CN110103250B - 一种自适应多指节单元机械手 - Google Patents

Abstract

一种自适应多指节单元机械手，组成元件包括下端盘、伺服电机、指单元、指节单元、指内多杆机构、连杆机构和软橡胶，每个指单元由6个指节单元组成，且每个指单元只有一个伺服电机来驱动摇杆作为总驱动，属于一种欠驱动方式，此外，在机械手抓取物体时，指节单元可以连续性的贴在不规则物体表面上，具有很强的自适应性。本发明与传统的机械手相比较，既可以包络式抓取物体，又可以指尖点接触抓取，根据抓取物体的形状选择不同的抓取方式，其控制更加方便可靠，结构更加简单，具有很强的灵活可变性。

Description

一种自适应多指节单元机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别是一种自适应多指节单元机械手，其指节单元可以设置成7节、8节以上或者根据抓手作业的物体表面来设置出多种指节单元。

背景技术

传统机械抓手是由一定硬度的刚性结构组成，具有高度精确性和易于控制，但其形状只能适应特定的外部约束和障碍，灵活度不高，自适应性不强。中国专利CN105583835B公开了一种连杆闭环柔性平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指端、第二指端、近关节轴、远关节轴和驱动器；该装置既能平动第二指段夹持物体，也能自适应包络不同形状、大小的物体，但该装置只能设置成两个指段，具有一定的局限性，对于大一点的物体不能实现完全包络式抓取，因此自适性不强。

软体抓手是当今机器人技术的新兴热点和未来发展前沿方向的研究之一，与传统刚性的机械抓手相比，表现出了前所未有的适应性、灵敏性和敏捷性，但软体抓手作为新的研究热点，对它的研究也才刚刚起步，相对于传统成熟的机械抓手，也存在许多缺点，如：还没有开发更多适合软体抓手的新型材料，缺乏有效的驱动方式和成熟的建模设计方法，另外软体抓手理论上存在较多自由度，而驱动器个数有限，属于欠驱动系统，而且软材料本身特性复杂，现有动力学模型理论上可行，但实际中并不适合于控制。

目前，未见有结合刚性机械抓手和软体抓手的特性，来设置一种既具有刚性机械抓手高度精确性和易于控制的优点，同时也具有软体抓手适应性强的优点并可以实现包络式抓取也可以实现指尖抓取的自适应多指节单元机械手。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应多指节单元机械手，它具有多个指节单元，多个指节单元在一个总驱动下，依次接触物体表面，既可以包络式抓取物体，又可以指尖点接触抓取，根据抓取物体的形状选择不同的抓取方式，因此它具有高度精确性、易于控制，自适应性强、灵活度高、稳定性高、结构简单的特点。

本发明的技术方案是：一种自适应多指节单元机械手，组成元件包括下端盘、伺服电机、指单元、指节单元、连杆机构、指内多杆机构和软橡胶，所述的组成元件之间的具体结构和连接关系为：

所述的下端盘由三个固定支座组成，每个固定支座通过螺栓连接一个指单元；

所述的伺服电机安装在支座上，电机轴固定在摇杆下端；

所述的指单元包括第一指、第二指、第三指；所述的指节单元包括第一指节、第二指节、第三指节、第四指节、第五指节、第六指节和扭簧，每个指节首尾通过螺栓相连接且连接处装有扭簧；

所述的连杆机构包括摇杆、第一连杆、第二连杆、推杆和滑块，摇杆上端通过螺栓与第一连杆和推杆连接，第二连杆一端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过螺栓与第一连杆连接，滑块通过指内滑槽与第一指节连接且滑块上端通过螺栓与推杆连接；

所述的指内多杆机构包括指内第一圆柱滑杆、弹簧、指内第一连杆、指内第二连杆、指内第一空心圆柱杆、指内第一平行杆、指内第二平行杆，指内接触杆，指内第二空心圆柱杆，指内第三连杆，指内第四连杆，指内左圆柱滑杆，指内第五连杆，指内第六连杆，指内第三空心圆柱杆和指内右圆柱滑杆，指内第一圆柱滑杆通过圆柱副装配在指内第一圆孔上，另一端通过螺栓与指内第一连杆、指内第二空心圆柱杆连接，弹簧一端与指内第一圆柱滑杆下端固定连接，另一端固定连接在第一指内圆孔下端，指内第二连杆一端通过螺栓与指内第一连杆连接，中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过圆柱副与指内第一空心圆柱杆连接、指内第一平行杆上端通过螺栓与第一指节连接，下端通过螺栓与接触杆连接，指内第二平行杆上端通过螺栓与第一指节连接，下端通过螺栓与接触杆连接，指内接触杆的中上部分通过螺栓与内第一空心圆柱杆的下端连接，指内第三连杆一端通过圆柱副与指内第二空心圆柱杆连接，中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过螺栓与指内第四连杆连接，指内左圆柱滑杆一端通过螺栓与第四连杆连接并通过圆柱副装配在指内第二圆孔上，指内第五连杆一端通过螺栓与指内接触杆连接，另一端通过螺栓与指内第六连杆连接，指内第六连杆中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过圆柱副与指内第三空心圆柱杆连接，指内右圆柱滑杆一端通过螺栓与指内第三空心圆柱杆连接并通过圆柱副装配在指内第三圆心孔上；所述的第二指节、第三指节、第四指节、第五指节和第六指节与第一指节结构及组成元件的连接关系相同；所述的软橡胶设置在指节单元下端，当第n个指节单元先碰到不规则物体表面时，第n个的指内接触杆向上移动，指内第一圆柱滑杆向下移动，指内左圆柱滑杆向左移动并推动前面n-1个的指内右圆柱杆向左移动，使n个指节单元锁为一个整体，而对于第n个后的指节单元不受影响，既可以利用最后指节单元的指尖抓取，又可以完全包络抓取，根据抓取物体的形状选择不同的抓取方式。

所述的指内滑槽和滑槽上端位于第一指节的上端，指内第一圆孔位于第一指节的左上部分，指内第二圆孔位于第一指节的左中间部分，指内第三圆孔位于第一指节的右中间部分。

所述的第一指节、第二指节、第三指节、第四指节、第五指节以及第六指节在第一指节的指节单元下端未接触到物体表面前，其指内第一圆柱滑杆上端和滑槽上端共同限制住滑块移动，使全部指节单元胶合为一整体。

所述的指内左圆柱滑杆在运动前长度没有超出指内第一圆孔端面。

本发明的突出优点在于：

1、单个伺服电机通过连杆机构和指内多杆机构来驱动每个手指的指节单元，降低了电机控制的难度，使操作更简单。

2、在指节单元还没有碰到物体表面时，通过指内第一圆柱滑杆和指节单元的滑槽上端共同限制滑块移动，使多个指节单元为一个整体。

3、设置在指节单元下面的软橡胶能够为指节单元产生一定的缓冲，防止指节单元和物体表面刚性接触，更好的避免刚性指节单元破坏物体表面。

4、当第n个指节单元先碰到不规则物体表面时，第n个的指内接触杆向上移动，指内第一圆柱滑杆向下移动，指内左圆柱滑杆向左移动并推动前面n-1个的指内右圆柱杆向左移动，使n个指节单元锁为一个整体，而对于第n个后的指节单元不受影响，既可以利用最后指节单元的指尖抓取，又可以完全包络抓取，根据抓取物体的形状选择不同的抓取方式，具有很强的灵活可变性。

5、每个指单元理论上可由7节、8节以上指节单元组成或者根据抓手作业的物体表面来设置出多种指节单元。

附图说明

图1为本发明所述的自适应多指节单元机械手的自然状态下结构示意图。

图2为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第一指的状态结构示意图。

图3为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第一指节的状态结构示意图。

图4为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第一指节的滑块状态结构示意图。

图5为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第一指节的剖视图。

图6为本发明所述的自适应多指节单元机械手的指内左圆柱滑杆锁住指节单元状态下的示意图。

图7为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第二指节接触不规则物体表面的示意图。

图8为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第二指节到第三指节接触物体表面的示意图。

图9为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第二指节到第四指节接触物体表面的示意图。

图10为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第二指节到第五指节接触物体表面的示意图。

图11为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第二指节到第六指节接触物体表面的示意图。

图12为本发明所述的自适应多指节单元机械手的第六指指节尖抓取物体表面的示意图。

图中标记为：10.下端盘；11.支座；20.第一指节；21.指内滑槽；22.滑槽上端；23.指内第一圆孔；24.指内第二圆孔；25.指内第三圆孔；26.指节单元下端；30.第二指节；40.第三指节；50.第四指节；60.第五指节；70.第六指节；80.不规则物体；90.电机座；100.伺服电机；110.摇杆；120.推杆；130.第一连杆；140.第二连杆；150.滑块；160.弹簧；170.指内第一圆柱滑杆；180.指内第一连杆；190.指内第一平行杆；200.指内第二连杆；210.指内第一空心圆柱杆；220.指内第二平行杆；230.接触杆；240指内左圆柱滑杆；250.指内第二空心圆柱杆；260.指内第三连杆；270.指内第四连杆；280.指内第五连杆；290.指内第六连杆；300.指内第三空心圆柱杆；310指内右圆柱滑杆；320.扭簧；330.软橡胶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“关部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语中“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图12所示，一种自适应多指节单元机械手，组成元件包括下端盘、伺服电机、指单元、指节单元、连杆机构、指内多杆机构和软橡胶，所述的组成元件具体结构和连接关系为：

所述的下端盘10由三个固定支座11组成，每个固定支座11通过螺栓连接一个指单元；

所述的伺服电机100通过电机座90安装在支座11上，电机轴固定连接于摇杆110下端；

所述的指单元包括第一指、第二指、第三指；

所述的指节单元包括第一指节20、第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60、第六指节70和扭簧320，每个指节首尾通过螺栓相连接且连接处装有扭簧320；

所述的连杆机构包括摇杆110、第一连杆130、第二连杆140、推杆120和滑块150，摇杆110上端通过螺栓与第一连杆130和推杆120连接，第二连杆140一端通过螺栓与第一指节20连接，另一端通过螺栓与第一连杆130连接，滑块150通过指内滑槽21和第一指节20连接且滑块150上端通过螺栓与推杆120连接；

所述的指内多杆机构包括指内第一圆柱滑杆170、弹簧160、指内第一连杆180、指内第二连杆200、指内第一空心圆柱杆210、指内第一平行杆190、指内第二平行杆220，指内接触杆230，指内第二空心圆柱杆250，指内第三连杆260，指内第四连杆270，指内左圆柱滑杆240，指内第五连杆280，指内第六连杆290，指内第三空心圆柱杆300和指内右圆柱滑杆310，指内第一圆柱滑杆170通过圆柱副装配在指内第一圆孔23上，另一端通过螺栓与于指内第一连杆180、指内第二空心圆柱杆250连接，弹簧160一端与指内第一圆柱滑杆170下端固定连接，另一端固定连接在第一指内圆孔23下端，指内第二连杆200一端通过螺栓与指内第一连杆180连接，中间端通过螺栓与第一指节20连接，另一端通过圆柱副与指内第一空心圆柱杆210连接，指内第一平行杆190上端通过螺栓与第一指节20连接，下端通过螺栓与接触杆230连接，指内第二平行杆220上端通过螺栓与第一指节20内连接，下端通过螺栓与指内接触杆230连接，指内接触杆230的中上部分通过螺栓与指内第一空心圆柱杆210的下端连接，指内第三连杆260一端通过圆柱副与指内第二空心圆柱杆250连接，中间端通过螺栓与第一指节20连接，另一端通过螺栓与指内第四连杆270连接，指内左圆柱滑杆240一端通过螺栓与指内第四连杆270连接并通过圆柱副装配在指内第二圆孔250上，指内第五连杆280一端通过螺栓与指内接触杆230连接，另一端通过螺栓与指内第六连杆290连接，指内第六连杆290中间端通过螺栓与第一指节20连接，另一端通过圆柱副与指内第三空心圆柱杆300连接，指内右圆柱滑杆310一端通过螺栓与指内第三空心圆柱杆300连接并通过圆柱副装配在指内第三圆心孔25上；所述的第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60和第六指节70指与第一指节20的结构及组成元件的连接关系相同；所述的软橡胶330设置在指节单元下端26。

所述的指内滑槽21和滑槽上端22位于第一指节的上端，指内第一圆孔23位于第一指节20的左上部分，指内第二圆孔24位于第一指节20的左中间部分，指内第三圆孔25位于第一指节20的右中间部分。

所述的第一指节20、第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60以及第六指节70在第一指节20的指节单元下端26未接触到物体表面80前，指内第一圆柱滑杆170上端和滑槽上端22共同限制住滑块150移动，使全部指节单元胶合为一体的。

所述的指内左圆柱滑杆240在运动前，长度没有超出指内第一圆孔23端面。

工作原理及过程：

以包络式抓取圆柱物体为例：

伺服电机100驱动摇杆110顺时针转动，第一指节20内的滑块150由于指内滑槽上端22和指内第一圆柱滑杆170的上端挡住，且指内第一圆柱滑杆170在弹簧160的作用下相对于第一指节20保持不动，使滑块150和第一指节20以及指内第一圆柱滑杆170胶合为一体，摇杆110、推杆120和第一指节20构成四杆机构，此时第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60、第六指节70以及连杆机构和指内多杆机构装配连接关系如第一指节一样，并全部胶合为一个整体，如图1所示。当第一指节20的接触杆230接触到不规则物体80表面时，在摇杆110的继续顺时针转动下，指内接触杆230贴在物体表面不动，指内第一圆柱滑杆170向下移动，直到第一指节20的指节单元下端26也接触到物体表面80，此刻，指内第一圆柱滑杆170解除了对滑块150的限制，滑块150可以在指内滑槽21自由移动，并且在第一指节20的扭簧320的扭力作用下以及推杆120对第一指节20的反作用力下，使第一指节20紧紧贴在不规则物体80表面并保持不动，如图6所示。摇杆100继续转动，第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60、第六指节70的工作原理及过程如第一指节20一样，第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60、第六指节70依次紧紧贴在不规则物体80表面，从而完成一个包络不规则物体80过程，如图7至图11所示。

以指尖抓取物体为例：

在指节单元还没有碰到物体表面时，通过指内第一圆柱滑杆170和指节单元的滑槽上端22共同限制滑块150移动，使第一指节20、第二指节30、第三指节40、第四指节50、第五指节60以及第六指节70为一个整体，当摇杆170转动时，带动整个指单元转动，末端的第六指节70的指尖接触到物体表面，从而利用点接触来抓取物体，如图12所示。

Claims (4)

1.一种自适应多指节单元机械手，组成元件包括下端盘、伺服电机、指单元、指节单元、连杆机构、指内多杆机构和软橡胶，其特征在于，所述组成元件之间的具体结构和连接关系为：

所述的下端盘由三个固定支座组成，每个固定支座通过螺栓连接一个指单元；

所述的三个固定支座分别安装一个伺服电机，电机轴固定在摇杆下端；

所述的指单元包括第一指、第二指、第三指，每个指由第一指节单元、第二指节单元、第三指节单元、第四指节单元、第五指节单元和第六指节单元依次首尾通过螺栓连接组成，且连接处装有扭簧；所述的指节单元包括连杆机构、指内多杆机构和软橡胶；

所述的连杆机构包括摇杆、第一连杆、第二连杆、推杆和滑块，摇杆上端通过螺栓与第一连杆和推杆连接，第二连杆一端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过螺栓与第一连杆连接，滑块通过指内滑槽与第一指节连接且滑块上端通过螺栓与推杆连接；

所述的指内多杆机构包括指内第一圆柱滑杆、弹簧、指内第一连杆、指内第二连杆、指内第一空心圆柱杆、指内第一平行杆、指内第二平行杆，指内接触杆，指内第二空心圆柱杆，指内第三连杆，指内第四连杆，指内左圆柱滑杆，指内第五连杆，指内第六连杆，指内第三空心圆柱杆和指内右圆柱滑杆，指内第一圆柱滑杆通过圆柱副装配在指内第一圆孔上，另一端通过螺栓与指内第一连杆、指内第二空心圆柱杆连接，弹簧一端与指内第一圆柱滑杆下端固定连接，另一端固定连接在第一指内圆孔下端，指内第二连杆一端通过螺栓与指内第一连杆连接，中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过圆柱副与指内第一空心圆柱杆连接、指内第一平行杆上端通过螺栓与第一指节连接，下端通过螺栓与接触杆连接，指内第二平行杆上端通过螺栓与第一指节连接，下端通过螺栓与接触杆连接，指内接触杆的中上部分通过螺栓与内第一空心圆柱杆的下端连接，指内第三连杆一端通过圆柱副与指内第二空心圆柱杆连接，中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过螺栓与指内第四连杆连接，指内左圆柱滑杆一端通过螺栓与第四连杆连接并通过圆柱副装配在指内第二圆孔上，指内第五连杆一端通过螺栓与指内接触杆连接，另一端通过螺栓与指内第六连杆连接，指内第六连杆中间端通过螺栓与第一指节连接，另一端通过圆柱副与指内第三空心圆柱杆连接，指内右圆柱滑杆一端通过螺栓与指内第三空心圆柱杆连接并通过圆柱副装配在指内第三圆心孔上；所述的第二指节、第三指节、第四指节、第五指节和第六指节与第一指节的结构及组成部件的连接关系相同；所述的软橡胶设置在指节单元下端，当第n(1≤n≤6)指节单元先碰到不规则物体表面时，第n(1≤n≤6) 指节单元的指内接触杆向上移动，指内第一圆柱滑杆向下移动，指内左圆柱滑杆向左移动并推动前面n-1(1<n≤6)指节单元的指内右圆柱杆向左移动，使n(1≤n≤6)个指节单元锁为一个整体，而对于第n(1≤n≤6)个后的指节单元不受影响，既可以利用最后指节单元的指尖抓取，又可以完全包络抓取，根据抓取物体的形状选择不同的抓取方式。

2.根据权利要求1所述的一种自适应多指节单元机械手，其特征在于，所述的指内滑槽和滑槽上端位于第一指节的上端，指内第一圆孔位于第一指节的左上部分，指内第二圆孔位于第一指节的左中间部分，指内第三圆孔位于第一指节的右中间部分。

3.根据权利要求1所述的一种自适应多指节单元机械手，其特征在于，所述的第一指节、第二指节、第三指节、第四指节、第五指节以及第六指节在第一指节的指节单元下端未接触到物体表面前，其指内第一圆柱滑杆上端和滑槽上端共同限制住滑块移动，使全部指节单元胶合为一整体。

4.根据权利要求1所述的一种自适应多指节单元机械手，其特征在于，所述的指内左圆柱滑杆在运动前长度没有超出指内第一圆孔端面。

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