CN109176566B - 齿轮滑槽连杆直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿轮滑槽连杆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、两个指段、电机、多个齿轮、多个连杆、直线滑槽、滚轮、簧件和限位块等。该装置实现了机器人直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取模式。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不同尺寸物体；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，第二指段绕远关节轴转动，适应物体形状进行包络抓取，适合抓取不同形状、尺寸的物体；该装置利用一个电机驱动两个指段，抓取范围大，无需复杂传感与控制，容易控制；该装置结构紧凑、成本低，适用于各种需要抓取的机器人上。

Description

齿轮滑槽连杆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，特别涉及一种齿轮滑槽连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人类科技进步不断发展，各种各样的机器人应运而生，在各行各业中扮演着重要的角色，帮助人类完成各种枯燥、危险或繁重的工作。机器人手是机器人抓取工具开展工作或者直接抓取操作物体的重要部件。抓取是指将物体在空间中的三个移动自由度和三个转动自由度全部限制住，因而要达到稳定抓取需要有两个以上相对接触面，因而具有手指的多指机器人手得到了大量的研究。多指机器人手包括灵巧手、欠驱动手等主要类别。其中，由于灵巧手关节自由度非常多，导致控制非常复杂，出力也小，目前难以推广使用。欠驱动手是利用较少电机驱动较多关节自由度的机器人手。欠驱动手分为耦合手指、平夹手指和自适应手指等基本类别，也包括耦合自适应、平夹自适应两类复合抓取型手指。平夹自适应复合手指因为具有较好的对中抓取效果，又能够自适应抓取物体，控制比较容易，得到了广泛研究，正在不断推广应用过程中。

连杆式直线平夹欠驱动手指(专利WO2016063314A1)被设计出来，采用一个电机驱动两个指段运动，核心是将切比雪夫连杆机构与双平行四连杆机构并联配置，达到了末端指段沿直线轨迹运动的平行夹持(简称直线平夹)抓取模式，特别适合在工作台上夹持不同尺寸的物体，控制相对容易，抓取范围大，全部采用了转动关节，而没有使用平动约束。其不足之处在于：该装置没有自适应包络抓取的功能。

多连杆并联式欠驱动机器人手指(专利US5762390A)被设计出来，采用电机和传动机构驱动双梯形四连杆机构，并利用双平行四边形连杆机构和簧件作为约束，实现了平夹与自适应复合抓取功能。手指在抓取物体时的第一阶段是平行夹持模式，即先后转动第一指段、第二指段和第三指段，末端的第三指段始终保持相对于基座固定不变的姿态，指导第一、二指段接触物体后才会自适应弯曲的末端关节，达到自适应包括抓取的目的。其不足之处在于：该装置没有直线平夹功能——该装置的末端指段在平动过程中是呈现圆弧运动，因而在抓取工作台上的不同尺寸物体时，需要机械臂配合控制才能实现，加大了控制难度。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种齿轮滑槽连杆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不同尺寸物体，容易控制，无需机械臂配合调整机器人手的高度；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，第二指段继续转动实现自适应包络抓取不同形状、尺寸的物体。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的齿轮滑槽连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、滚轮轴、滚轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第十齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴、凸块、限位块和簧件；所述电机与基座固接；所述电机的输出端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相连；所述第三连杆套接在第一轴上；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆活动套接在第一轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆活动套接在第二轴上；所述第五轴套设在第二连杆中；所述第三轴套设在第三连杆中；所述第四连杆活动套接在第三轴上；所述第四轴套设在第四连杆中；所述第五连杆的两端分别活动套接在第四轴和第五轴上；所述滚轮轴套设在基座中；所述滚轮活动套接在滚轮轴上；所述第二连杆有直线滑槽；所述滚轮镶嵌运动在直线滑槽中；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二指段与第五连杆固接；所述限位块固接在基座上；所述凸块与第一齿轮固接；在初始状态时，所述凸块与限位块接触；所述簧件的两端分别连接基座和凸块；所述第一齿轮活动套接在第一轴上；所述第二齿轮活动套接在第一齿轮轴上；所述第三齿轮活动套接在第二轴上；所述第四齿轮活动套接在第二轴上；所述第五齿轮活动套接在第二齿轮轴上；所述第六齿轮活动套接在第三齿轮轴上；所述第七齿轮活动套接在第四齿轮轴上；所述第八齿轮活动套接在第五齿轮轴上；所述第九齿轮活动套接在第六齿轮轴上；所述第十齿轮活动套接在第五轴上；所述第一齿轮轴套设在第一连杆上；所述第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴分别套设在第二连杆上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第二齿轮与第三齿轮啮合；所述第三齿轮与第四齿轮固接；所述第四齿轮与第五齿轮啮合；所述第五齿轮与第六齿轮啮合；所述第六齿轮与第七齿轮啮合；所述第七齿轮与第八齿轮啮合；所述第八齿轮与第九齿轮啮合；所述第九齿轮与第十齿轮啮合；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F；线段AF的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BE的长度是线段AB的长度的6倍；所述直线滑槽的中心线与线段BE重合；点B在直线FA上的投影点位于线段FA的延长线上；从第一齿轮经过第二齿轮到第三齿轮的传动为等速传动；从第四齿轮经过第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮和第九齿轮到第十齿轮的传动为等速传动；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴和滚轮轴的中心线相互平行。

本发明所述的齿轮滑槽连杆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、蜗杆、蜗轮、过渡轴、第一基座齿轮和第二基座齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述第一基座齿轮套固在过渡轴上，所述第二基座齿轮与第一基座齿轮啮合；所述第二基座齿轮套接在第一轴上；所述第二基座齿轮与第三连杆固接。

本发明所述的齿轮滑槽连杆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：

本发明装置利用两个指段、电机、多个齿轮、多个连杆、直线滑槽、滚轮、簧件和限位块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模式。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不同尺寸物体；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，第二指段绕远关节轴转动，适应物体形状进行包络抓取，适合抓取不同形状、尺寸的物体；该装置利用一个电机驱动两个指段，抓取范围大，无需复杂传感与控制，容易控制；该装置结构紧凑、成本低，适用于各种需要抓取的机器人上。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮滑槽连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体视图。

图2是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的另一个角度的立体视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的正视图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的背视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的爆炸视图。

图7是图1所示实施例直线平动第二指段抓取物体的动作过程示意图。

图8是图1所示实施例以直线平夹和自适应方式抓取物体的动作过程示意图。

图9是图1所示实施例中的第一连杆、第二连杆、基座、滚轮轴、滚轮等部分连杆机构产生点E沿直线轨迹运动的原理图。

图10是图1所示实施例的机构原理简图。

在图1至图10中：

1－基座， 101－基座顶板， 102－基座底板， 103－基座背板，

104－基座中板， 105－基座前板， 106－基座右板， 11－电机，

12－减速器， 13－蜗杆， 14－蜗轮， 15－过渡轴，

16－第一基座齿轮， 17－第二基座齿轮， 18－限位块， 21－第一指段，

22－第二指段， 221－第二指段表面板， 31－第一轴， 32－第二轴，

33－第三轴， 34－第四轴， 35－第五轴， 36－滚轮轴，

361－滚轮， 41－第一连杆， 42－第二连杆， 420－直线滑槽，

421－长侧板， 422－短侧板, 43－第三连杆， 44－第四连杆，

45－第五连杆， 5－簧件， 60－第一齿轮， 601－凸块，

61－第二齿轮， 62－第三齿轮， 63－第四齿轮， 64－第五齿轮，

65－第六齿轮， 66－第七齿轮， 67－第八齿轮， 68－第九齿轮，

69－第十齿轮， 71－第一齿轮轴， 72－第二齿轮轴， 73－第三齿轮轴，

74－第四齿轮轴， 75－第五齿轮轴， 76－第六齿轮轴， 8－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。

本发明设计的齿轮滑槽连杆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6所示，包括基座1、电机11、传动机构、第一指段21、第二指段22、第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、第五轴35、滚轮轴36、滚轮361、第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、第四连杆44、第五连杆45、第一齿轮60、第二齿轮61、第三齿轮62、第四齿轮63、第五齿轮64、第六齿轮65、第七齿轮66、第八齿轮67、第九齿轮68、第十齿轮69、第一齿轮轴71、第二齿轮轴72、第三齿轮轴73、第四齿轮轴74、第五齿轮轴75、第六齿轮轴76、凸块601、限位块18和簧件5；所述电机11与基座1固接；所述电机1的输出端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；所述第三连杆43套接在第一轴31上；所述第一轴31套设在基座1中；所述第一连杆41活动套接在第一轴31上；所述第二轴32套设在第一连杆41中；所述第二连杆42活动套接在第二轴32上；所述第五轴35套设在第二连杆42中；所述第三轴33套设在第三连杆43中；所述第四连杆44活动套接在第三轴33上；所述第四轴34套设在第四连杆44中；所述第五连杆45的两端分别活动套接在第四轴34和第五轴35上；所述滚轮轴36套设在基座1中；所述滚轮361活动套接在滚轮轴36上；所述第二连杆42有直线滑槽420；所述滚轮361镶嵌运动在直线滑槽420中；所述第一指段21与第二连杆42固接；所述第二指段22与第五连杆45固接；所述限位块18固接在基座1上；所述凸块601与第一齿轮60固接；在初始状态时，所述凸块601与限位块18接触；所述簧件5的两端分别连接基座1和凸块601；所述第一齿轮60活动套接在第一轴31上；所述第二齿轮61活动套接在第一齿轮轴71上；所述第三齿轮62活动套接在第二轴32上；所述第四齿轮63活动套接在第二轴32上；所述第五齿轮64活动套接在第二齿轮轴72上；所述第六齿轮65活动套接在第三齿轮轴73上；所述第七齿轮66活动套接在第四齿轮轴74上；所述第八齿轮67活动套接在第五齿轮轴75上；所述第九齿轮68活动套接在第六齿轮轴76上；所述第十齿轮69活动套接在第五轴35上；所述第一齿轮轴71套设在第一连杆41上；所述第二齿轮轴72、第三齿轮轴73、第四齿轮轴74、第五齿轮轴75、1第六齿轮轴76分别套设在第二连杆42上；所述第一齿轮60与第二齿轮61啮合；所述第二齿轮61与第三齿轮62啮合；所述第三齿轮62与第四齿轮63固接；所述第四齿轮63与第五齿轮64啮合；所述第五齿轮64与第六齿轮65啮合；所述第六齿轮65与第七齿轮66啮合；所述第七齿轮66与第八齿轮67啮合；所述第八齿轮67与第九齿轮68啮合；所述第九齿轮68与第十齿轮69啮合；设第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、第五轴35和滚轮轴36的中心点分别为A、B、C、D、E、F；线段AF的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BE的长度是线段AB的长度的6倍；所述直线滑槽420的中心线与线段BE重合；点B在直线FA上的投影点位于线段FA的延长线上；从第一齿轮60经过第二齿轮61到第三齿轮62的传动为等速传动；从第四齿轮63经过第五齿轮64、第六齿轮65、第七齿轮66、第八齿轮67和第九齿轮68到第十齿轮69的传动为等速传动；所述第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、第五轴35、第一齿轮轴71、第二齿轮轴72、第三齿轮轴73、第四齿轮轴74、第五齿轮轴75、第六齿轮轴76和滚轮轴36的中心线相互平行。

本实施例中，所述传动机构包括减速器12、蜗杆13、蜗轮14、过渡轴15、第一基座齿轮16和第二基座齿轮17；所述电机11的输出轴与减速器12的输入轴相连，所述蜗杆13套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮14与蜗杆13啮合，所述蜗轮14套固在过渡轴15上，所述过渡轴15套设在基座1中，所述第一基座齿轮16套固在过渡轴15上，所述第二基座齿轮17与第一基座齿轮16啮合；所述第二基座齿轮17套接在第一轴31上；所述第二基座齿轮17与第三连杆43固接。

本发明所述的齿轮滑槽连杆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5采用拉簧。

本实施例中，所述第二连杆42还包括长侧板421和短侧板422；所述第二齿轮轴72、第三齿轮轴73、第四齿轮轴74、第五齿轮轴75、第六齿轮轴76分别套设在长侧板421上；所述第二指段分别与长侧板421、短侧板422固接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例中的第一连杆41、第二连杆42、滚轮轴36、滚轮361等部分零件使得点E沿直线轨迹运动，其原理如图9所示。通过第三连杆43、第四连杆44的连接可以达到使电机11的动力去推动第二指段运动——先平动后转动。由于从第一齿轮60经过第二齿轮61到第三齿轮62的等速传动使得第三齿轮62与第一齿轮60保持相对于基座1相同的姿态，此外，由于从第四齿轮63经过第五齿轮64至第九齿轮68到第十齿轮69的等速传动使得第十齿轮69与第四齿轮63保持相对于基座1同样的姿态，由于第三齿轮62与第四齿轮63固接，且第一齿轮60和凸块601在簧件5的作用下紧靠在基座1上的限位块18上，因此，第十齿轮69相对于基座1保持原有的姿态不变。

线段BE滑动镶嵌在以F为定点的可转动的直线滑槽中，当线段AB在以A为圆心的下半圆(图9)转动时，点E沿直线S(图9)轨迹运动，直线S与线段AF垂直。由于点B在直线FA的投影点位于FA的延长线上，因此线段AB只能在以A为圆心的下半圆运动。(注：当线段AB在以A为圆心的上半圆转动时，点E的轨迹不是直线。)

本实施例的机构原理简图如图10所示。

初始状态如图4所示，此时电机11转动，通过传动机构带动第三连杆43绕第一轴31顺时针转动(图4)，具体来说，电机11通过减速器12驱动蜗杆13，蜗轮14转动，通过过渡轴15使得第一基座齿轮16转动，第二基座齿轮17转动，带动第三连杆43顺时针转动(图4)。第三连杆43转动会通过第四连杆44推动第四轴34，该推力的水平分量会使得第五连杆45和第二指段22沿着直线向右平动，原因是：第一连杆41、带有直线滑槽420的第二连杆42、第一齿轮60、第二齿轮61、第三齿轮62、第四齿轮63、第五齿轮64、第六齿轮65、第七齿轮66、第八齿轮67、第九齿轮68、第十齿轮69、基座背板103和滚轮361综合实现了当第四轴34向右运动时(图10)，第四轴34只会沿水平直线向右平动，且第二指段22向右直线平动，原理如图9、图10所示。此时，滚轮361在直线滑槽421中运动，第一连杆41绕第一轴31顺时针转动(图4)，由于簧件5拉着凸块601紧靠在限位块18上，第一齿轮60固定不动，线段DE保持相对于基座1固定不变的姿态，于是第五连杆45及与第五连杆45固接的第二指段22保持相对于基座1不变的姿态，第二指段22沿水平直线向右平动。此过程称为直线平行夹持运动过程。在上述直线平行夹持运动过程中，当第二指段22接触物体8后，抓取结束，实现了平夹抓取物体8，如图7所示。

在上述直线平行夹持运动过程中，当第一指段21先接触物体8被物体8阻挡不能再继续运动，与第一指段21固接的第二连杆42不能运动，电机11继续转动，通过传动机构带动第三连杆43继续顺时针转动(图10)，通过第四连杆44推动第四轴34，第二指段22和第五连杆45将绕第五轴35顺时针转动，凸块601离开限位块18，簧件5变形，第一齿轮60转动，滚轮361在直线滑槽420中有运动；这一过程直到第二指段22也接触物体8为止，抓取结束，达到了第一指段21、第二指段22均接触物体8的包络抓取效果。本实施例的这种包络抓取过程对不同形状、尺寸物体具有自适应特点，这一抓取过程称为自适应抓取，如图8所示。

本实施例直线平动第二指段22的动作过程示意图如图7所示。本实施例以直线平夹和自适应方式抓取物体的动作过程示意图如图8所示。

释放物体8的过程与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用两个指段、电机、多个齿轮、多个连杆、直线滑槽、滚轮、簧件和限位块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模式。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不同尺寸物体；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，第二指段绕远关节轴转动，适应物体形状进行包络抓取，适合抓取不同形状、尺寸的物体；该装置利用一个电机驱动两个指段，抓取范围大，无需复杂传感与控制，容易控制；该装置结构紧凑、成本低，适用于各种需要抓取的机器人上。

Claims (3)

1.一种齿轮滑槽连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：包括基座、电机、传动机构、第一指段、第二指段、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、滚轮轴、滚轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第十齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴、凸块、限位块和簧件；所述电机与基座固接；所述电机的输出端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相连；所述第三连杆活动套接在第一轴上；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆活动套接在第一轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆活动套接在第二轴上；所述第五轴套设在第二连杆中；所述第三轴套设在第三连杆中；所述第四连杆活动套接在第三轴上；所述第四轴套设在第四连杆中；所述第五连杆的两端分别活动套接在第四轴和第五轴上；所述滚轮轴套设在基座中；所述滚轮活动套接在滚轮轴上；所述第二连杆有直线滑槽；所述滚轮镶嵌运动在直线滑槽中；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二指段与第五连杆固接；所述限位块固接在基座上；所述凸块与第一齿轮固接；在初始状态时，所述凸块与限位块接触；所述簧件的两端分别连接基座和凸块；所述第一齿轮活动套接在第一轴上；所述第二齿轮活动套接在第一齿轮轴上；所述第三齿轮活动套接在第二轴上；所述第四齿轮活动套接在第二轴上；所述第五齿轮活动套接在第二齿轮轴上；所述第六齿轮活动套接在第三齿轮轴上；所述第七齿轮活动套接在第四齿轮轴上；所述第八齿轮活动套接在第五齿轮轴上；所述第九齿轮活动套接在第六齿轮轴上；所述第十齿轮活动套接在第五轴上；所述第一齿轮轴套设在第一连杆上；所述第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴分别套设在第二连杆上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第二齿轮与第三齿轮啮合；所述第三齿轮与第四齿轮固接；所述第四齿轮与第五齿轮啮合；所述第五齿轮与第六齿轮啮合；所述第六齿轮与第七齿轮啮合；所述第七齿轮与第八齿轮啮合；所述第八齿轮与第九齿轮啮合；所述第九齿轮与第十齿轮啮合；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F；线段AF的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BE的长度是线段AB的长度的6倍；所述直线滑槽的中心线与线段BE重合；点B在直线FA上的投影点位于线段FA的延长线上；从第一齿轮经过第二齿轮到第三齿轮的传动为等速传动；从第四齿轮经过第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮和第九齿轮到第十齿轮的传动为等速传动；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、第五齿轮轴、第六齿轮轴和滚轮轴的中心线相互平行。

2.如权利要求1所述的齿轮滑槽连杆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、蜗杆、蜗轮、过渡轴、第一基座齿轮和第二基座齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述第一基座齿轮套固在过渡轴上，所述第二基座齿轮与第一基座齿轮啮合；所述第二基座齿轮套接在第一轴上；所述第二基座齿轮与第三连杆固接。

3.如权利要求1所述的齿轮滑槽连杆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。