CN111300458A - 正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、传动机构、K个簧件、K个限位块、K个齿轮、K个滑管组件和K个导杆。本发明装置用于机器人抓取物体，实现了自适应抓取功能。在接触物体时，利用多个滑管和簧件的垂直运动获得对物体大小和形状的自适应效果；利用电机工作带动主动齿轮旋转，从而带动其他的齿轮旋转，使滑管转动，从而适应被抓持物体的侧面形状，然后利用气泵给膜皮充气，使膜皮膨胀，对异形物体的各个方向进行适应，达到对物体的多向抓持效果，可实现对物体的稳定抓持；该装置结构简单，能耗低，可靠性好，适用范围广，抓取迅速，抓持稳定。

Description

正交排齿滑杆阵列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，特别涉及一种正交排齿滑杆阵列自适应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有广泛的用途，用于机器人与物体之间建立临时的连接和固定关系，并能够在适当的时候进行释放，前者实现了抓取物体，后者实现了放开物体。一般的机器人手为了降低成本，被制作成具有两个相对运动的部分，以便于简单地实现抓取和释放的功能。也有许多模仿人手的结构，设计更多的手指和手指上的若干关节，但是那样会带来机械系统、传感系统、控制系统和控制算法的复杂度和高昂的成本。部分机器人手具有适应性，即在抓取前并未知晓要抓取物体的形状与大小，在抓取中也未对抓取的物体进行传感检测，但是却可以自适应地抓取，这种对于物体形状、大小的自动适应性能使得机器人手在实现更为广泛抓取不同物体的同时并不增加传感与控制需求。

Peter B.Scott在文献(Peter B.Scott,“The‘OmNigripper’:a form of robotuniversal gripper”,Robotica,vol.3:pp 153-158,1985)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的结构，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，当机器人的末端靠向放置在某个支持面(如桌面)上的物体时，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，各长杆由于物体形状向手掌内的滑动距离不同；之后，一左一右的两组滑杆集合再合拢夹持住物体，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)无法做到多向抓持。该装置对目标物体施加抓取力时，该抓取力只能沿着两组滑杆集合合拢的方向，相当于二指夹持器，产生的仅仅是一维夹持模式，夹持效果差。

(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，如抓取一个长条状的物体。

(3)结构复杂、能耗大。该装置有2组滑杆集合，需要2个相互运动的可运动支承件(或运动基座)、一套直线导轨、2个滑块、驱动器、传动机构等，结构较为复杂，且要让一个具有许多长杆的笨重滑杆集合运动是比较耗能的。

(4)抓持稳定性有待提高。该装置仅采用两组滑杆集合合拢而产生的抓持力对目标物体进行抓取，缺少较好的包络式形封闭抓取效果。力封闭抓取物体未必一定会产生形封闭抓取，但是形封闭抓取一定包括了力封闭抓取，因此抓取稳定性已达到形封闭为最好。

莫岸在文献(莫岸，《滑杆阵列自适应机器人手研究》，2018)中提到了一种啮合杆阵自适应机器人手，该装置通过椭圆杆阵的交错摆放，再利用电机驱动齿轮，并通过齿轮传动啮合，使椭圆硬杆转动，来适应物体的形状，以此达到抓取物体的效果。举例来说，该装置接近一个物体时，首先碰到物体的上表面，挤压弹簧收缩，适应物体的上表面，然后，电机驱动齿轮转动，齿轮带动椭圆杆阵旋转，以此适应物体的侧面形状，达到多向夹持，从而达到抓取物体的目的。

该装置的不足之处在于：

(1)抓持稳定性有待提高。该装置采用的是椭圆硬杆，在任一硬杆的侧面碰到物体时，整个装置都被固定住了，与物体的接触点少，只能用硬杆与物体接触的少数点来提供给物体的抓持力，因此被抓持物体的夹持力不够大。

(2)不能够抓持异形物体。该装置在抓取物体时，如果物体为凹台形状，则该装置采用的椭圆杆阵只能够在物体的某一小部分与之接触，而不能达到杆阵对物体的充分接触，因此椭圆杆阵不能有效地夹持住物体。

(3)抓持方式单一。该装置只能通过滑杆阵列与被抓持的物体的接触点然后依靠挤压来对物体进行抓持，如果物体为异形物体，则杆阵与物体的接触点会大大减少，使得抓取效果会大大减弱。

(4)抓持方式不够灵活。由于采用的杆阵为硬杆，因此当某一根杆碰到物体时，整个装置就会卡住不动，而导致只有一根杆或少数几根杆能与物体接触，而不能充分接触物体，而导致装置抓取不够灵活。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置。该装置用于抓取物体，对物体大小和形状具有自适应性；达到对物体的多向抓持效果：能够在多个方向对物体提供抓持力，对不同方向放置的各种形状(包括异形物体)物体均可有效抓持；在抓取带有凹台的物体时，可以达到抬举物体的效果。在本装置接触到物体以后，杆阵还能继续转动，以此达到与物体能够有多个接触面接触的效果，并且因为本装置相邻杆阵的设置为空间交错，所以滑管在转动时，相邻滑管上的凸起件不会相互接触，各个滑管的运动不会相互影响。抓取效果好；结构简单、抓持快速、抓取物体耗时短；适合在比较恶劣的工作环境中使用，长期使用的可靠性好，使用寿命长、抓持稳定性高。

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正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，包括基座、电机、传动机构、K个导杆、K个第一簧件、K个限位块和K个齿轮；所述电机固接在基座上；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述基座上设有K个通孔，第i个导杆套固在基座上相应的第i个通孔中，所述K 个导杆的中心线相互平行，所述传动机构的输出端与其中一个导杆相连接；第i个齿轮套固在相应的第i个导杆上，所述K个齿轮构成圆周阵列或矩形阵列，构成圆周阵列时沿圆周方向上相邻齿轮啮合在一起，构成矩形阵列时任一行或任一列上相邻齿轮啮合在一起；第i个限位块固接在相应的第i个导杆上；

该正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置还包括K个滑管组件；每个滑管组件包括滑管和沿滑管的中心线方向设置于滑管上的N个凸起件；所述同一根滑管上的N个凸起件的中心线相互平行，且同一根滑管上相邻凸起件之间的距离相等；相邻滑管上所述凸起件组成的两个平面相互垂直；所述同一根滑管上的N个凸起件组成一个排齿，相邻滑管上的两个排齿呈交错摆放；第i个滑管组件的滑管滑动套接在相应的第i个导杆上，且所述滑管在相应导杆上的滑动方向与该滑管的中心线平行；第i个第一簧件的两端分别连接第i个导杆与第i个滑管，第i个第一簧件使得第i个滑管倾向于离开第i个导杆；在初始位置时第i个滑管与第i个限位块接触，第i个限位块限制第i个滑管沿离开导杆的方向滑动的极限位置；其中，K为大于3的自然数；i＝1，2，…，K；i为自然数；N 为大于2的自然数。

进一步的，所述传动机构包括输入端与电机的输出轴相连接的减速器、固设于减速器的输出轴上的第一锥齿轮、固设于其中一个导杆上且与第一锥齿轮啮接以在电机启动时驱动导杆转动的第二锥齿轮。

进一步的，所述凸起件由橡胶块制成。

进一步的，所述凸起件包括膜皮和设置于膜皮内并在凸起件碰到物体时能驱动凸起件转动的第二簧件；第m个凸起件的第二簧件的两端分别连接第m个凸起件的膜皮、相应的滑管且所述第二簧件的中心线与相应的滑管的中心线相互垂直，第m个凸起件的膜皮包裹在第m个凸起件的第二簧件上；同一根滑管上的第二簧件的中心线相互平行，且同一根滑管上相邻第二簧件的中心线之间的距离相等；相邻滑管上第二簧件中心线所在的两个平面相互垂直；其中，m＝1，2，…，N。

进一步的，所述膜皮由弹性材料制成。

进一步的，所述第二簧件采用拉簧或压簧。

本发明与现有技术相比，具有以下突出特点和有益效果：

本发明装置采用多个交错摆放的滑管和凸起件等综合实现离散空间自适应抓取功能，实现对异形物体进行稳定的抓取，利用多个滑管和凸起件实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置；利用滑管转动，排齿与物体接触，达到与异形物体各处都有效接触，使该装置与物体的接触从传统的点接触变成了面接触。而且本装置不仅能采用传统的夹取模式，而且在抓取带有凹台的物体时，通过凸起件伸进物体的凹陷处，由此实现本装置的抬举模式，抓持稳定性高；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可实现有效抓持；由于凸起件是由弹性件制成，当某根滑管上的凸起件碰到物体时，其他杆件仍然可以继续转动，达到提供多个接触点的目的。因为本装置的相邻滑管上的排齿采取正交摆放，因此在一根杆的排齿接触到物体时，如果该杆不能转动，其他杆仍然可以转动，而且每根杆的转动都不会影响到其他的杆件，抓取灵活。

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是本发明提供的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置的一种实施例的正视图。

图2是图1所示实施例的立体图。

图3是图1所示实施例的另一角度立体图。

图4是图1所示实施例的底视图。

图5是图1所示实施例的剖视图。

图6是图1所示实施例的一根滑管的剖视图。

图7至图8是图1所示实施例抓取球状目标物体的过程示意图。

图9是图1所示实施例抓取球状目标物体的底视图。

【附图标记】

1-基座 201-电机盖板 301-第一锥齿轮 302-第二锥齿轮

4-导杆 5-齿轮 6-限位块 7-第一簧件

8-滑管 9-凸起件 901-第二簧件 902-膜皮

10-球形物体 11-支撑面

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。

本发明设计的一种正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，包括基座、电机、传动机构、K个导杆、K个第一簧件、K个限位块和K个齿轮；所述电机固接在基座上；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述基座上设有K个通孔，第i个导杆套固在基座上相应的第i个通孔中，所述K个导杆的中心线相互平行，所述传动机构的输出端与其中一个导杆相连接；第i个齿轮套固在相应的第i个导杆上，所述K个齿轮构成圆周阵列或矩形阵列，构成圆周阵列时沿圆周方向上相邻齿轮啮合在一起，构成矩形阵列时任一行或任一列上相邻齿轮啮合在一起；第i个限位块固接在相应的第i个导杆上。该正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置还包括K个滑管组件；每个滑管组件包括滑管和沿滑管的中心线方向设置于滑管上的N个凸起件，每个凸起件包括膜皮和设置于膜皮内并在凸起件碰到物体时能驱动凸起件转动的第二簧件；所述同一根滑管上的N个凸起件的中心线相互平行，且同一根滑管上相邻凸起件之间的距离相等；相邻滑管上所述凸起件组成的两个平面相互垂直；所述同一根滑管上的N个凸起件组成一个排齿，相邻滑管上的两个排齿呈交错摆放；第i个滑管组件的滑管(为便于说明，以下简称第i个滑管)滑动套接在相应的第i个导杆上，且第i个滑管在相应的第i个导杆上的滑动方向与该滑管的中心线平行；第i个第一簧件的两端分别连接第i个导杆与第i个滑管，第i 个第一簧件使得第i个滑管倾向于离开第i个导杆；在初始位置时第i个滑管与第i个限位块接触，第i个限位块限制第i个滑管沿离开导杆的方向滑动的极限位置，防止滑管从相应的导杆上脱落；其中，K为大于3的自然数；i＝1，2，…，K；i为自然数；N为大于2的自然数。

取K＝16，N＝12，则本发明所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例定义基座所在的位置为“上”、凸起件所在的位置为“下”。该实施例包括基座1、电机、传动机构、16个导杆4、16 个第一簧件7、16个限位块6和16个齿轮5；所述电机固接在基座1上，为避免杂物、灰尘等影响电机的寿命，电机的外侧罩设有电机盖板201；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述基座1的底部设有16个通孔，第i个导杆4套固在基座1上对应的第i个通孔中并位于基座1的内部，16个导杆4的中心线相互平行；第i个齿轮5套固在第i个导杆4上，第i个限位块6固接在第i个导杆4的下端部并位于基座1的外部；位于基座内部的16个齿轮5构成矩形阵列，任一行或任一列上相邻齿轮5啮合在一起；所述传动机构的输出端和其中一个导杆4相连接。本实施例还包括16个滑管组件；每个滑管组件包括滑管8和沿滑管的中心线方向对称设置于滑管两侧的12个凸起件9，同一根滑管8上的12个凸起件9的中心线相互平行，且同一根滑管8上相邻凸起件9之间的距离相等；相邻滑管8上所述凸起件组成的两个平面相互垂直；同一根滑管 8上的所述凸起件9组成一个排齿，相邻滑管上的两个排齿呈交错摆放；每个凸起件9 包括膜皮901和第二簧件902，第m个凸起件的第二簧件(为便于说明，以下简称第m 个第二簧件)902的两端分别连接第m个凸起件的膜皮(为便于说明，以下简称第m个膜皮)901、相应的滑管8，第m个膜皮901包裹在相应的第m个第二簧件902上；第 m个第二簧件902的中心线与相应的滑管8的中心线垂直，同一根滑管8上的所有第二簧件902的中心线相互平行，且同一根滑管8上相邻第二簧件902的中心线之间的距离相等；相邻滑管8上第二簧件中心线所在的两个平面相互垂直；第i个滑管8滑动套接在第i个导杆4上，且滑管在相应导杆4上的滑动方向与该滑管的中心线平行；第i个第一簧件7的两端分别连接第i个导杆4与第i个滑管8，第一簧件7使得滑管8倾向于离开导杆4；在初始位置时第i个滑管8与第i个限位块6接触；第i个限位块6限制第i个滑管8滑动到下方的极限位置，防止第i个滑管从第i个导杆上脱落；其中，i＝1， 2，…，16；i为自然数；m＝1，2，…，12；m为自然数。

本实施例中，所述传动机构包括输入端与电机的输出轴相连接的减速器、固设于减速器的输出轴上的第一锥齿轮301、固设于其中一个导杆4的上端部且与第一锥齿轮301啮接以在电机启动时驱动导杆转动的第二锥齿轮302。

本实施例中，所述滑管8采用变径结构，包括小径管、大径管；小径管的上端设有凸起，所述导杆4内设有沿中心线方向延伸的滑槽，通过凸起与滑槽的配合既实现在外力作用下第i个滑管沿其中心线方向滑动、又实现第i个导杆与第i个滑管的同步转动；第i个第一簧件7缠绕在第i个滑管的小径管上且两端分别连接第i个导杆、第i个滑管的轴肩；初始状态时，在第i个第一簧件的弹力下所述第i个小径管的凸起与第i个限位块接触形成挡止配合以限制第i个滑管滑动到下方的极限位置，从而防止第i个滑管从第i个导杆上脱落。

本实施例中，所述第二簧件902采用拉簧；以保证在凸起件碰到物体时，拉簧能够使凸起件转动而不会弹回到初始状态。

下面结合附图介绍图1所示实施例的工作原理。

本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图4所示，第一簧件7处于原长。

在该实施例对目标物体实施抓取时，首先中间的滑管8适应物体的上表面，被物体向上挤压，电机开始工作，电机带动第一锥齿轮301转动，第一锥齿轮301带动与其啮合的第二锥齿轮302转动，第二锥齿轮302转动带动一根导杆3转动，由此带动16个齿轮5同时转动，由各齿轮5转动带动相应的滑管7转动，滑管7上的排齿接触物体的侧面，达到适应物体侧面形状的目的，在某一根导杆上的排齿碰到物体时，其他的导杆还能继续转动，又由于排齿是空间交错摆放，当某一根导杆碰到物体被固定住时，其他杆阵的继续旋转并不会因此互相碰触。然后当适应物体足够充分时，使滑管7上的排齿和被抓取球形物体10之间充分地接触，以此来抓取球形物体10。另外，如果被抓取物体是凹台状物体时，滑管上的凸起件可以伸进被抓取物体的凹台上，通过齿状凸起抬举被抓取物体。

在该实施例对目标物体放开时，原理与抓取物体时相同，过程与抓取的过程相反，在此不再赘述。

本发明装置采用多个交错摆放的滑管、膜皮与第二簧件组成的凸起件等综合实现离散空间自适应抓取功能，同时能对异形物体进行稳定的抓取，利用多个滑管、膜皮和第二簧件实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置；利用对膜皮的充气使膜皮膨胀，达到与异形物体各处都有效接触，不仅仅是传统的夹取模式，通过膨胀的膜皮可以使本装置采用抬举模式，抓持稳定性高；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可实现有效抓持；因为本装置的凸起件是由第二簧件和膜皮组成，当某根杆件碰到物体时，其他杆件仍然可以继续转动，达到提供多个接触点的目的。因为本装置的相邻杆件采取空间交错摆放，因此在一根杆接触到物体时，如果该杆不能转动，其他杆仍然可以转动，并且由于空间交互摆放，每根杆的转动都不会影响到其他的杆件，抓取灵活。

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.正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，包括基座、电机、传动机构、K个导杆、K个第一簧件、K个限位块和K个齿轮；所述电机固接在基座上；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述基座上设有K个通孔，第i个导杆套固在基座上相应的第i个通孔中，所述K个导杆的中心线相互平行，所述传动机构的输出端与其中一个导杆相连接；第i个齿轮套固在相应的第i个导杆上，所述K个齿轮构成圆周阵列或矩形阵列，构成圆周阵列时沿圆周方向上相邻齿轮啮合在一起，构成矩形阵列时任一行或任一列上相邻齿轮啮合在一起；第i个限位块固接在相应的第i个导杆上；

其特征在于：该正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置还包括K个滑管组件；每个滑管组件包括滑管和沿滑管的中心线方向设置于滑管上的N个凸起件；所述同一根滑管上的N个凸起件的中心线相互平行，且同一根滑管上相邻凸起件之间的距离相等；相邻滑管上所述凸起件组成的两个平面相互垂直；所述同一根滑管上的N个凸起件组成一个排齿，相邻滑管上的两个排齿呈交错摆放；第i个滑管组件的滑管滑动套接在相应的第i个导杆上，且所述滑管在相应导杆上的滑动方向与该滑管的中心线平行；第i个第一簧件的两端分别连接第i个导杆与第i个滑管，第i个第一簧件使得第i个滑管倾向于离开第i个导杆；在初始位置时第i个滑管与第i个限位块接触，第i个限位块限制第i个滑管沿离开导杆的方向滑动的极限位置；其中，K为大于3的自然数；i＝1，2，…，K；i为自然数；N为大于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，其特征在于：所述传动机构包括输入端与电机的输出轴相连接的减速器、固设于减速器的输出轴上的第一锥齿轮、固设于其中一个导杆上且与第一锥齿轮啮接以在电机启动时驱动导杆转动的第二锥齿轮。

3.根据权利要求1所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，其特征在于：所述凸起件由橡胶块制成。

4.根据权利要求1所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，其特征在于：所述凸起件包括膜皮和设置于膜皮内并在凸起件碰到物体时能驱动凸起件转动的第二簧件；第m个凸起件的第二簧件的两端分别连接第m个凸起件的膜皮、相应的滑管且所述第二簧件的中心线与相应的滑管的中心线相互垂直，第m个凸起件的膜皮包裹在第m个凸起件的第二簧件上；同一根滑管上的第二簧件的中心线相互平行，且同一根滑管上相邻第二簧件的中心线之间的距离相等；相邻滑管上第二簧件中心线所在的两个平面相互垂直；其中，m＝1，2，…，N。

5.根据权利要求4所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮由弹性材料制成。

6.根据权利要求4所述的正交排齿滑杆阵列自适应机器人手装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧或压簧。

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