CN108972603B

CN108972603B - 滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN108972603B
Application number: CN201810928428.0A
Authority: CN
Inventors: 李旭东; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: CN108972603A

Abstract

滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括底座、滑动基座、电机、传动机构、高度补偿组件和至少一个手指组件；所述手指组件包括两个指段、两个关节轴、三个转轴、多个连杆、簧件和限位块。所述高度补偿组件包括杠杆、一个转轴、滑槽件、滚轮、齿轮和齿条。该装置实现了双关节机器人手指直线平行夹持及自适应多种抓取模式。该装置既能直线轨迹平动夹持或外张撑取物体，尤其适合抓取平面工作台上的各种物体，也能自适应抓取不同形状、尺寸物体；利用杠杆滑槽实现滑动基座的整体抬升或下降；采用欠驱动的方式，无需复杂的传感和控制系统，成本低，适用于多种不同的机器人。

Description

滑动基座补偿式直线平夹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，特别涉及一种滑动基座补偿式直线平夹自适应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。目前拟人机械手的研究成果主要集中在灵巧机械手和欠驱动机械手，同时还包括工业夹持器和特种手等。灵巧手通常指具有多手指、多指节、多自由度、多驱动；至少有3个手指，9个电机主动驱动。一般每个手指具有3个主动自由度；手指每个主动关节都采用驱动器驱动，可以实现类似人手的多数动作。虽然灵巧手具有很高的抓取及操作能力，但是由于灵巧手具有多指、多主动自由度的特征，迫使其需要控制多个驱动电机，结构复杂且实时驱动、传感与控制困难。各关节独立驱动控制，手指关节难以协调，抓取操作力量也小，成本昂贵，难以广泛使用。复杂的驱动系统和控制系统又使得灵巧手容易损坏，维护成本高。

欠驱动手为多指机器人手，每个手指具有2个或以上的关节自由度，每个手指只安装少量驱动器，就可以实现对物体的自适应抓取功能，结构简化，驱动控制容易。欠驱动手指设计的关键在于手指机构设计。欠驱动手指具有多个关节自由度。由于手指机构中的可变约束使得手指在工作时只能释放出单个自由度，每个欠驱动手指采用单个驱动器就可以实现对物体的自适应抓取。由于驱动器的大量减少，欠驱动手的驱动、传感与控制系统得到简化，因此欠驱动手机构简单紧凑，体积小，成本低，抓取可靠。

人手的另一个重要特征是实现混合抓取模式，既可以实现握持也可以实现捏持。大多数欠驱动的手采用自适应包络物体的方式，能够实现对一个物体的包络式抓握。然而，这样的手不能捏持，即利用末端手指的指尖部分去夹取物体。如采用两个点或两个指段软面去接触物体，这种捏持方式主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体。

已有的一种具有直线轨迹平动夹持功能的机器人手指装置(世界专利

WO2016063314A1)，包括电机、传动机构、8连杆机构和8个转轴。该装置采用全转动关节实现了末端指段的直线平动，能够以直线轨迹平行夹持物体。其不足之处在于：该装置无法实现自适应抓取功能，无法用多个接触点包络抓取不同形状、尺寸的物体，而且连杆和转轴数量多，机构比较复杂。

已有的一种平夹与自适应复合抓取的欠驱动机器人手指装置(美国专利US5762390)，包括基座、两个指段、两个关节轴、多个转轴、电机、传动机构、多个连杆、簧件和限位块等。此装置实现了末端指段平行夹持，第一指段接触被夹持物后第二指段转动自适应包络物体的功能，既具有平动捏持功能，又能够实现自适应包络抓取。其不足之处在于：该装置仅能实现圆弧平行夹持功能，无法实现直线平行夹持功能，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人臂部运动才能配合实现抓取。

已有的一种齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置(中国专利CNCN108189055A)。该装置能够实现直线轨迹平行夹持与自适应复合抓取功能，既能直线轨迹平动第二指段夹持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到自适应抓取效果。其不足之处在于：1)为了补偿第一指段转动中产生的第二指段高度差，增加了第二指段表面罩，让第二指段表面罩在第二指段上滑动，在抓取物体时末端指段接触物体的面积减小许多，只有第二指段表面罩能够接触物体，影响了抓取物体的末端指段大小；2)在第一指段、第二指段中采用连杆机构、齿轮齿条机构来实现直线轨迹平动第二指段表面罩的效果，机构复杂；3)达到直线轨迹平动末端指段所增加的机构，占用了手指用于存放传感器、电路模块的有限空间。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置。该装置由一个电机驱动两个关节，实现多种抓取模式，既能直线轨迹平动末端指段去夹持或外张撑取物体，尤其适合抓取平面工作台上的各种物体，也能自适应包络抓取不同形状、大小的物体；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置，包括滑动基座、电机、传动机构、至少一个手指组件；所述电机与滑动基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述手指组件包括第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一轴、第二轴、第三轴、簧件和限位块；所述传动机构的输出端与第三连杆相连；所述近关节轴套设在滑动基座中，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；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第二连杆的一端套接在第一轴上，所述第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二指段套接在第二轴上；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上；所述第四连杆一端套接在第三轴上，所述第四连杆另一端套接在第二轴上；所述限位块与滑动基座固接；在初始状态时，所述限位块与第一连杆相接触；所述簧件的两端分别连接第一连杆与滑动基座；所述近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴和第三轴的中心线相互平行；设近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴和第一轴的中心点为A、B、C、D、E；线段AB、BD、DE、EA构成平行四边形；在初始状态时，点C在ABDE四边形之外；其特征在于：该滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座和高度补偿组件；所述高度补偿组件包括杠杆、滑槽件、滑杆、第四轴、滚轮、第一齿条、第一齿轮、第二齿轮和第二齿条；所述滑动基座滑动镶嵌在底座上；所述杠杆套接在近关节轴上，所述杠杆与第一指段固接；所述滑槽件上有滑槽，所述滑槽件滑动套接在滑杆上，所述滑杆固接在底座上，所述滑槽为直线滑槽；所述滑槽件在滑杆上滑动的方向与滑槽的中心线垂直；所述滑动基座在底座上的滑动方向与滑槽的中心线垂直；所述第四轴套设在杠杆的一端中；所述滚轮套接在第四轴上，滚轮滑动镶嵌在滑槽中；所述第一齿条与滑槽件固接，所述第一齿条与第一齿轮啮合，所述第一齿轮、第二齿轮套接在近关节轴上，所述第一齿轮与第二齿轮固接，所述第二齿轮与第二齿条啮合，所述第二齿条与底座固接；所述第一齿条、第二齿条位于近关节轴的两侧；设第四轴的中心点为F；线段AB与FA共线；线段FA的长度与线段AB的长度之比为k，第一齿轮与第二齿轮的分度圆直径之比为k；所述近关节轴和第四轴的中心线相互平行。

本发明所述的滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一过渡齿轮、第二过渡齿轮、过渡轴、蜗杆和蜗轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二过渡齿轮与第一过渡齿轮啮合，所述第二过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴活动套设在滑动基座中，所述蜗杆套固在过渡轴上，所述蜗轮套接在近关节轴上，所述蜗杆与蜗轮啮合，所述蜗轮与第三连杆固接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用滑动基座、电机、多个连杆、杠杆、滑槽件、滚轮、齿轮、齿条、簧件和限位块等综合实现了双关节机器人手指直线平行夹持及自适应多种抓取模式。该装置既能直线轨迹平动夹持或外张撑取物体，尤其适合抓取平面工作台上的各种物体，也能自适应包络不同形状、大小的物体。为了补偿第一指段转动中第二指段的高度差，该装置利用杠杆滑槽和齿轮齿条机构实现滑动基座在底座上的整体抬升或下降；在抓取物体时，第一指段、第二指段均可以正常接触物体，接触面积不减小；实现末端指段直线轨迹的机构位于滑动基座中，不占用第一指段、第二指段中部空间；采用欠驱动的方式，仅用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统，机构简单、成本低；适用于多种不同的机器人。

附图说明

图1是本发明设计的滑动基座补偿式直线平夹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所示实施例的立体图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的正视图。

图4是图1所示实施例的后视图。

图5是图1所示实施例的正视图(未画出部分零部件)。

图6是图1所示实施例的后视图(未画出部分零部件)。

图7是图3的左视图。

图8是图3的右视图。

图9至图11是图1所示实施例在以直线平行夹持的动作过程图，所述第二指段的末端轨迹为直线(顶部水平点划线)。

图12是图9至图11动作过程叠加示意图。

图13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。

图14至图16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17是图14至图16动作过程叠加示意图。

图18是平行夹持过程中第一指段、第二指段、第一连杆、第二连杆和第三连杆的相对位置示意图，其中，第一连杆AE在平行夹持阶段保持不转动，四边形ABDE为平行四边形，BD杆与AE杆平行，所以此阶段也不发生转动，于是第二指段在平行夹持阶段保持平动。

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。

在图1至图19中：

1—滑动基座， 10—底座， 101—滑杆， 102—滑道，

11—限位块， 12—电机， 13—减速器， 14—第一过渡齿轮，

15—第二过渡齿轮， 16—过渡轴， 17—蜗杆， 18—蜗轮，

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—第三连杆， 44—第四连杆，

45—杠杆， 51—第一轴， 52—第二轴， 53—第三轴，

54—第四轴， 541—滚轮， 6—簧件， 7—滑槽件，

71—滑槽， 81—第一齿条， 82—第二齿条， 91—第一齿轮，

92—第二齿轮， 99—物体， 1001—第一手指组件，1002—第二手指组件。

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。

本发明设计的滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8所示，包括滑动基座1、电机12、传动机构、两个手指组件(第一手指组件1001、第二手指组件1002)；所述手指组件包括第一指段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、第三连杆43、第四连杆44、第一轴51、第二轴52、第三轴53、簧件6和限位块11；所述近关节轴31套设在滑动基座1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；所述第一连杆41的一端套接在近关节轴31上，第一连杆41的另一端套接在第一轴51上；所述第二连杆42的一端套接在第一轴51上，所述第二连杆42的另一端套接在第二轴52上；所述第二指段22套接在第二轴52上；所述第三连杆43的一端套接在近关节轴31上，第三连杆43的另一端套接在第三轴53上；所述第四连杆44一端套接在第三轴53上，所述第四连杆44另一端套接在第二轴52上；所述电机12与滑动基座1固接；所述电机12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第三连杆43相连；所述限位块11与滑动基座1固接；在初始状态时，所述限位块11与第一连杆41相接触；所述簧件6的两端分别连接第一连杆41与滑动基座1；所述近关节轴31、远关节轴32、第一轴51、第二轴52和第三轴53的中心线相互平行；设近关节轴31、远关节轴32、第三轴53、第二轴52和第一轴51的中心点为A、B、C、D、E(如图18所示)；线段AB、BD、DE、EA构成平行四边形；在初始状态时，点C在ABDE四边形之外；其特征在于：该滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座10和高度补偿组件；所述高度补偿组件包括杠杆45、滑槽件7、滑杆101、第四轴54、滚轮541、第一齿条81、第一齿轮91、第二齿轮92和第二齿条82；所述滑动基座1滑动镶嵌在底座10上；所述杠杆45套接在近关节轴31上，所述杠杆45与第一指段21固接；所述滑槽件7上有滑槽71，所述滑槽件7滑动套接在滑杆101上，所述滑杆101固接在底座10上，所述滑槽71为直线滑槽；所述滑槽件7在滑杆上101滑动的方向与滑槽71的中心线垂直；所述滑动基座1在底座10上的滑动方向与滑槽71的中心线垂直；所述第四轴54套设在杠杆45的一端中；所述滚轮541套接在第四轴54上，滚轮541滑动镶嵌在滑槽71中；所述第一齿条81与滑槽件7固接，所述第一齿条81与第一齿轮91啮合，所述第一齿轮91、第二齿轮92套接在近关节轴31上，所述第一齿轮91与第二齿轮92固接，所述第二齿轮92与第二齿条82啮合，所述第二齿条82与底座10固接；所述第一齿条81、第二齿条82位于近关节轴31的两侧；设第四轴54的中心点为F；线段AB与FA共线；线段FA的长度与线段AB的长度之比为k，第一齿轮91与第二齿轮92的分度圆直径之比为k；所述近关节轴31和第四轴54的中心线相互平行。本实施例中，k为0.5。

本实施例中，所述传动机构包括减速器13、第一过渡齿轮14、第二过渡齿轮15、过渡轴16、蜗杆17和蜗轮18；所述电机12的输出轴与减速器13的输入轴相连，所述第一过渡齿轮14套固在减速器13的输出轴上，所述第二过渡齿轮15与第一过渡齿轮14啮合，所述第二过渡齿轮15套固在过渡轴16上，所述过渡轴16活动套设在滑动基座1中，所述蜗杆17套固在过渡轴16上，所述蜗轮18套接在近关节轴31上，所述蜗杆17与蜗轮18啮合，所述蜗轮18与第三连杆43固接。

本实施例中，所述滑动基座1滑动镶嵌在滑道102中，所述滑道102固接在底座10上。

本实施例的工作原理，结合附图9至图19，叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图9所示。电机12转动，通过传动机构带动第三连杆43相对于滑动基座1绕近关节轴31转动，第三连杆43推动第四连杆44，第四连杆44推动第二指段22，第二指段22带动第一指段21绕近关节轴31转动一个角度α，由于簧件6限制第一连杆41使其紧靠限位块11。由于线段AB、BD、DE、EA构成平行四边形，第一指段21与第二连杆42均相对于基座转动角度α。

同时，杠杆45带动滚轮541在滑槽件7中滑动，滚轮541带动滑槽件7向下竖直平动，带动第一齿条81向下竖直平动距离Δh₂，带动第一齿轮91转动一定角度，第二齿轮92与第一齿轮91固接，第二齿轮92转动相同角度,第二齿轮92与第二齿条82啮合，所以第二齿轮92中心近关节轴31竖直向下平动距离Δh₁。

在第一指段21转动的运动过程中，本实施例将满足点A相对于底座沿直线平动。下面介绍第二指段22末端沿着直线轨迹运动的数学原理。

设线段AB的长度为b，线段FA的长度为c,则：

b＝c/k(公式1)

图19中，设初始位置时，第二指段22的末端点为Q，此时，线段AB相对于竖直线的夹角为β。当线段AB逆时针转动角度α之后，本实施例的滑动基座1会相应向下滑动一段距离，从而实现：点A运动到A'，点B运动到B'，点F运动到F'，点Q运动到Q'。为了说明末端点Q沿着直线S运动的原理，先不考虑滑动基座1运动，则会有：点A不动，点B运动到B”，点F运动到F”，点Q运动到Q”，Δh₁是此运动过程中第二指段22末端点Q的高度差(也是远关节轴的中心点B的高度差)，Δh₂是此运动过程中第四轴54的中心点F的高度差。根据几何原理可得：

Δh₁＝b cos(β-α)-b cosβ (公式2)

Δh₂＝c cos(β-α)-c cosβ (公式3)

将(公式1)代入(公式3)得：

Δh₂＝kb cos(β-α)-kb cosβ (公式4)

即：

Δh₂＝k[b cos(β-α)-b cosβ] (公式5)

将(公式2)代入(公式5)得：

Δh₂＝kΔh₁ (公式6)

由于第一齿轮91的分度圆直径为第二齿轮92分度圆直径的k倍，第一齿条81向下移动的距离Δh₂会因为通过了第一齿轮91、第二齿轮92传动，使得第二齿轮92的转动中心(即近关节轴31的中心点A)相对于第二齿条82(相对于底座10)向下移动一个距离kΔh₂，而kΔh₂＝Δh₁，即滑动基座1相对于底座10向下移动了Δh₁。，抵消了第二指段22末端点在高度上的升高量Δh₁，因此，第二指段22保持相对于底座10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99，可以达到平行夹持物体99的效果。这一阶段适合以第二指段22去夹持物体99，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99。例如一个空心筒柱的拿取，从该物体99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99，则抓取结束，动作过程如图9至图11所示。

在上述图9至图11的平行夹持过程中，当第一指段21接触物体99时，进入另一抓取模式。此时电机12继续转动，带动第三连杆43推动第二连杆42继续转动角度，由于第一指段21被物体99阻挡不能继续转动，簧件6发生变形使得第一连杆41与限位块11分离，第二指段22保持相对于滑动基座1的姿态发生变化，第二指段22向着靠近物体99的方向转动直至接触物体99，达到自适应包络物体99的效果，动作过程如图14至图16所示。

释放物体99时，电机12反转，与上述过程相反，不再赘述。

Claims

1.一种滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置，包括滑动基座、电机、传动机构、至少一个手指组件；所述电机与滑动基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述手指组件包括第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一轴、第二轴、第三轴、簧件和限位块；所述传动机构的输出端与第三连杆相连；所述近关节轴套设在滑动基座中，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；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第二连杆的一端套接在第一轴上，所述第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二指段套接在第二轴上；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上；所述第四连杆一端套接在第三轴上，所述第四连杆另一端套接在第二轴上；所述限位块与滑动基座固接；在初始状态时，所述限位块与第一连杆相接触；所述簧件的两端分别连接第一连杆与滑动基座；所述近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴和第三轴的中心线相互平行；设近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴和第一轴的中心点为A、B、C、D、E；线段AB、BD、DE、EA构成平行四边形；在初始状态时，点C在ABDE四边形之外；其特征在于：该滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座和高度补偿组件；所述高度补偿组件包括杠杆、滑槽件、滑杆、第四轴、滚轮、第一齿条、第一齿轮、第二齿轮和第二齿条；所述滑动基座滑动镶嵌在底座上；所述杠杆套接在近关节轴上，所述杠杆与第一指段固接；所述滑槽件上有滑槽，所述滑槽件滑动套接在滑杆上，所述滑杆固接在底座上，所述滑槽为直线滑槽；所述滑槽件在滑杆上滑动的方向与滑槽的中心线垂直；所述滑动基座在底座上的滑动方向与滑槽的中心线垂直；所述第四轴套设在杠杆的一端中；所述滚轮套接在第四轴上，滚轮滑动镶嵌在滑槽中；所述第一齿条与滑槽件固接，所述第一齿条与第一齿轮啮合，所述第一齿轮、第二齿轮套接在近关节轴上，所述第一齿轮与第二齿轮固接，所述第二齿轮与第二齿条啮合，所述第二齿条与底座固接；所述第一齿条、第二齿条位于近关节轴的两侧；设第四轴的中心点为F；线段AB与FA共线；线段FA的长度与线段AB的长度之比为k，第一齿轮与第二齿轮的分度圆直径之比为k；所述近关节轴和第四轴的中心线相互平行。

2.如权利要求1所述的滑动基座补偿式直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一过渡齿轮、第二过渡齿轮、过渡轴、蜗杆和蜗轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二过渡齿轮与第一过渡齿轮啮合，所述第二过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴活动套设在滑动基座中，所述蜗杆套固在过渡轴上，所述蜗轮套接在近关节轴上，所述蜗杆与蜗轮啮合，所述蜗轮与第三连杆固接。