CN112720545A - 一种仿人并联的机器人灵巧手 - Google Patents

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CN112720545A CN202110002939.1A CN202110002939A CN112720545A CN 112720545 A CN112720545 A CN 112720545A CN 202110002939 A CN202110002939 A CN 202110002939A CN 112720545 A CN112720545 A CN 112720545A
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黄一峻
方跃法
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Beijing Jiaotong University
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0009Gripping heads and other end effectors comprising multi-articulated fingers, e.g. resembling a human hand

Abstract

本发明涉及一种基于仿人并联手指的机器人灵巧手。本发明提供的机器人灵巧手包括手掌、三个结构相同的三自由度仿人并联手指,分别为第一手指、第二手指、第三手指。其中手掌上有三个可转动的圆台,用于与手指固连,手指结构包括双并联五杆RR‑RPR机构、平行四边形机构和指尖。手指结构具有2平移1转动的3自由度运动,并采用完全驱动的方式,驱动电机均安装于手指基座位置,降低手指的负载与惯性,灵巧手对指尖抓取的物体可实现6自由度的操作。与现有仿人机器人灵巧手技术相比,本发明的机器人灵巧手采用了并联机构,并发挥了并联机构的结构优势,具有承载能力高、运动精度好、任务适应性强、对物体可操作性强的特点,抓取能力和应用范围大大增加。

Description

一种仿人并联的机器人灵巧手
技术领域
本发明属于机器人领域,特别涉及一种基于仿人并联手指的机器人灵巧手。
背景技术
机器人灵巧手作为一种重要的末端执行器,其具有精确性高、灵活性好、效率高的特点,适用于多种复杂工况下的操作任务,因此机器人灵巧手在服务业、工业等行业中发挥着相当重要的作用。近几十年间灵巧手一直是机器人学领域研究的热点,国内外研制出多种经典的仿人手指的灵巧手构型,如著名的Shadow手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手等。传统仿人灵巧手的手指通常为多转动关节串联形式,且采用腱绳驱动等欠驱动方式,这种设计方式虽然可以使灵巧手更接近人手的结构和功能,但导致灵巧手的承载能力、运动精度、对任务的适应性等性能指标都不理想,极大地限制了灵巧手的应用范围,特别是在多数工业领域的应用。因此,利用并联机构的结构优势,设计了一种基于并联仿人手指结构的灵巧手,可以大幅提高灵巧手的承载能力和运动精度,增强任务适应性和对目标物体的可操作性,进而扩大灵巧手在工业生产、医疗救助,灾难救援等领域的应用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种基于并联仿人手指结构的灵巧手,该灵巧手手指可实现平面的三个自由度,同时可绕手指基座转动,使灵巧手对使用指尖夹取的目标物体具有六个操作自由度。手指的主体结构为并联机构,且采用完全驱动方式,能够实现大承载和高精度的抓取,具有更大的工作空间,对抓取任务有更好的适应性和操作性。
为解决上述技术问题,本发明采用如下的技术方案实现:
一种仿人并联的机器人灵巧手,所述灵巧手包括手掌和三个结构相同的三自由度仿人并联手指,分别为第一手指、第二手指、第三手指,其特征在于:
所述手掌为刚性构件,所述手掌包括手掌基座、三个可绕自身轴线转动的平台,分别为第一转动圆台、第二转动圆台和第三转动圆台、手掌第一驱动电机、手掌第二驱动电机和手掌第三驱动电机。其中第二转动圆台和第三转动圆台位置对称,第一转动圆台位于第二转动圆台和第三转动圆台的垂直平分线上并沿垂直平分线保持一定位移。
进一步的,所述手掌第一驱动电机、手掌第二驱动电机和手掌第三驱动电机均通过螺栓固定安装在手掌基座上。
进一步的,所诉第一转动圆台与手掌第一驱动电机相连,第二转动圆台与手掌第二驱动电机相连,第三转动圆台与手掌第三驱动电机相连,由驱动电机带动转动圆台转动。
进一步的,所述第一转动圆台、第二转动圆台和第三转动圆台都预留有螺栓孔,用来与手指固接。
所述仿人并联手指包括双并联五杆RR-RPR机构、平行四边形机构和指尖。
进一步的,所述双并联五杆RR-RPR机构包括手指基座、第一直线移动驱动副杆组、第二直线移动驱动副杆组、手指摇杆、第一连杆、L型连杆、手指电机支座、手指驱动电机和连接轴。所述手指基座与第一直线移动驱动副杆组、第二直线移动驱动副杆组通过连接轴连接形成转动关节;所述手指电机支座通过螺栓固定安装在手指基座上;所述手指驱动电机通过螺栓固定安装在手指电机支座上,并通过连接轴与手指摇杆连接形成转动关节;所述第一连杆分别于第一直线移动驱动副杆组、手指摇杆通过连接轴连接形成转动关节;所述L型连杆分别与第二直线移动驱动副杆组、手指摇杆通过连接轴连接形成转动关节,且L型连杆和手指摇杆形成的转动关节与第一连杆和手指摇杆形成的转动关节在同一轴线上。
进一步的,所述平行四边形机构包括第一连杆、L型连杆、指尖、第二连杆和连接轴。所述第一连杆与第二连杆通过连接轴连接形成转动关节;所述指尖分别与第二连杆、L型连杆通过连接轴连接形成转动关节。
进一步的,所述手指驱动电机作为灵巧手手指的第一驱动;所述第一直线移动驱动副杆组作为灵巧手手指的第二驱动;第二直线移动驱动副杆组作为灵巧手手指的第三驱动。。
进一步的,所述第一手指、第二手指、第三手指通过螺栓分别固定安装在手掌的第一转动圆台、第二转动圆台、第三转动圆台之上。
本发明的机器人灵巧手有益的技术效果是:通过将并联机构用于手指结构的设计且采用全驱动的方式,手指通过与转动圆台连接,可自身转动,调整姿态,配合手指自身的三个自由度,可实现对抓取物体的六个操作自由度。使三指机器人灵巧手具有更高承载能力、更大的工作空间、更好的操作精度,更适应于抓取各种尺寸结构的物体、对所抓取物体具有更好可操作性。
附图说明
图1是本发明的一种仿人并联的机器人灵巧手的整体结构示意图;
图2是本发明的一种仿人并联的机器人灵巧手的手掌正面结构示意图;
图3是本发明的一种仿人并联的机器人灵巧手的手掌背面结构示意图;
图4是本发明的一种仿人并联的机器人灵巧手的手指结构示意图;
1.第一手指,2.第二手指,3.第三手指,4.手掌
101.手指基座,102.手指电机支座,103.手指驱动电机,104.手指摇杆,105.第一直线移动驱动副杆组, 106.第二直线移动驱动副杆组,107.L型连杆,108.第一连杆,109.第二连杆,110.指尖,111.连接轴401.第一转动圆台,402.第二转动圆台,403.第三转动圆台,404.手掌基座,405.手掌第一驱动电机, 406.手掌第二驱动电机,407.手掌第三驱动电机
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种仿人并联的机器人灵巧手,下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述。
图1为本发明提供的一种仿人并联的机器人灵巧手整体结构示意图,在图1中,本发明的仿人并联的机器人灵巧手包括手掌(4)和与手掌相连接的三个结构相同的三自由度仿人并联手指,分别为第一手指 (1)、第二手指(2)、第三手指(3)。具体的:三个手指的安装位置,第二手指(2)和第三手指(3)位置对称,第一手指(1)位于第二手指(2)和第三手指(3)位置的垂直平分线上且与第二手指(2)和第三手指(3)位置的连线保持一定横向距离。
图2、3为本发明提供的一种仿人并联的机器人灵巧手的手掌正面和背面结构示意图,在图2、3中,手掌包含手掌基座(404)、第一转动圆台(401)、第二转动圆台(402)、第三转动圆台(403)、手掌第一驱动电机(405)、手掌第二驱动电机(406)、手掌第三驱动电机(407)。手掌第一驱动电机(405)、手掌第二驱动电机(406)、手掌第三驱动电机(407)通过螺栓固连在手掌基座(404)上,第一转动圆台(401) 通过螺栓与第一手指(1)固连并与手掌第一驱动电机(405)连接,第二转动圆台(402)通过螺栓与第二手指(2)固连并与手掌第二驱动电机(406)连接,第三转动圆台(403)通过螺栓与第三手指(3)固连并与手掌第三驱动电机(407)连接。第二转动圆台(402)和第三转动圆台(403)位置对称,第一转动圆台(401)位于第二转动圆台(402)和第三转动圆台(403)位置的垂直平分线上且与第二转动圆台(402)和第三转动圆台(403)位置的连线保持一定横向距离。每个转动圆台预留四个螺纹孔,用于和手指固连。
图4是本发明提供的一种仿人并联的机器人灵巧手的手指结构示意图,在图4中,手指包括双并联五杆RR-RPR机构、平行四边形机构和指尖(110)。双并联五杆RR-RPR机构包括手指基座(101)、第一直线移动驱动副杆组(106)、第二直线移动驱动副杆组(105)、手指摇杆(104)、第一连杆(108)、L型连杆(107)、手指电机支座(102)、手指驱动电机(103)和连接轴(111),手指基座(101)与第一直线移动驱动副杆组(106)、第二直线移动驱动副杆组(105)通过连接轴(111)连接形成转动关节;手指电机支座(102)通过螺栓固定安装在手指基座(101)上,手指驱动电机(103)通过螺栓固定安装在手指电机支座(102)上,并通过连接轴(111)与手指摇杆(104)连接形成转动关节,第一连杆(108)分别于第一直线移动驱动副杆组(106)、手指摇杆(104)通过连接轴连接形成转动关节。L型连杆(107)分别与第二直线移动驱动副杆组(105)、手指摇杆(104)通过连接轴(111)连接形成转动关节,且L型连杆(107)和手指摇杆(104)形成的转动关节与第一连杆(108)和手指摇杆(104)形成的转动关节在同一轴线上。平行四边形机构包括第一连杆(108)、L型连杆(107)、指尖(110)、第二连杆(109)和连接轴 (111),第一连杆(108)与第二连杆(109)通过连接轴(111)连接形成转动关节,指尖(110)分别与第二连杆(109)、L型连杆(107)通过连接轴(111)连接形成转动关节。双并联五杆RR-RPR机构构成手指结构的第一指节,平行四边形机构构成手指结构的第二指节,指尖(110)构成手指结构的第三指节。手指驱动电机(103)作为灵巧手手指第一驱动,第一直线移动驱动副杆组(106)作为灵巧手手指第二驱动、第二直线移动驱动副杆组(105)灵巧手手指第三驱动。
本发明提供的仿人并联的机器人灵巧手是仿人的并联手指结构,电机安装于手指基座位置,充分的发挥并联机构的优势,大大降低的手指的负载和惯性,同时与现有灵巧手相比大大提高了承载能力和运动精度。因采用完全驱动的方式,手指能够灵活地向内外弯曲,比现有欠驱动灵巧手手指的工作空间更大,且具备了从物体腔内夹取的功能。进一步的,本发明的仿人并联手指结构具有平面内的三个自由度,搭配上由转动圆台带动的绕自身的转动,对采用指尖抓取的目标物体能够实现更加灵活的6自由度操作,即对物体具有更好的可操作性,对抓取任务有更好的适应性。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,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 (5)

1.一种并联的机器人灵巧手,所述灵巧手包括手掌和三个结构相同的三自由度仿人并联手指,其特征在于:所述手掌包括手掌基座、三个可绕自身轴线转动的平台,分别为第一转动圆台、第二转动圆台和第三转动圆台、手掌第一驱动电机、手掌第二驱动电机和手掌第三驱动电机,其中第二转动圆台和第三转动圆台位置对称,第一转动圆台位于第二转动圆台和第三转动圆台的垂直平分线上并沿垂直平分线保持一定位移,所述仿人并联手指包括双并联五杆RR-RPR机构、平行四边形机构和指尖,三个相同的仿人并联手指分别通过螺栓固定安装在第一转动圆台、第二转动圆台和第三转动圆台上。
2.根据权利要求1所述的仿人并联手指,其特征在于:所述双并联五杆RR-RPR机构包括手指基座、第一直线移动驱动副杆组、第二直线移动驱动副杆组、手指摇杆、第一连杆、L型连杆、手指电机支座、手指驱动电机和连接轴,手指基座、第一直线移动驱动副杆组、第一连杆和手指摇杆通过连接轴依次连接形成第一个并联五杆RR-RPR机构,手指基座、第二直线移动驱动副杆组、L型连杆和手指摇杆通过连接轴依次连接形成第二个并联五杆RR-RPR机构,两个并联五杆RR-RPR机构共用一个手指基座、一根手指摇杆、一个手指电机支座和一个手指驱动电机,形成手指第一指节。
3.根据权利要求1所述的仿人并联手指,其特征在于:所述平行四边形机构包括第一连杆、L型连杆、指尖、第二连杆和连接轴,通过连接轴依次连接形成平行四边形机构,平行四边形机构作为手指第二指节,指尖为第三指节。
4.根据权利要求1所述的仿人并联手指,其特征在于:所述手指电机支座通过螺栓固定安装在手指基座上,所述手指驱动电机通过螺栓固定安装在手指电机支座上,且与手指摇杆连接;所述第一直线移动驱动副杆组作为灵巧手手指的第二驱动;第二直线移动驱动副杆组作为灵巧手手指的第三驱动。
5.根据权利要求1所述的并联的机器人灵巧手,其特征在于:所述第一转动圆台、第二转动圆台和第三转动圆台分别与手掌第一驱动电机、手掌第二驱动电机和手掌第三驱动电机相连,手掌第一驱动电机、手掌第二驱动电机和手掌第三驱动电机均通过螺栓固定安装在手掌基架上。
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