轴52、第三轴53、第四轴54、第五轴55、第六轴56、第七轴57的中心线相互平行；所述电机10与基座1固接；所述电机10的输出轴与传动机构11的输入端相连，所述传动机构11的输出端与驱动连杆15的一端相连；所述驱动连杆15滑动镶嵌在基座1中；所述导杆14与基座1固接；所述驱动连杆15与转接连杆20固接；所述转接连杆20的一端套接在第一轴51上，所述第一连杆21的一端套接在第一轴51上，第一连杆21的另一端套接在第二轴52上，第一连杆21的中部套接在滑轴32上；滑块31中设有滑槽，所述滑轴32滑动在滑块的滑槽内；所述滑块31滑动套接在导杆14上；所述第二连杆22的一端套接在第二轴52上，第二连杆22的另一端套接在第三轴53上；所述第三轴53套接在平动块25上；所述第三连杆23的一端套接在第三轴53上，第三连杆23的另一端套接在第四轴54上；所述第四轴54套接在滑块31上；所述第五轴55套接在滑块51上；所述第四连杆24的一端套接在第五轴55上，第四连杆24的另一端套接在第六轴56上；所述第六轴56套接在平动块25上；所述第七轴57套接在平动块25上；所述第一齿轮61套接在第三轴53上；所述第二连杆22与第一齿轮61固接；所述第二齿轮62套接在第七轴57上；所述第一齿轮61与第二齿轮62啮合；所述第二指段13套接在第七轴57上；所述第二指段13与第二齿轮62固接；所述第一指段12与第三连杆23固接；所述簧件41的两端分别连接滑块31、滑轴32；设第一轴51、滑轴32、第二轴52、第三轴53、第四轴54、第五轴55、第六轴56的中心点分别为E、A、B、C、D、G、H；线段AB与线段AE相互垂直，所述滑块31沿导杆14的滑动方向与驱动连杆15在基座1中的滑动方向之间的夹角为π/2-θ；所述第一轴51的中心线与驱动连杆15在基座1中的滑动方向垂直；所述线段AB与线段AE之比为tanθ；线段CD、线段DG、线段GH和线段HC构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形。

本发明所述的共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述簧件采用压簧或拉簧。本实施例中，所述簧件采用压簧。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

记第一轴的中心点E的上下滑动构成直线EO，点O为点E滑动直线与导杆所在直线的交点，点A在导杆上滑动，如图21所示。本发明装置包括了一个四点共圆的机构。下面给出该机构中四点共圆的证明。

已知：

在某一时刻，设点E’、A’、B’分别为点E、A、B运动后的当前点，点E’在直线EO上平动，对应的，A’在直线OA上相应平动，下面证明点B’在直线BO上平动，且直线BO垂直于直线EO。

∵EA⊥AB

∴线段EB为经过点E、A、B三点的圆的直径。

由(1)、(2)得：

根据“同一个弦对应的两个圆周角相等，则四个点共圆”，

∴点O、E、A、B四点共圆。

根据“相同弦长的圆周角相等”，

则在点O、E、A、B四点的共圆中对应弦长AB的∠AOB＝∠AEB＝θ

而θ的一条边为固定的直线AO，

故θ的另一条边为直线BO，BO是固定的，

即B’点始终在直线BO上。

∵

∴BO⊥EO

即我们证明了当点E在基座中竖直上下滑动，点A在导杆上滑动时，点B的运动轨迹是一条水平的直线，如图21所示。

本实施例处于初始状态时，滑块31的滑槽内的簧件41被压紧，使得滑轴32被限制在滑块31的滑槽的一端，即此时线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形，电机10转动，通过传动机构11带动驱动连杆15竖直向下平动，由于转接连杆20与驱动连杆15固接，故转接连杆20也竖直向下平动，第一连杆21套接在第一轴51的一端随转接连杆20竖直向下平动，另一端绕着滑轴32转动，同时随滑轴32一起平动；滑块31沿着导杆14平动；由于簧件41一直处于被压紧状态，故滑轴32始终被限制在滑块31的一端，即滑轴32相对于滑块31无相对位移，此时因为线段AB、线段BC、线段CD和线段DA一直构成平行四边形，所以线段BC仍然与线段DA平行，第二连杆22保持平动，滑块31沿导杆14的滑动方向与驱动连杆15在基座1中的滑动方向之间的夹角为π/2-θ；线段AB与线段AE之比为tanθ；故由上述几何关系，第二轴52与第三轴53的运动轨迹均为水平直线，如图21所示，又因为线段CD、线段DG、线段GH和线段HC构成平行四边形，所以线段CH与线段DG平行，DG与DA共线，所以平动块25进行平动，又因为平动块25与第三轴53相连，而第三轴53的运动轨迹是水平直线，所以平动块25的运动轨迹是水平直线，所以第六轴56、第七轴57进行直线平动，第一齿轮61与第二齿轮62由于分别套接在第三轴53、第七轴57上，所以此两齿轮进行直线平动，两齿轮相对位置不变，又因为第一齿轮61与第二连杆22固接，第二连杆相对于基座1不发生转动，所以第一齿轮61相对于基座1不发生转动，所以第二齿轮62相对于基座1不发生转动，因为第二指段13固接在第二齿轮62上，于是第二指段13将沿着水平直线平动。

当本实施例抓取物体时，会呈现两种抓取模式，即直线平夹模式(第一阶段)和自适应包络抓取模式(第二阶段):

a)当第二指段13直接接触物体70，第一指段12不直接接触物体70时，该装置将采用直线平夹的抓取模式。此时电机10转动，与上述过程相同，第二指段13在第一阶段保持着最初的姿态，做直线平动直到接触到物体70，此时电机10停止工作，从而实现该装置的直线平夹功能。如图5～图7所示。

b)当第一指段12先于第二指段13直接碰触到物体70时，该装置将采用自适应包络抓取模式。当第一指段12碰触到物体70之后，如图23所示。此时电机10继续转动，通过传动机构11带动驱动连杆15竖直向下平动，转接连杆20与驱动连杆15固接，故也竖直向下平动，第一连杆21套接在第一轴51的一端随转接连杆20竖直向下平动，因为第一指段12将无法再发生向前的运动，所以第一连杆21继续转动，此时簧件41被进一步压缩，滑轴32在滑块31内滑动，线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成的平行四边形几何关系被打破，第二连杆22将发生与包络方向相反的转动，由于第一齿轮61与第二连杆22固接，所以第一齿轮61发生与包络方向相反的转动，此时滑块31向下运动，第一指段12将在物体上滑动，且转动方向与包络方向一致，因为线段CD、线段DG、线段GH和线段HC依然构成平行四边形，因此平动块25依然进行平动，所以第一齿轮61与第二齿轮62的相对位置不变，第二齿轮62由于与第一齿轮61啮合而发生与包络方向相同的转动。因为第二指段13固接在第二齿轮62上，于是第二指段13将沿包络方向进行转动进行自适应包络抓取。

释放物体时，电机反转，与上述过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、导杆、滑块、滑轴、多个连杆、平动块、簧件和齿轮等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能：该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能先直线平动第二指段，待第一指段碰到物体再转动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指段；结构简单，控制容易，成本低，适用于机器人手。

Claims (2)

1.一种共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，其特征在于：包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、导杆、滑块、滑轴、驱动连杆、转接连杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、平动块、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第一齿轮、第二齿轮和簧件；所述滑轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴的中心线相互平行；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与驱动连杆的一端相连；所述驱动连杆滑动镶嵌在基座中；所述导杆与基座固接；所述驱动连杆与转接连杆固接；所述转接连杆的一端套接在第一轴上，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，第一连杆的中部套接在滑轴上；滑块中设有滑槽，所述滑轴滑动在滑块的滑槽内；所述滑块滑动套接在导杆上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第三轴套接在平动块上；所述第三连杆的一端套接在第三轴上，第三连杆的另一端套接在第四轴上；所述第四轴套接在滑块上；所述第五轴套接在滑块上；所述第四连杆的一端套接在第五轴上，第四连杆的另一端套接在第六轴上；所述第六轴套接在平动块上；所述第七轴套接在平动块上；所述第一齿轮套接在第三轴上；所述第二连杆与第一齿轮固接；所述第二齿轮套接在第七轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第二指段套接在第七轴上；所述第二指段与第二齿轮固接；所述第一指段与第三连杆固接；所述簧件的两端分别连接滑块、滑轴；设第一轴、滑轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴的中心点分别为E、A、B、C、D、G、H；线段AB与线段AE相互垂直，所述滑块沿导杆的滑动方向与驱动连杆在基座中的滑动方向之间的夹角为π/2-θ；所述第一轴的中心线与驱动连杆在基座中的滑动方向垂直；所述线段AB与线段AE之比为tanθ；线段CD、线段DG、线段GH和线段HC构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BC、线段CD和线段DA构成平行四边形。

2.如权利要求1所述的共圆连杆齿轮滑轴式直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述簧件采用压簧或拉簧。

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