CN109927068B - 柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置 - Google Patents

Abstract

柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、三个手指、三个连杆、三个棘轮、三个棘爪、柔性布、驱动器、簧件、线绳、卷线器。该装置利用被抓取物相对于机器人手的运动，通过柔性布带动手指合拢以达到包络抓取的目的，通过棘轮棘爪机构实现装置的自锁从而在抓取后固定住物体防止其脱落，当想要释放物体时可通过驱动器驱动线绳拉动棘爪松开棘轮，手指即可在弹簧作用下松开；该装置利用柔性布的可变形特征可以达到自适应物体形状的目的；该装置结构简单，耗能小；可以在物体接触瞬间快速反应实施抓取；无需复杂的传感和控制系统；制造和维护成本低。

Description

柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置的结构设计。

背景技术

自适应机器人手是目前机器人领域研究的热点之一，其特点是在抓取过程中可以自动适应物体的形状、尺寸，并且无需复杂的传感、反馈控制等系统，简单方便，成本低。

目前实现自适应的方法有很多种，主要可以分为两大类：多刚体系统自适应和柔性体自适应。

已有的多刚体系统自适应手指如加拿大Robotiq公司的机器人手(加拿大专利CA2856622)，该装置为欠驱动机器人手装置，利用连杆机构，通过巧妙的设计实现了多种抓取模式融合，并且具有一定的自适应能力，现在已经成为商业化程度较高的成熟产品。

柔性体自适应装置如北京航空航天大学文力等人发明的气动软体抓取装置(中国专利CN104959992)，通过气动控制，采用软体结构，利用软体手指向内或向外的弯曲变形进行抓取，具有很强的自适应能力。

但目前的自适应抓取装置基本都是通过驱动器直接控制手指动作，其抓取速度与控制系统、驱动器特性直接相关，很难完成快速反应，实现运动中物体的抓取。

发明内容

本发明致力于克服已有技术的不足之处，利用柔性布良好的适应性和变形能力开发一种可以仅通过物体自身运动来实现被动抓取的三指机器人手装置。该装置结构简单，具有快速响应的能力，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，包括基座、驱动器、传动机构、三个手指、三个棘轮、三个棘爪、柔性布、三个第一簧件和卷线器；所述驱动器与基座固接；所述传动机构的输入端与驱动器的输出端相连；所述基座包括基座下板、基座上板、三个支撑柱、三个支架、三个导线轴；每个所述支架包括左侧支架和右侧支架，均与基座上板固接；每个所述支撑柱的两端通过螺钉分别与基座上板、基座下板固接；每个所述导线轴固定在左侧支架与右侧支架之间；所述三个手指结构相同，每个手指包括第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；同一个手指中，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴套设在支架中；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；所述棘轮固接在第二指段；每个所述第一簧件的两端分别连接基座和第一指段；其特征在于：该柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置还包括三个连杆、三个第一杆轴、三个第二杆轴、三个棘爪轴、三个第二簧件和传动机构；每个所述第一杆轴分别套设在三个支架中；每个所述第二杆轴分别套设在第二指段中；每个所述连杆一端套接在第一杆轴上，另一端套接在第二杆轴上；每个所述支架、第一指段、第二指段和连杆构成平面四连杆机构；每个所述棘爪轴套设在第一指段中；每个所述棘爪套接在棘爪轴上；每个所述棘爪端部与棘轮接触，棘爪上设有一个线绳连接点；每个所述第二簧件分别连接棘爪和第一指段；所述卷线器与传动机构的输出端固接，卷线器上设有三个线绳连接点；所述三根线绳长度相同，每根线绳的一端固接在卷线器上，另一端固接在棘爪上，线绳中间段绕过导线轴；所述柔性布有三个连接点，三个连接点阵列分布于柔性布的外沿，三个连接点分别与三个第二指段固接。

本发明所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气动马达或液压马达。

本发明所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述传动机构采用蜗轮蜗杆、齿轮、齿条、绳轮和带轮机构中的一种或多种组合。

本发明所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧，所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用柔性布、棘轮棘爪机构、连杆机构、簧件等综合实现了被动自适应抓取的功能，柔性布的良好变形特性提供了很强的自适应能力；被动抓取的特点使得手指无需电机驱动，且装置可以快速反应，也无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的仰视图(未画出基座下板和部分螺钉)。

图3是图1所示实施例中一个手指及支架的立体外观图(部分零件未画出)。

图4是图1所示实施例中一个手指及支架的后视图(部分零件未画出)。

图5是图1所示实施例中的传动机构示意图(部分零件未画出)。

图6至图7是图1所示实施例抓取物体时一个手指的运动过程示意图(部分零件未画出)。

图8至图9是图1所示实施例抓取物体的过程示意图。

在图1至图9中：

1－基座，110－基座下板，120－基座上板，130－支撑柱，

140－支架，141－左侧支架，142－右侧支架，150－导线轴，

2－手指，21－第一指段，22－第二指段，223－棘轮，

23－近关节轴，24－远关节轴，3－连杆，31－第一杆轴，

32－第二杆轴，4－棘爪，41－棘爪轴，5－传动机构，

51－减速器，52－蜗轮，53－蜗杆，54－中心轴，

6－柔性布，7－驱动器，8－线绳，91－第一簧件，

92－第二簧件，10－卷线器，11－垫片，12－轴承，

13－顶丝，14－螺钉，15－开口挡圈，16－套筒，

17－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。

本发明设计的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置的一种实施例，如图1至图3所示，包括基座1、驱动器7、传动机构5、三个手指2、三个棘轮223、三个棘爪4、柔性布6、三个第一簧件9和卷线器10。所述驱动器7与基座1固接；所述传动机构的输入端与驱动器的输出端相连；所述基座1包括基座下板110、基座上板120、三个支撑柱130、三个支架140、三个导线轴150；每个所述支架包括左侧支架141和右侧支架142，均与基座上板固接；每个所述支撑柱的两端通过螺钉14分别与基座上板120、基座下板110固接；每个所述导线轴150固定在左侧支架141与右侧支架142之间；所述三个手指2结构相同，每个手指2包括第一指段21、第二指段22、近关节轴23、远关节轴24；同一个手指中，所述近关节轴23与远关节轴24的中心线平行；所述近关节轴23套设在支架中；所述第一指段21套接在近关节轴上；所述远关节轴24套设在第一指段21中；所述第二指段22套接在远关节轴24上；所述棘轮223与第二指段22固接；每个所述第一簧件91的两端分别连接基座1和第一指段21；该柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置还包括三个连杆3、三个第一杆轴31、三个第二杆轴32、三个棘爪轴41、三个第二簧件92和传动机构5；每个所述第一杆轴31分别套设在三个支架140中；每个所述第二杆轴32分别套设在三个第二指段22中；每个所述连杆3一端套接在第一杆轴31上，另一端套接在第二杆轴32上；每个所述支架140、第一指段21、第二指段22和连杆3构成平面四连杆机构，第一指段21两端铰接点的连线与连杆3两端铰接点的连线在四连杆机构所在平面内的投影相互交叉，如此设计使得第一指段21与第二指段22的运动并不独立，而是互相耦合，设第一指段21靠向物体17的转动方向为近关节正方向，第一指段21远离物体17的转动方向为近关节反方向，第二指段22相对第一指段21靠向物体17的转动方向为远关节正方向，第二指段22相对第一指段21远离物体17的转动方向为远关节反方向，则当第一指段21绕近关节正方向转动时，第二指段22会绕远关节正方向转动(如图3至图4所示)。

本实施例中，每个所述棘爪轴41套设在第一指段21中；每个所述棘爪4套接在棘爪轴41上；每个所述棘爪4端部与棘轮223接触，当棘轮223跟随第二指段朝远关节正方向转动时，棘爪4不会阻挡其运动，当棘轮223跟随第二指段朝远关节反方向转动时，棘爪4会阻止棘轮转动，形成自锁；每个所述棘爪4上设有一个线绳连接点，用来与线绳8的一端进行连接；每个所述第二簧件92分别连接棘爪4和第一指段21，这三个第二簧件92的作用为：在线绳8不拉动的情况下保证棘爪4的端部会紧靠在棘轮223的轮齿上。

本实施例中，所述传动机构5位于基座1内部，包括减速器51、蜗轮52、蜗杆53、中心轴54；所述减速器51输入端与驱动器7输出轴相连；所述蜗杆53与减速器51输出轴固接；所述蜗轮52与蜗杆53相互啮合；所述蜗轮52与中心轴54固接；所述中心轴54垂直于基座下板110，通过轴承12连接在基座上板120与基座下板110之间；所述卷线器10与中心轴54固接，其上有三个线绳连接点；所述三根线绳8长度相同，每根线绳的一端固接在卷线器10上，另一端固接在棘爪4上，线绳中间段绕过导线轴150；所述柔性布6有三个连接点，三个连接点阵列分布于柔性布6的外沿，三个连接点分别与三个第二指段22固接。

本发明所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述驱动器7采用电机、气动马达或液压马达。

本实施例中，所述驱动器7采用电机。

本发明所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：第一簧件91采用拉簧、压簧、片簧或扭簧，所述第二簧件92采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本实施例中，所述第一簧件91和第二簧件92均采用扭簧。

本实施例还采用了若干轴承12、若干套筒16、若干螺钉14和若干顶丝13等零件，属于公知常用技术，不赘述。

本实施例的工作原理，结合附图1至图9，叙述如下：

本实施例中初始状态设置为手指2张开伸直的状态，此时柔性布6展开，线绳8处于松弛状态，驱动器不工作。

当本实施例抓取物体17时，物体17与柔性布6产生相对运动，并相互接触，物体17逐渐被柔性布6包裹，由于柔性布6产生了一定变形，其末端会牵引与之相连的三个第二指段22，第二指段22在拉力的作用下绕远关节轴24正方向转动，三个手指2相互聚拢，同时连杆3绕第一杆轴31转动，由于四连杆机构的耦合作用，第一指段21也绕近关节轴23正方向转动，并使与第一指段21连接的第一簧件91被压缩，第一簧件91存储一定的弹性势能；同时棘轮223随第二指段22正向转动，棘爪4相对棘轮223顺利滑动，不会产生阻碍作用。该过程持续到三根手指2的第二指段22与物体17接触，形成完全包络，物体17无法再向下运动时，抓取结束。由于棘爪4的阻碍，棘轮223无法绕远关节轴24反方向运动而被锁死，于是第二指段22也无法绕远关节轴反方向运动，三根手指2被锁住无法运动，物体17被固定在装置内，实现自锁功能。

释放物体17时，控制驱动器7旋转(设此时旋转方向为正向)，通过减速器51、蜗轮52、蜗杆53、中心轴54组成的传动机构5，将驱动器7输出的扭矩经放大后传递到与中心轴54固连的卷线器10上，卷线器10同时开始转动，从而拉动线绳8的一端，线绳8拉动棘爪4朝远离棘轮223的方向转动，转动到一定程度后棘爪4松开棘轮223，棘轮223可以绕远关节反方向转动，此时第一指段21在第二簧件92的反弹作用下绕近关节反方向转动，通过四连杆机构带动整个手指2张开，物体17可以被释放。

在进行下一次抓取前，控制驱动器7反向旋转，通过传动机构5、卷线器10松开线绳8，棘爪4在第二簧件92的作用下回到初始位置。

本发明装置利用柔性布、棘轮棘爪机构、连杆机构、簧件等综合实现了被动自适应抓取的功能，柔性布的良好变形特性提供了很强的自适应能力；被动抓取的特点使得手指无需电机驱动，且装置可以快速反应，也无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Claims (4)

1.一种柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，包括基座、驱动器、传动机构、三个手指、三个棘轮、三个棘爪、柔性布、三个第一簧件和卷线器；所述驱动器与基座固接；所述传动机构的输入端与驱动器的输出端相连；所述基座包括基座下板、基座上板、三个支撑柱、三个支架、三个导线轴；每个所述支架包括左侧支架和右侧支架，均与基座上板固接；每个所述支撑柱的两端通过螺钉分别与基座上板、基座下板固接；每个所述导线轴固定在左侧支架与右侧支架之间；所述三个手指结构相同，每个手指包括第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；同一个手指中，所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴套设在支架中；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；所述棘轮固接在第二指段；每个所述第一簧件的两端分别连接基座和第一指段；其特征在于：该柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置还包括三个连杆、三个第一杆轴、三个第二杆轴、三个棘爪轴、三个第二簧件和传动机构；每个所述第一杆轴分别套设在三个支架中；每个所述第二杆轴分别套设在第二指段中；每个所述连杆一端套接在第一杆轴上，另一端套接在第二杆轴上；每个所述支架、第一指段、第二指段和连杆构成平面四连杆机构；每个所述棘爪轴套设在第一指段中；每个所述棘爪套接在棘爪轴上；每个所述棘爪端部与棘轮接触，棘爪上设有一个线绳连接点；每个所述第二簧件分别连接棘爪和第一指段；所述卷线器与传动机构的输出端固接，卷线器上设有三个线绳连接点；所述三根线绳长度相同，每根线绳的一端固接在卷线器上，另一端固接在棘爪上，线绳中间段绕过导线轴；所述柔性布有三个连接点，三个连接点阵列分布于柔性布的外沿，三个连接点分别与三个第二指段固接。

2.如权利要求1所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气动马达或液压马达。

3.如权利要求1所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述传动机构采用蜗轮蜗杆、齿轮、齿条、绳轮和带轮机构中的一种或多种组合。

4.如权利要求1所述的柔性掌面自适应快速抓取机器人手装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧，所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

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