CN112936322B

CN112936322B - 一种基于张拉整体结构的多指机械手爪、机器人

Info

Publication number: CN112936322B
Application number: CN202110110715.2A
Authority: CN
Inventors: 刘义祥; 毕庆; 王艳红; 杜付鑫; 宋锐; 李贻斌
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: CN112936322A

Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的多指机械手爪、机器人，其技术方案为：包括基座、多个沿基座周向均匀安装的手指，每个手指连接若干柔性张拉机构；其中，所述手指包括多个杆组，杆组之间通过中间绳相连，杆组环向对称位置在柔性张拉机构的作用下呈拮抗式动作。本发明具有质量轻、柔顺性好、安全性高、刚度可调的特点。

Description

一种基于张拉整体结构的多指机械手爪、机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于张拉整体结构的多指机械手爪、机器人。

背景技术

现有的机械手爪大致可分为刚性手爪与柔性手爪两类。刚性手爪具有结构刚度大、运动精度高、承载能力强等优点，在工业领域得到广泛应用。柔性手爪采用软体材料和软体结构，具有良好的柔顺性和适应性，但是承载能力较弱。一些学者认为人体结构呈现出张拉整体的特点，由分布着不连续的局部压缩单元的连续张力网来维持身体结构的完整性与稳定性。

受此启发，美国著名建筑师Fuller提出了张拉整体结构的概念，并将其定义为由一组不连续的刚性受压构件与一组连续的柔性受拉构件组成的自支承、自应力的空间网格结构。独特的结构形式使得张拉整体结构同时保留了刚性构件的承载能力与柔性构件的变形能力，兼具刚体结构与软体结构的优点，广泛应用于建筑与结构工程领域，并在近年来逐渐获得了机器人领域研究人员的青睐。据发明人了解，张拉整体结构尚没有应用于机械手爪，因此本发明拟设计一种新型的基于张拉整体结构的机械手爪，拓展张拉整体结构的应用范围，并克服现有机械手爪的局限性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于张拉整体结构的多指机械手爪、机器人，具有质量轻、柔顺性好、安全性高、刚度可调的特点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，包括基座、多个沿基座周向均匀安装的手指，每个手指连接若干柔性张拉机构；

其中，所述手指包括多个杆组，杆组之间通过中间绳相连，杆组环向对称位置在柔性张拉机构的作用下呈拮抗式动作。

作为进一步的实现方式，所述柔性张拉机构包括电机、与电机相连的绳轮，所述绳轮上缠绕有多根驱动绳。

作为进一步的实现方式，所述驱动绳的个数比每个手指的杆组个数少一个，且驱动绳的长度依次减小。

作为进一步的实现方式，所述绳轮上开设有直径逐渐减小的多个环形绕制槽，最长的驱动绳设于直径最大的绕制槽中。

作为进一步的实现方式，最长的驱动绳依次穿过各杆组并与末端的杆组固定连接，其余驱动绳连接杆组的个数根据长度逐个递减。

作为进一步的实现方式，每个手指连接两个柔性张拉机构，两个柔性张拉机构的驱动绳关于手指的轴线对称设置。

作为进一步的实现方式，所述杆组包括连接环、多个连接杆，多个连接杆沿连接环周向均匀布置。

作为进一步的实现方式，所述连接杆的一端与连接环相连，连接杆的另一端连接在一起；各连接杆的连接点与其相邻杆组的连接环之间通过多根斜拉绳相连。

作为进一步的实现方式，远离基座的杆组安装有夹爪。

第二方面，本发明实施例还提供了一种机器人，包括所述的多指机械手爪。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式的手指由多个杆组串联，每个杆组具有多个被动自由度，每个手指具有2个主动自由度，能够实现手指的屈曲与伸展运动；通过多个手指并联实现对操作物体的抓持与释放等动作。

(2)本发明的一个或多个实施方式的手指由轻型杆件与弹力线组成，质量轻；手指的每个关节之间由弹力线连接，关节之间没有刚性接触，柔顺性好；通过调整弹力线的预紧力可以相应地调节机械手指的结构刚度，柔性可调。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的单个手指结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的柔性张拉机构结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的杆组之间连接示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式图3的局部放大图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的绳轮结构示意图；

其中，1、基座，2、第一手指，3、第二手指，4、第三手指，5、第一电机，6、第二电机，7、第三电机，8、第四电机，9、第五电机，10、第六电机，11、第一杆组，12、第二杆组，13、第三杆组，14、第四杆组，15、第五杆组，16、第六杆组，17、夹爪，18、第一驱动绳，19、第二驱动绳，20、第三驱动绳，21、第四驱动绳，22、第五驱动绳，23、电机座，24、轴承，25、绳轮，26、轴承座，27、第一斜拉绳，28、第二斜拉绳，29、第三斜拉绳，30、中间绳，31、绕制槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，如图1所示，包括基座1、安装于基座1的多个手指，所述手指连接柔性张拉机构，通过柔性张拉机构控制手指对操作物体的抓持与释放等动作。

在本实施例中，基座1为圆盘形结构，多个手指沿基座1周向均匀布置。

所述手指由多个关节串联组成，每个关节具有多个被动自由度，每个手指具有2个主动自由度，能够实现手指的屈曲与伸展运动。本实施例以具有三个手指的机械手爪为例，即第一手指2、第二手指3和第三手指4，第一手指2、第二手指3和第三手指4沿基座1周向间隔均匀布置。

进一步的，如图2-图4所示，第一手指2/第二手指3/第三手指4的每个关节均由杆组构成，在本实施例中，每个手指具有六个关节，即第一手指2、第二手指3、第三手指4分别包括从靠近基座1开始依次布置的第一杆组11、第二杆组12、第三杆组13、第四杆组14、第五杆组15、第六杆组16；各杆组之间柔性连接。

末端杆组(本实施例为第六杆组16)连接夹爪17，通过夹爪17抓取物体。在本实施例中，每个杆组均包括连接环、多个连接杆，多个连接杆沿连接环周向均匀布置；每个连接环可以连接三个、四个或其他个数的连接杆。连接环、连接杆均采用轻型材料制成，例如尼龙、树脂、ABS、有机玻璃、碳纤维材料等。

所述连接杆的一端与连接环固定连接，连接杆的另一端连接在一起形成交汇点，相邻交汇点之间通过中间绳30连接。每个连接杆相对连接环倾斜一定角度。

上一级杆组连接杆的连接点与下一级杆组连接环之间通过多根斜拉绳相连。例如，第一杆组11的连接点通过多根斜拉绳与第二杆组12的连接环相连。斜拉绳沿连接环的周向均匀分布，在本实施例中，设置三根斜拉绳，即第一斜拉绳27、第二斜拉绳28和第三斜拉绳29。

进一步的，每个手指连接若干柔性张拉机构；在本实施例中，每个手指配置两个柔性张拉机构。与第一手指2相连的为第一柔性张拉机构、第二柔性张拉机构，与第二手指3相连的为第三柔性张拉机构、第四柔性张拉机构，与第三手指4相连的为第五柔性张拉机构、第六柔性张拉机构。

更进一步的，第一柔性张拉机构包括第一电机5和多根驱动绳，第二柔性张拉机构包括第二电机6和多根驱动绳，第三柔性张拉机构包括第三电机7和多根驱动绳，第四柔性张拉机构包括第四电机8和多根驱动绳，第五柔性张拉机构包括第五电机9和多根驱动绳，第六柔性张拉机构包括第六电机10和多根驱动绳。

以第一电机5为例详细描述柔性张拉机构的结构：

与第一电机5相连的各驱动绳、与第二电机6相连的各驱动绳关于连接环的轴线对称。第一电机5、第二电机6连接的驱动绳呈拮抗式工作，即当第一电机5带动驱动绳缩短(伸长)时，第二电机6连接的驱动绳伸长(缩短)。

所述第一电机5通过电机座23固定于基座1与第一手指相背的一侧，第一电机5的电机轴上安装绳轮25，所述电机轴的端部安装轴承24，轴承24通过轴承座26与基座1固定。

所述绳轮25上缠绕有多根长度不同的驱动绳，每个柔性张拉机构的驱动绳个数为手指的杆组个数减一。在本实施例中，如图5所示，绳轮25上缠绕五根驱动绳，即第一驱动绳18、第二驱动绳19、第三驱动绳20、第四驱动绳21、第五驱动绳22。

进一步的，在本实施例中，第一驱动绳18、第二驱动绳19、第三驱动绳20、第四驱动绳21和第五驱动绳22的长度依次增加，所述第五驱动绳22的一端依次穿过第一杆组11、第二杆组12、第三杆组13、第四杆组14、第五杆组15对应的孔(所述孔开设于连接环上)，并与第六杆组16固定连接；当第五驱动绳22长度变化时，带动第六杆组16运动。

同样的，所述第四驱动绳21的一端依次穿过第一杆组11、第二杆组12、第三杆组13、第四杆组14对应的孔，并与第五杆组15固定连接。第三驱动绳20的一端依次穿过第一杆组11、第二杆组12、第三杆组13对应的孔，并与第四杆组14固定连接。

第二驱动绳19的一端依次穿过第一杆组11、第二杆组12对应的孔，并与第三杆组13固定连接；第一驱动绳18穿过第一杆组11对应的孔，并与第二杆组12固定连接。

如图6所示，所述绳轮25间隔开设有与驱动绳个数相同的绕制槽31，绕制槽31为环形槽。为了使各驱动绳同步运动，绕制槽31的直径从靠近电机一端开始依次减小，即绳轮25形成变径结构。第五驱动绳22绕在直径最大的绕制槽31中。

在本实施例中，第一驱动绳18、第二驱动绳19、第三驱动绳20、第四驱动绳21和第五驱动绳22所对应的环形槽直径比例为1:2:3:4:5。

进一步的，各驱动绳、斜拉绳和中间绳均采用弹力线，各关节之间由弹力线连接，关节之间没有刚性接触，柔顺性好；通过调整弹力线的预紧力可以相应地调节机械手指的结构刚度，柔性可调。

实施例二：

本实施例提供了一种机器人，包括实施例一所述的多指机械手爪。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，包括基座、多个沿基座周向均匀安装的手指，每个手指连接两个柔性张拉机构；

其中，所述手指包括多个杆组，杆组之间通过中间绳相连，杆组环向对称位置在柔性张拉机构的作用下呈拮抗式动作;

所述柔性张拉机构包括电机、与电机相连的绳轮，所述绳轮上缠绕有多根驱动绳; 每个手指连接两个柔性张拉机构，两个柔性张拉机构的驱动绳关于手指的轴线对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，所述驱动绳的个数比每个手指的杆组个数少一个，且驱动绳的长度依次减小。

3.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，所述绳轮上开设有直径逐渐减小的多个环形绕制槽，最长的驱动绳设于直径最大的绕制槽中。

4.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，最长的驱动绳依次穿过各杆组并与末端的杆组固定连接，其余驱动绳连接杆组的个数根据长度逐个递减。

5.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，所述杆组包括连接环、多个连接杆，多个连接杆沿连接环周向均匀布置。

6.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，所述连接杆的一端与连接环相连，连接杆的另一端连接在一起；各连接杆的连接点与其相邻杆组的连接环之间通过多根斜拉绳相连。

7.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体结构的多指机械手爪，其特征在于，远离基座的杆组安装有夹爪。

8.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的多指机械手爪。