CN110497431A - 棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个电机和多个杆群组件等；杆群组件包括传动轴、齿轮、套筒、转盘、多个滑杆单元和多个棘爪单元；滑杆单元包括滑杆、套管和两个簧件；棘爪单元包括转轴、棘爪、簧件和拉动件。该装置可实现对物体大小和形状的自适应，对不同方向放置的物体可有效抓持，对物体位置不敏感；在抓取时利用棘爪约束第一簧件，仅释放第二簧件，确保滑杆对物体的抓持力在预设的一定范围内，该力不至于过大，抓取物体时不伤害物体，减少抓持内耗；利用分组转动套管实现平动抓取物体，有效抓取薄板类物体；抓持释放快速、稳定，控制容易，成本低。

Description

棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人领域的一个重要组成部分，用机器人手可完成抓取、移动和释放物体。

现存在较多的自适应滑杆阵列自适应抓持器(机器人手)，如Peter B.Scott在文献(Peter B.Scott,The“Omnigripper”:A Form of Robot Universal Gripper,Robotica,1985,vol.3:pp 153-158)中介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用夹持器Omnigripper。该夹持器具有两组滑杆集合，每组滑杆集合有多个相互平行的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组滑杆靠拢或离开，实现对物体的抓持。举例来说，当该装置抓取目标物体时，物体挤压长杆使其向基座内滑动，由于长杆数量较多，且长杆较细、直径较小，不同的长杆接触到不同的物体表面点，各长杆向手掌内的滑动距离不同，达到适应物体局部形状的目的；之后，一左一右的两组滑杆阵列夹持物体，利用长杆从侧面夹持住物体，达到抓取目的。

该装置的不足之处在于：

(1)利用簧件完成自适应过程，簧件在自适应物体表面形状时被压缩，形变量不断增长，随之弹力不断增加。当抓取物体较长、较大时，压缩变形量大，所产生的反推力大，此时采用平夹抓取目标物体时就需要提供更大的侧边摩擦力，也就是夹紧力更大。也就是说装置需要额外的力去克服弹簧造成的力，存在内耗较大的问题。

(2)对于特定方向放置的长条状物体抓持失效。当目标物体与该方向平行且目标物体在该方向上长于该装置，则目标物体不会因两组伸缩杆合拢而受到抓持力。

(3)抓持稳定性不够高。该装置对目标物体的抓持力仅由两组滑杆集合合拢而产生，抓持力仅在一个方向上提供，除此之外的方向上并没有抓持力；对于物体处在一组滑杆之中的情况也不能很好地抓取，因为抓持力主要来自于两组滑杆之间。

已有的一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置专利(公开号为CN105583831A)，包括基座、多个滑动推杆、膜皮、流体、多个活塞和多个簧件等。该装置利用多个滑动推杆获得对物体大小和形状的自适应效果；利用流体排出、膜皮和推杆的弯曲弹性实现多个推杆向中心聚拢的弯曲变形，达到对物体的多向抓持效果。

该装置的不足之处在于：

(1)利用簧件完成自适应过程，簧件在自适应物体表面形状时被压缩，形变量不断增长，随之弹力不断增加。当抓取物体较长、较大时，压缩变形量大，所产生的反推力大，此时采用聚拢抓取目标物体时也需要提供更大的侧边摩擦力或者托持力，也存在内耗大的问题。

(2)对于平板类薄板物体抓持失效。装置只能向中心聚拢，无法实现平动，目标物体在推杆的聚拢变形过程中不能接触，无法抓取。

(3)采用气动，噪音大，能耗高，抓取时必须保持气动的状态，抓取物体不精确，抓取前后，目标物体的位置变化大；抓取速度慢，不能快速抓取物体；需要气密性，时间长久后容易漏气，维护成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置。该装置适合抓取不同大小和形状的物体；对不同方向放置的各种物体可有效抓持；采用滑杆阵列的方式来抓取和适应物体，适应物体的滑杆对物体的抓持力在事先设定的一定范围内，不碰伤物体，内耗少；对物体位置不敏感，抓取快速，仅使用少量电机，控制容易。

本发明采用如下技术方案：

一种棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，包括基座、第一电机、第二电机、第一传动机构、第二传动机构、滑块和q个杆群组件；每个杆群组件包括传动轴、齿轮、套筒、转盘、m个滑杆单元和m个棘爪单元，所述齿轮、套筒分别套固在传动轴上，所述转盘滑动套接在传动轴上；其中，q为大于2的自然数，m为大于2的自然数；

所有所述传动轴均分别套设在基座中并相互平行，位于不同传动轴上的q个齿轮依次啮合；所述第一电机固接在基座上，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与其中一个传动轴相连；所述第二电机固接在基座上，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与滑块相连，在运动行程中所述滑块与所有转盘相连并带动转盘沿相应的传动轴滑动；

每个滑杆单元包括第一簧件、第二簧件、滑杆和套管，所述滑杆滑动镶嵌在相应的套筒中，并且所述滑杆的滑动方向与相应的传动轴的中心线相互平行；所述滑杆设有棘齿；所述套管滑动套接在滑杆上；所述第一簧件的两端分别连接滑杆和相应的套筒，所述第二簧件的两端分别连接滑杆和相应的套管；每个棘爪单元包括转轴、棘爪、第三簧件和拉动件，所述转轴套设在相应的套筒中，所述棘爪套接在转轴上，所述棘爪与棘齿啮合，所述第三簧件的两端分别连接棘爪和相应的套筒；所述拉动件设置在相应的套筒中，其端部与相应的棘爪相连、其另一端部与相应的转盘相连；所述第一簧件使得所连接的滑杆倾向于远离相应的套筒，所述第二簧件使得所连接的套管倾向于远离相应的滑杆，所述第三簧件使得所连接的棘爪倾向于靠向相应的滑杆。

进一步的，所述第一传动机构包括第一减速器、第一联轴器，所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一减速器的输出轴通过第一联轴器与其中一个传动轴相连。

进一步的，所述第二传动机构包括第二减速器、第二联轴器、丝杠、螺母，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第二减速器的输出轴通过第二联轴器与丝杠相连，所述丝杠与螺母配合形成螺纹传动；所述螺母滑动镶嵌在基座中，所述螺母与滑块相连。

进一步的，所述套管的外表面包覆着弹性薄膜。

进一步的，所述拉动件采用腱绳或连杆。

进一步的，所述第一电机、第二电机均采用直流电机。

本发明与现有技术相比，具有以下突出特点和有益效果：

所述机器人手装置采用电机、齿轮、套筒、转盘、滑杆、套管、簧件和棘爪等综合实现了一种通用抓持器。该装置适合抓取物体，具有自适应特点，对物体大小和形状可以自动适应，采用阵列的滑杆被动适应物体，对不同方向放置的物体均可以抓取，例如可以抓取长度超过装置范围的长条状物体；对物体位置不敏感，无需物体精确位于装置中心；采用棘爪将第一簧件弹力约束住，仅释放第二簧件对物体的弹力，不仅减少了抓持过程的内耗，而且适应物体时各套管对物体的接触作用力被限定在一定范围内，该力不会过大，这样不伤害物体，尤其适合抓取需易碎和易受影响的物体，例如在水下抓取海洋生物；在释放时利用第一簧件的弹力可以加快滑杆和套管的快速还原；利用分组转动杆群组件实现多套管平动方式抓取物体，可有效抓取桌面上薄板类物体；抓持稳定且快速，耗时短；仅用两个电机，抓取与释放控制比较容易；装置的制造与维护成本低，可以用在需要通用抓取的各种自动化场景中。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明提供的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置的实施例的立体图。

图2是图1所示实施例另一角度观看的立体图。

图3是图1所示实施例除去基座的立体图。

图4是图1所示实施例除去基座的正视图。

图5是图4的仰视图。

图6是图5的K-K剖视图。

图7是图6所示实施例一个滑杆单元的局部视图。

图8至图10是图1所示实施例抓取目标物体的过程示意图。

图11是图9的仰视图。

图12是图10的仰视图。

图13是图1所示实施例抓取目标物体的立体图。

【附图标记】

1-基座，10-盖板，11-上板，12-中板，

13-下板，21-第一电机，22-第二电机，31-第一减速器，

32-第二减速器，41-第一联轴器，42-第二联轴器，51-丝杠，

52-螺母，53-滑块，61-传动轴，62a-第1个齿轮，

62b-第2个齿轮，62c-第3个齿轮，62d-第4个齿轮，63-套筒，

64-转盘，71-第一簧件，72-第二簧件，73-滑杆，

731-棘齿，74-套管，81-转轴，82-棘爪，

83-第三簧件，84-拉动件，9-物体，91-工作台面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，包括基座、第一电机、第二电机、第一传动机构、第二传动机构、滑块和q个杆群组件；每个杆群组件包括传动轴、齿轮、套筒、转盘、m个滑杆单元和m个棘爪单元，所述齿轮、套筒分别套固在传动轴上，所述转盘滑动套接在传动轴上；q个传动轴均分别套设在基座中并相互平行，定义第1个传动轴上的齿轮为第1个齿轮、第2个传动轴上的齿轮为第2个齿轮、……、第q个传动轴上的齿轮为第q个齿轮，则第1个齿轮和第2个齿轮啮合，第2个齿轮和第3个齿轮啮合，……，第q-1个齿轮和q个齿轮啮合，实现位于不同传动轴上的q个齿轮依次啮合；所述第一电机固接在基座上，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与其中一个传动轴相连；所述第二电机固接在基座上，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与滑块相连，在运动行程中所述滑块与所有转盘相连并带动转盘沿相应的传动轴滑动；每个滑杆单元包括第一簧件、第二簧件、滑杆和套管，所述滑杆滑动镶嵌在相应的套筒中，并且所述滑杆的滑动方向与相应的传动轴的中心线相互平行；所述滑杆设有棘齿；所述套管滑动套接在滑杆上；所述第一簧件的两端分别连接滑杆和相应的套筒，所述第二簧件的两端分别连接滑杆和相应的套管；每个棘爪单元包括转轴、棘爪、第三簧件和拉动件，所述转轴套设在相应的套筒中，所述棘爪套接在转轴上，所述棘爪与棘齿啮合，所述第三簧件的两端分别连接棘爪和相应的套筒；所述拉动件设置在相应的套筒中，其端部与相应的棘爪相连、其另一端部与相应的转盘相连；所述第一簧件使得所连接的滑杆倾向于远离相应的套筒，所述第二簧件使得所连接的套管倾向于远离相应的滑杆，所述第三簧件使得所连接的棘爪倾向于靠向相应的滑杆；其中，q为大于2的自然数，m为大于2的自然数。

取q＝4，m＝4，则本发明所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一电机21、第二电机22、第一传动机构、第二传动机构、滑块53和4个杆群组件。每个杆群组件包括传动轴61、齿轮、套筒63、转盘64、4个滑杆单元和4个棘爪单元，所述齿轮、套筒63分别套固在传动轴61上，所述转盘64滑动套接在传动轴61上并位于齿轮与套筒之间。4个杆群组件的4个所述传动轴61均分别套设在基座1中，并且4个所述传动轴61相互平行；同时为便于说明，本实施例沿图3所示的顺时针走向将位于不同传动轴上的齿轮依次命名为第1个齿轮62a、第2个齿轮62b、第3个齿轮62c、第4个齿轮62d，所述第1个齿轮62a和第2个齿轮62b啮合，第2个齿轮62b和第3个齿轮62c啮合，第3个齿轮62c和第4个齿轮62d啮合。

所述第一电机21固接在基座1上，第一电机21的输出轴与第一传动机构的输入端相连，第一传动机构的输出端与其中一个杆群组件的传动轴61相连，本实施例中第一传动机构的输出端与套固有第1个齿轮62a的传动轴61相连。所述第二电机22固接在基座1上，第二电机22的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与滑块53相连。本实施例中所述滑块与转盘为接触配合，在初始位置时所述滑块53离开4个杆群组件的4个转盘64一段距离，此时滑块53与4个转盘64均不接触；在运动行程中所述滑块53向上运动与4个杆群组件的4个转盘64相接触并带动转盘64沿相应的传动轴61滑动，当然在本发明的其他实施例中所述滑块与转盘可以采用其他的连接方式实现在运动行程中滑块与所有转盘相接从而带动转盘沿相应的传动轴滑动。

每个滑杆单元包括第一簧件71、第二簧件72、滑杆73和套管74，所述滑杆73滑动镶嵌在相应的套筒63中并且滑杆73的滑动方向与相应的传动轴61的中心线相互平行；所述滑杆73设有棘齿731；所述套管74滑动套接在滑杆73上；所述第一簧件71的两端分别连接滑杆73和相应的套筒63，所述第一簧件71使得所连接的滑杆73倾向于远离相应的套筒63；所述第二簧件72的两端分别连接滑杆73和相应的套管74，所述第二簧件72使得所连接的套管74倾向于远离相应的滑杆73。

每个棘爪单元包括转轴81、棘爪82、第三簧件83和拉动件84，所述转轴81套设在相应的套筒63中，所述棘爪82套接在转轴81上，所述棘爪82与相应的滑杆73上的棘齿731啮合；所述第三簧件83的两端分别连接棘爪82和相应的套筒63，所述第三簧件83使得所连接的棘爪82倾向于靠向相应的滑杆73，保证棘爪与棘齿的啮合；所述拉动件设置在相应的套筒63中，其下端与相应的棘爪82相连、其上端与相应的转盘64相连。

本实施例中，所述基座1包括盖板10、上板11、中板12和下板13；所述盖板10、上板11、中板12和下板13固接。

本实施例中，所述转盘64可通过内外花键、多边孔、异型孔等连接方式滑动套接在相应的传动轴61上，既能使转盘在滑块的带动下沿相应的传动轴滑动，又能使转盘在传动轴的带动下随传动轴同步转动。

本实施例中，所述第一传动机构包括第一减速器31和第一联轴器41；所述第一电机21的输出轴与第一减速器31的输入轴相连，第一减速器31的输出轴通过第一联轴器41与套固有第1个齿轮62a的传动轴61相连。

本实施例中，所述第二传动机构包括第二减速器32、第二联轴器42、丝杠51和螺母52；所述第二电机22的输出轴与第二减速器32的输入轴相连，所述第二减速器32的输出轴通过第二联轴器42与丝杠51相连；所述丝杠51与螺母52配合形成螺纹传动；所述螺母52滑动镶嵌在基座1中；所述螺母52与滑块53相连。

本实施例中，套管74的外表面包覆着弹性薄膜。

本实施例中，拉动件84采用连杆。当然在本发明的其他实施例中拉动件也可以采用腱绳。

本实施例中，第一电机21采用直流电机，第二电机22采用直流电机。

下面结合附图介绍本实施例的工作原理：

本实施例的初始状态如图1至图7所示，此时滑杆73在第一簧件71的作用下伸出套筒63，套管74在第二簧件72的作用下伸出滑杆73，棘爪82在第三簧件83的作用下紧靠棘齿731，棘爪82与棘齿731的啮合使得滑杆73单向可动：滑杆73只能在外力作用下向套筒63内部滑动，滑杆73不能向套筒63外部滑动，此时，滑块53与4个转盘64均未接触。

该装置安装于工业机械臂的末端，该装置在工业机械臂的带动下从上向下靠近并接触放在工作台面91上的待抓取的物体9，此时，套管74接触物体9，套管74受物体9挤压向上滑动，第一簧件71、第二簧件72分别被压缩，滑杆73在套筒63中滑动使得第一簧件71变形量增大；套管74在滑杆73上滑动使得第二簧件72变形量增大。

由于不同的套管74在物体9的挤压作用下会产生不同的滑动距离，自适应地包围目标物体9，如图9所示。

当装置适应了物体9的形状之后，第一电机21转动，通过第一减速器31、第一联轴器41使得传动轴61转动，带动各个齿轮62a、62b、62c、62d转动，带动套筒63和转盘64转动，滑杆73、套管74绕相应的传动轴61的中心线转动，套管74平动夹住物体9，工业机械臂上移，该装置完成抓取，抓取过程如图8至图13所示。

由于棘齿731、棘爪82的存在，第一簧件71压缩产生的弹力被约束，仅释放第二簧件72的弹力，因此，第一簧件71的弹力由棘爪82承担，末端接触物体9的套管74对物体9的向下作用力仅为第二簧件72的弹力，这样使得套管74对物体9的向下作用力控制在了预设的一定范围内，抓取物体9所需要的向上摩擦力由侧面接触物体9的套管74提供，套管74所需要提供的向上摩擦力可以比较小，内耗少，同时抓取比较快速，多套管74的多个接触点提供了各个方向的抓持力，抓取稳定。

释放物体时，第二电机22转动，通过第二减速器32、第二联轴器42带动丝杠51转动，螺母52在基座1中向上滑动，带动滑块53一起向上运动，滑块53接触并带动4个转盘64向上运动，通过拉动件84使得棘爪82绕转轴81向上转动，棘爪82离开棘齿731；此时，第一电机21反转，通过传动轴61带动各个齿轮62a、62b、62c、62d转动，套筒63转动，套管74离开物体9，物体在第一簧件71和第二簧件72的弹力作用下快速释放。

之后，第二电机22反转，通过第二传动机构，使得滑块53向下运动，4个转盘同时向下运动，从而使得拉动件84不再拉动棘爪82，棘爪82啮合棘齿731，该装置还原到初始位置，等待下一次抓取。

本发明装置采用电机、齿轮、套筒、转盘、滑杆、套管、簧件和棘爪等综合实现了一种通用抓持器。该装置适合抓取物体，具有自适应特点，对物体大小和形状可以自动适应，采用阵列的滑杆被动适应物体，对不同方向放置物体均可以抓取，例如可以抓取长度超过装置范围的长条状物体；对物体位置不敏感，无需物体精确位于装置中心；采用棘爪将第一簧件弹力约束住，仅释放第二簧件对物体的弹力，不仅减少了抓持过程的内耗，而且适应物体时各套管对物体的接触作用力被限定在一定范围内，该力不会过大，这样不伤害物体，尤其适合抓取需易碎和易受影响的物体，例如在水下抓取海洋生物；在释放时利用第一簧件的弹力可以加快滑杆和套管的快速还原；利用分组转动杆群组件实现多套管平动方式抓取物体，可有效抓取桌面上薄板类物体；抓持稳定且快速，耗时短；仅用两个电机，抓取与释放控制比较容易；装置的制造与维护成本低，可以用在需要通用抓取的各种自动化场景中。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的设计和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、第一电机、第二电机、第一传动机构、第二传动机构、滑块和q个杆群组件；每个杆群组件包括传动轴、齿轮、套筒、转盘、m个滑杆单元和m个棘爪单元，所述齿轮、套筒分别套固在传动轴上，所述转盘滑动套接在传动轴上；其中，q为大于2的自然数，m为大于2的自然数；

所有所述传动轴均分别套设在基座中并相互平行，位于不同传动轴上的q个齿轮依次啮合；所述第一电机固接在基座上，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与其中一个传动轴相连；所述第二电机固接在基座上，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与滑块相连，在运动行程中所述滑块与所有转盘相连并带动转盘沿相应的传动轴滑动；

每个滑杆单元包括第一簧件、第二簧件、滑杆和套管，所述滑杆滑动镶嵌在相应的套筒中，并且所述滑杆的滑动方向与相应的传动轴的中心线相互平行；所述滑杆设有棘齿；所述套管滑动套接在滑杆上；所述第一簧件的两端分别连接滑杆和相应的套筒，所述第二簧件的两端分别连接滑杆和相应的套管；每个棘爪单元包括转轴、棘爪、第三簧件和拉动件，所述转轴套设在相应的套筒中，所述棘爪套接在转轴上，所述棘爪与棘齿啮合，所述第三簧件的两端分别连接棘爪和相应的套筒；所述拉动件设置在相应的套筒中，其端部与相应的棘爪相连、其另一端部与相应的转盘相连；所述第一簧件使得所连接的滑杆倾向于远离相应的套筒，所述第二簧件使得所连接的套管倾向于远离相应的滑杆，所述第三簧件使得所连接的棘爪倾向于靠向相应的滑杆。

2.根据权利要求1所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一联轴器，所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一减速器的输出轴通过第一联轴器与其中一个传动轴相连。

3.根据权利要求1所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第二减速器、第二联轴器、丝杠、螺母，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第二减速器的输出轴通过第二联轴器与丝杠相连，所述丝杠与螺母配合形成螺纹传动；所述螺母滑动镶嵌在基座中，所述螺母与滑块相连。

4.根据权利要求1所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：所述套管的外表面包覆着弹性薄膜。

5.根据利要求1所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：所述拉动件采用腱绳或连杆。

6.根据权利要求1所述的棘爪锁力分组转动平抓多杆自适应机器人手装置，其特征在于：所述第一电机、第二电机均采用直流电机。