CN109732639B - 一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪，包括底座，底座内设有驱动机构，底座的下方设有盖板，驱动机构位于底座与盖板之间，底座边缘处连接有至少三个机器人手指，所述驱动机构带动机器人手指动作，各机器人手指配合形成了机器人手爪。本发明能够利用液压实现等压同时驱动每个指段先旋转而后自适应抓取目标体的效果。

Description

一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪

技术领域

本发明属于智能制造与仿生机器人手爪技术领域，涉及一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪。

背景技术

机器人手爪作为机器人的末端执行装置，在智能制造领域具有广泛的应用前景。机器人通过手部抓取工具开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移操作，机器人手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视。在机器人学领域有两大类机器人手：灵巧手和欠驱动手，它们分别基于主动控制和欠驱动两种不同的驱动方式。灵巧手外形和动作极似人手，可以在复杂控制算法和机构的综合作用下，灵活地完成人手所能完成的多数动作，但是灵巧手价格昂贵，制造控制难度大，维护难度大。欠驱动手可以自适应抓取物体，控制难度小、维护简单、装置稳定，在智能制造中，对于不同尺寸和体积的目标体能实现很好的抓取效果。

中国专利(名称：基于气动柔性驱动器的机器人多指灵巧手，申请号：200810122003.7，申请日：2008-11-03，公开号：CN101402200A，公开日：2009-04-08公开了一种气动式主动驱动的拟人机器人多指手装置，其中每个关节采用气动柔性驱动器实现手指的弯曲。该装置由于采用气动主动驱动各手指各指段的转动，使得该手体积大、质量大、制造成本高、控制难度大，气体容易被压缩，动作迟滞。

中国专利(名称：弯曲自锁气动欠驱动机器人手指装置，申请号：201310607277.6，申请日：2013-11-25，公开号：CN103659825A，公开日：2014-03-26)公开了一种弯曲自锁气动欠驱动机器人手指装置，该装置采用气动方式实现自适应欠驱动效果，采用棘轮棘爪实现单向弯曲，防止在反作用面撤离或振动干扰时物体松脱，采用电机解除棘爪对棘轮的约束，释放物体。棘轮棘爪的锁定不能做到无级锁定，锁定的角度有限，为了降低最小的锁定角度，需要制作模数很小的棘轮，棘轮的制造成本高，锁定效果不理想。实现了自适应抓取，没有耦合抓取效果。

中国专利(名称：竞速流体式直接联动自适应机器人手指装置，申请号：201610152876.7，申请日：2016-03-17，公开号：CN105583847A，公开日：2016-05-18)公开了一种竞速流体式间接联动自适应机器人手指装置，该装置使用流体驱动的方式实现自适应欠驱动效果，采用流体传动实现手指的耦合和转动，采用单向电磁阀获得自动保持手指弯曲构型的特性。该装置需要多个电磁阀保持来保持每个指段弯曲构型不变，当多个手指联合使用时，结构就变得复杂，并且由于电磁阀的存在使得体积变大，控制变的复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪，该手爪能够利用液压实现等压同时驱动每个指段先旋转而后自适应抓取目标体的效果。

本发明所采用的技术方案是，一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪，包括底座，底座内设有驱动机构，底座的下方设有盖板，驱动机构位于底座与盖板之间，底座边缘处连接有至少三个机器人手指，所述驱动机构带动机器人手指动作，各机器人手指配合形成了机器人手爪。

本发明的特点还在于，

机器人手指包括依次连接的根指段、中间指段及末端指段，根指段与底座连接。

驱动机构包括驱动电机，驱动电机设置在盖板上，驱动电机的输出轴上同轴套接有齿轮，齿轮与内齿圈配合，内齿圈同轴设置在丝杠的下端，丝杠的上端通过底座支撑，丝杠上配合设有螺母，丝杠与盖板之间设有方向导轨，螺母的一端与方向导轨配合，螺母的另一端连接驱动活塞杆的活动端，驱动活塞杆沿竖直方向设置在驱动液压缸内，驱动液压缸安装在底座上；

驱动机构还包括根指段液压缸，根指段液压缸设置在底座上，根指段液压缸内沿水平方向设有根指段活塞杆，根指段活塞杆的活动端端部设有滑动杆，滑动杆与根指段活塞杆垂直设置，且滑动杆与根指段连接。

根指段的底部设有根指段滑槽，根指段滑槽内嵌装有滑轴A，滑轴A可沿根指段滑槽的长度方向运动，滑动杆连接在滑轴A的中部；

根指段内部设有中间指段液压缸，中间指段液压缸内设有中间指段活塞杆，中间指段活塞杆的活动端与中间指段连接。

根指段的顶部一侧两端分别设有根指段限位块，根指段限位块用于限制中间指段的转动角度。

中间指段的底部设有中间指段滑槽，中间指段滑槽内嵌装有滑轴B，滑轴B可沿中间指段滑槽的长度方向运动，中间指段活塞杆的活动端端部连接在滑轴B的中部；

中间指段内部设有末端指段液压缸，末端指段液压缸内设有末端指段活塞杆，末端指段活塞杆的活动端与末端指段连接。

中间指段的顶部一侧两端分别设有中间指段限位块，中间指段限位块用于限制末端指段的转动角度。

末端指段的底部设有末端指段滑槽，末端指段滑槽内嵌装有滑轴C，滑轴C可沿末端指段滑槽的长度方向运动，末端指段活塞杆的活动端端部连接在滑轴C的中部。

本发明的有益效果如下：

(1)驱动液压时，液压管路贯通实现等压驱动。由单个驱动电机原件统一同时驱动各个指段，结构简单，控制效果好；

(2)本发明每个指段液压缸集成在指段内部，并且缸体和活塞杆链接在不同的指段上，设计指段液压缸、中间指段液压缸、末端指段液压缸、驱动液压缸直径不同由关节驱动力与液压缸内孔横截面积成正比而实现根指段、中间指段、末端指段抓取先后顺序；

(3)柱塞杆运动实现了指段先耦合后抓取的功能，当指段触碰到目标体时，就保持抓取状态，可以自适应不同形状和尺寸的目标体；

(4)液压可以实现柔性驱动，减少了对夹持体的冲击力。

附图说明

图1是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的结构示意图；

图2是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的剖视图；

图3是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪中电机与丝杠配合的爆炸结构示意图；

图4是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪中根指段与滑动杆配合的结构示意图；

图5是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪中根指段的结构示意图；

图6是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的中间指段与中间指段活塞杆配合的结构示意图；

图7是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的中间指段的结构示意图；

图8是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的末端指段与末端指段活塞杆配合的结构示意图；

图9(a)～(d)是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪抓取目标物的过程状态示意图；

图10(a)～(d)是本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪抓取不同形状目标物的效果示意图。

图中，1.末端指段，2.中间指段，3.根指段，4.驱动电机，5.末端指段活塞杆，6.液压管道，7.中间指段活塞杆，8.根指段活塞杆，9.驱动活塞杆，10.根关节螺钉轴，11.滑轴A，12.方向导轨，13.螺母，14.丝杠，15.齿轮，16.盖板，17.底座，18.滑轴B，19.滑轴C，20.中间关节螺钉轴，21.末端关节螺钉轴，22.根指段滑槽，23.内齿圈，24.中间指段液压缸，25.根指段限位块，26.滑动杆，27.中间指段滑槽，28.末端指段液压缸，29.中间指段限位块，30.末端指段滑槽，31.目标体，32.驱动液压缸，33.根指段液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪，如图1所示，包括底座17，底座17内设有驱动机构，底座17边缘处连接有至少三个机器人手指，驱动机构带动机器人手指动作。各机器人手指配合形成了机器人手爪。

如图2所示，机器人手指包括依次连接的根指段3、中间指段2及末端指段1，根指段3与底座17连接。

根指段3的底部一侧通过根关节螺钉轴10与底座17连接，根指段3可绕着根关节螺钉轴10相对底座17转动。

根指段3的顶部一侧通过中间关节螺钉轴20与中间指段2的底部一侧连接；中间指段2可绕着中间关节螺钉轴20。

中间指段2的顶部一侧通过末端关节螺钉轴21与末端指段1的底部一侧连接。

底座17的下方设有盖板16，驱动机构位于底座17与盖板16之间；

驱动机构包括驱动电机4，驱动电机4设置在盖板16上，如图3所示，驱动电机4的输出轴上同轴套接有齿轮15，齿轮15与内齿圈23配合，内齿圈23同轴设置在丝杠14的下端，丝杠14的上端通过底座17支撑，丝杠17上配合设有螺母13，丝杠17与盖板16之间设有方向导轨12，螺母13的一端与方向导轨12配合，螺母13的另一端连接驱动活塞杆9的活动端，驱动活塞杆9沿竖直方向设置在驱动液压缸32内，驱动液压缸32安装在底座17上；

驱动机构还包括根指段液压缸33，根指段液压缸33设置在底座17上，根指段液压缸33内沿水平方向设有根指段活塞杆8，根指段活塞杆8的活动端端部设有滑动杆26，滑动杆26与根指段活塞杆8垂直设置，且滑动杆26与根指段3连接。

驱动液压缸32与根指段液压缸33连通向根指段液压缸33供油。

如图4所示，根指段3的底部设有根指段滑槽22，根指段滑槽22内嵌装有滑轴A11，滑轴A11可沿根指段滑槽22的长度方向运动，滑动杆26连接在滑轴A11的中部，底座17的上端外缘可对根指段3的转动角度进行限位，同时也对滑轴A11进行限位，防止滑轴A11从根指段滑槽22滑出。

如图5所示，根指段3的顶部一侧两端分别设有根指段限位块25，根指段限位块25与中间关节螺钉轴20位于根指段3的同一侧，且根指段限位块25用于限制中间指段2的转动角度；

根指段3内部设有中间指段液压缸24，中间指段液压缸24内设有中间指段活塞杆7，中间指段活塞杆7的活动端与中间指段2连接；驱动液压缸32通过液压管道6向中间指段液压缸24供油。

如图6所示，中间指段2的底部设有中间指段滑槽27，中间指段滑槽27内嵌装有滑轴B18，滑轴B18可沿中间指段滑槽27的长度方向运动，中间指段活塞杆7的活动端端部连接在滑轴B18的中部，根指段限位块25可对中间指段2的转动角度进行限位，同时也可对滑轴B18进行限位，防止滑轴B18从中间指段滑槽27滑出。

如图7所示，中间指段2的顶部一侧两端分别设有中间指段限位块29，中间指段限位块29与末端关节螺钉轴21位于中间指段2的同一侧，且中间指段限位块29用于限制末端指段1的转动角度。

中间指段2内部设有末端指段液压缸28，末端指段液压缸28内设有末端指段活塞杆5，末端指段活塞杆5的活动端与末端指段1连接；驱动液压缸32通过液压管道6向末端指段液压缸28供油。

如图8所示，末端指段1的底部设有末端指段滑槽30，末端指段滑槽30内嵌装有滑轴C19，滑轴C19可沿末端指段滑槽30的长度方向运动，末端指段活塞杆5的活动端端部连接在滑轴C19的中部，中间指段限位块29可对末端指段1的转动角度进行限位，同时也可对滑轴C19进行限位，防止滑轴C19从末端指段滑槽30滑出。

本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪以三个机器人手指为例，三个机器人指等角度分布，相互之间120°，有利于更稳定的抓取目标体31。

本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的工作过程为，

机器人手爪的初始状态如图9(a)所示，此时物体未接触目标体31时，底座17、根指段3、中间指段2、末端指段1、都处于伸直状态，与驱动活塞杆9相连接得螺母13在丝杠14的中间某位置。

当机器人手爪抓取目标体31时候，控制驱动电机4正转，带动丝杠14正转，由此螺母13在方向导轨12和丝杠14共同作用下，带动驱动活塞杆9将驱动液压缸32内液体通过第一液压管道6和第二液压管道11向各个指段内液压缸挤压，利用液体等压原理实现欠驱动抓取动作；随着驱动活塞杆9挤压液体，当液体挤压根指段活塞杆8的时候，根指段活塞杆8向外推出，滑动杆26通过滑轴A11限制滑动杆26在根指段滑槽22中沿着滑槽方向滑动，同时根指段活塞杆8向外推出使得根指段3绕根关节螺钉轴10转动；同时液体挤压中间指段活塞杆7的时候，中间指段活塞杆7向外推出，由于中间指段活塞杆7的活动端通过滑轴B18限制其在中间指段滑槽27中沿着滑槽方向滑动，同时中间指段活塞杆7向外推出使得中间指段2绕中间关节螺钉轴20转动；同时液体挤压末端指段活塞杆5的时候，末端指段活塞杆5向外推出，由于末端指段活塞杆5的活动端通过滑轴C19限制其在末端指段滑槽30中沿着滑槽方向滑动，同时末端指段活塞杆5向外推出使得末端指段1绕末端关节螺钉轴21转动。

当根指段3接触目标体31之后，驱动电机4继续转动，驱动活塞杆9继续挤压液体，中间指段活塞杆7和末端指段活塞杆5继续推出，中间指段活塞杆7前端继续沿着中间指段滑槽27方向滑动，使得中间指段2绕中间关节螺钉轴20转动；末端指段活塞杆7前端继续沿着末端指段滑槽30方向滑动，使得末端指段1继续绕末端关节螺钉轴转动，但此时由于根指段3已与目标体31接触，不能继续旋转，使其保持此时旋转角度不变。

当中间指段2接触目标体31之后，驱动电机4继续转动，驱动活塞杆9继续挤压液体，末端指段活塞杆5继续推出，末端指段活塞杆7前端继续沿着末端指段滑槽30方向滑动，使得末端指段1继续绕末端关节螺钉轴转动，但此时由于根指段3和中间指段2已与目标体31接触，不能继续旋转，使其保持此时旋转角度不变。

当末端指段1接触目标体31之后，驱动电机4继续转动，驱动活塞杆9继续挤压液体，由于液体总体积不变，此时可以增加指段与目标体之间接触力。当增加到合适接触力的时候，驱动电机4不再旋转，丝杠螺母获得了自动保持手指弯曲构型不变的特性，实现“自锁”，抓取过程依次见图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)。

本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪抓取不同目标物31的效果图如图10(a)～(d)所示；图10(a)为采用本发明抓取球形目标物31的效果图；图10(b)为采用本发明抓取立方体形目标物31的效果图；图10(c)为采用本发明抓取圆柱形目标物31的效果图；图10(d)为采用本发明抓取不规则形目标物31的效果图。

本发明一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪的释放过程可逆，即分别收缩末端指段活塞杆5、中间指段活塞杆7、根指段活塞杆8，驱动电机4反转，驱动活塞杆9下降，由于在大气压强的作用下，末端指段活塞杆5、中间指段活塞杆7、根指段活塞杆8分别被拉缩，装置逐渐恢复伸直状态。该过程与抓取过程相反。

该装置利用液压实现每个指段先旋转而后自适应抓取目标体的效果。不同指段液压缸由液压管路连通，液体总体积保持不变，从而可以实现等压驱动，可以统一同时驱动各个指段。该装置每个指段液压缸集成在指段内部，并且缸体和活塞杆连接在不同的指段上，设计每个指段液压缸直径不同由关节驱动力与液压缸内孔横截面积成正比而实现每个指段抓取先后顺序，该装置结构简单、体积小、重量轻。

Claims (1)

1.一种液体等压欠驱动仿生机器人手爪，其特征在于：包括底座，底座内设有驱动机构，底座的下方设有盖板，驱动机构位于底座与盖板之间，底座边缘处连接有至少三个机器人手指，所述驱动机构带动机器人手指动作，各机器人手指配合形成了机器人手爪；

所述机器人手指包括依次连接的根指段、中间指段及末端指段，根指段与底座连接；

所述驱动机构包括驱动电机，驱动电机设置在盖板上，驱动电机的输出轴上同轴套接有齿轮，齿轮与内齿圈配合，内齿圈同轴设置在丝杠的下端，丝杠的上端通过底座支撑，丝杠上配合设有螺母，丝杠与盖板之间设有方向导轨，螺母的一端与方向导轨配合，螺母的另一端连接驱动活塞杆的活动端，驱动活塞杆沿竖直方向设置在驱动液压缸内，驱动液压缸安装在底座上；

驱动机构还包括根指段液压缸，根指段液压缸设置在底座上，根指段液压缸内沿水平方向设有根指段活塞杆，根指段活塞杆的活动端端部设有滑动杆，滑动杆与根指段活塞杆垂直设置，且滑动杆与根指段连接；

所述根指段的底部设有根指段滑槽，根指段滑槽内嵌装有滑轴A，滑轴A可沿根指段滑槽的长度方向运动，滑动杆连接在滑轴A的中部；

根指段内部设有中间指段液压缸，中间指段液压缸内设有中间指段活塞杆，中间指段活塞杆的活动端与中间指段连接；

所述根指段的顶部一侧两端分别设有根指段限位块，根指段限位块用于限制中间指段的转动角度；

所述中间指段的底部设有中间指段滑槽，中间指段滑槽内嵌装有滑轴B，滑轴B可沿中间指段滑槽的长度方向运动，中间指段活塞杆的活动端端部连接在滑轴B的中部；

中间指段内部设有末端指段液压缸，末端指段液压缸内设有末端指段活塞杆，末端指段活塞杆的活动端与末端指段连接；

所述中间指段的顶部一侧两端分别设有中间指段限位块，中间指段限位块用于限制末端指段的转动角度；

所述末端指段的底部设有末端指段滑槽，末端指段滑槽内嵌装有滑轴C，滑轴C可沿末端指段滑槽的长度方向运动，末端指段活塞杆的活动端端部连接在滑轴C的中部。

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