CN109605404A - 滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

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Abstract

滑槽并联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、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、簧件和限位块。该装置综合实现了机器人手指直线平行夹持和自适应抓取的复合抓取功能;该装置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,该装置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;该装置抓取范围大,稳定可靠;利用一个驱动器驱动两个指段,驱动方式简单,无需复杂传感器,易于控制;该装置结构紧凑、体积小,制造和维护成本低。

Description

滑槽并联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,特别涉及一种滑槽并联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
机器人手作为机器人系统的末端执行部件,在生产生活实践中发挥着不可替代的重要作用。
根据应用场景的不同,可将机器人手分为工业夹持器,拟人机器人手和特种手。
抓取物体是机器人手主要实现的功能,传统的工业夹持器采用平行夹持(简称平夹)的抓取模式,其末端指段在运动的过程中的姿态始终保持与机器人手基座的相对固定,从而在抓取物体的过程中,对称分布的两个或多个手指在运动过程中各末端指段互相平行,可以实现稳定的抓取物体。工业夹持器虽然具有平夹功能,但在具体工业生产实践中时常需要针对薄板状产品进行分拣操作。这种情况下,工业夹持器需要借助前端机械臂结合传感控制系统进行位置姿态的补偿才能够顺利进行薄板状物体的夹持抓取,此种情况对于控制系统的要求较高。为了实现薄板状物体的有效抓取,直线平行夹持的抓取模式及相关的机器人手被发明出来,其通过末端指段相对于基座保持直线平移运动状态,故而在抓取薄板类物体的过程中,机器人手的底座位置姿态可保持固定,物体的抓取过程全部依靠末端指段的直线平行移动,实现了末端直线捏持的功能,大大提高了工业夹持器的抓取范围和抓取稳定性,降低了控制难度。
现实世界中,物体的形状和大小各不相同,平行夹持以及直线平行夹持模式针对于形状规则的物体抓取具有优势,但对于更多的不规则物体的抓取,需要增加工业夹持器的抓取模式。而拟人机器人手和特种手具备另一项重要的功能:可以通过自适应的方式进行包络抓取物体。自适应抓取模式是通过机器人手多个指段包络物体,实现机器人手与物体的多点接触,形成抓取的形封闭,从而保证了抓取物体的稳定性能。同时通过适应物体表面形状,拟人机器人手和特种手的抓取范围也较工业夹持器有了很大的提升。
同时机器人手也可分为灵巧手和欠驱动手。灵巧手具有较好的复杂操作性能,但是其驱动器数量较多,在协同控制上要求较高,体积装置较难做到轻量化。欠驱动机器人手利用单个或者少量驱动器进行驱动多个自由度关节,在控制上容易实现,鲁棒性高,结构紧凑,易于制造,成本较低。
通过以上分析,如何在工业夹持器原有的抓取功能基础上增加抓取模式,扩展单个机器人手的应用场景和抓取功能,同时易于控制,成本合理,具有重要的理论意义和实践价值。
已有的一种直线平行夹持的工业夹持器装置,如发明专利WO2016063314A1,包括基座、电机、传动机构和多个连杆等,可以实现直线平行夹持的功能。该装置的不足之处在于:不能实现自适应包络抓取,这使它的工作模式单一,只能平行捏取物体,难以针对形状复杂的物体进行有效的抓取。
已有的一种欠驱动型两关节机器人手指装置,如发明专利CN101234489A,包括基座、电机、中间指端、末端指段和带轮传动机构等。该装置实现了自适应包络抓取物体的功能。其不足之处在于,该装置不能实现直线平行夹持物体的功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处,提出一种滑槽并联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:
本发明设计的滑槽并联连杆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;所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行;其特征在于:该滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、簧件和限位块;所述第一轴套设在基座中;所述第一连杆的一端套接在第一轴上,且与传动机构的输出端相连,第一连杆的另一端套接在第二轴上;所述第二连杆的一端套接在第二轴上,第二连杆的另一端套接在第八轴上;所述第八轴套设在第二指段中;所述第三轴套设在基座中;所述第三连杆的一端套接在第三轴上,第三连杆的另一端套接在第五轴上;所述第四轴套设在基座中;所述第四连杆的一端套接在第四轴上,第四连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第六连杆的一端套接在第五轴上,第六连杆的另一端套接在第七轴上;所述第六连杆上设置有滑槽,所述滑槽为直线滑槽;所述第六轴套设在基座中;所述第六轴滑动镶嵌在第六连杆滑槽中;所述第七连杆的一端套接在第七轴上,第七连杆的另一端套接在远关节轴上;所述簧件的两端分别连接第七连杆和第二指段;所述限位块与第二指段固接,限位块初始状态时与第七连杆接触;设近关节轴、远关节轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G,点E、F、G共线,线段AB和线段EG长度相等,线段AE和线段BG长度相等,线段CD和线段AE长度相等,线段AD和线段CE长度相等,线段CF的长度为线段CE长度的1.5倍,线段AB的长度为线段AD长度的6倍;点A、B、G、E构成平行四边形;所述第六轴在滑槽中的滑动方向与线段EF重合;所述近关节轴、远关节轴、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。
本发明设计的滑槽并联连杆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。
本发明设计的滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、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。
本发明设计的滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述簧件可采用拉簧、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、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是本发明设计的滑槽并联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(未画出基座外侧板)。
图2是图1所示实施例的一个正视图。
图3是图1所示实施例的一个后视图(未画出基座外侧板)。
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。
图6是图1所示实施例的爆炸视图。
图7是图1所示实施例平动第二指段的动作过程示意图。
图8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9是图1所示实施例的直线机构原理示意图。
图10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11是图1所示实施例直线平动第二指段过程中簧件作用下限位块位置关系示意图。
图12是图1所示实施例自适应抓取物体过程中簧件作用下限位块位置关系示意图。
在图1至图12中:
1-基座, 11-驱动器, 12-传动机构, 21-第一指段,
22-第二指段, 31-近关节轴, 32-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, 55-第五连杆,
56-第六连杆, 57-第七连杆, 61-簧件, 62-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。
本发明设计的滑槽并联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、驱动器11、传动机构12、第一指段21、第二指段22、近关节轴31和远关节轴32;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;所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线相互平行;其特征在于:该滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆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、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、簧件61和限位块62;所述第一轴41套设在基座1中;所述第一连杆51的一端套接在第一轴41上,且与传动机构12的输出端相连,第一连杆51的另一端套接在第二轴42上;所述第二连杆52的一端套接在第二轴42上,第二连杆52的另一端套接在第八轴48上;所述第八轴48套设在第二指段22中;所述第三轴43套设在基座1中;所述第三连杆53的一端套接在第三轴43上,第三连杆53的另一端套接在第五轴45上;所述第四轴44套设在基座1中;所述第四连杆54的一端套接在第四轴44上,第四连杆54的另一端套接在近关节轴31上;所述第五连杆55的一端套接在第五轴45上,第五连杆55的另一端套接在近关节轴31上;所述第六连杆56的一端套接在第五轴45上,第六连杆56的另一端套接在第七轴47上;所述第六连杆56上设置有滑槽,所述滑槽为直线滑槽;所述第六轴46套设在基座1中;所述第六轴46滑动镶嵌在第六连杆滑槽中;所述第七连杆57的一端套接在第七轴47上,第七连杆57的另一端套接在远关节轴32上;所述簧件61的两端分别连接第七连杆57和第二指段22;所述限位块62与第二指段22固接,限位块62初始状态时与第七连杆47接触;设近关节轴31、远关节轴32、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第七轴47的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G,点E、F、G共线,线段AB和线段EG长度相等,线段AE和线段BG长度相等,线段CD和线段AE长度相等,线段AD和线段CE长度相等,线段CF的长度为线段CE长度的1.5倍,线段AB的长度为线段AD长度的6倍;点A、B、G、E构成平行四边形;所述第六轴46在滑槽中的滑动方向与线段EF重合;所述近关节轴31、远关节轴32、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。
本发明设计的滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述驱动器11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。
本发明设计的滑槽并联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12采用齿轮传动机构、带轮传动机构、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。
本发明设计的滑槽并联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61可采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中,所述簧件61采用拉簧。
本实施例的工作原理,结合附图7至图12,叙述如下:
图7至图9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7为图1所述实施例实现直线平夹过程中第二指段22动作示意图,图8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9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。
第三轴43、第五轴45、第六轴46、第七轴47、第三连杆53、第六连杆56组成的机构满足图9所示的直线机构原理,所以第七轴47的运动轨迹为一条直线。第五连杆55、第六连杆56、第七连杆57和第一指段21构成平行四边形,线段AB与线段EG长度相等,所以可得远关节轴32的运动轨迹也是一条直线。第八轴48套设在第二指段22中,第二连杆52套接在第八轴48上,远关节轴32套设在第二指段22中,第七连杆57的一端套接在远关节轴32上,第七连杆57的另一端套接在第七轴47上,簧件61两端分别连接第二指段22和第七连杆57,限位块62固接在第二指段上,初始状态下,由于簧件61的作用,使得限位块62接触第七连杆57。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22运动,由于簧件61的约束作用,限位块62保持与第七连杆57接触,此时在第二连杆52的传动作用下,第七轴47和远关节轴32开始做直线运动,带动第二指段22相对基座1做直线平移运动。驱动器11持续工作,直到第二指段22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。
图10至图12是图1所示实施例自适应抓取过程示意图。其中,图10为图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11和图11分别是图1所示实施例在自适应抓取过程中簧件61的形变过程以及限位块62和第七连杆57之间的相对位置变化关系。在实现自适应抓取物体70的过程中(如图10所示),首先驱动器11开始工作,第二指段22在簧件61、限位块62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22继续直线平动,直至第一指段21接触物体而被物体阻挡不能继续运动,此时将进入自适应包络抓取的下一阶段。
如图10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22,使得簧件61发生形变,这时限位块62开始远离第七连杆57(如图12所示),从而使得第二指段22在动力的传动作用下切换为绕远关节轴32转动的运动状态。驱动器11持续工作,直至第二指段22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、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)

1.一种滑槽并联连杆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;所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行;其特征在于:该滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、簧件和限位块;所述第一轴套设在基座中;所述第一连杆的一端套接在第一轴上,且与传动机构的输出端相连,第一连杆的另一端套接在第二轴上;所述第二连杆的一端套接在第二轴上,第二连杆的另一端套接在第八轴上;所述第八轴套设在第二指段中;所述第三轴套设在基座中;所述第三连杆的一端套接在第三轴上,第三连杆的另一端套接在第五轴上;所述第四轴套设在基座中;所述第四连杆的一端套接在第四轴上,第四连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第五连杆的一端套接在第五轴上,第五连杆的另一端套接在近关节轴上;所述第六连杆的一端套接在第五轴上,第六连杆的另一端套接在第七轴上;所述第六连杆上设置有滑槽,所述滑槽为直线滑槽;所述第六轴套设在基座中;所述第六轴滑动镶嵌在第六连杆滑槽中;所述第七连杆的一端套接在第七轴上,第七连杆的另一端套接在远关节轴上;所述簧件的两端分别连接第七连杆和第二指段;所述限位块与第二指段固接,限位块初始状态时与第七连杆接触;设近关节轴、远关节轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴的中心点分别为A、B、C、D、E、F、G,点E、F、G共线,线段AB和线段EG长度相等,线段AE和线段BG长度相等,线段CD和线段AE长度相等,线段AD和线段CE长度相等,线段CF的长度为线段CE长度的1.5倍,线段AB的长度为线段AD长度的6倍;点A、B、G、E构成平行四边形;所述第六轴在滑槽中的滑动方向与线段EF重合;所述近关节轴、远关节轴、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所述的滑槽并联连杆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所述的滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、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所述的滑槽并联连杆直线平夹自适应机器人手指装置,其特征在于:所述簧件可采用拉簧、压簧或扭簧。
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