CN109648589A - 一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人灵巧手技术领域，并公开了一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的结构设计，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。该装置具有两级驱动放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动。此外，本发明还公开了机器人灵巧机械手指装置的一种气动控制系统。本发明采用气缸驱动，控制更加容易；由于气缸、杠杆机构、滑轮均安置于基座内部，部分构件利用3D打印技术制作，因而，机械手指装置结构紧凑、体积小巧、重量轻便、制作成本低。

Description

一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置

技术领域

本发明涉及机器人灵巧手技术领域，尤其涉及一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的结构设计。

背景技术

机器人灵巧手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，其通过编程可以准确的在各种环境中完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，体现了人的智能性和适应性。灵巧手从诞生到现在已经有了长足的进步和发展，从最初的仅用于装饰到现在能够实现各种抓握功能。特别是近二十多年来，电子技术、传感器技术、计算机技术及相关技术的发展，极大的促进了灵巧手技术的发展。

按照驱动方式划分，现有的机器人灵巧机械手指主要有电机驱动型、气压驱动型和智能材料驱动型等。

电机驱动型机器人灵巧机械手指技术相对成熟，具有快速响应性好，刚度高，调速范围宽，过载能力强等优点，但同时也存在控制系统复杂，精确力矩控制较难，缺乏柔性等不足。

气压驱动型机器人灵巧机械手指具有清洁安全，控制容易，柔顺性好，结构简单，成本低，安装维护方便等优点，但同时也存在刚度不足，响应速度慢，承受载荷小，需要的驱动器数量大，控制系统复杂等不足。

智能材料驱动型机器人灵巧机械手指具有柔性好，传动效率高等优点，但同时也存在可承受载荷小，控制系统复杂，对材料有特殊要求等不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动，该装置具有两级驱动放大，能实现气缸的较短有限冲程的两级放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

本发明设计的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。其特征在于：

所述的驱动机构安装在基座中，采用微型气缸作为驱动源，气缸末端通过旋转轴与基座相连，气缸输出端通过鱼眼接头与第一级驱动放大机构的输入端相连；

所述的第一级驱动放大机构利用杠杆原理实现气缸的较短有限冲程的第一次放大，杠杆通过旋转轴与基座相连，杠杆的前臂与气缸输出端的鱼眼接头相连，其后臂与传动机构的输入端相连；

所述的传动机构采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳和若干定滑轮，钢丝绳与第一级驱动放大机构的输出端和第二级驱动放大机构的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮和竖直方向定滑轮的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳的输出端与最后的定滑轮相连，该定滑轮与第一齿轮共轴相连且同步绕近指节关节轴转动。

所述的第二级驱动放大机构采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括四个齿轮和齿轮轴，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮共轴连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第四齿轮通过平键和近指节关节轴相连，齿轮轴和近指节关节轴平行，齿轮轴固定在近指节外壳上；

所述的仿人机械手指机构采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节、中指节、远指节、近指节关节轴、中指节关节轴、远指节关节轴，近指节和基座通过近指节关节轴相连，中指节和近指节通过中指节关节轴相连，远指节和中指节通过远指节关节轴相连，近指节关节轴中指节关节轴和远指节关节轴相互平行。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：杠杆采用偏 V型杠杆结构，其与气缸输出端连接的前臂的尺寸较短，其与钢丝绳输入端连接的后臂的尺寸较长，通过改变杠杆前臂与后臂的尺寸比可以改变第一级驱动放大机构的放大系数。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述传动机构的多级齿轮不局限于三级传动，通过改变单个齿轮的参数设置(齿数、模数等)或者增加齿轮传动机构的传动级数均可以改变第二级驱动放大机构的放大系数。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人机械手指具备耦合自适应性，能够实现对各种形状尺寸的目标物体的包络抓取。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的驱动机构、第一级驱动放大机构、传动结构、第二级驱动放大机构的构件在各自旋转轴上的位置均采用轴套加以固定，以确保驱动机构和第一级驱动放大机构和传动结构之间、传动结构和第二级驱动放大机构之间的驱动力的传递在同一平面上。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人手指机构的近指节、中指节和远指节与目标物体的接触面均贴覆有柔性气囊，气囊采用弹性材料制成，气囊外表面刻划有类似人类手指指纹的花纹。该气囊具有一定的柔性，既可以减震，又可以模拟人手指纹从而增大摩擦，有利于稳定抓取。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：在近指节、中指节、远指节的柔性气囊的表面贴附有压力传感器，在近指节与中指节的转动轴、中指节与远指节的转动轴设有扭矩传感器，用以测量指节的转动角度。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：手指的外壳和基座以及滑轮等采用高强度尼龙玻璃纤维通过3D打印机制作，杠杆以及手指内部的连杆机构和轴等采用高强度铝合金制作。

本发明所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：提供了一套由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件等组成的气动控制系统。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本实施例采用气缸驱动机构、杠杆机构、绳轮传动机构、齿轮传动机构和连杆机构综合实现了一种欠驱动机器人灵巧手指，该装置具有两级驱动放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动，达到电机驱动型手指、气压驱动手指和智能材料驱动型手指相似的抓取效果。该装置采用气缸驱动，控制更加容易；气缸、杠杆机构、绳轮均安置于基座中，机械手指部分结构紧凑、体积小巧、重量轻便、制作成本低。

附图说明

图1是本发明设计的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的一种实施例的立体外观图；

图2是图1所示实施例的前视图。

图3是图1所示实施例的侧视图。

图4是图1所示实施例的基座的内部结构示意图。

图5是图1所示实施例的仿人机械手指的内部结构示意图。

图6是图1所示实施例的近指节从一个角度观察的内部结构示意图。

图7是图1所示实施例的近指节从另一个角度观察的内部结构示意图。

图8是图1所示实施例自适应模式抓取过程的示意图(未触碰物体)。

图9是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(近指节先碰触物体)。

图10是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(中指节先碰触物体)。

图11是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(远指节先碰触物体)。

图12是图1所示实施例的气动控制系统框图。

在图1至图12中，数字与构件的对应关系如下：

1—基座，2—驱动机构，3—第一级驱动放大机构，4—传动机构，5—第二级驱动放大机构，6—仿人机械手指机构，11—气缸固定旋转轴，12—杠杆固定旋转轴，21—气缸，22—鱼眼接头，31—杠杆，41—钢丝绳，42、43、44、45、46—定滑轮，51—定滑轮，52、53、54、55—齿轮，56—齿轮轴，61—近指节，62—近指节关节轴，63—中指节，64—中指节关节轴，65—远指节，66—远指节关节轴，7—被抓取目标物体。

具体实施方式

下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的仅仅实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明设计的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的一种实施例，如图1、图2 所示，包括基座1、驱动机构2、第一级驱动放大机构3、传动机构4、第二级驱动放大机构 5和仿人机械手指机构6。其特征在于：

所述的驱动机构2安装在基座1中，采用微型气缸21作为驱动源，气缸21末端通过旋转轴11与基座1相连，气缸21输出端通过鱼眼接头22与第一级驱动放大机构3的输入端相连；

所述的第一级驱动放大机构3利用杠杆原理实现气缸21的较短有限冲程的第一次放大，杠杆31通过旋转轴12与基座1相连，杠杆31的前臂与气缸21输出端的鱼眼接头22相连，其后臂与传动机构4的输入端相连；

所述的传动机构4采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳41和若干定滑轮42、43、44、45、46，钢丝绳41与第一级驱动放大机构3的输出端和第二级驱动放大机构5的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮42、43、44、45、46与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮42、43、44和竖直方向定滑轮45、46的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳41的输出端与定滑轮46相连，定滑轮46与齿轮51共同绕近指节关节轴62相连同步转动。

所述的第二级驱动放大机构5采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括齿轮51、52、53、54，齿轮轴55，齿轮51与齿轮52啮合，齿轮52与齿轮53共轴55连接，齿轮53与齿轮54啮合，齿轮54通过平键与近指节关节轴62相连，齿轮轴 55和近指节关节轴62平行，齿轮轴55固定在近指节外壳上；

所述的仿人机械手指机构6采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节61、中指节63、远指节65、近指节关节轴62、中指节关节轴64、远指节关节轴66，近指节61 和基座1通过近指节轴62相连，中指节63和近指节61通过中指节轴64相连，远指节65和中指节63通过远指节轴66相连，近指节关节轴62、中指节关节轴64和远指节关节轴66相互平行。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：杠杆31采用偏V型杠杆结构，其与气缸21输出端连接的前臂的尺寸较短，其与钢丝绳41输入端连接的后臂的尺寸较长，通过改变杠杆31前臂与后臂的尺寸比可以改变第一级驱动放大机构3的放大系数。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述传动机构4的多级齿轮不局限于三级传动，通过改变单个齿轮的参数设置(齿数、模数等)或者增加齿轮传动机构的传动级数均可以改变第二级驱动放大机构的放大系数。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人机械手指6具备耦合自适应性，能够实现对各种形状尺寸的目标物体的包络抓取。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的驱动机构2、第一级驱动放大机构3、传动结构4、第二级驱动放大机构5的构件在各自旋转轴上的位置均采用轴套加以固定，以确保驱动机构2和第一级驱动放大机构3和传动结构4之间、传动结构4和第二级驱动放大机构5之间的驱动力的传递在同一平面上。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人手指机构6的近指节61、中指节63和远指节65与目标物体的接触面均贴覆有柔性气囊67，气囊采用弹性材料制成，气囊外表面刻划有类似人类手指指纹的花纹。该气囊具有一定的柔性，既可以减震，又可以模拟人手指纹从而增大摩擦，有利于稳定抓取。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：在近指节 61、中指节63、远指节65的柔性气囊67的表面贴附有压力传感器68，在近指节与中指节的转动轴64、中指节与远指节的转动轴66设有扭矩传感器，用以测量指节的转动角度。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：手指的外壳和基座以及滑轮等采用高强度尼龙玻璃纤维通过3D打印机制作，杠杆以及手指内部的连杆机构和轴等采用高强度铝合金制作。

本实施例所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：提供了一套由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件等组成的气动控制系统。

本实施例的工作原理如图8至图11所示，叙述如下：

本实施例采用气缸驱动机构、杠杆机构、绳轮传动机构、齿轮传动机构和连杆机构综合实现了一种欠驱动机器人灵巧手指，该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动，具体为：

1)当手指的近指节61、中指节63和远指节65均没有触碰物体时，如图8所示，手指只有一个自由度，在驱动力作用下，近指节61、中指节63和远指节65通过连杆机构同步动作。此时，手指做自由耦合运动。

2)当手指的近指节61、中指节63和远指节65的任一点触碰物体时，手指在做自由耦合运动的同时，也具有自适应包络运动，如图9至图11所示。

下面对第二种运动过程进一步举例解释其动作原理，需要分三种情形分别讨论，具体为：

2.1)近指节61率先触碰物体，如图9所示：近指节61停止运动，中指节63和远指节65继续保持自由耦合运动；进而，中指节63触碰物体，中指节63停止运动，远指节65继续运动；最后，远指节65触碰物体，远指节65停止运动。此时，手指完成对物体的自适应包络。

2.2)中指节63率先触碰物体，如图10所示：近指节61和中指节63停止运动，远指节65继续运动；进而，远指节65触碰物体，远指节65停止运动。此时，手指完成对物体的自适应包络。

2.3)远指节65率先触碰物体，如图11所示：近指节61、中指节63和远指节65均停止运动。此时，手指完成一次抓取动作。

另外，本实施例的气动控制系统原理如图12所示，工作原理叙述如下：

气动控制系统的主控机85采用工控机或DSP、ARM及单片机均可，通过I/O口与高速开关阀83连接，提供输出控制信号。空气压缩机81作为动力气源，通过气路连接到减压阀82，减压阀82则通过气路连接高速开关阀83和节流阀84并提供动力源。主控机85通过控制高速开关阀82和节流阀84的进排气量，进而精确控制驱动仿人灵巧手的微型气缸21所需的进气量，使得微型气缸21能够输出期望的伸长与收缩，最终驱动仿人手指6完成相应的抓取操作。

因此，本实施例能够达到电机驱动型手指、气压驱动型手指和智能材料驱动型灵巧手的抓取效果；采用气缸驱动，控制更加容易；由于气缸、杠杆机构、滑轮均安置于基座内部，因而，机械手指装置结构紧凑、体积小巧、重量轻便、制作成本低。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。其特征在于：

所述的驱动机构安装在基座中，采用微型气缸作为驱动源，气缸末端通过旋转轴与基座相连，气缸输出端通过鱼眼接头与第一级驱动放大机构的输入端相连；

所述的第一级驱动放大机构利用杠杆原理实现气缸的较短有限冲程的第一次放大，杠杆通过旋转轴与基座相连，杠杆的前臂与气缸输出端的鱼眼接头相连，其后臂与传动机构的输入端相连；

所述的传动机构采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳和若干定滑轮，钢丝绳与第一级驱动放大机构的输出端和第二级驱动放大机构的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮和竖直方向定滑轮的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳的输出端与最后的定滑轮相连，该定滑轮与第一齿轮共轴相连且同步绕近指节关节轴转动；

所述的第二级驱动放大机构采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括四个齿轮和齿轮轴，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮共轴连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第四齿轮通过平键和近指节关节轴相连，齿轮轴和近指节关节轴平行，齿轮轴固定在近指节外壳上；

所述的仿人机械手指机构采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节、中指节、远指节、近指节关节轴、中指节关节轴、远指节关节轴，近指节和基座通过近指节关节轴相连，中指节和近指节通过中指节关节轴相连，远指节和中指节通过远指节关节轴相连，近指节关节轴中指节关节轴和远指节关节轴相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：杠杆采用偏V型杠杆结构，其与气缸输出端连接的前臂的尺寸较短，其与钢丝绳输入端连接的后臂的尺寸较长，通过改变杠杆前臂与后臂的尺寸比可以改变第一级驱动放大机构的放大系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述传动机构的多级齿轮不局限于三级传动，通过改变单个齿轮的参数设置(齿数、模数等)或者增加齿轮传动机构的传动级数均可以改变第二级驱动放大机构的放大系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人机械手指具备耦合自适应性，能够实现对各种形状尺寸的目标物体的包络抓取。

5.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的驱动机构、第一级驱动放大机构、传动结构、第二级驱动放大机构的构件在各自旋转轴上的位置均采用轴套加以固定，以确保驱动机构和第一级驱动放大机构和传动结构之间、传动结构和第二级驱动放大机构之间的驱动力的传递在同一平面上。

6.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人手指机构的近指节、中指节和远指节与目标物体的接触面均贴覆有柔性气囊，气囊采用弹性材料制成，气囊外表面刻划有类似人类手指指纹的花纹；该气囊具有一定的柔性，既可以减震，又可以模拟人手指纹从而增大摩擦，有利于稳定抓取。

7.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：在近指节、中指节、远指节的柔性气囊的表面贴附有压力传感器，在近指节与中指节的转动轴、中指节与远指节的转动轴设有扭矩传感器，用以测量指节的转动角度。

8.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：手指的外壳和基座以及滑轮等采用高强度尼龙玻璃纤维通过3D打印机制作，杠杆以及手指内部的连杆机构和轴等采用高强度铝合金制作。

9.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：提供了一套由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件等组成的气动控制系统。