CN110216703A - 一类并联的多模式机器人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类并联的多模式机器人灵巧手。本发明提供的三种机器人灵巧手均包括手掌、第一手指、第二手指、第三手指，其中手掌主体结构为一对共用驱动的双滑块机构，手指包括并联五杆RR‑RRR手指、并联五杆RR‑RPR手指、并联五杆RR‑PRR手指三种。灵巧手手指采用完全驱动方式，球状指尖夹取物体后整体等效为具有多模式的可重构3‑[P][S]类并联机构，对物体整体具有2移动2转动的操作自由度。与现有技术相比，本发明的机器人灵巧手发挥了并联机构和可重构机构的结构优势，具有承载能力高、任务适应性强、对物体可操作性强的特点，且手指能够内外弯曲使工作空间得到了显著提升。

Description

一类并联的多模式机器人灵巧手

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一类并联的多模式机器人灵巧手。

背景技术

灵巧手作为机器人重要的末端执行器，因其可以实现精确、灵活、高效地运动，能够满足多种复杂工况下的操作任务，在服务业、工业等行业有不可替代的作用。传统拟人手指的灵巧手已经得到了广泛的研究，近几十年间有多种灵巧手问世，如著名的Shadow手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手等。传统灵巧手的手指通常设计为多转动关节串联形式，且采用弹性元件与绳驱动或者腱驱动结合的欠驱动方式，这种设计方式虽然使灵巧手更接近人手的结构和功能，但导致灵巧手的承载能力、工作空间、对任务的适应性、对目标物体的可操作性等性能指标都不理想，极大地限制了灵巧手的广泛应用，尤其是在工业领域的应用。因此，借助并联机构的结构优势，开发一类基于并联手指结构的灵巧手，可以大幅提高灵巧手的承载能力，扩大工作空间、增强任务适应性和对目标物体的可操作性，使灵巧手在工业生产、灾难救援等领域得到更广泛的应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一类并联的多模式机器人灵巧手，该类灵巧手手指可在手掌内发生移动，使灵巧手用指尖夹取物体后具有可重构的操作自由度。手指的主体结构为并联机构，且采用完全驱动方式，能够实现高承载的抓取，具有更大的工作空间，在对抓取任务的适应性和可操作性方面得到重要的提升。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案实现：

三种具有共同运动特性的并联的多模式机器人灵巧手，分别为RR-RRR灵巧手、RR-RPR灵巧手、RR-PRR灵巧手(R指代转动副、P指代移动副)。所述三种灵巧手均包括手掌、第一手指、第二手指及第三手指，其特征在于：

所述手掌包括手掌基架和一对共用驱动的双滑块机构模块。

进一步的，所述手掌基架包括第一手指固装点、电机槽、第一圆弧导轨、第二圆弧导轨。

进一步的，所述第一圆弧导轨与第二圆弧导轨关于手掌中心线对称，且每个圆弧导轨的第一末端法线和第二末端法线互相垂直，其中第一末端法线平行于手掌中心线。

进一步的，所述一对共用驱动的双滑块机构模块包括手掌驱动电机、滚珠丝杆、手掌驱动滑块、手掌第一连杆、手掌第二连杆、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块。

进一步的，所述手掌驱动电机固定于手掌基架的电机槽中；所述滚珠丝杆与手掌基架、手掌驱动电机、手掌驱动滑块连接形成直线移动副；所述手掌驱动滑块与手掌第一连杆、手掌第二连杆同时连接形成复合铰链；所述手掌第一连杆、手掌第二连杆分别与手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块连接形成转动副；所述手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块与手掌基架的第一圆弧导轨、第二圆弧导轨分别平面接触形成弧形移动副。

进一步的，所述手掌基架、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块都预留螺栓孔，用来与手指固接。

所述RR-RRR灵巧手手指主体结构为并联RR-RRR五杆机构，包括RR-RRR手指基座、手指曲柄、手指传动连杆、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指第一驱动电机、手指第二驱动电机、连接轴。

进一步的，所述手指第一驱动电机固接于RR-RRR手指基座上，并与手指曲柄通过连接轴连接形成转动关节；所述手指第二驱动电机固接于RR-RRR手指基座上，并与手指摇杆通过连接轴连接形成转动关节；所述手指曲柄与手指传动连杆通过连接轴连接形成转动关节；所述末端指杆分别与手指传动连杆、手指摇杆通过连接轴相连形成转动关节；所述柔性球状指尖与末端指杆固连。

进一步的，所述RR-RRR灵巧手第一手指，第二手指、第三手指通过螺栓分别安装于手掌的第一手指固装点、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块之上。

所述RR-RPR灵巧手手指主体结构为并联RR-RPR五杆机构，包括RR-RPR手指基座、手指直线驱动副组、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指驱动电机、连接轴。

进一步的，所述RR-RPR手指基座与手指直线驱动副组通过连接轴连接形成转动关节；所述手指驱动电机固接于RR-RPR手指基座上，并与手指摇杆通过连接轴连接形成转动关节；所述末端指杆分别与手指直线驱动副组、手指摇杆通过连接轴相连形成转动关节；所述柔性球状指尖与末端指杆固连。

进一步的，所述RR-RPR灵巧手第一手指，第二手指、第三手指通过螺栓分别安装于手掌的第一手指固装点、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块之上。

所述RR-PRR灵巧手手指主体结构为并联RR-PRR五杆机构，包括RR-PRR手指基座、手指驱动滑块、手指传动连杆、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指第一直线电机、手指第二驱动电机、连接轴。

进一步的，所述手指第一直线电机固接于RR-PRR手指基座上，并与手指驱动滑块连接形成移动关节；所述手指第二驱动电机固接于RR-PRR手指基座上，并与手指摇杆通过连接轴连接形成转动关节；所述手指驱动滑块与手指传动连杆通过连接轴连接形成转动关节；所述末端指杆分别与手指传动连杆、手指摇杆通过连接轴相连形成转动关节；所述柔性球状指尖与末端指杆固连。

进一步的，所述RR-PRR灵巧手第一手指，第二手指、第三手指通过螺栓分别安装于手掌的第一手指固装点、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块之上。

本发明的一类并联的多功能机器人灵巧手有益的技术效果是：1、通过在手掌之上设计一对共用驱动的双滑块机构与第二手指、第三手指相连，使手指的位置和姿态发生变化，从而实现灵巧手对所夹取物体的操作自由度是可重构的，对物体实现多模式操作，大大提高了灵巧手的任务适应性和对物体的可操作性。2、通过将手指结构设计为并联机构且采用完全驱动的方式，实现三指机器人灵巧手具有更高承载能力、更大的工作空间、更适应于抓取各种尺寸结构的物体、对所抓取物体具有更加灵活的手内可操作性。

附图说明

图1是本发明的RR-RRR灵巧手的整体结构示意图；

图2是本发明的RR-RPR灵巧手的整体结构示意图；

图3是本发明的RR-PRR灵巧手的整体结构示意图；

图4是本发明的一种并联的机器人灵巧手的手掌背面结构示意图；

图5是本发明的一种并联的机器人灵巧手的手掌正面结构示意图；

图6是本发明的RR-RRR灵巧手的手指结构示意图；

图7是本发明的RR-RPR灵巧手的手指结构示意图；

图8是本发明的RR-PRR灵巧手的手指结构示意图；

1.RR-RRR灵巧手第一手指，2.RR-RRR灵巧手第二手指，3.RR-RRR灵巧手第三手指，4.手掌5.RR-RPR灵巧手第一手指，6.RR-RPR灵巧手第二手指，7.RR-RPR灵巧手第三手指8.RR-PRR灵巧手第一手指，9.RR-PRR灵巧手第二手指，10.RR-PRR灵巧手第三手指

401.手掌基架，402.手掌驱动电机，403.滚珠丝杆，404.手掌驱动滑块，405.手掌第一连杆，406.手掌第二连杆，407.手掌第一从动滑块，408.手掌第二从动滑块

501.第一手指固装点，502.电机槽，503.第一圆弧导轨，504.第二圆弧导轨

601.手掌中心线，602.第一圆弧导轨第一末端法线，603.第一圆弧导轨第二末端法线，604.第二圆弧导轨第一末端法线，605.第二圆弧导轨第二末端法线

101.RR-RRR手指基座，102.手指第一驱动电机，103.手指曲柄，104.连接轴，105.手指传动连杆，106.末端指杆，107.柔性球状指尖，108.手指摇杆，109.手指第二驱动电机

201.RR-RPR手指基座，202.连接轴，203.手指直线驱动副组，204.末端指杆，205.柔性球状指尖，206.手指摇杆，207.手指驱动电机

301.RR-PRR手指基座，302.手指第一直线电机，303.手指驱动滑块，304.连接轴，305.手指传动连杆，306.末端指杆，307.柔性球状指尖，308.手指摇杆，309.手指第二驱动电机

001.第一凸台，002.第二凸台，003.第三凸台

101.基座，102.基座万向运动副，103.第一连杆，104.第二连杆，105.动平台万向运动副，106.动平台，107.直线运动副杆组

201.刚性末端指杆，202.球状柔性指尖

301.第一驱动电机，302.第二驱动电机

具体实施方式

为进一步了解本发明提供的一类并联的多模式机器人灵巧手，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述。

图1为本发明提供的RR-RRR灵巧手的整体结构示意图，在图1中，灵巧手包含手掌(4)、RR-RRR灵巧手第一手指(1)、RR-RRR灵巧手第二手指(2)、RR-RRR灵巧手第三手指(3)。

图2为本发明提供的RR-RPR灵巧手的整体结构示意图，在图2中，灵巧手包含手掌(4)、RR-RPR灵巧手第一手指(5)、RR-RPR灵巧手第二手指(6)、RR-RPR灵巧手第三手指(7)。

图3为本发明提供的RR-PRR灵巧手的整体结构示意图，在图3中，灵巧手包含手掌(4)、RR-PRR灵巧手第一手指(8)、RR-PRR灵巧手第二手指(9)、RR-PRR灵巧手第三手指(10)。

图4为本发明提供的一类并联的多模式机器人灵巧手的手掌背面结构示意图，在图4中，手掌包括手掌基架(401)和一对共用驱动的双滑块机构模块。其中，一对共用驱动的双滑块机构模块包括手掌驱动电机(402)、滚珠丝杆(403)、手掌驱动滑块(404)、手掌第一连杆(405)、手掌第二连杆(406)、手掌第一从动滑块(407)、手掌第二从动滑块(408)。手掌驱动电机(402)通过螺栓固接在手掌基架(401)上并与滚珠丝杆(403)连接。手掌驱动滑块(404)通过内螺纹孔与滚珠丝杆(403)连接形成直线移动副并沿丝杆轴线方向做往复平移运动。手掌第一连杆(405)、手掌第二连杆(406)与手掌驱动滑块(404)同时连接形成复合铰链。手掌第一从动滑块(407)、手掌第二从动滑块(408)与手掌第一连杆(405)、手掌第二连杆(406)分别相连形成转动副。

图5为本发明提供的一类并联的多模式机器人灵巧手的手掌正面结构示意图，在图5中，手掌基架(401)包括第一手指固装点(501)、电机槽(502)、第一圆弧导轨(503)、第二圆弧导轨(504)。其中，第一圆弧导轨(503)与第二圆弧导轨(504)关于手掌中心线(601)对称，且每个圆弧导轨的第一末端法线(602、604)和第二末端法线互相垂直(603、605)，且第一末端法线(602、604)平行于手掌中心线(601)。手掌第一从动滑块(407)、手掌第二从动滑块(408)与第一圆弧导轨(503)、第二圆弧导轨(504)分别平面接触形成圆弧形移动副。第一手指(1、5、8)通过螺栓固接在手掌基架(401)的中心线(601)上且位于手掌驱动电机(402)底部一侧。第二手指(2、6、9)通过螺栓和手掌第一从动滑块(407)固接，第三手指(3、7、10)通过螺栓和手掌第二从动滑块(408)固接。相对于手掌基架，第一手指(1、5、8)整体没有位置和姿态的变化，第二手指(2、6、9)和第三手指(3、7、10)整体在手掌平面内做完全对称的圆弧移动，位置和姿态都发生变化，从而实现可重构的自由度，完成对夹取物体的多模式操作。

图6是本发明提供的RR-RRR灵巧手的手指结构示意图，在图6中，RR-RRR灵巧手手指主体结构为并联RR-RRR五杆机构，包括RR-RRR手指基座(101)、手指曲柄(103)、手指传动连杆(105)、末端指杆(106)、柔性球状指尖(107)、手指摇杆(108)、手指第一驱动电机(102)、手指第二驱动电机(109)、连接轴(104)。其中，手指第一驱动电机(102)通过螺栓固接于RR-RRR手指基座(101)上，并与手指曲柄(103)通过连接轴(104)连接形成转动关节。手指第二驱动电机(109)固接于RR-RRR手指基座(101)上，并与手指摇杆(108)通过连接轴(104)连接形成转动关节。手指曲柄(103)与手指传动连杆(105)通过连接轴(104)连接形成转动关节。末端指杆(106)分别与手指传动连杆(105)、手指摇杆(108)通过连接轴(104)相连形成转动关节。柔性球状指尖(107)与末端指杆(106)固连。

图7是本发明提供的RR-RPR灵巧手的手指结构示意图，在图7中，RR-RPR灵巧手手指主体结构为并联RR-RPR五杆机构，包括RR-RPR手指基座(201)、手指直线驱动副组(203)、末端指杆(204)、柔性球状指尖(205)、手指摇杆(206)、手指驱动电机(207)、连接轴(202)。其中，RR-RPR手指基座(201)与手指直线驱动副组(203)通过连接轴(202)连接形成转动关节。手指驱动电机(207)固接于RR-RPR手指基座(201)上，并与手指摇杆(206)通过连接轴(202)连接形成转动关节。末端指杆(204)分别与手指直线驱动副组(203)、手指摇杆(206)通过连接轴(202)相连形成转动关节。柔性球状指尖(205)与末端指杆(204)固连。

图8是本发明提供的RR-PRR灵巧手的手指结构示意图，在图8中，RR-PRR灵巧手手指主体结构为并联RR-PRR五杆机构，包括RR-PRR手指基座(301)、手指驱动滑块(303)、手指传动连杆(305)、末端指杆(306)、柔性球状指尖(307)、手指摇杆(308)、手指第一直线电机(302)、手指第二驱动电机(309)、连接轴(304)。其中，手指第一直线电机(302)固接于RR-PRR手指基座(301)上，并与手指驱动滑块(303)连接形成移动关节。手指第二驱动电机(309)固接于RR-PRR手指基座(301)上，并与手指摇杆(308)通过连接轴(304)连接形成转动关节。手指驱动滑块(303)与手指传动连杆(305)通过连接轴(304)连接形成转动关节。末端指杆(306)分别与手指传动连杆(305)、手指摇杆(308)通过连接轴(304)相连形成转动关节。柔性球状指尖(307)与末端指杆(306)固连。

本发明提供的一类并联的多模式机器人灵巧手是并联的手指结构，电机安装于手指基座位置，充分的发挥并联机构的优势，与现有灵巧手相比大大提高了承载能力。因采用完全驱动的方式，手指能够灵活地向内外弯曲，比现有欠驱动灵巧手手指的工作空间增大近一倍，且具备了从物体腔内夹取的功能。进一步的，手指指尖设计为球状柔性指尖(107、205、307)，用指尖夹取物体后接触点等效于机构学运动副中的球副，夹取物体后每一个构态都可以等效为熟知的3-[P][S]类并联机构。进一步的，本发明的一类机器人灵巧手手掌主体结构设计为一对完全对称的双滑块机构，使灵巧手的第二手指(2、6、9)和第三手指(3、7、10)的位置和姿态随手掌驱动滑块(404)的运动而发生对应的变化，从而实现指尖夹取物体后整体等效为具有可重构自由度和多种的操作模式的并联机构。与现有灵巧手夹取功能相比，本发明的灵巧手能够对目标物体实现更加灵活的2转动2移动的手内操作，即对物体具有更好的可操作性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一类并联的多模式机器人灵巧手，所述灵巧手均包括手掌、第一手指、第二手指、第三手指，其特征在于：

所述手掌主体结构为一对关于手掌中心线完全对称的共用驱动的双滑块机构模块，每个手掌从动滑块所在的圆弧导轨的两个末端的法线互相垂直，且第一末端法线平行于手掌中心线。所述手指包括并联五杆RR-RRR手指、并联五杆RR-RPR手指、并联五杆RR-PRR手指三种。每个灵巧手的第一手指、第二手指、第三手指通过螺栓分别安装在手掌的第一手指固装点、手掌第一从动滑块、手掌第二从动滑块上。

2.根据权利要求1所述的并联的多模式机器人灵巧手，其特征在于：所述一对共用驱动的双滑块机构模块的驱动电机安装于手掌的电机槽中且通过滚珠丝杆控制手掌驱动滑块做直线往复移动。

3.根据权利要求1所述的并联的多模式机器人灵巧手，其特征在于：所述并联五杆RR-RRR手指包括RR-RRR手指基座、手指曲柄、手指传动连杆、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指第一驱动电机、手指第二驱动电机、连接轴；所述并联五杆RR-RPR手指包括RR-RPR手指基座、手指直线驱动副组、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指驱动电机、连接轴；所述并联五杆RR-PRR手指包括RR-PRR手指基座、手指驱动滑块、手指传动连杆、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆、手指第一直线电机、手指第二驱动电机、连接轴。

4.根据权利要求3所述的并联的多模式机器人灵巧手，其特征在于：所述RR-RRR手指基座、手指曲柄、手指传动连杆、末端指杆、手指摇杆通过连接轴依次连接形成并联五杆RR-RRR手指主体；RR-RPR手指基座、手指直线驱动副组、末端指杆、手指摇杆通过连接轴依次连接形成并联五杆RR-RPR手指主体；所述RR-PRR手指基座、手指驱动滑块、手指传动连杆、末端指杆、柔性球状指尖、手指摇杆通过面接触和连接轴依次连接形成并联五杆RR-PRR手指主体；所述T型末端指杆为并联五杆手指主体的输出构件，并与柔性球状指尖固接。

5.根据权利要求3所述的并联的多模式机器人灵巧手，其特征在于：所述手指第一驱动电机安装于RR-RRR手指基座且与手指曲柄连接；所述手指第二驱动电机安装在每一个手指的手指基座并与手指摇杆连接；所述手指第一直线电机安装于RR-PRR手指基座并驱动手指驱动滑块。