CN109571520A - 霍肯连杆直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

霍肯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、骨架杆、霍肯连杆机构、平行四连杆机构、滑槽、滚轮、簧件和限位块等。该装置实现了机器人手指末端直线轨迹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，此时，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

霍肯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，特别涉及一种霍肯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，提出一种霍肯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：

本发明设计霍肯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、限位块、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、第六轴、第七轴、滚轮轴、滚轮、骨架杆、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、第八连杆第九连杆、第十连杆和簧件；所述电机与电机箱固接；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一轴相连；所述第五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；所述第三轴套设在第二连杆中；所述骨架杆活动套接在第一轴上；所述第四轴套设在骨架杆中；所述第三连杆活动套接在第四轴上；所述第五轴套设在第三连杆中；所述第四连杆活动套接在第五轴上；所述第六轴套设在第四连杆中；所述第七连杆的两端分别活动套接在第三轴、第六轴上；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；所述滚轮滑动在直线滑槽中；所述第七轴套设在第五连杆中；所述第六连杆的两端分别活动套接在第七轴、第六轴上；所述第八连杆的两端分别活动套接在第二轴、第五轴上；所述第九连杆的两端分别套接在第二轴、第五轴上；所述第十连杆的两端分别套接在第一轴、滚轮轴上；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二指段与第七、第九连杆固接；所述限位块固接在基座上；在初始状态时，所述骨架杆与限位块接触；所述簧件的两端分别连接基座和骨架杆；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H；线段AB与线段DE的长度相等，线段BC与线段EF的长度相等，线段AD、线段BE和线段CF的长度均相等，线段AH的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BC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BC重合；点B与点H分别位于直线AD的两侧；点E与点H分别位于直线AD的两侧；线段AG的长度大于线段AD的长度；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和滚轮轴的中心线相互平行。

本发明所述的霍肯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、蜗轮、蜗杆、过渡轴、第一齿轮和第二齿轮；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，所述蜗杆套固在过渡轴上，所述第一齿轮套固在过渡轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合；所述第二齿轮套接在第一轴上

本发明所述的霍肯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：

本发明装置利用基座、两个指段、电机、骨架杆、霍肯连杆机构、平行四连杆机构、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是本发明设计的霍肯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外观图。

图2是图1所示实施例的从侧上方观看的立体视图。

图3是图1所示实施例的正视图。

图4是图1所示实施例的爆炸视图。

图5是图1所示实施例直线平动第二指段的动作过程示意图。

图6是图1所示实施例以自适应方式抓取物体的动作过程示意图。

图7是图1所示实施例采用的霍肯连杆机构(Hoeckens linkage mechanism)运动原理简图。

图8是图1所示实施例以直线平动及自适应方式抓取物体的动作过程示意图。

在图1至图8中：

1－基座， 10－限位块， 11－电机， 12－减速器，

13－蜗轮， 14－蜗杆， 15－过渡轴， 16－第一齿轮，

17－第二齿轮， 21－第一指段， 22－第二指段， 31－第一轴，

32－第二轴， 33－第三轴， 34－第四轴， 35－第五轴，

36－第六轴， 37－第七轴， 38－滚轮轴， 381－滚轮，

40－骨架杆， 41－第一连杆， 42－第二连杆， 43－第三连杆，

44－第四连杆， 45－第五连杆， 46－第六连杆， 47－第七连杆，

48－第八连杆， 49－第九连杆 410－第十连杆 5－簧件，

6－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。

本发明设计的霍肯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4所示，包括基座1、限位块10、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、第六轴36、第七轴37、滚轮轴38、滚轮381、骨架杆40、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、第六连杆46、第七连杆47、第八连杆48、第九连杆49、第十连杆410和簧件5；所述电机11与电机箱固接；所述电机11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一轴31相连；所述第五连杆45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；所述第三轴33套设在第二连杆42中；所述骨架杆40活动套接在第一轴31上；所述第四轴34套设在骨架杆40中；所述第三连杆43活动套接在第四轴34上；所述第五轴35套设在第三连杆43中；所述第四连杆44活动套接在第五轴35上；所述第六轴36套设在第四连杆44中；所述第七连杆47的两端分别活动套接在第三轴33、第六轴36上；所述滚轮轴38套设在基座1中；所述滚轮381活动套接在滚轮轴38上；所述第二连杆42有直线滑槽；所述滚轮381滑动在直线滑槽中；所述第七轴37套设在第五连杆45中；所述第六连杆46的两端分别活动套接在第七轴37、第六轴36上；所述第八连杆48的两端分别活动套接在第二轴32、第五轴35上；所述第九连杆49的两端分别套接在第二轴32、第五轴35上；所述第十连杆410的两端分别套接在第一轴31、滚轮轴38上；所述第一指段21与第二连杆22固接；所述第二指段22与第七连杆47、第九连杆49固接；所述限位块10固接在基座1上；在初始状态时，所述骨架杆40与限位块10接触；所述簧件5的两端分别连接基座1和骨架杆40；设第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、第五轴35、第六轴36、第七轴37和滚轮轴38的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H(如图7、图8所示)；线段AB与线段DE的长度相等，线段BC与线段EF的长度相等，线段AD、线段BE和线段CF的长度均相等，线段AH的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BC的长度是线段AB的长度的6倍；所述直线滑槽421的中心线与线段BC重合；点B与点H分别位于直线AD的两侧；点E与点H分别位于直线AD的两侧；线段AG的长度大于线段AD的长度；所述第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、第五轴35、第六轴36、第七轴37和滚轮轴38的中心线相互平行。

本实施例中，在初始状态时，所述线段AD与线段AH垂直。

本实施例中，所述传动机构包括减速器12、蜗轮13、蜗杆14、过渡轴15、第一齿轮16和第二齿轮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12的输出轴上，所述蜗轮14与蜗杆13啮合，所述蜗杆13套固在过渡轴15上，所述第一齿轮16套固在过渡轴15上；所述第二齿轮17与第一齿轮16啮合；所述第二齿轮17套接在第一轴31上

本发明所述的霍肯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5采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述簧件5采用扭簧。

本实施例中，第二连杆42包括第二指段22。

本实施例中，所述簧件5的两端分别连接骨架杆40和基座1。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例中的基座1、第一连杆41、第二连杆42、滚轮轴38、滚轮381等部分零件使得点C沿直线轨迹运动的原理如图7所示，此部分机构是霍肯连杆机构(Hoeckens linkagemechanism)。其中，线段AH固定不动，线段BC滑动镶嵌在以H为定点的可转动的直线滑槽中，当线段AB在以A为圆心的下半圆转动时，点C沿直线S轨迹运动，直线S与线段AH垂直；当线段AB在以A为圆心的上半圆转动时，点C的轨迹不是直线。

本实施例的机构原理简图如图8所示。

初始状态如图1所示，此时电机11转动，通过传动机构带动第五连杆45绕第一轴31顺时针转动(图8)，具体来说，电机11通过减速器12驱动蜗杆13、蜗轮14装转动；蜗轮14驱动过渡轴15使得第一齿轮16转动，第二齿轮17转动，带动第一轴31顺时针转动。第一轴31带动第五连杆45顺时针转动；第五连杆45转动会通过第六连杆46推动第六轴36，该推力的水平分量会使得第七连杆47和第二指段22沿着直线向右平动，原因是：第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、第四连杆44、第七连杆47、第八连杆48、第九连杆49、第十连杆410、骨架杆40和滚轮381综合实现了当第六轴36向右运动时(图5)，第六轴36只会沿水平直线向右平动，原理如图7所示。此时，滚轮381在直线滑槽中运动，第一连杆41绕第一轴31顺时针转动(图8)，由于第一连杆41、第八连杆48、第三连杆43和骨架杆40为平行四连杆机构，因此第八连杆48平行于骨架杆40；且由于第二连杆42、第八连杆48、第四连杆44、第七连杆47为平行连杆机构，因此第七连杆47平行于第八连杆48；于是第七连杆47平行于骨架杆40，即线段CF与线段AD保持平行，由于簧件5拉着骨架杆40紧靠在限位块10上，线段AD保持相对于基座1固定不变的姿态，于是第七连杆47及与第七连杆47、第九连杆49共同固接的第二指段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。此过程如图5所示。

在上述直线平行夹持运动过程中，当第二指段22接触物体6后，抓取结束，实现了平夹抓取物体6，如图5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6被物体6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五连杆45继续转动，通过第六连杆46推动第六轴36，第二指段22和第七连杆47将绕第三轴33顺时针转动，此时，线段AD、线段BE和线段CF继续保持平行，即骨架杆40、第八连杆48与第七连杆47保持平行，由于第七连杆47的转动带动第八连杆48绕第二轴32转动，带动骨架杆40绕第一轴31转动，故而，骨架杆40离开限位块10，簧件5变形，线段AD与线段DH不再垂直且两者之间的夹角变为钝角，滚轮381在直线滑槽中有运动；这一过程直到第二指段22也接触物体6为止，抓取结束，达到了第一指段21、第二指段22均接触物体6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6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5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6所示。

释放物体6的过程与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用基座、两个指段、电机、骨架杆、霍肯连杆机构、平行四连杆机构、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)

1.一种霍肯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、限位块、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、第六轴、第七轴、滚轮轴、滚轮、骨架杆、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、第八连杆第九连杆、第十连杆和簧件；所述电机与电机箱固接；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一轴相连；所述第五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；所述第三轴套设在第二连杆中；所述骨架杆活动套接在第一轴上；所述第四轴套设在骨架杆中；所述第三连杆活动套接在第四轴上；所述第五轴套设在第三连杆中；所述第四连杆活动套接在第五轴上；所述第六轴套设在第四连杆中；所述第七连杆的两端分别活动套接在第三轴、第六轴上；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；所述滚轮滑动在直线滑槽中；所述第七轴套设在第五连杆中；所述第六连杆的两端分别活动套接在第七轴、第六轴上；所述第八连杆的两端分别活动套接在第二轴、第五轴上；所述第九连杆的两端分别套接在第二轴、第五轴上；所述第十连杆的两端分别套接在第一轴、滚轮轴上；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二指段与第七、第九连杆固接；所述限位块固接在基座上；在初始状态时，所述骨架杆与限位块接触；所述簧件的两端分别连接基座和骨架杆；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G、H；线段AB与线段DE的长度相等，线段BC与线段EF的长度相等，线段AD、线段BE和线段CF的长度均相等，线段AH的长度是线段AB的长度的1.5倍，线段BC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BC重合；点B与点H分别位于直线AD的两侧；点E与点H分别位于直线AD的两侧；线段AG的长度大于线段AD的长度；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴和滚轮轴的中心线相互平行。

2.如权利要求1所述的霍肯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、蜗轮、蜗杆、过渡轴、第一齿轮和第二齿轮；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，所述蜗杆套固在过渡轴上，所述第一齿轮套固在过渡轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合；所述第二齿轮套接在第一轴上。

3.如权利要求1所述的霍肯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。