CN111152257A - 仿蒲公英通用抓取机器人手装置 - Google Patents
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Abstract
仿蒲公英通用抓取机器人手装置，包括基座、导柱、支撑件、N个滑管组件、电机、传动机构和滑动外筒。该装置用于机器人手抓取物体，具有三维空间多个方向的自动适应物体形状、尺寸的特点，抓取时方便，控制简单，仅使用一个电机即可完成对物体的抓取，利用滑杆的伸缩达到对不同物体形状适应能力，结合导柱与滑动外筒的相对运动来挤压多个滑管组件从分散状收拢抓取物体，由于是多向抓取因而抓取更加稳定，适应能力好，抓取力较大，适合应用于需要机器人灵活抓取且抓取物体形状、尺寸不确定的场合。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及仿蒲公英通用抓取机器人手装置的结构设计。
背景技术
机器人手在机器人领域中运用广泛，通过机器人手的运用可以实现物体的抓取以及释放。目前较多机器人手大多设计成两个相对运动的部分，也有仿人手的结构，虽然在指节上达到了数量的增加，但由于机械装置、传动装置、传感装置、控制系统的加入使得成本也升高。机器人手目前可以分为耦合手，标准自适应手，间接自适应手，耦合自适应手，平夹自适应手，球形手，滑竿阵列手。
Eric Brown等人在文献(Eric Brown,Nicholas Rodenberga,John Amendb,AnnanMozeikac,Erik Steltzc,Mitchell R.Zakind,Hod Lipsonb,HeinrichM.Jaegera.Universal robotic gripper based on the jamming of granularmaterial.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America(PNAS),vol.107,no.44:18809–18814,doi:10.1073/pnas.1003250107,Sept.17,2010)中介绍了一种基于颗粒阻塞固化原理的通用机器人手。该机器人手包括可变形的膜皮、一个端口、滤网、放置在膜皮内的流体(如气体)和大量颗粒材料(如咖啡颗粒)和流体源(例如泵或可排空容器)。
该装置的工作原理为：膜皮中的颗粒可在膜皮内自由运动，当机器人的末端靠向放置在某个支持面的物体时，物体可以挤压膜皮，使膜皮内的颗粒受到挤压而运动，不同颗粒在膜皮内的运动程度不同，这种运动程度与物体的形状有关，达到自适应物体形状的效果。之后，膜皮内的流体被吸走，颗粒由于滤网的存在留在膜皮内，颗粒由于相互挤压摩擦产生阻塞固化效果，利用固化的颗粒群体隔着膜皮对物体产生接触点，造成多指多点接触抓取的效果，此外局部可能产生密封的低压区域以获得大气压力辅助抓取效果。
该装置的不足之处在于：
(1)该装置采用大量的颗粒材料，颗粒材料的磨损会较大地减弱该装置的使用寿命；
(2)该装置在抓取不同的物体时需要调节装置内颗粒的多少以更好地抓取不同的物体，极大地减小了其通用性；
(3)该装置需要将膜皮内的流体几乎全部抽吸走，能耗大，抓取耗时长，流体源(如泵)成本高，可排空容器体积大或可排空容器的压力大。
已有的一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置(发明专利CN105583831B)，包括基座、多个滑动推杆、弹性薄膜、流体、多个活塞和多个簧件。该装置用于机器人抓取物体，实现了离散空间自适应抓取功能：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、弹性薄膜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。其不足之处在于：该装置的滑动推杆只能沿运动方向一维收缩，导致该装置自适应不足；远近杆所受收紧力不同的问题，导致抓取不可靠。
发明内容
为了克服滑竿阵列这一装置领域已有技术中所存在的不足，本发明的目的在于提供一种仿蒲公英通用抓取机器人手装置。该装置用于夹取物体，并且对物体的大小以及形状具有适应性。该装置不仅能够达到多个小物体的同时抓取，也能够实现单个物体的自适应抓取。利用滑杆可以取得对物体大小和形状的自适应效果；利用驱动器驱动导柱运动，使滑动外筒挤压滑管组件从而挤压物体，达到对物体的多向抓持效果。本装置结构简单，能耗小、抓取灵活、稳定性高、使用寿命长久。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种仿蒲公英通用抓取机器人手装置，包括基座和N个滑管组件，所述滑管组件包括滑管和弹簧；还包括支撑件、导柱、滑动外筒、电机和传动机构；所述导柱一端与基座固接、另一端与支撑件固接，所述支撑件为半球形壳体且其表面有N个孔，每个孔的法线经过球心且垂直于球面；所述滑管组件还包括弹性连接件和导杆，所述弹性连接件的一端固定镶嵌在支撑件表面上对应的孔中、另一端与导杆的一端固接，所述滑管滑动套设在导杆上，所述弹簧的两端分别连接导杆和滑管；所述电机与基座固接；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与滑动外筒相连；所述滑动外筒滑动镶嵌在导柱的外部，所述滑动外筒在运动行程范围内与支撑件表面上最外侧的导杆相接触；所述滑动外筒的内径大于导柱的外径；在滑管组件中，所述导杆与滑管的中心线重合，在初始状态时，所述导杆的中心线与支撑件表面上对应孔处的法线重合；所述滑动外筒的中心线与导柱的中心线重合，所述支撑件的球心位于导柱的中心线上；
所述N个孔的法线与球面的交点按照下列规律分布：设球面半径为r，一共要取K个点，则第k个点的坐标(xk，yk，zk)由下列公式给出：
zk＝(2k-r)/K-r
其中常数
则N＝K/2且为大于8的整数，同时孔与孔之间不重合。
进一步的，所述弹性连接件采用弹性球铰。
进一步的，所述仿蒲公英通用抓取机器人手装置还包括N个弹性表面罩，每个所述弹性表面罩分别罩在对应滑管的下部外侧。
进一步的，所述仿蒲公英通用抓取机器人手指装置还包括直线轴承，所述直线轴承设置在导柱与滑动外筒之间。
进一步的，所述传动机构包括传动轴、齿轮和齿条；所述传动轴套设在基座中；所述齿轮套固在传动轴上；所述齿条与齿轮啮合；所述齿条与滑动外筒固接；所述电机的输出轴与传动轴相连。
进一步的，所述导柱为圆柱、多棱柱中的一种，所述滑动外筒为与导柱相配合的圆柱壳体、棱柱壳体中的一种。
本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：
本发明装置用于机器人手抓取物体，具有三维空间多个方向的自动适应物体形状、尺寸的特点，抓取时方便，控制简单，仅使用一个电机即可完成对物体的抓取，利用滑杆的伸缩达到对不同物体形状适应能力，结合导柱与滑动外筒的相对运动来挤压多个滑管组件从分散状收拢抓取物体，由于是多向抓取因而抓取更加稳定，适应能力好，抓取力较大，适合应用于需要机器人灵活抓取且抓取物体形状、尺寸不确定的场合。
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是本发明提供的仿蒲公英通用抓取机器人手装置的一种实施例的外观图。
图2是图1所示实施例的滑管组件的示意图。
图3是图1所示实施例的正视图。
图4是图1所示实施例的剖视图。
图5和图6是图1所示实施例抓取物体的原理示意图。
【附图标记】
1-基座，2-导柱，3-滑动外筒，4-支撑件，5-滑管组件，51-导杆，52-滑管，53-弹簧，54-弹性连接件，55-弹性表面罩，6-电机，7-传动机构，71-传动轴，72-齿轮，73-齿条，8-直线轴承，9-物体。
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。本实施例将滑管组件所在的位置定义为“下”、基座所在的位置定义为“上”。
本发明设计的仿蒲公英通用抓取机器人手装置的一种实施例，如图1所示，包括基座1、导柱2、支撑件4、10个滑管组件5、电机6、传动机构7和滑动外筒3。所述支撑件4的表面设有10个孔，每个孔的法线经过球心且垂直于球面；所述孔的法线与球面的交点按照下列规律分布：设球面半径为r，一共要取K个点，则第k个点的坐标(xk，yk，zk)由下列公式给出：
zk＝(2k-r)/K-r
其中常数
由于支撑件的结构为半球面，因而孔的数量N＝K/2且孔与孔之间不重合，本实施例中N为10。所述导柱2为圆柱体，其上端与基座1固接；所述支撑件4固接在导柱2的下端；所述滑动外筒3为圆柱壳体并滑动镶嵌在导柱2外部。所述滑管组件5包括弹性连接件54、导杆51、滑管52和弹簧53，所述弹性连接件54具有弹性；所述弹性连接件54的一端固定镶嵌在支撑件4表面上对应的孔中，所述弹性连接件54的另一端与导杆51的一端固接；所述滑管52滑动套设在导杆31上；所述弹簧53的两端分别连接导杆51和滑管52。所述电机6与基座1固接；所述传动机构7设置在基座1中；所述电机6的输出轴与传动机构7的输入端相连；所述传动机构7的输出端与滑动外筒3相连；所述支撑件4为半球形；所述滑动外筒3在运动行程范围内与支撑件上最外侧的滑管组件的导杆51相接触；所述滑动外筒3的内径大于导柱2的外径；在滑管组件5中，所述导杆51与滑管52的中心线重合；在初始状态时，所述导杆51的中心线与支撑件4表面上对应孔处的法线重合；所述滑动外筒3的中心线与导柱2的中心线重合；所述支撑件4的球心位于导柱2的中心线上。
本实施例中所述弹性连接件34采用弹性球铰。
本实施例还包括10个弹性表面罩55，每个所述弹性表面罩55分别罩在对应滑管52的下部外侧。
本实施例还包括直线轴承8，所述直线轴承8设置在导柱2与滑动外筒3之间。
本实施例中所述传动机构7包括传动轴71、齿轮72和齿条73；所述传动轴71套设在基座1中；所述齿轮72套固在传动轴71上；所述齿条73与齿轮72啮合；所述齿条72与滑动外筒3固接；所述电机6的输出轴与传动轴71相连。
本实施例的工作原理，结合图1至图6，叙述如下：
本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图4所示。
在该实施例对目标物体实施抓取时，滑管组件的滑管接触到物体表面，弹簧在相互作用力的作用下被挤压，从而自适应物体的外形和大小；电机转动，带动齿轮转动，带动齿条移动，通过齿条带动滑动外筒移动；滑动外筒挤压滑管组件，由于滑管组件的弹性连接件具有弹性，因此可以产生形变使滑管组件整体向内挤压，完成对物体的抓取，如图5和图6所示。
在释放物体时，电机反转，后续过程与上述抓取物体的过程刚好相反，不再赘述。
本发明装置用于机器人手抓取物体，实现了空间自适应抓取功能：利用滑杆可以取得对物体大小和形状的自适应效果；利用电机驱动导柱运动，使滑动外筒挤压滑管组件从而挤压物体，达到对物体的多向抓持效果；能耗小、抓取灵活、稳定性高、使用寿命长久。
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)
1.一种仿蒲公英通用抓取机器人手装置，包括基座和N个滑管组件，所述滑管组件包括滑管和弹簧；其特征在于：该仿蒲公英通用抓取机器人手装置还包括支撑件、导柱、滑动外筒、电机和传动机构；所述导柱一端与基座固接、另一端与支撑件固接，所述支撑件为半球形壳体且其表面有N个孔，每个孔的法线经过球心且垂直于球面；所述滑管组件还包括弹性连接件和导杆，所述弹性连接件的一端固定镶嵌在支撑件表面上对应的孔中、另一端与导杆的一端固接，所述滑管滑动套设在导杆上，所述弹簧的两端分别连接导杆和滑管；所述电机与基座固接；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与滑动外筒相连；所述滑动外筒滑动镶嵌在导柱的外部，所述滑动外筒在运动行程范围内与支撑件表面上最外侧的导杆相接触；所述滑动外筒的内径大于导柱的外径；在滑管组件中，所述导杆与滑管的中心线重合，在初始状态时，所述导杆的中心线与支撑件表面上对应孔处的法线重合；所述滑动外筒的中心线与导柱的中心线重合，所述支撑件的球心位于导柱的中心线上；
所述N个孔的法线与球面的交点按照下列规律分布：设球面半径为r，一共要取K个点，则第k个点的坐标(xk，yk，zk)由下列公式给出：
zk＝(2k-r)/K-r
其中常数
则N＝K/2且为大于8的整数，同时孔与孔之间不重合。
2.根据权利要求1所述的仿蒲公英通用抓取机器人手装置，其特征在于：所述弹性连接件采用弹性球铰。
3.根据权利要求1所述的仿蒲公英通用抓取机器人手装置，其特征在于：所述仿蒲公英通用抓取机器人手装置还包括N个弹性表面罩，每个所述弹性表面罩分别罩在对应滑管的下部外侧。
4.根据权利要求1所述的仿蒲公英通用抓取机器人手装置，其特征在于：所述仿蒲公英通用抓取机器人手指装置还包括直线轴承，所述直线轴承设置在导柱与滑动外筒之间。
5.根据权利要求1所述的仿蒲公英通用抓取机器人手装置，其特征在于：所述传动机构包括传动轴、齿轮和齿条；所述传动轴套设在基座中；所述齿轮套固在传动轴上；所述齿条与齿轮啮合；所述齿条与滑动外筒固接；所述电机的输出轴与传动轴相连。
6.根据权利要求1所述的仿蒲公英通用抓取机器人手装置，其特征在于：所述导柱为圆柱、多棱柱中的一种，所述滑动外筒为与导柱相配合的圆柱壳体、棱柱壳体中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: 471000 Yan Guang road, Luoyang hi tech Zone, Henan Province, No. 18 Applicant after: Qingyan (Luoyang) Advanced Manufacturing Industry Research Institute Address before: 471003 Yan Guang road, Luoyang hi tech Zone, Henan Province, No. 18 Applicant before: LUOYANG ADVANCED MANUFACTURING INDUSTRY RESEARCH AND DEVELOPMENT BASE,TIANJIN RESEARCH INSTITUTE FOR ADVANCED EQUIPMENT,TSINGHUA University Country or region before: China |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |