CN108858256A - 一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，属于操作型机器人领域。本发明包括手抓驱动机构、第一手指、第二手指和力检测系统。所述手抓驱动机构内置驱动电机与驱动板，通过航插接口外接电源及接收控制信号，为手抓提供动力；所述第一手指和第二手指呈对称布置，安装在手抓驱动机构的两侧，每个手指具有一个主动自由度和两个被动自由度，可模拟人类两指抓取物体；所述力检测系统有贴片式力传感器与防滑护垫组成，安装在手指的末端、中部与根部以及手抓驱动机构的上方。本发明采用两指结构，通过独特的手抓驱动机构对两个手指进行驱动，并且手抓驱动机构结构简单，每个手指均为欠驱动机构，可牢固地抓取不规则形状的物体。

Description

一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置

技术领域

本发明属于操作型机器人领域，涉及一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置。

背景技术

手抓装置作为一种执行机构，是机械臂等操作型机器人的重要组成部分。在大多数环境下，手抓装置可以代替人类进行繁琐、危险的作业。随着应用的广泛性和作业条件的复杂性，对手抓装置的要求也越来越高，往往以接近人类手部的功能作为考核标准。灵活的手抓装置往往具有多手指、多自由度的结构特征，为了实现高精密抓取，往往需要各关节由独立电机驱动，从而控制系统复杂，成本过高，维护复杂。

公布号为CN104908056A的中国专利申请在2015年9月16日公开了一种可变构型的三指机械手爪，包括手掌、旋转底座、中心圆柱、三个旋转轴、三个旋转台、三个手指底端电机等等，在旋转底座上均布设置三个手指。在旋转底座上均布三个旋转轴，每个旋转轴固装一个旋转台，每个旋转台上安装有一个大直齿轮，手指底端电机的输出轴通过蜗杆、涡轮、小直齿轮与一个大直齿轮相互啮合。

公开号为CN100999077A的中国专利申请在2007年7月18日公开了一种多用途形状自适应机器人手爪及工作方法。手爪包括框架和与之机械联接的三个手指机构、三个驱动分路传动机构和手指位置调整机构，通过手指位置调整机构调整手指机构的位置，通过外置的三个驱动分路传动机构驱动手指机构出于不同的抓取状态。

上述手爪中的每个手指都是由独立电机驱动，控制系统复杂。并且由于某些特定场合对手抓装置的尺寸有一定的要求，驱动电机的尺寸和性能受限。当抓取的物体形状和尺寸发生改变时，手抓装置的控制策略也要相应发生改变。因此，需要一种整体更加轻小、控制更加简单的手抓装置。

发明内容

本发明针对于现有手抓装置靠独立电机驱动尺寸和性能受限、控制系统复杂等问题，提出了一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，是一种可模拟人类两指抓取物体的装置，采用一个独立的高精密电机驱动和抓取力反馈系统，可抓取不规则形状的物体，可作为机械臂的末端执行机构。

本发明的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，包括手抓驱动机构、第一手指、第二手指和力检测系统。所述手抓驱动机构内置驱动电机与驱动板，通过航插接口外接电源及接收控制信号。所述驱动电机有一个，通过锥齿轮连接两个手指。所述第一手指和第二手指对称安装在手抓驱动机构的两侧，每个具有一个主动自由度和两个被动自由度，通过手抓驱动机构提供的动力模拟人类两指抓取物体。所述力检测系统由贴片式力传感器与防滑护垫组成，安装在手指的末端、中部与根部以及手抓驱动机构的上方，用于测量手抓装置的抓取力。所述手抓驱动机构包括手抓基座、驱动电机、驱动板、左盖板、右盖板、航插、连接件、运动转轴、手掌基座、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、前盖板、后盖板和顶盖板。其中，驱动电机安装在手抓基座上，驱动板固定在手抓基座上，左盖板和右盖板分别安装在手抓基座的左右两侧以保护内部的驱动板。航插固定在右盖板上，为驱动板提供电源和控制信号。手掌基座固连在手抓基座上表面，三个锥齿轮安装在手掌基座内。第一锥齿轮与运动转轴连接，并分别与第二锥齿轮和第三锥齿轮啮合。第二锥齿轮和第三锥齿轮分别装配在手掌基座的左右两侧，与第一手指、第二手指连接。运动转轴通过连接件与驱动电机相连，将驱动电机的转动传递到第一锥齿轮，第二锥齿轮和第三锥齿轮通过与第一锥齿轮之间的啮合作用，将运动传递到第一手指和第二手指。前盖板、后盖板和顶盖板分别固定在手掌基座的前面、后面和上表面。

所述的第一指节和第二指节的结构相同，所述的指节包括手指基座，第二锥齿轮通过蜗杆和轴承与第一指节的手指基座连接，第三锥齿轮通过蜗杆和轴承与第二指节的手指基座连接。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)本发明采用一个驱动电机对手抓进行驱动，通过两对锥齿轮将运动传递到两侧的手指，并且每根手指均为欠驱动，可自适应地抓取不规则形状的物体；

(2)本发明采用蜗轮蜗杆作为减速传动机构，可获得较大的传动比，并且由于蜗轮蜗杆传动机构的小体积而进一步降低了手抓的尺寸；

(3)本发明中手抓在能与被抓取物体接触的地方均设置有力传感器系统，一方面起到防滑作用，另一方面可以精确测量手抓装置的抓取力；

(4)本发明具有简易的安装接口，可以作为机械臂等操作型机器人的执行机构。

附图说明

图1为本发明的轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置结构示意图；

图2为本发明图1中的手抓驱动机构示意图；

图3为本发明图1中的第一手指机构示意图。

图中：

1、手抓驱动机构；101、驱动电机；102、手抓基座；103、左盖板；104、驱动板；

105、右盖板；106、航插；107、连接件；108、运动转轴；109、手掌基座；

110、第一锥齿轮；111、第二锥齿轮；112、第三锥齿轮；113、前盖板；114、后盖板；

115、顶盖板；2、第一手指；201、手指基座；202、轴承；203、蜗杆；204、蜗轮；

205、第一转轴；206、近指节驱动杆；207、近指节驱动耦合杆；208、中指节驱动杆；

209、第二转轴；210、中指节耦合杆；211、第三转轴；212、中指节；213、指尖；

214、远指节返回杆；215、中指节返回杆；216、近指节返回耦合杆；217、近指节返回杆；

218、扭簧；219、近指节；3、第二手指；4、力检测系统。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图1-3对本发明的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置的结构作进一步的详细描述。

本发明的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，如图1所示，包括手抓驱动机构1、第一手指2、第二手指3和力检测系统4。所述手抓驱动机构1内置高精度电机与编码器(即驱动板104)，为手抓提供动力，并且底部具有简易便于拆卸的安装接口。所述驱动电机有一个，通过锥齿轮连接两个手指。所述第一手指2和第二手指3呈对称布置，安装在手抓驱动机构1的两侧，每个手指具有一个主动自由度和两个被动自由度，可模拟人类两指抓取物体，所述力检测系统4由贴片式力传感器与防滑护垫组成，安装在手指的末端、中部与根部以及手抓驱动机构的上方，可以精确测量手抓装置的抓取力。

更进一步地，如图2所示，所述手抓驱动机构1包括驱动电机101、手抓基座102、左盖板103、驱动板104、右盖板105、航插106、连接件107、运动转轴108、手掌基座109、第一锥齿轮110、第二锥齿轮111、第三锥齿轮112、前盖板113、后盖板114和顶盖板115。所述驱动电机101安装在手抓基座102上，驱动板104固定在手抓基座102上，所述左盖板103和右盖板105安装在手抓基座102左右两侧上，保护内部的驱动板104。所述航插106固定在右盖板105上，通过尾部走线的方式与驱动板104相连接，为驱动板104提供电源和控制信号。手掌基座109固连在手抓基座102的上表面，三个锥齿轮110、111、112安装在手掌基座109内。第一锥齿轮110和运动转轴108连接，并分别与第二锥齿轮111、第三锥齿轮112啮合。第二锥齿轮111和第三锥齿轮112装配在手掌基座109的左右两侧，与第一手指2、第二手指3连接。所述运动转轴108通过连接件107与驱动电机101相连，将驱动电机101的转动传递到第一锥齿轮110。所述第二锥齿轮111和第三锥齿轮112通过与第一锥齿轮110之间的啮合作用，将运动传递到第一手指2和第二手指3。所述手掌基座109通过螺钉与手抓基座102固定连接，所述前盖板113、后盖板114和顶盖板115固定在手掌基座109上，起密封作用。

更进一步地，如图3所示，所述第一手指2固定在手掌基座109上，第一手指2包括手指基座201、轴承202、蜗杆203、蜗轮204、第一转轴205、近指节驱动杆206、近指节驱动耦合杆207、中指节驱动杆208、第二转轴209、中指节耦合杆210、第三转轴211、中指节212、指尖213、远指节返回杆214、中指节返回杆215、近指节返回耦合杆216、近指节返回杆217、扭簧218和近指节219。所述第二锥齿轮111和蜗杆203通过轴承202与手指基座201连接，蜗轮204与蜗杆203组成蜗轮蜗杆传动机构。所述近指节驱动杆206通过三个螺钉固定在蜗轮204上，并通过第一转轴205与近指节219形成转动副。所述近指节驱动耦合杆207一端通过销轴与近指节驱动杆206连接，另一端将通过销轴与中指节驱动杆208连接。所述中指节驱动杆208通过第二转轴209与近指节219、中指节212形成转动副。所述中指节耦合杆210的一端与中指节驱动杆208连接，另一端与第三转轴211连接。所述指尖213通过第三转轴211与中指节212之间形成转动副。所述远指节返回杆214连接第三转轴211与中指节耦合杆210。所述中指节返回杆215的三个转动副分别是与第二转轴209、中指节耦合杆210、近指节返回耦合杆216连接形成。所述近指节返回杆217与第一转轴205之间形成转动副，并与近指节返回耦合杆216连接，所述扭簧218的两端分别固定在近指节219和中指节212上。

所述第二手指3与第一手指2的结构相同，与第一手指2对称布置固定在手掌基座109上。本发明的手抓装置为欠驱动结构，手指有多个自由度，但只有一个动力输入。

更进一步地，所述力检测系统4由贴片式力传感器与防滑护垫组成，贴在指尖213、中指节212、近指节219和顶盖板115上。

本发明中的力检测系统4通过内部走线的方式跟驱动板104连接，将手爪上传感器检测到的力反馈给驱动板104，驱动板104中固化有自适应的控制算法策略，根据手抓的力反馈形成闭环控制，当物体形状和尺寸发生改变时，通过驱动板104的控制算法，可自动调整抓取策略，结合欠驱动的手指结构实现自适应控制。

Claims (5)

1.一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，其特征在于，包括手抓驱动机构、第一手指、第二手指和力检测系统；所述手抓驱动机构内置驱动电机与驱动板，通过航插接口外接电源及接收控制信号，所述驱动电机有一个，通过锥齿轮连接两个手指；所述的第一手指和第二手指对称安装在手抓驱动机构的两侧，每个具有一个主动自由度和两个被动自由度，通过手抓驱动机构提供的动力模拟人类两指抓取物体；所述力检测系统由贴片式力传感器与防滑护垫组成，安装在手指的末端、中部与根部以及手抓驱动机构的上方，用于测量手抓装置的抓取力。

2.根据权利要求1所述的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，其特征在于，所述的手抓驱动机构包括手抓基座、驱动电机、驱动板、左盖板、右盖板、航插、连接件、运动转轴、手掌基座、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、前盖板、后盖板和顶盖板；其中，驱动电机安装在手抓基座上，驱动板固定在手抓基座上，左盖板和右盖板分别安装在手抓基座的左右两侧以保护内部的驱动板，航插固定在右盖板上，为驱动板提供电源和控制信号；手掌基座固连在手抓基座上表面，三个锥齿轮安装在手掌基座内；第一锥齿轮与运动转轴连接，并分别与第二锥齿轮和第三锥齿轮啮合；第二锥齿轮和第三锥齿轮分别装配在手掌基座的左右两侧，与第一手指、第二手指连接；运动转轴通过连接件与驱动电机相连，将驱动电机的转动传递到第一锥齿轮，第二锥齿轮和第三锥齿轮通过与第一锥齿轮之间的啮合作用，将运动传递到第一手指和第二手指；前盖板、后盖板和顶盖板用于分别固定在手掌基座的前面、后面和上表面。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，其特征在于，所述的第一指节和第二指节的结构相同，所述的指节包括手指基座，第二锥齿轮通过蜗杆和轴承与第一指节的手指基座连接，第三锥齿轮通过蜗杆和轴承与第二指节的手指基座连接。

4.根据权利要求3所述的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，其特征在于，所述的指节还包括蜗轮，与蜗杆组成蜗轮蜗杆传动机构。

5.根据权利要求2或4所述的一种轻小型形状自适应欠驱动两指手抓装置，其特征在于，所述的力检测系统贴在第一手指和第二手指的指尖、中指节、近指节，以及手掌基座的顶盖板上。