CN110696026A - 一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人应用设备，尤其是一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手。现有的两指机械手多采用连杆传动，抓取力较大，可控性强，但是结构复杂，且在抓取时，运动与力相关联，导致机械手柔顺性差，不易实现自适应抓取。对现有两指机械手的不足提供了一种基于欠驱动的设计方法，结合差动机构与柔性耦合的特点，采用最少的主被动传动链数目，实现主动解除耦合或被动解除耦合，保证了在传动链中的机械手的运动与力传递相互独立，提高机械传动的稳定性和鲁棒性的同时赋予机械手适应外部环境的能力。

Description

一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手

技术领域

本发明涉及一种机器人应用设备，尤其是一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手。

背景技术

近年来，因为机器人已经开始与周围环境互动，帮助人类完成灵巧的任务，机器人抓取和灵巧操作领域受到了越来越多的关注。而机械手因为与环境交互，可以被认为是自动化操作的一个关键组件，特别是在机器人易用性、自动化程度、研究抓取应用等方面有着重要作用，是机器人核心部件之一。

因此，机械手设计是至关重要的。随着机器人应用范围的扩大，多指灵巧机械手应运而生。虽然多指灵巧机械手可满足多样、复杂的应用需求，但是价格昂贵，控制难度高，仍处于研究阶段，并没有真正应用于工业。而手指的最小数目和一只手的最小复杂度对应的是两指机械手。

因此，工业自动化和机器人中安装的大多数抓取系统都是机械的两指机械手，它们既可用于操作，也可用于组装，大多数任务都可以通过两指抓取配置来执行。现有的两指机械手多采用连杆传动，抓取力较大，可控性强，但是结构复杂，且在抓取时，运动与力相关联，导致机械手柔顺性差，不易实现自适应抓取。

发明内容

本发明目的在于对现有两指机械手的不足提供了一种基于欠驱动的设计方法，结合差动机构与柔性耦合的特点，采用最少的主被动传动链数目，实现主动解除耦合或被动解除耦合，保证了在传动链中的机械手的运动与力传递相互独立，提高机械传动的稳定性和鲁棒性的同时赋予机械手适应外部环境的能力。依据该方法设计的两指机械手能够自适应地实现包络抓取和平行捏取，同时具有结构简单、传动效率高、易于控制的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手，包括手掌；手掌铰接有两个相对设置的第一手指和第二手指,第一手指和第二手指均包括与手掌铰接的近指段，铰接处安装有近关节滑轮组；近指段铰接有远指段，铰接处安装有远关节滑轮组；两个远指段通过弯曲钢丝和伸展钢丝相连；弯曲钢丝和伸展钢丝均缠绕近关节滑轮组和远关节滑轮组且缠绕方向相反；弯曲钢丝绕过有差动滑轮，伸展钢丝中部两端分别绕过第一伸展滑轮和第二伸展滑轮后再绕过差动滑轮；差动滑轮连接有升降机构；远指段和近指段间安装有第一耦合机构；第一手指和第二手指之间安装有第二耦合机构。

进一步的改进，所述弯曲钢丝和伸展钢丝所组成的传动链相对手掌中轴对称布置，保证最少的主被动传动链数目。

进一步的改进，所述升降机构包括差动滑块，差动滑块滑动连接有导杆；所述差动滑块下端连接有第一驱动钢丝，差动滑块上端连接有第二驱动钢丝；第二驱动钢丝绕过有驱动滑轮后与第一驱动钢丝同向缠绕连接在驱动轴上，动力滑轮组上连接有电机。

进一步的改进，所述电机通过螺丝与电机支架相连，所述电机支架通过第三螺栓与壳体固连，所述电机的输出轴通过联轴器与驱动轴联结，所述驱动轴与驱动轴支架过盈配合，所述驱动轴支架通过第四螺栓与壳体连接，驱动轴上加工有第一驱动凹槽、第二驱动凹槽及分别用于固定第一驱动钢丝和第二驱动钢丝通孔和紧定螺纹孔，所述的第一驱动凹槽绕有第一驱动钢丝，所述第一驱动钢丝一端固定在第一驱动凹槽上，另一端绕过第一驱动凹槽后，穿过差动滑块上设有的下连接孔并固定，所述第二驱动凹槽绕有第二驱动钢丝，所述第二驱动钢丝一端固定在第二驱动凹槽上，另一端绕过第二驱动凹槽后，穿过差动滑块上设有的上连接孔并固定，所述差动滑块通过线性轴承在导杆中实现来回滑动，所述导杆插接于壳体中，所述驱动滑轮套于第三连接轴上，所述第三连接轴与第一滑轮基座过盈配合，所述过第一滑轮基座通过第五螺栓连接于壳体。

进一步的改进，所述导杆固定在壳体内；驱动滑轮轴接在壳体顶部，第一伸展滑轮和第二伸展滑轮分别轴接在壳体底部两侧。

进一步的改进，所述第一耦合机构为第一耦合弹簧，第一耦合弹簧一端绕过近关节滑轮组后与远指段相连，另一端缠绕远关节滑轮组后与近指段相连。第一耦合机构为关节间耦合，按照人手弯曲角度的比例关系设计耦合滑轮半径。

进一步的改进，所述第二耦合机构为第二耦合弹簧，第二耦合弹簧两端分别通过第二耦合钢丝缠绕近关节滑轮组后与第一手指的近指段和第二手指的近指段相连。第二耦合机构为手指间间耦合，协同两手指的运动操作。

进一步的改进，所述升降机构为气缸、油缸或丝杆机构。

进一步的改进，所述伸展钢丝与弯曲钢丝均绕于远关节滑轮组和近关节滑轮组上不同的滑轮上，以避免发生干涉。

本发明的有益效果是，本发明通过最少的主被动传动链布置与双向传动设计，保证了自由运动过程中，夹持机构无需抵消弹性力则可保持两指指尖始终相对平行，减少了驱动力的传动损耗，有效实现了指尖精细捏取；由于伸展钢丝、弯曲钢丝与耦合钢丝绕于不同的滑轮上，在传动链中夹持机构的运动与力的传递相互独立，互不影响，能有效改善传动性能，进而提高抓取稳定性与可靠性；单电机驱动与柔性耦合机构的设计既能实现手指上的柔顺性，又在提高机械手自适应抓取能力的同时简化控制设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明示意图及手指结构图；

图2为弯曲钢丝绕线示意图；

图3为伸展钢丝绕线示意图；

图4为驱动钢丝绕线、第二耦合钢丝绕线示意图及驱动轴局部剖视图；

图5为第一耦合钢丝绕线示意图；

图6为两指机械手自由状态下的运动示意图；

图7为两指机械手实现包络抓取的示意图及耦合弹簧状态示意图；

图8为两指机械手实现精细捏取的示意图及耦合弹簧状态示意图；

图中1.夹持机构，101.第一手指，102.第二手指，103.手掌，104.第一螺栓，105.加强筋,106.远指段,107.远指段支座,108.第一连接轴,109.近指段,110.远关节滑轮组，111.远弹簧滑轮，112.弹簧凹槽，113.第二连接轴，114.手指基座，115.近关节滑轮组，116.近弹簧滑轮，117.第二螺栓,

2.耦合机构，201.第一耦合弹簧，202.第二耦合弹簧，203.第一耦合钢丝，204.第二耦合钢丝，

3.壳体，

4.驱动机构，401.电机，402.螺丝，403.电机支架，404.第三螺栓，405.联轴器，406.驱动轴，407.驱动轴支架，408.第四螺栓，409.通孔，410.紧定螺纹孔，411.第一驱动凹槽，412.第一驱动钢丝，413.差动滑块，414.紧定螺丝，415.下连接孔，416.第二驱动凹槽，417.第二驱动钢丝，418.上连接孔，419.线性轴承，420.导杆，421.驱动滑轮，422.第三连接轴，423.第一滑轮基座，424.第五螺栓，

5.传动机构，501.弯曲钢丝，502.伸展钢丝，503.第一差动滑轮，504.第二差动滑轮，505.第一伸展滑轮，506.第二伸展滑轮，507.第四连接轴，508.第五连接轴，509.第二滑轮基座。

具体实施方式

【实施例1】

本发明在未抓取物体时，即自由运动状态下，可实现两指尖相对平行的运动。运动过程如图6所示。该机械手结构如图1所示，包括夹持机构1、耦合机构2、壳体3及设置在壳体3内的驱动机构4、传动机构5。其中，夹持机构1包含有第一手指101、第二手指102及手掌103，第二手指102与第一手指101结构相同，手掌103通过第一螺栓104与壳体连接，手掌103中设有加强筋105，第一手指101设有远指段106，远指段106套在远指段支座107上，远指段支座107通过第一连接轴108与近指段109铰接，第一连接轴108中间串有远关节滑轮组110，两端分别串有一个远弹簧滑轮111，近指段109两侧加工有弹簧凹槽112，用于放置弹簧和观察弹簧状态，利于检修与维护。近指段109通过第二连接轴113与手指基座114铰接，第二连接轴113中间串有近关节滑轮组115，两端分别串有一个近弹簧滑轮116，手指基座114通过第二螺栓与壳体3连接，远关节滑轮组110和近关节滑轮组115均包含双滑轮槽。驱动机构4含有电机401，电机401的输出轴通过联轴器405与驱动轴406联结，驱动轴406上加工有第一驱动凹槽411、第二驱动凹槽416及对应的通孔409和紧定螺纹孔410用于固定驱动钢丝，第一驱动凹槽绕有第一驱动钢丝，第一驱动凹槽411绕有第一驱动钢丝412，第一驱动钢丝412一端固定在第一驱动凹槽411上，另一端绕过第一驱动凹槽411后，穿过差动滑块413上设有的下连接孔415并固定，第二驱动凹槽416绕有第二驱动钢丝417，第二驱动钢丝417一端固定在第二驱动凹槽416上，另一端绕过第二驱动凹槽416后，穿过差动滑块413上设有的上连接孔418并固定，差动滑块413通过线性轴承419在导杆420中实现来回滑动。本实施例的固定方式如图4所示，驱动轴406上加工有驱动凹槽、对应的通孔409及紧定螺纹孔410用于固定驱动钢丝，通孔409与对应的紧定螺纹孔410相交，驱动钢丝绕在驱动凹槽中，穿过对应通孔409并用紧定螺丝414固定。

当电机401转动时，驱动轴406通过联轴器405带动转动，使固定在驱动轴406上的驱动钢丝移动，从而使差动滑块413在导杆420中进行上下的往复运动；传动机构5中设有弯曲钢丝501与伸展钢丝502，弯曲钢丝501传动链与伸展钢丝502传动链关于手掌对称布置，本实施例采用的绕线分别如图2、图3所示，弯曲钢丝501与伸展钢丝502一端均系于第一手指101的远指段支座107上，弯曲钢丝501另一端绕过第一手指101的远关节滑轮组110滑轮、近关节滑轮组115滑轮一周后，经过第一差动滑轮503、第二差动滑轮504绕第二手指的近关节滑轮组115的滑轮、远关节滑轮组110的滑轮一周，最后固定在第二手指的远指段支座上，伸展钢丝502另一端则分别绕过第一手指101的远关节滑轮组110滑轮、近关节滑轮组115滑轮一周后，按序经过第一伸展滑轮505、第一差动滑轮503、第二差动滑轮504、第二伸展滑轮506，绕第二手指102的近关节滑轮组滑轮、远关节滑轮组滑轮一周后固定于第二手指102的远指段支座上，第一差动滑轮503与第二差动滑轮504均由两片独立转动的滑轮组成，且通过第四连接轴507与差动滑块413连接。差动滑轮413运动位置存在上、下限位(如图6所示a,c位置)，当差动滑块413从上限位至下限位移动时，弯曲钢丝501拉紧，伸展钢丝502放松，两手指在弯曲钢丝501作用下可夹持物体；当差动滑块413从下限位至上限位移动时，伸展钢丝502拉紧，弯曲钢丝501放松，两手指在伸展钢丝502作用下可松开物体。

两个运动过程中，第一手指101和第二手指102位移量相互弥补，钢丝绳不产生多余行程，保证指尖相对平动，且第一耦合弹簧201和第二耦合弹簧202均没有被压缩或被拉伸，即在自由运动状态下，无需克服弹簧力，减少了传动过程中的损耗。

【实施例2】

手指采用滑轮钢丝驱动方式，各关节之间通过耦合弹簧和耦合钢丝的作用弹性耦合，当手指不接触物体自由运动时耦合弹簧不发生变形，当手指接触到物体后顺应物体形状时耦合弹簧发生变形。耦合机构2设有第一耦合弹簧201和第二耦合弹簧202，第一耦合弹簧201置于近指段109两侧的弹簧凹槽中，第一耦合弹簧201两端连有第一耦合钢丝203(如图5所示)，第一耦合钢丝203一端固定于近指段114上，另一端固定于远指段支座107后侧，第二耦合弹簧202置于手掌103的加强筋105两侧，第二耦合弹簧202两端连有第二耦合钢丝204(如图4所示)，分别固定于第一手指101的近指段109与第二手指102的近指段上，两类耦合弹簧共同保证机械手的柔性耦合：远近关节耦合与指间耦合。对于不同形状、尺寸的物体，本发明可实现包络抓取，抓取示意图及耦合弹簧状态如图7所示，在手指运动过程中，近指段先触碰物体时，会进一步驱动远指段依次弯曲最终实现对物体的包络抓取动作，当电机401转动过程中某一根手指先触碰到物体时(假定为第一手指101)，在第一手指101包络住物体以后，第一手指101远指段106不再继续弯曲，差动滑块继续下移，远弹簧滑轮111和近弹簧滑轮116克服弹簧阻力旋转，从而带动第一手指101远指段106继续弯曲，直至触碰到物体并对物体施加相应的抓取力，电机401停转。抓取细小物品需要一定的准确性与操作性，本发明可实现精确捏取，抓取示意图及耦合弹簧状态如图8所示。当手指运动过程中近指段109*一直未碰到物体时，远指段一直保持竖直状态，直到远指段106触碰到物体，两手指相对。由于两关节间存在第一耦合弹簧201，两者的转角比是一定的，此时手指并未触碰到物体，即处于自由运动状态，远弹簧滑轮111和近弹簧滑轮116不发生旋转。第一耦合弹簧和第二耦合弹簧的刚度根据抓取实际物体所需力任意选定。

耦合弹簧与耦合钢丝串联，在耦合弹簧不发生变形时发挥耦合钢丝的耦合功能，使手指关节之间成比例运动；在弹簧发生形变时打破钢丝施加给关节的耦合关系，使手指自适应性大大提高。

以上所述仅为本发明的实施例，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 (9)

1.一种基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，包括手掌(103)；手掌(103)铰接有两个相对设置的第一手指(101)和第二手指(102),第一手指(101)和第二手指(102)均包括与手掌(103)铰接的近指段(109)，铰接处安装有近关节滑轮组(115)；近指段(109)铰接有远指段(106)，铰接处安装有远关节滑轮组(110)；两个远指段(106)通过弯曲钢丝(501)和伸展钢丝(502)相连；弯曲钢丝(501)和伸展钢丝(502)均缠绕近关节滑轮组(115)和远关节滑轮组(110)且缠绕方向相反；弯曲钢丝(501)绕过有差动滑轮，伸展钢丝(502)中部两端分别绕过第一伸展滑轮(505)和第二伸展滑轮(506)后再绕过差动滑轮；差动滑轮连接有升降机构；远指段(106)和近指段(109)间安装有第一耦合机构；第一手指(101)和第二手指(102)之间安装有第二耦合机构。

2.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述升降机构包括差动滑块(414)，差动滑块(414)滑动连接有导杆(420)；所述差动滑块(414)下端连接有第一驱动钢丝(412)，差动滑块(414)上端连接有第二驱动钢丝(417)；第二驱动钢丝(417)绕过有驱动滑轮(421)后与第一驱动钢丝(412)同向缠绕连接在驱动轴(406)上，动力滑轮组上连接有电机(401)。

3.如权利要求2所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述电机(401)通过螺丝(402)与电机支架(403)相连，所述电机支架(403)通过第三螺栓(404)与壳体(3)固连，所述电机(401)的输出轴通过联轴器(405)与驱动轴(406)联结，所述驱动轴(406)与驱动轴支架(407)过盈配合，所述驱动轴支架(407)通过第四螺栓(408)与壳体(3)连接，驱动轴(406)上加工有第一驱动凹槽(411)、第二驱动凹槽(416)及分别用于固定第一驱动钢丝(412)和第二驱动钢丝(417)通孔(409)和紧定螺纹孔(410)，所述的第一驱动凹槽(411)绕有第一驱动钢丝(412)，所述第一驱动钢丝(412)一端固定在第一驱动凹槽(411)上，另一端绕过第一驱动凹槽(411)后，穿过差动滑块(413)上设有的下连接孔(415)并固定，所述第二驱动凹槽(416)绕有第二驱动钢丝(417)，所述第二驱动钢丝(417)一端固定在第二驱动凹槽(416)上，另一端绕过第二驱动凹槽(416)后，穿过差动滑块(413)上设有的上连接孔(418)并固定，所述差动滑块(413)通过线性轴承(419)在导杆(420)中实现来回滑动，所述导杆(420)插接于壳体(3)中，所述驱动滑轮(421)套于第三连接轴(422)上，所述第三连接轴(422)与第一滑轮基座(423)过盈配合，所述过第一滑轮基座(423)通过第五螺栓(424)连接于壳体(3)。

4.如权利要求2所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述导杆(420)固定在壳体(3)内；驱动滑轮(421)轴接在壳体(3)顶部，第一伸展滑轮(505)和第二伸展滑轮(506)分别轴接在壳体(3)底部两侧。

5.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述第一耦合机构为第一耦合弹簧(201)，第一耦合弹簧(201)一端绕过近关节滑轮组(115)后与远指段(106)相连，另一端缠绕远关节滑轮组(110)后与近指段(109)相连。

6.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述第二耦合机构为第二耦合弹簧(202)，第二耦合弹簧(202)两端分别通过第二耦合钢丝(204)缠绕近关节滑轮组(115)后与第一手指(101)的近指段(109)和第二手指(102)的近指段(109)相连。

7.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述升降机构为气缸、油缸或丝杆机构。

8.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述伸展钢丝(502)与弯曲钢丝(501)均绕于远关节滑轮组(110)和近关节滑轮组(115)上不同的滑轮上，以避免发生干涉。

9.如权利要求1所述的基于柔性耦合的差动驱动式机械手，其特征在于，所述弯曲钢丝(501)和伸展钢丝(502)所组成的传动链均相对手掌中轴对称布置。

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