CN109807917A - 自适应抓取物体的耦合机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应抓取物体的耦合机械手，该机械手包括底座、驱动装置、支架、传动模块和手指模块，所述手指模块包括刚性元件、第一柔性元件、第二柔性元件、软体元件、位移传感器、压力传感器和微型摄像头，位移传感器嵌入软体元件中，压力传感器贴在第二柔性元件表面，微型摄像头贴在支架座中心用于实时调节机械手的位姿。本发明能实现对物体的柔性抓取，避免损坏物体表面；同时本发明完全由单个舵机进行驱动，相对于由多个舵机驱动的机械手而言，结构更加简单小巧，控制更加简便可靠，成本更低。

Description

自适应抓取物体的耦合机械手

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种自适应抓取物体的耦合机械手。

背景技术

相对于人力，应用机械手来完成某些工作的成本更低、效率更高且更加不易出错，因此，能够取代人力的机械手被越来越广泛地使用。在目前的生活生产中，用于抓取物体、尤其是不规则物体的机械手往往存在结构复杂、控制复杂、抓取时易损坏物体的情况，因此，需要对其进行改进，以使机械手具有更广泛更可靠的应用价值。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种自适应抓取物体的耦合机械手，通过对其结构及控制方式进行改进，使得该机械手结构更合理简单、控制简便、性能可靠且能够柔顺地抓取不规则物体，从而不会损坏物体。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种自适应抓取物体的耦合机械手，包括：

驱动装置，与所述底座固定连接；

支架；

传动机构，包括滑动推杆和张合杆，所述滑动推杆安装在所述底座上、与所述底座滑动连接，且所述滑动推杆与所述驱动装置传动连接，所述张合杆与所述滑动推杆铰连；所述张合杆至少有两个，相邻两张合杆与滑动推杆之间构成Y字型结构；以及

手指结构，个数与所述张合杆相同，所述手指结构包括连接件和柔性手指，所述连接件分别与所述张合杆及支架铰连，所述柔性手指与所述连接件铰连。

于本发明一实施例中，所述滑动推杆包括滑块和推杆本体，所述推杆本体与滑块固定连接，所述滑块与所述底座滑动连接，所述张合杆与所述推杆本体铰连。所述推杆本体包括推杆、推杆座，所述推杆座与推杆固定连接，所述张合杆与推杆座铰连。

于本发明一实施例中，所述底座包括安装架和滑轨，所述滑轨与所述安装架固定连接，所述滑块与所述滑轨滑动连接。所述滑轨与所述安装架垂直，且所述驱动装置与所述滑轨位于所述安装架的同侧。从而可使结构整体更合理紧凑，利于动能的传动。

于本发明一实施例中，所述滑轨通过传动杆和驱动杆与所述驱动装置传动连接，所述驱动装置的输出端连接有所述驱动杆，所述传动杆的一端与所述驱动杆转动连接，所述传动杆的另一端与所述滑块转动连接。

于本发明一实施例中，所述滑轨包括第一滑道、第二滑道，所述第一滑道和第二滑道相对设置且均与所述安装架固定连接，所述滑块位于所述第一滑道和第二滑道之间，在所述滑块的两侧分别开设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑道位于第一滑槽中，所述第二滑道位于第二滑槽中。

于本发明一实施例中，所述第一滑道远离所述安装架的一端设有第一限位块，所述第一限位块凸出所述第一滑道；所述第二滑道远离所述安装架的一端设有第二限位块，所述第二限位块凸出所述第二滑道。所述推杆的宽度小于滑块的宽度，所述推杆可自由在所述第一限位块和第二限位块之间往复运动，所述第一限位块和第二限位块起对所述滑块的限位作用。

于本发明一实施例中，所述柔性手指包括第一柔性元件、第二柔性元件和软体元件，所述软体元件与所述第二柔性元件固定连接，所述第二柔性元件分别与所述连接件、所述第一柔性元件铰连，所述第一柔性元件与所述连接件铰连。

于本发明一实施例中，所述张合杆的个数为三个，三个张合杆呈三角锥状均匀分布在所述滑动推杆上。

于本发明一实施例中，所述支架包括若干个立柱和支架座，所述若干立柱均匀地分布在所述支架座上，所述立柱的一端与所述支架座固定连接，所述立柱的另一端与所述底座固定连接，所述连接件与所述支架座铰连。

于本发明一实施例中，所述软体元件中嵌入有位移传感器，所述第二柔性元件上固定安装有压力传感器，所述支架上安装有微型摄像头。

本技术方案具有以下有益效果：

本发明将驱动装置的正反旋转运动转换成滑动推杆的上下往复运动，进而通过张合杆、连接件及支架之间的配合将滑动推杆的上下往复运动转换成柔性手指的合拢与张开运动，从而通过柔性元件的弹性形变来实现夹持动作。

通过将机械手的手指结构设计成刚-柔-软耦合结构，则刚-柔-软耦合机械手在抓取物体时，第一柔性元件、第二柔性元件和软体元件就会产生自适应形变将物体夹持在柔性手指中间，软体元件产生自适应形变后能与被抓取物体表面充分接触，从而抓牢物体。同时，所述软体元件能够防止被抓取物体表面受到损伤。

控制系统能够根据对微型摄像头测得的图像数据处理的结果来调整机械手在抓取物体前的位姿，为下一步抓取物体做好准备。控制系统还能够根据对位移传感器测得的位移变化量和压力传感器测得的压力数据处理的结果来调整驱动装置的旋转角度，从而保证机械手在夹持物体时施加合适的力。

此外，本发明采用单个驱动装置进行驱动，结构上更加小巧，控制更加简单可靠，成本更低。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1另一角度的结构示意图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的部分结构示意图；

图5是底座的一种结构示意图；

图6是本发明滑块推杆的一种结构示意图；

图7是本发明支架的一种结构示意图；

图8是本发明手指结构的一种结构示意图。

附图标记说明：1、基座；2、安装架；3、滑动推杆；300、滑轨；3a、滑块；3b、推杆；3c、推杆座；5、支架；51、立柱；52、支架座；31、第一滑道；32、第二滑道；41、第一滑槽；42、第二滑槽；301、第一限位块；302、第二限位块；6、张合杆；7、第一柔性元件；8、第二柔性元件；9、软体元件；10、连接件；11、舵机；12、驱动杆；13、传动杆；100、立架；111、柔性手指。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1至8对本发明作进一步描述。

本发明所涉及的一种自适应抓取物体的耦合机械手，如图1、2所示，包括底座、驱动装置、支架、传动机构、手指结构，通过基座1可将该机械手连接至机器人手臂或机械臂。所述底座固定在所述基座1上，所述支架5固定在所述底座上。如图5所示，所述底座包括安装架2和滑轨300，所述滑轨300与所述安装架2垂直设置，且两者固定连接。所述驱动装置为舵机11，本发明采用一个舵机11进行驱动，所述安装架2上设有舵机基座，所述舵机基座为与所述滑轨300平行、且均位于所述安装架2同侧的立架100，所述舵机11通过所述立架100固定安装在底座上。该种结构设计可减小机械手体积，使得整体结构更合理，结构更紧凑。

如图6所示，所述传动机构包括滑动推杆3和张合杆6，所述滑动推杆包括依次固定连接的滑块3a、推杆3b、推杆座3c。所述滑块3a与所述底座上的滑轨300滑动连接，而所述张合杆6则与推杆座3c铰连，构成转动副。所述滑块3a通过传动杆13和驱动杆12与所述舵机11的舵盘固定连接，所述舵机11的输出端连接有所述驱动杆12，所述传动杆13的一端与所述驱动杆12转动连接，所述传动杆13的另一端与所述滑块3a转动连接。

如图4所示，所述张合杆6的个数至少两个，相邻两张合杆6与滑动推杆3之间构成Y字型结构。本实施例中，为了便于控制，将所述张合杆6设为三个，三个张合杆6呈伞状均匀分布在所述滑动推杆3上。所述推杆座3c为圆形结构，三个张合杆6在圆周上呈120°分布。在其他实施例中，根据使用需要，所述张合杆6的个数还可以是两个、四个或其他，所述推杆座3c的形状也可以是正方形、三角形或者其他形状。

如图7所示，所述支架5包括若干个立柱51和支架座52，所述若干立柱51均匀地分布在所述支架座52上，所述立柱51的一端与所述支架座52固定连接，所述立柱51的另一端与所述底座2固定连接。为了提高可靠性和稳定性，本实施例中，立柱51的个数有三个，三个立柱51沿圆周均匀分布的支架座52上。

本实施例中，如图5所示，所述滑轨300包括第一滑道31、第二滑道32，所述第一滑道31和第二滑道32相对设置且均与所述安装架2固定连接，所述第一滑道31和第二滑道32垂直于所述安装架2。所述滑块3a位于所述第一滑道31和第二滑道32之间。所述滑块3a的两侧分别开设有第一滑槽41和第二滑槽42，所述第一滑道31位于第一滑槽41中，所述第二滑道32位于第二滑槽42中，即所述滑块3a在滑轨上可往复滑动。进一步，为了对滑块3a在滑轨上的行程进行限位，在所述第一滑道31远离所述安装架2的一端设有凸出所述第一滑道31的第一限位块301，在所述第二滑道32远离所述安装架2的一端设有凸出所述第二滑道32的第二限位块302。所述推杆3b可在所述第一限位块301和第二限位块302之间往复直线运动，所述第一限位块301和第二限位块302防止所述滑块3a滑出所述滑轨300。

如图8所示，所述手指结构包括连接件10和柔性手指111，所述连接件10为刚性元件，一端与所述张合杆6铰接构成转动副，另一端与支架座52铰连。所述柔性手指则与所述连接件10铰连，用于抓取物体。所述柔性手指包括第一柔性元件7、第二柔性元件8和软体元件9，所述软体元件9与所述第二柔性元件8固定连接，所述第一柔性元件7、第二柔性元件8及连接件10之间形成三角形结构。所述第二柔性元件8分别与所述连接件10、所述第一柔性元件8铰连，所述第一柔性元件7与所述连接件10铰连。这样，当所述张合杆6转动时，所述连接件10与张合杆6的铰接点就会发生相应的转动，而所述连接件10与支架座52的铰接点则作为限位铰接点，位置不发生变动。

本实施例中，所述第一柔性元件7、第二柔性元件8可由弹簧片制作，所述软体元件9可由海绵制作。因此，由连接件10、第一柔性元件7、第二柔性元件8及软体元件9就组成了刚-柔-软耦合结构的机械手指。工作时，所述舵机11的正反旋转运动通过驱动杆12和传动杆13转换成滑动推杆3的上下往复运动，然后再通过滑动推杆3与张合杆6、连接件10及支架5上的支架座5a之间的配合，将滑动推杆3的上下往复运动转换成机械手的合拢与张开运动。

为了实现对物体更好的柔性抓取，可进一步在所述软体元件9中嵌入位移传感器，在所述第二柔性元件8上固定安装有压力传感器，在所述支架座52的中心安装有微型摄像头，通过控制系统的控制，根据获得的相应数据及信号能更好地进行柔性手指的自适应形变。具体实现方式是：所述位移传感器测得的位移变化量、所述压力传感器测得的压力数据和所述微型摄像头测得的图像数据由控制系统进行处理，所述控制系统根据对所述微型摄像头测得的图像数据处理的结果来调整机械手在抓取物体前的位姿，为下一步抓取物体做好准备，所述控制系统根据对所述位移传感器测得的位移变化量和所述压力传感器测得的压力数据处理的结果来调整机械手在夹持物体时所施加的力。

在机械手准备抓取物体之前，控制系统根据微型摄像头测得的图像数据得到物体的形状来相应地调整机械手的初始位姿使机械手以最好的角度去抓取物体。在机械手抓取物体的过程中，所述手指结构的第一柔性元件7、第二柔性元件8和软体元件9产生相应的自适应形变，从而将物体很好地夹持在三个手指结构之间。

当机械手合拢时，第一柔性元件7、所述第二柔性元件8和所述软体元件9组成的柔性手指对被抓取物体施加力，同时，被抓取物体对柔性手指产生反作用力，该反作用力会使所述软体元件9压缩，进而压迫所述第二柔性元件8。所述第二柔性元件8在受力时，所述第二柔性元件8与所述刚性的连接件10之间的铰连点相当于固定铰连点，即其位置不会变动；而所述第二柔性元件8与所述第一柔性元件7之间的铰连点相当于活动铰支点，即其位置会移动。

当所述第二柔性元件8受到所述软体元件9传递过来的压力时，所述第二柔性元件8将产生弯曲，则此时该活动铰支点将向柔性手指所形成的“手掌”内移动，同时带动所述第一柔性元件7向“手掌”内弯曲。这样的整体效果就是柔性手指在受到被抓取物体的反作用力时，柔性手指向“手掌”内弯曲，从而将被抓取物体夹持在沿圆周均匀分布的三个柔性手指中间。所述软体元件9在发生自适应形变后与被抓取物体表面完全贴合，从而可将物体抓牢。同时软体元件9本身的软体材质还会对被抓取物体表面起保护作用，防止被抓取物体表面受到损伤。所述控制系统会根据对位移传感器测得的位移变化量和压力传感器测得的压力数据处理的结果来调整舵盘旋转的角度，从而保证机械手在夹持物体时施加合适的力。

本发明的机械手完全由单个舵机进行驱动，相对于由多个舵机驱动的机械手而言，结构更加简单小巧，控制更加简便可靠，成本更低。本发明能够广泛应用于工业中的物体抓取和机器人在人类日常生活中与人类进行人机交互的柔性抓取场景。

上述具体实施例只是用来解释说明本发明，而非是对本发明进行限制，在本发明的宗旨和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何不付出创造性劳动的替换和改变，皆落入本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，包括：

底座；

驱动装置，与所述底座固定连接；

支架；

传动机构，包括滑动推杆和张合杆，所述滑动推杆安装在所述底座上、与所述底座滑动连接，且所述滑动推杆与所述驱动装置传动连接，所述张合杆与所述滑动推杆铰连；所述张合杆至少有两个，相邻两张合杆与滑动推杆之间构成Y字型结构；以及

手指结构，包括连接件和柔性手指，所述柔性手指的个数与所述张合杆相同，所述连接件分别与所述张合杆及支架铰连，所述柔性手指与所述连接件铰连。

2.根据权利要求1所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述滑动推杆包括滑块和推杆本体，所述推杆本体与滑块固定连接，所述滑块与所述底座滑动连接，所述张合杆与所述推杆本体铰连。

3.根据权利要求2所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述底座包括安装架和滑轨，所述滑轨与所述安装架固定连接，所述滑块与所述滑轨滑动连接。

4.根据权利要求3所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述滑轨通过传动杆和驱动杆与所述驱动装置传动连接，所述驱动装置的输出端连接有所述驱动杆，所述传动杆的一端与所述驱动杆转动连接，所述传动杆的另一端与所述滑块转动连接。

5.根据权利要求3所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述滑轨包括第一滑道、第二滑道，所述第一滑道和第二滑道相对设置且均与所述安装架固定连接，所述滑块位于所述第一滑道和第二滑道之间，在所述滑块的两侧分别开设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑道位于第一滑槽中，所述第二滑道位于第二滑槽中。

6.根据权利要求5所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述第一滑道远离所述安装架的一端设有第一限位块，所述第一限位块凸出所述第一滑道；所述第二滑道远离所述安装架的一端设有第二限位块，所述第二限位块凸出所述第二滑道。

7.根据权利要求1所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述柔性手指包括第一柔性元件、第二柔性元件和软体元件，所述软体元件与所述第二柔性元件固定连接，所述第二柔性元件分别与所述连接件、所述第一柔性元件铰连，所述第一柔性元件与所述连接件铰连。

8.根据权利要求7所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述张合杆的个数为三个，三个张合杆呈三角锥状均匀分布在所述滑动推杆上。

9.根据权利要求1所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述支架包括若干个立柱和支架座，所述若干立柱均匀地分布在所述支架座上，所述立柱的一端与所述支架座固定连接，所述立柱的另一端与所述底座固定连接，所述连接件与所述支架座铰连。

10.根据权利要求1至9任一所述的自适应抓取物体的耦合机械手，其特征在于，所述软体元件中嵌入有位移传感器，所述第二柔性元件上固定安装有压力传感器，所述支架上安装有微型摄像头。