CN109129548B - 变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、驱动器、传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、多个连杆、多个轴和变长度弹性组件。该装置具有直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能；能够直线平动第二指段进行夹持物体，适用于工作台面薄板状物体抓取，还能在第一指段接触物体之后，第二指段自动转动接触物体，能够自动适应不同形状、大小物体的包络抓取；抓取范围大，稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段，无需复杂传感，易于控制；结构紧凑、体积小，制造和维护成本低。

Description

变几何结构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，特别涉及一种变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人系统实现抓取功能的重要装置。抓取物体的方法是从相对的两个方向限制住物体在该方向上的运动可能性。物体在空间中的运动存在多个方向，为了限制所抓物体的各种运动可能性，需要机器人手针对不同的抓取对象展现不同的抓取模式，从而限制物体各个方向的运动。平行夹持抓取(简称平夹抓取)是一种常见的抓取方式，末端指段在运动过程中始终保持相对手掌基座相对固定的姿态，在抓取过程中，相对的两个手指或者多个手指在物体的两个或多个侧面接触物体并施加抓持力，并且通过手指表面的弹性变形材料来获得软指面从来改善抓取的稳定性，这种平行夹持的机器人手装置已经被广泛应用，称之为工业夹持器。工业夹持器是指具有两个或多个手指，手指上没有关节或多个耦合运动的关节的装置，在抓取物体时使用平行夹持的方式，或末端对物体进行捏持，这种抓取方式针对日常物品是有效的，能够达到最多种类的物体抓取。

具有直线平动夹持功能的机器人手已经被发明出来，如专利WO2016063314A1，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动，利用第二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。

欠驱动机器人手是一类利用较少电机驱动较多关节自由度来达到较好抓取物体目的的多指机器人手。欠驱动手目前已经开发出具有耦合抓取、平夹抓取和复合抓取模式的几类机器人手，其中平夹与自适应复合抓取欠驱动机器人手具有广泛应用的前景，得到了较多的研究。为了保持常用的平夹抓取，同时增加对物体包络抓取效果以提高抓取范围和抓取稳定性，具有平行夹持和自适应包络两种抓取模式的平夹自适应欠驱动机器人手已被开发出来。

已有的一种欠驱动机器人手指装置，如加拿大Laval大学的专利US5762390A，包括基座、驱动器、传动机构、六个连杆、三个指段、限位机构和多个弹簧等。该装置实现了平夹及自适应包络物体的效果：最初阶段该装置转动整体绕根部近关节转动，同时末端指段相对于基座保持竖直的初始姿态不变，直到近指段接触物体，中部关节转动，中部指段接触物体，末端关节转动，末端指段才最终转动扣向物体，最后达到多个指段均包络抓取物体的特效。该装置的不足之处在于：该装置在平夹抓取的阶段中，手指末端呈圆弧运动——末端圆弧平动，无法实现末端指段直线平动的效果，在抓取桌面物体时，需要机械臂的精准直线平动控制配合，因而增大了对机械臂协同控制编程的依赖。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置。该装置夹持物体时，第二指段始终保持直线运动轨迹，能够直线平动第二指段捏持物体，适用于工作台面抓取薄板物体；该装置自适应抓取物体时，在第一指段接触物体停止运动后，第二指段在第一连杆继续推动下实现自适应包络抓取不同形状和大小的物体；该装置结构简单，易于控制。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、驱动器、传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述驱动器与基座固接；所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；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；所述近关节轴和远关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆和变长度弹性组件；所述变长度弹性组件包括下杆、上杆、簧件和限位块；所述上杆滑动镶嵌在下杆中，所述簧件的两端分别连接上杆和下杆；所述限位块与下杆固接，在初始状态时，限位块与上杆接触；所述第一轴套设在基座中；所述第一轴与传动机构的输出端相连；所述第一连杆固接在第一轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆套接在第二轴上；所述第三轴套设在第二连杆中；所述第二指段套接在第三轴上；所述第四轴套设在第二指段中；所述上杆的一端套接在第四轴上；所述下杆的一端套接在第五轴上；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另外一端套接在第五轴上；所述第四连杆套接在第五轴上；所述第六轴套设在第四连杆中；所述第四连杆上有直线滑槽；所述第八轴套设在基座中；所述第八轴滑动镶嵌在直线滑槽中；所述第五连杆的一端套接在第六轴上，第五连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第七轴套设在基座中；所述第六连杆的一端套接在第七轴上；第六连杆的另外一端套接在近关节轴上；所述第七连杆的一端套接在近关节轴上；第七连杆的另外一端套接在第五轴上；所述第四轴与第六轴的中心线共线；设近关节轴、远关节轴、第一轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴和第二轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J；线段CH、线段BE、线段BG和线段AF的长度均相等，线段CF与线段AH长度相等，线段FG与线段AB长度相等，线段CI的长度是线段CF长度的1.5倍，线段AB的长度是线段CF长度的6倍；线段CF、线段FA、线段AH和线段HC构成平行四边形，线段AB、线段BG、线段GF和线段FA构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BE、线段EF和线段FA构成平行四边形；所述第八轴在直线滑槽中的滑动方向与线段FG重合；所述近关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和第八轴的中心线相互平行。

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸、液压缸或内燃机。

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、螺纹传动机构、连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、链轮传动机构和绳轮传动机构中的一种或几种的组合。

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用驱动器、传动机构、多个轴、多个连杆和变长度弹性组件等综合实现了机器人直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能；该装置能直线平动第二指段夹持物体，在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持直线的运动轨迹，适合在工作台面抓取薄板状物体；该装置也能自适应抓取物体，在第一指段接触物体停止运动后，第二指段在第一连杆继续推动下绕远关节轴转动，从而主动适应物体形状进行包络抓取，适合不同形状和大小物体的抓取；该装置利用一个驱动器，驱动两个指段，实现了直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能，抓取范围大；该装置无需复杂传感器件，易于控制；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低。

附图说明

图1是本发明设计的变几何结构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所示实施例的一个正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的右视图)。

图4是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。

图5是图1所示实施例的从一个角度观察的立体视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的从一个角度观察的立体视图，显示出第八轴与直线滑槽的位置关系(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例的从一个角度观察的局部剖视图(图4的局部剖视图)，显示出第三轴、第四轴、第六轴、第二连杆、第五连杆、变长度弹性组件和第二指段的位置关系(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9是图1所示实施例平动第二指段的动作过程示意图。

图10是图1所示实施例以直线平行夹持的方式抓取桌面上物体的动作过程示意图。

图11是图1所示实施例以自适应的方式包络抓取物体的动作过程示意图。

图12是图1所示实施例直线平动第二指段过程中变长度弹性组件保持初始长度时的位置关系示意图。

图13是图1所示实施例自适应抓取物体过程中变长度弹性组件被拉长时的位置关系示意图。

图14是图1所示实施例的直线机构原理示意图，其中F、G表示直线机构上的两点、F’和G’表示点F和点G在直线机构运动过程中其他时刻所处的不同位置。

图15是图1所示实施例的在自适应抓取过程中几何结构改变的示意图。

在图1至图15中：

1－基座， 11－驱动器， 12－传动机构， 2－第一指段，

3－第二指段， 21－近关节轴， 31－远关节轴， 41－第一轴，

42－第二轴， 43－第三轴， 44－第四轴， 45－第五轴，

46－第六轴， 47－第七轴， 48－第八轴， 51－第一连杆，

52－第二连杆， 53－第三连杆， 54－第四连杆， 541－直线滑槽，

55－第五连杆， 56－第六连杆， 57－第七连杆， 60－变长度弹性组件，

601－下杆， 602－上杆， 603－簧件， 604－限位块，

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。

本发明设计的变几何结构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，包括基座1、驱动器11、传动机构12、第一指段2、第二指段3、近关节轴21和远关节轴31；所述驱动器11与基座1固接；所述驱动器11的输出端与传动机构12的输入端相连；所述第一指段2套接在近关节轴21上；所述远关节轴31套设在第一指段2中；所述第二指段3套接在远关节轴31上；所述近关节轴21和远关节轴31的中心线相互平行；该变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第七轴47、第八轴48、第一连杆51、第二连杆52、第三连杆53、第四连杆54、第五连杆55、第六连杆56、第七连杆57和变长度弹性组件60；所述变长度弹性组件60包括下杆601、上杆602、簧件603和限位块604；所述上杆602滑动镶嵌在下杆601中，所述簧件603的两端分别连接上杆602和下杆601；所述限位块604与下杆601固接，在初始状态时，限位块604与上杆602接触；所述第一轴41套设在基座1中；所述第一轴41与传动机构12的输出端相连；所述第一连杆51固接在第一轴41上；所述第二轴42套设在第一连杆51中；所述第二连杆52套接在第二轴42上；所述第三轴43套设在第二连杆52中；所述第二指段3套接在第三轴43上；所述第四轴44套设在第二指段3中；所述上杆602的一端套接在第四轴44上；所述下杆601的一端套接在第五轴45上；所述第三连杆53的一端套接在第一轴41上，第三连杆53的另外一端套接在第五轴45上；所述第四连杆54套接在第五轴45上；所述第六轴46套设在第四连杆54中；所述第四连杆54上有直线滑槽541；所述第八轴48套设在基座1中；所述第八轴48滑动镶嵌在直线滑槽541中；所述第五连杆55的一端套接在第六轴46上，第五连杆55的另一端套接在远关节轴31上；所述第七轴47套设在基座1中；所述第六连杆56的一端套接在第七轴47上；第六连杆56的另外一端套接在近关节轴21上；所述第七连杆57的一端套接在近关节轴21上；第七连杆57的另外一端套接在第五轴45上；所述第四轴44与第六轴46的中心线共线；设近关节轴21、远关节轴31、第一轴41、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第七轴47、第八轴48和第二轴42的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J；线段CH、线段BE、线段BG和线段AF的长度均相等，线段CF与线段AH长度相等，线段FG与线段AB长度相等，线段CI的长度是线段CF长度的1.5倍，线段AB的长度是线段CF长度的6倍；线段CF、线段FA、线段AH和线段HC构成平行四边形，线段AB、线段BG、线段GF和线段FA构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BE、线段EF和线段FA构成平行四边形；所述第八轴48在直线滑槽541中的滑动方向与线段FG重合；所述近关节轴21、第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第七轴47和第八轴48的中心线相互平行。

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸、液压缸或内燃机。本实施例中，所述驱动器11采用电机。

本发明设计的变几何结构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采用齿轮传动机构、带轮传动机构、螺纹传动机构、连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、链轮传动机构和绳轮传动机构中的一种或几种的组合。本实施例中，所述传动机构12采用涡轮蜗杆传动机构与齿轮传动机构的组合。

本发明设计的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述簧件603采用拉簧。

本实施例的工作原理，结合附图9至图15，叙述如下：

图7至图12是图1所示实施例直线平行夹持过程的功能及原理示意图。其中，图9为图1所述实施例实现直线平夹过程中第二指段3动作示意图，图10为图1所述实施例以直线平行夹持的方式抓取工作台面物体70的动作过程示意图，图14为图1所述实施例实现直线平夹功能的直线机构原理示意图，图15是图1所示实施例的在自适应抓取过程中几何结构改变的示意图。

第一轴41、第五轴45、第六轴46、第八轴48、第三连杆53、第四连杆54组成的机构满足图12所示的直线机构原理，所以第六轴46的运动轨迹为一条直线。第四连杆54、第五连杆55、第七连杆57和第一指段2构成平行四边形，线段AB与线段FG长度相等，所以可得远关节轴31的运动轨迹也是一条直线。初始状态时，变长度弹性组件60的长度与第四连杆54的长度相等，第四轴44与第六轴46的中心线重合，故初始状态时，变长度弹性组件60、第二指段3、第一指段2和第七连杆57构成平行四边形，第四轴44的运动轨迹也为一条直线。

驱动器开始工作后，根据手指指段接触物体的状态不同，手指将以直线平夹和自适应两种抓取模式工作：当第一指段先于第二指段接触到物体，手指将以自适应抓取模式工作；当第二指段先于第一指段接触物体，手指将以直线平夹的抓取模式工作。

该装置在直线平夹状态模式下的工作原理与动作过程如下：

图9和图10展示了手指装置在直线平夹模式下抓取物体70的示意图。抓取物体70时，驱动器11开始工作，通过传动机构12带动第一连杆51转动，第一连杆51带动第二连杆52运动，从而带动第二指段3运动，由于第三轴43、第四轴44、第六轴46和远观节轴31在初始状态的运动轨迹为直线，所以在直线平夹阶段，第二指段3的轨迹为直线；由于第二指段3位于变长度弹性组件60、第一指段2、第二指段3和第七连杆57组成的平行四边形上，所以第二指段3的姿态始终与初始状态平行，做直线平行夹持运动，直到接触物体70，抓取过程结束。从而实现了该装置的直线平夹功能。

释放物体70时，驱动器11反向工作，与上述过程相反，在此不再赘述。

该装置在自适应状态模式下的工作原理与动作过程如下：

图11至图13是图1所示实施例自适应抓取过程示意图。其中，图11为图1所示实施例以自适应的方式包络抓取物体70的动作过程示意图。图12和图13分别是图1所示实施例在自适应抓取过程中变长度弹性组件60的形变过程中的长度变化关系。在实现自适应抓取物体70的过程中(如图11所示)，首先驱动器11开始工作，第二指段3在弹性组件60以及直线机构共同约束下，相对基座1沿着直线方向平移。第二指段3继续直线平动，直至第一指段2接触物体70而被物体70阻挡不能继续运动，此时将进入自适应包络抓取模式。进入自适应抓取模式后，如图9所示，驱动器11继续工作，动力经由第一连杆51、第二连杆52传递到第二指段3，使得变长度弹性组件60发生形变，这时变长度弹性组件60的长度与第四连杆54的长度不再相等，第六轴46和第四轴44的中心线不再共线(如图11所示，点G和点E不再重合)，变长度弹性组件60、第二指段3、第一指段2和第七连杆57组成的四边形不再是平行四边形，该四边形几何结构发生变化。第二指段3在动力的传动作用下切换为绕远关节轴31转动的运动状态。驱动器11持续工作，直至第二指段3接触物体70，实现自适应包络抓取功能。从而实现了该装置的自适应抓取功能。

释放物体70时，驱动器11反向工作，与上述自适应抓取过程相反，在此不再赘述。

本发明装置利用驱动器、传动机构、多个轴、多个连杆和变长度弹性组件等综合实现了机器人直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能；该装置能直线平动第二指段夹持物体，在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持直线的运动轨迹，适合在工作台面抓取薄板状物体；该装置也能自适应抓取物体，在第一指段接触物体停止运动后，第二指段在第一连杆继续推动下绕远关节轴转动，从而主动适应物体形状进行包络抓取，适合不同形状和大小物体的抓取；该装置利用一个驱动器，驱动两个指段，实现了直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能，抓取范围大；该装置无需复杂传感器件，易于控制；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低。

Claims (4)

1.一种变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、驱动器、传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述驱动器与基座固接；所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；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；所述近关节轴和远关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆和变长度弹性组件；所述变长度弹性组件包括下杆、上杆、簧件和限位块；所述上杆滑动镶嵌在下杆中，所述簧件的两端分别连接上杆和下杆；所述限位块与下杆固接，在初始状态时，限位块与上杆接触；所述第一轴套设在基座中；所述第一轴与传动机构的输出端相连；所述第一连杆固接在第一轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆套接在第二轴上；所述第三轴套设在第二连杆中；所述第二指段套接在第三轴上；所述第四轴套设在第二指段中；所述上杆的一端套接在第四轴上；所述下杆的一端套接在第五轴上；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另外一端套接在第五轴上；所述第四连杆套接在第五轴上；所述第六轴套设在第四连杆中；所述第四连杆上有直线滑槽；所述第八轴套设在基座中；所述第八轴滑动镶嵌在直线滑槽中；所述第五连杆的一端套接在第六轴上，第五连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第七轴套设在基座中；所述第六连杆的一端套接在第七轴上；第六连杆的另外一端套接在近关节轴上；所述第七连杆的一端套接在近关节轴上；第七连杆的另外一端套接在第五轴上；所述第四轴与第六轴的中心线共线；设近关节轴、远关节轴、第一轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴和第二轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J；线段CH、线段BE、线段BG和线段AF的长度均相等，线段CF与线段AH长度相等，线段FG与线段AB长度相等，线段CI的长度是线段CF长度的1.5倍，线段AB的长度是线段CF长度的6倍；线段CF、线段FA、线段AH和线段HC构成平行四边形，线段AB、线段BG、线段GF和线段FA构成平行四边形；初始状态时，线段AB、线段BE、线段EF和线段FA构成平行四边形；所述第八轴在直线滑槽中的滑动方向与线段FG重合；所述近关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和第八轴的中心线相互平行。

2.如权利要求1所述的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸、液压缸或内燃机。

3.如权利要求1所述的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、螺纹传动机构、连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、链轮传动机构和绳轮传动机构中的一种或几种的组合。

4.如权利要求1所述的变几何结构直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

Images