CN109571521B - 延时多路直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

延时多路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、连杆机构、带轮机构、齿轮机构、滑槽、滚轮、两个簧件和限位块。该装置实现了机器人手指末端轨迹直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取模式。该装置夹持物体时，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

延时多路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，特别涉及一种延时多路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，采用电机和第一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，提出一种延时多路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：

本发明设计的延时多路直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段和第二指段；所述电机与基座固接；所述电机的输出端与第一传动机构的输入端相连；其特征在于：该延时多路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、中间轴、第二传动机构、第三传动机构、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、中间轮、主动轮、拨轮、第一连杆、第二连杆、第一带轮、第二带轮、传动带、滚轮轴、滚轮、第一簧件、第二簧件、凸块和限位块；所述中间轴套设在基座中；所述中间轮、主动轮、拨轮分别活动套接在中间轴上；所述第一传动机构的输出端与中间轮相连；所述第一簧件的两端分别连接中间轮、主动轮；所述主动轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆的两端分别套接在第一轴、第三轴上；所述中间轮上有固接的主动拨块；所述拨轮上有固接的从动拨块；在初始状态时，所述主动拨块与从动拨块之间存在一个角度距离；所述拨轮与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第一齿轮活动套接在第一轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第三齿轮与第二齿轮啮合；所述第二齿轮套接在第二轴上，第三齿轮套接在第三轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆的两端分别套接在第三轴、第四轴上；所述第一带轮套接在第三轴上，所述第一带轮与第三齿轮固接；所述第二带轮套接在第四轴上，所述传动带连接第一带轮、第二带轮；所述第二带轮与第二指段固接；所述第二指段套接在第四轴上；所述第一带轮与第二带轮的传动半径相等；所述第一齿轮与第三齿轮的分度圆直径相等；从第一带轮通过传动带到第二带轮的传动为同向传动；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；所述滚轮运动镶嵌在直线滑槽中；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和基座；所述限位块与基座固接；所述凸块与拨轮固接；在初始状态时，所述凸块与限位块接触；设第一轴、第三轴、第四轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D；线段AD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；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴和滚轮轴的中心线相互平行。

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、连杆机构、带轮机构、齿轮机构、滑槽、滚轮、两个簧件和限位块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是本发明设计的延时多路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所示实施例的立体外观图(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3的左视图)。

图5是图1所示实施例的爆炸视图。

图6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(采用了两个本实施例)。

图7是图1所示实施例以直线平夹和自适应复合抓取模式去抓取物体的动作过程示意图(采用了两个本实施例)。

图8是图1所示实施例中的基座、第一连杆、第二连杆、滚轮轴、滚轮等部分形成的连杆机构——霍肯连杆机构(Hoeckens linkage mechanism)，当第一连杆在下半圆转动时，点C沿直线轨迹运动的原理图。

图9是图1所示实施例的机构原理简图，其中双点划线为另一工作位置。

图10是图1所示实施例中中间轴上的部分零件之间的关系图。

图11是图1所示实施例中中间轴上部分零件在初始状态时的位置关系图。

图12至图14是中间轮转动过程示意图。

在图1至图14中：

1－基座，10－限位块，101－基座罩板，102－基座左板，103－基座底板，104－基座右板，105－基座前板，11－电机，12－减速器，13－蜗杆，14－蜗轮，15－过渡轴，16－过渡齿轮，21－第一指段，22－第二指段，30－中间轴，31－第一轴，32－第二轴，33－第三轴，34－第四轴，41－第一连杆，42－第二连杆，421－直线滑槽，51－第一带轮，52－第二带轮，53－传动带，61－中间轮，611－主动拨块，62－主动轮，63－拨轮，631－从动拨块，632－凸块，71－第一簧件，72－第二簧件，81－滚轮轴，82－滚轮，9－物体，1001－第一齿轮，1002－第二齿轮，1003－第三齿轮。

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。

本发明设计的延时多路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7所示，一种延时多路直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座1、电机11、第一传动机构、第一指段21和第二指段22；所述电机11与基座1固接；所述电机11的输出端与第一传动机构的输入端相连；其特征在于：该延时多路直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34、中间轴30、第二传动机构、第三传动机构、第一齿轮1001、第二齿轮1002、第三齿轮1003、中间轮61、主动轮62、拨轮63、第一连杆41、第二连杆42、第一带轮51、第二带轮52、传动带53、滚轮轴81、滚轮82、第一簧件71、第二簧件72、凸块632和限位块10；所述中间轴30套设在基座1中；所述中间轮61、主动轮62、拨轮63分别活动套接在中间轴30上；所述第一传动机构的输出端与中间轮30相连；所述第一簧件71的两端分别连接中间轮61、主动轮62；所述主动轮62与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第一连杆41相连；所述第一轴31套设在基座1中；所述第一连杆41的两端分别套接在第一轴31、第三轴33上；所述中间轮61上有固接的主动拨块611；所述拨轮63上有固接的从动拨块631；在初始状态时，所述主动拨块611与从动拨块631之间存在一个角度距离；所述拨轮63与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第一齿轮1001相连；所述第一齿轮1001活动套接在第一轴31上；所述第二齿轮1002与第一齿轮1001啮合，所述第三齿轮1003与第二齿轮1002啮合；所述第二齿轮1002套接在第二轴32上，第三齿轮1003套接在第三轴33上；所述第二轴32套设在第一连杆41中；所述第二连杆42的两端分别套接在第三轴33、第四轴34上；所述第一带轮51套接在第三轴33上，所述第一带轮51与第三齿轮1003固接；所述第二带轮52套接在第四轴34上，所述传动带53连接第一带轮51、第二带轮52；所述第二带轮52与第二指段22固接；所述第二指段22套接在第四轴34上；所述第一带轮51与第二带轮52的传动半径相等；所述第一齿轮1001与第三齿轮1003的分度圆直径相等；从第一带轮51通过传动带53到第二带轮52的传动为同向传动；所述滚轮轴81套设在基座1中；所述滚轮82活动套接在滚轮轴81上；所述第二连杆42有直线滑槽421；所述滚轮82运动镶嵌在直线滑槽421中；所述第一指段21与第二连杆42固接；所述第二簧件72的两端分别连接拨轮63和基座1；所述限位块10与基座1固接；所述凸块632与拨轮63固接；在初始状态时，所述凸块632与限位块10接触；设第一轴31、第三轴33、第四轴34和滚轮轴81的中心点分别为A、B、C、D；线段AD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；所述第一轴31、第二轴32、第三轴33、第四轴34和滚轮轴81的中心线相互平行。

所述第一传动机构包括减速器12、蜗杆13、蜗轮14、过渡轴15和过渡齿轮16；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，所述蜗轮14和过渡齿轮16套固在过渡轴15上，所述过渡轴15套设在基座1中，所述过渡齿轮16与中间轮61啮合，所述中间轮61为齿轮。

所述第二传动机构采用齿轮传动机构。由于是公知技术，故不再赘述。

所述第三传动机构采用齿轮传动机构。由于是公知技术，故不再赘述。

本实施例中，所述第一簧件71和第二簧件72采用扭簧。

本实施例中，基座1包括基座罩板101、基座左板102、基座底板103、基座右板104和基座前板105；所述基座罩板101、基座左板102、基座底板103、基座右板104和基座前板105固接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例中的基座1、第一连杆41、第二连杆42、滚轮82等部分零件使得点C沿直线轨迹运动的原理如图8所示，此部分机构是霍肯连杆机构(Hoeckens linkage mechanism)。其中，线段AD固定不动，线段BC滑动镶嵌在以D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AD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9所示。

初始状态如图3所示，此时电机11转动，通过第一传动机构带动过渡齿轮16，于是中间轮61转动，通过第一簧件71带动主动轮62转动，第一连杆41绕第一轴31逆时针转动(图3)，具体来说，电机11通过减速器12驱动蜗杆13，蜗杆13驱动蜗轮14，蜗轮14通过过渡轴15使得过渡齿轮16转动，中间轮61转动，通过第一簧件71带动主动轮62转动，主动轮62通过第二传动机构带动第一连杆41转动。

第一连杆41转动会推动第二连杆42，该推力的水平分量使第二指段22沿着直线向左平动，原因是：第一连杆41、第二连杆42、滚轮轴81、滚轮82和基座1等构成的霍肯机构，再加上第一齿轮1001、第二齿轮1002、第三齿轮1003、第一带轮51、第二带轮52、传动带53构成的同向等速传动，当拨轮63因为第二簧件72的作用而保持与基座1不变的姿态，因此，第一齿轮1001保持了相对于基座1的姿态；从而实现了当第四轴34向左运动时(图3)，第二指段22只会沿水平直线向左平动。此时，滚轮82在第二连杆42上的直线滑槽421中运动，第一连杆41绕第一轴31逆时针转动(图3)，第二簧件72拉着拨轮63紧靠在限位块10上，于是第二指段22保持相对于基座1不变的姿态，第二指段22沿水平直线向左平动。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9后，抓取结束，实现了平夹抓取物体9，如图6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9被物体9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，主动轮62保持固定，第一簧件71变形，中间轮61通过一段时间转动，主动拨块611接触从动拨块631并拨动后者转动，拨轮63转动后，通过第三传动机构带动第一齿轮1001转动一个角度，通过第二齿轮1002、第三齿轮1003、第一带轮51、传动带53和第二带轮52，使得第二带轮52和第二指段22绕第四轴34逆时针转动(如图3所示)，这一过程直到第二指段22也接触物体9为止，抓取结束，达到了第一指段21、第二指段22均接触物体9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7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6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7所示。

释放物体9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、连杆机构、带轮机构、齿轮机构、滑槽、滚轮、两个簧件和限位块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 (1)

1.一种延时多路直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、第一指段和第二指段；所述电机与基座固接；所述电机的输出端与第一传动机构的输入端相连；其特征在于：该延时多路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、中间轴、第二传动机构、第三传动机构、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、中间轮、主动轮、拨轮、第一连杆、第二连杆、第一带轮、第二带轮、传动带、滚轮轴、滚轮、第一簧件、第二簧件、凸块和限位块；所述中间轴套设在基座中；所述中间轮、主动轮、拨轮分别活动套接在中间轴上；所述第一传动机构的输出端与中间轮相连；所述第一簧件的两端分别连接中间轮、主动轮；所述主动轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆的两端分别套接在第一轴、第三轴上；所述中间轮上有固接的主动拨块；所述拨轮上有固接的从动拨块；在初始状态时，所述主动拨块与从动拨块之间存在一个角度距离；所述拨轮与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第一齿轮活动套接在第一轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第三齿轮与第二齿轮啮合；所述第二齿轮套接在第二轴上，第三齿轮套接在第三轴上；所述第二轴套设在第一连杆中；所述第二连杆的两端分别套接在第三轴、第四轴上；所述第一带轮套接在第三轴上，所述第一带轮与第三齿轮固接；所述第二带轮套接在第四轴上，所述传动带连接第一带轮、第二带轮；所述第二带轮与第二指段固接；所述第二指段套接在第四轴上；所述第一带轮与第二带轮的传动半径相等；所述第一齿轮与第三齿轮的分度圆直径相等；从第一带轮通过传动带到第二带轮的传动为同向传动；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；所述滚轮运动镶嵌在直线滑槽中；所述第一指段与第二连杆固接；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和基座；所述限位块与基座固接；所述凸块与拨轮固接；在初始状态时，所述凸块与限位块接触；设第一轴、第三轴、第四轴和滚轮轴的中心点分别为A、B、C、D；线段AD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；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴和滚轮轴的中心线相互平行；所述第一传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、过渡轴和过渡齿轮；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，所述蜗轮和过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述过渡齿轮与中间轮啮合，所述中间轮为齿轮；所述第二传动机构采用齿轮传动机构；所述第三传动机构采用齿轮传动机构。