CN112405590A - 一种新型手指分体、机械手及其抓取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型手指分体、机械手及其抓取方法，涉及机械手技术领域，所述手指分体呈筒状，由一平行四边形的桁架结构围成，所述桁架结构包括竖直设置的中部连接杆以及分布在所述中部连接杆两侧的若干侧部连接杆，若干所述侧部连接杆向一个方向倾斜设置，且各所述侧部连接杆的倾斜角度自中间向两边逐渐递减；本发明中手指分体仅通过施加扭转力矩即可实现弯曲，整体装置和弯曲过程更加简单；手指分体采用刚性材料制成时，在弯曲状态下仍然能够具有足够的刚性，不易产生形变，能够保证抓取物体的稳定性。

Description

一种新型手指分体、机械手及其抓取方法

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别是涉及一种新型手指分体、机械手及其抓取方法。

背景技术

为了实现各种复杂的抓取任务，包括柔性物体、刚性物体、圆形物体、不规则物体等的抓取，机械手必须具有灵活的结构以及足够的抓力。现有机械手可分为柔性机械手与刚性机械手。

现有柔性机械手通常采用柔性材料制成，通过对手指两侧结构进行不同设计实现手指在气动或液压作用下的弯曲，抓取物体时容易产生抓力不足现象，对手指材料的性能要求较高，如申请号为“201710269658.6”，名称为“一种柔性机械手”的发明专利；现有刚性机械手大多由多个类人体指关节构成，制作成本高、结构复杂，如申请号为“201810864187.8”，名称为“机械手指和机械手”的发明专利，在实际使用过程中，刚性机械手需要强大的软件程序配合使用实现抓取动作，由于手指上布有大量不同类型小型传感器，极易发生故障。在抓取一些具有圆润表面的物体时，由于刚性机械手主要靠关节处角度变化实现抓取，而手指分体并没有形变性能，因此受力点较少，容易发生抓取不牢以及应力集中现象。

因此，亟需一种结构简单、抓取效果好的机械手。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型手指分体、机械手及其抓取方法，以解决现有技术存在的问题，在弯曲状态下仍然能够具有足够的刚性，不易产生形变，能够保证抓取物体的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种手指分体，所述手指分体呈筒状，由一平行四边形的桁架结构围成，所述桁架结构包括竖直设置的中部连接杆以及分布在所述中部连接杆两侧的若干侧部连接杆，若干所述侧部连接杆向一个方向倾斜设置，且各所述侧部连接杆的倾斜角度自中间向两边逐渐递减。

优选的，所述桁架结构相对于中心对称。

优选的，所述桁架结构中所述中部连接杆一侧的若干所述侧部连接杆的底端间隔距离相等。

优选的，所述中部连接杆以及所述侧部连接杆共有10根，在所述桁架结构中的倾斜角度自两边向中间逐渐递增，所述侧部连接杆至所述中部连接杆的倾斜角度依次为62.16°、65.27°、71.73°、78.35°、82.79°、90°。

优选的，所述侧部连接杆以及所述中部连接杆的材质均为65Mn。

本发明还提供一种机械手，包括若干机械手指，所述机械手指包括底座，所述底座上固定有动力机构，所述动力机构的输出轴与一软轴连接，所述软轴外部套设有上述的手指分体，所述软轴的顶端通过一固定板与所述手指分体的顶部固定连接；所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的底端位于所述机械手指的弯曲方向的最外侧。

优选的，每根所述机械手指中均自上而下连接有多个所述手指分体，相邻所述手指分体通过连接环连接，相邻两所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的端部固定在所述连接环同一位置区域内；顶部的所述手指分体通过所述固定板与所述软轴顶部连接，底部的所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的底端位于所述机械手指弯曲方向的最外侧。

优选的，所述机械手指为3根，每根所述机械手指弯曲至最大角度时，3 根所述机械手指的顶部交叠。

优选的，所述动力机构为伺服电机。

本发明还提供一种应用上述机械手实施的抓取方法，抓取物体时，所述动力机构通过所述软轴带动所述机械手指沿所述侧部连接杆倾斜方向的反方向进行扭转，在扭转力的作用下倾斜的所述侧部连接杆逐渐变为竖直，产生向上的推力，所述中部连接杆逐渐倾斜，产生向下的拉力导致所述手指分体两侧母线长度发生变化，并逐渐变弯曲，对物体实施抓取的动作；当最长的所述侧部连接杆与所述手指分体同轴时，所述手指分体的弯曲角度达到最大。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中手指分体仅通过施加扭转力矩即可实现弯曲，整体装置和弯曲过程更加简单，容易实现，能够明显降低生产成本；手指分体采用刚性材料制成时，在弯曲状态下仍然能够具有足够的刚性，不易产生形变，能够保证抓取物体的稳定性；

2、本发明中桁架结构为中心对称图形，在发生扭转时，中心对称的两根侧部连接杆受到的扭矩相同，产生的形变相等，作用力也相同，从而能够保证手指分体在扭转过程中结构的稳定性；

3、本发明中多个机械手指配合使用时，机械手指前端发生交叉，使手指头部空隙较小，抓取小物体时不易掉落。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为1个手指分体的结构示意图；

图2为剖切展开后的桁架结构示意图；

图3为3个手指分体上下连接的结构示意图；

图4为3根机械手指组成的机械手的结构示意图；

图5为图4中机械手指弯曲后的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

其中，1、手指分体；2、桁架结构；3、中部连接杆；4、侧部连接杆；5、机械手指；6、底座；7、动力机构；8、软轴；9、固定板；10、连接环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种新型手指分体、机械手及其抓取方法，以解决现有技术存在的问题，在弯曲状态下仍然能够具有足够的刚性，不易产生形变，能够保证抓取物体的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1～图2所示，本实施例提供一种手指分体1，手指分体1呈筒状，由一平行四边形的桁架结构2围成，桁架结构2包括竖直设置的中部连接杆3 以及分布在中部连接杆3两侧的若干侧部连接杆4，若干侧部连接杆4向一个方向倾斜设置，且各侧部连接杆4的倾斜角度自中间向两边逐渐递减。

本实施例中平行四边形的桁架结构2整体位于同一平面内，在桁架结构2 中，侧部连接杆4均为直杆，长度均大于竖直分布的中部连接杆3；桁架结构 2中实际上还可以包括用于固定中部连接杆3及其侧部连接杆4端部的上固定杆、下固定杆，其中，上固定杆与下固定杆平行设置，作为平行四边形桁架结构2的顶边与底边。并且中部连接杆3可以设置1根也可设置多根，当其设置为多根时，相对于桁架结构2的中心对称，但是由于手指分体1的弯曲时由于不同长度的侧部连接杆4与中部连接杆3施加不同方向的力而实现的，过多的中部连接杆3必然将降低手指分体1的弯曲效果，所以为了保证手指分体1 的弯曲效果，中部连接杆3优选设置1根；侧部连接杆4设置有若干，最长的侧部连接杆4作为桁架结构2的两斜边；当桁架结构2围成筒状的手指分体1 时，上固定杆、下固定杆分别首尾连接固定成圆形，侧部连接杆4变为弯曲型，且两最长的侧部连接杆4紧邻。需要说明的是，最长的侧部连接杆4可以是1 根，在实际制作平行四边形的桁架结构2缺少一个斜边即可，得到减少侧部连接杆4的使用量的目的，同时也可以降低手指分体1扭转所需的扭矩。而图2 仅代表桁架结构2的结构示意图，可以理解为具有两根最长的侧部连接杆4，也可以理解为平行四边形的桁架架构2卷曲成筒形时两条斜边重合变成一条最长的侧部连接杆4。

当逆着连接杆的倾斜方向对手指分体1施加扭转力矩时，倾斜的侧部连接杆4逐渐变为竖直，产生向上的推力，竖直的中部连接杆3逐渐倾斜，产生向下的拉力，导致筒形的手指分体1两侧母线长度发生变化，由筒形变为弯曲型，并且当侧部连接杆4与手指分体1同轴时，手指分体1的弯曲角度达到最大；从而本实施例中手指分体1仅通过施加扭转力矩即可实现弯曲，整体装置和弯曲过程更加简单，容易实现，能够明显降低生产成本；手指分体1采用刚性材料制成时，在弯曲状态下仍然能够具有足够的刚性，不会由于与物体之间的相互作用力或在物体重力的作用下产生形变，既能够保证自身结构的稳定性也能够保证抓取物体的有效性。

需要说明的是，手指分体1的弯曲角度与其长度、粗细及其侧部连接杆4 的倾斜角度相关，当手指分体1的长度、粗细一定时，最长的侧部连接杆42 的倾斜角度越大，其弯曲角度越大，但是最长的侧部连接杆4的倾斜角度较大时，平行四边形桁架结构2中中部连接杆3一侧的四边形上底边与下底边的差值过大，甚至出现无法放置中部连接杆3的情况，进而导致手指分体1的整体刚度降低；因此在设计桁架结构2时，可以采用编程方法，根据手指分体1 的长短、粗细以及需要实现的弯曲程度对中部连接杆3、侧部连接杆4的数量、长短及其倾斜角度进行定制化设计。

本实施例中，桁架结构2相对于中心对称，中部连接杆3一侧的若干侧部连接杆4的底端间隔距离相等；由于桁架结构2为中心对称图形，当竖直设置的中部连接杆3一侧(左侧或右侧)的侧部连接杆4底端间距相等时，另一侧的侧部连接杆4的分布、长度也就确定了；在发生扭转时，中心对称的两根侧部连接杆4受到的扭矩相同，产生的形变相等，作用力也相同，从而能够保证手指分体1在扭转过程中结构的稳定性。

具体的，本实施例中中部连接杆3与侧部连接杆4共有10根，其中，中部连接杆3与最长的侧部连接杆4各1根，在桁架结构2中的倾斜角度分别为 62.16°、65.27°、71.73°、78.35°、82.79°、90°；当然中部连接杆3与侧部连接杆4的总数量与倾斜角度可以根据实际情况自行设计。

为了保证中部连接杆3与侧部连接杆4均具有优良的弯曲性能，二者的材质为65Mn，桁架结构2中的上固定杆与下固定杆的材质同样为65Mn。

实施例2：

如图3～如6所示，本实施例提供一种机械手，包括若干机械手指5，机械手指5包括底座6，底座6上固定有动力机构7，动力机构7的输出轴与一软轴8连接，软轴8外部套设有实施例1中记载的手指分体1，软轴8的顶端通过一固定板9与手指分体1的顶部固定连接；手指分体1中最长的侧部连接杆 4的底端位于机械手指5的弯曲方向的最外侧。

抓取物体时，动力机构7通过软轴8带动机械手指5沿侧部连接杆4倾斜方向的反方向进行扭转，在扭转力的作用下倾斜的侧部连接杆4逐渐变为竖直，产生向上的推力，中部连接杆3逐渐倾斜，产生向下的拉力导致手指分体 1两侧母线长度发生变化，由直筒状变为弯筒状，对物体实施抓取的动作；当最长的侧部连接杆4与手指分体1同轴时，手指分体1的弯曲角度达到最大。

动力机构7应当均与控制模块进行电连接，通过控制模块控制动力机构7 的转动进而控制各机械手指5的弯曲角度，当机械手指5弯曲到一定角度能够抓取物体时，可以通过控制模块控制电机继续转动适当角度，以增大机械手指 5对物体的抓取力度；优选的，机械手指5的长度相同，最大弯曲角度也相同，但是在实际情况中，机械手指5的长度可以设置为不同，方便抓取不同形状的物体。

上述提到，当需要手指分体1具备较长的长度、较大的弯曲角度时，最长的侧部连接杆4可以增大其倾斜角度，换言之，在其他条件一定的情况下，最长的侧部连接杆4的长度与竖直的中部连接杆3的长度之差(即手指分体1 竖直状态下的高度)是影响手指分体1弯曲角度的关键因素，但是侧部连接杆 4的倾斜角度过大可能与中部连接杆3发生干涉，即便不产生干涉也会降低侧部连接杆4的设置数量，降低整体刚度，因此，可以通过设置多节手指分体1 来扩大整体结构中的最长的侧部连接杆4与整体高度的差值；本实施例中机械手指5设置自上而下连接的多个手指分体1，如图3所示，相邻手指分体1通过连接环10连接，连接环10可以是桁架结构2中上固定杆、下固定杆首尾相接形成的，相邻两手指分体1中各自最长的侧部连接杆4的端部分别固定在同一连接环10上同一位置的顶部及底部，从整体上看，各手指分体1中最长的侧部连接杆4组成了一条盘旋的曲线；在扭转弯曲过程中，多个手指分体1 中最长的侧部连接杆4均位于弯曲方向的最外侧时，弯曲角度达到最大，如图 5～图6所示。

具体的，机械手中机械手指5为3根，每根机械手指5弯曲至最大角度时， 3根机械手指5的顶部交叠，保证机械手指5端部具有较小的空隙，抓取小物体时不易发生掉落。

进一步的，动力机构7为与控制模块电连接的伺服电机。

实施例3：

本实施例提供一种实施例2中记载的机械手实施的抓取方法，抓取物体时，动力机构7通过软轴8带动机械手指5沿侧部连接杆4倾斜方向的反方向进行扭转，在扭转力的作用下倾斜的侧部连接杆4逐渐变为竖直，产生向上的推力，中部连接杆3逐渐倾斜，产生向下的拉力导致手指分体1两侧母线长度发生变化，并逐渐变弯曲，对物体实施抓取的动作；当最长的侧部连接杆4 与手指分体1同轴时，机械手指5的弯曲角度达到最大。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种新型手指分体，其特征在于，所述手指分体呈筒状，由一平行四边形的桁架结构围成，所述桁架结构包括竖直设置的中部连接杆以及分布在所述中部连接杆两侧的若干侧部连接杆，若干所述侧部连接杆向一个方向倾斜设置，且各所述侧部连接杆的倾斜角度自中间向两边逐渐递减。

2.根据权利要求1所述的手指分体，其特征在于，所述桁架结构相对于中心对称。

3.根据权利要求2所述的手指分体，其特征在于，所述桁架结构中所述中部连接杆一侧的若干所述侧部连接杆的底端间隔距离相等。

4.根据权利要求3所述的手指分体，其特征在于，所述中部连接杆以及所述侧部连接杆共有10根，在所述桁架结构中的倾斜角度自两边向中间逐渐递增，所述侧部连接杆至所述中部连接杆的倾斜角度依次为62.16°、65.27°、71.73°、78.35°、82.79°、90°。

5.根据权利要求1所述的手指分体，其特征在于，所述侧部连接杆以及所述中部连接杆的材质均为65Mn。

6.一种机械手，其特征在于，包括若干机械手指，所述机械手指包括底座，所述底座上固定有动力机构，所述动力机构的输出轴与一软轴连接，所述软轴外部套设有如权利要求1-5任意一项所述的手指分体，所述软轴的顶端通过一固定板与所述手指分体的顶部固定连接；所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的底端位于所述机械手指的弯曲方向的最外侧。

7.根据权利要求6所述的机械手，其特征在于，每根所述机械手指中均自上而下连接有多个所述手指分体，相邻所述手指分体通过连接环连接，相邻两所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的端部固定在所述连接环同一位置区域内；顶部的所述手指分体通过所述固定板与所述软轴顶部连接，底部的所述手指分体中最长的所述侧部连接杆的底端位于所述机械手指弯曲方向的最外侧。

8.根据权利要求7所述的机械手，其特征在于，所述机械手指为3根，每根所述机械手指弯曲至最大角度时，3根所述机械手指的顶部交叠。

9.根据权利要求6所述的机械手，其特征在于，所述动力机构为伺服电机。

10.一种应用权利要求6-9任意一项所述的机械手实施的抓取方法，其特征在于，抓取物体时，所述动力机构通过所述软轴带动所述机械手指沿所述侧部连接杆倾斜方向的反方向进行扭转，在扭转力的作用下倾斜的所述侧部连接杆逐渐变为竖直，产生向上的推力，所述中部连接杆逐渐倾斜，产生向下的拉力导致所述手指分体两侧母线长度发生变化，并逐渐变弯曲，对物体实施抓取的动作；当最长的所述侧部连接杆与所述手指分体同轴时，所述机械手指的弯曲角度达到最大。

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