CN113561215B

CN113561215B - 一种变姿态关节型灵巧手

Info

Publication number: CN113561215B
Application number: CN202111125321.0A
Authority: CN
Inventors: 孙弋; 兰惠绢; 张静; 胡佳; 史晋芳; 王姮; 霍建文; 刘满禄; 郑贺天; 王鑫明
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113561215A

Abstract

本发明公开了一种变姿态关节型灵巧手，属于机械手技术领域。一种变姿态关节型灵巧手，包括：底座以及分别设置在底座上的顶紧组件和夹紧组件；顶紧组件与底座滑动配合；夹紧组件包括：多个连接在底座边缘并且可进行形态变化的多连杆手指。本发明通过在底座上设置顶紧组件和夹紧组件，并于夹紧组件上设有可变换多种抓取形态的多连杆手指，当需要抓取物件时，使用顶紧组件对物件顶面进行顶紧，多连杆手指对物件外侧进行抓紧，通过顶紧组件和夹紧组件的配合完成对物件的抓取，从而实现面对物体复杂轮廓情况下的抓取功能。

Description

一种变姿态关节型灵巧手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种变姿态关节型灵巧手。

背景技术

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。现有技术中，机械手的抓取结构相对单一，无法适应复杂情况下的抓取任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变姿态关节型灵巧手，以解决现有抓取结构相对单一，无法完成复杂情况下的抓取任务的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种变姿态关节型灵巧手，包括：底座以及分别设置在底座上的顶紧组件和夹紧组件；顶紧组件与底座滑动配合；夹紧组件包括：多个连接在底座边缘并且可进行形态变化的多连杆手指。

本发明通过在底座上设置顶紧组件和夹紧组件，并且夹紧组件上设有可变换多种抓取形态的多连杆手指，当需要抓取物件时，使用顶紧组件对物件顶面进行顶紧，多连杆手指对物件外侧进行抓紧，通过顶紧组件和夹紧组件的配合完成对物件的抓取，从而完成复杂条件下的抓取任务。

进一步地，上述多连杆手指包括：支架、滑块、第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆、第五支杆、转动件和随动件，支架设置在底座边缘，滑块滑动设置在支架上；转动件包括：第一角、第二角和第三角，随动件包括：第四角、第五角和第六角；第一支杆端部与滑块铰接，另一端与转动件的第二角铰接；转动件上第一角以及第二支杆的端部分别与支架底端铰接，第二支杆的另一端与随动件的第四角连接；并且第二支杆的数量为两根，转动件从两根第二支杆之间穿过；第三支杆的端部与转动件的第三角铰接，另一端与随动件的第五角铰接；随动件的第五角还铰接有第五支杆，随动件的第六角与第四支杆的端部铰接，第四支杆的另一端与第五支杆铰接。

本发明的多连杆手指各部件有序连接，在需要抓取物件时，滑块沿支架进行滑动，使第一支杆和转动件进行转动，并带动第二支杆和第三支杆进行位置变化，第二支杆与物件侧面抵住，第三支杆带动随动件转动，并使第五支杆的端部与物件接触，从而对物件进行夹紧。

进一步地，上述第二支杆上设置有接触垫块，第五支杆远离随动件的端部也设置有夹紧垫块。

本发明通过设置接触垫块和夹紧垫块，从而避免第二支杆和第五支杆与物件直接接触，避免对物件造成损伤。

进一步地，上述底座包括：两个相连接的圆盘，圆盘上开设有滑孔，顶紧组件与圆盘上的滑孔滑动配合，圆盘上还开设有环形分布的固定孔。

进一步地，上述顶紧组件包括：设置在圆盘顶面的顶紧驱动件以及与顶紧驱动件连接的顶紧杆件，顶紧杆件贯穿滑孔。

本发明的顶紧驱动件带动顶紧杆件沿滑孔进行滑动，从而与被抓取物料的顶面接触并顶紧。

进一步地，上述顶紧杆件远离顶紧驱动件的端部设置有凸台。

本发明通过设置凸台可增加顶紧杆件与物料顶面的接触表面积，避免顶紧力度过大对物件造成损伤。

进一步地，上述圆盘的边缘分别设有多个滑动组件，多连杆手指与滑动组件连接

本发明通过设置多个分别与多连杆手指连接的滑动组件，使得多连杆手指之间的相对位置可进行改变，配合多连杆手指的不同抓取姿态，形成不同的手指抓取组合，从而方便对各种形态的物件进行针对性的抓取。

进一步地，上述圆盘的两面分别开设有环形滚槽，滑动组件包括：卡接块、设置在卡接块上的减速电机以及与减速电机连接的摩擦滚动机构，卡接块的内侧面开设有与圆盘外壁配合的卡槽，卡接块的外侧面与多连杆手指连接，摩擦滚动机构与环形滚槽滚动配合。

本发明的滑动组件上设有摩擦滚动机构，减速电机驱动摩擦滚动机构沿环形滚槽移动，并且卡接块通过卡槽与圆盘外臂滑动配合，从而带动多连杆手指沿圆盘外壁进行圆周运动。

进一步地，上述摩擦滚动机构包括：与减速电机连接的主动轮以及两个分别与主动轮相接触的摩擦轮，摩擦轮与环形滚槽滚动接触。

本发明的通过设置摩擦轮方便与环形滚槽接触，避免主动轮与环形滚槽直接接触而存在滚动干涉。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过在底座上设置顶紧组件和夹紧组件，并且夹紧组件上设有可变换多种抓取形态的多连杆手指，当需要抓取物件时，使用顶紧组件对物件顶面进行顶紧，多连杆手指对物件外侧进行抓紧，通过顶紧组件和夹紧组件的配合完成对物件的抓取，从而实现面对物体复杂轮廓情况下的抓取功能。

（2）本发明的多连杆手指各部件有序连接，在需要抓取物件时，滑块沿支架进行滑动，使第一支杆和转动件进行转动，并带动第二支杆和第三支杆进行位置变化，第二支杆与物件侧面抵住，第三支杆带动随动件转动，并使第五支杆的端部与物件接触，从而对物件进行夹紧。

（3）本发明通过设置多个分别与多连杆手指连接的滑动组件，使得多连杆手指之间的相对位置可进行改变，配合多连杆手指的不同抓取姿态，形成不同的手指抓取组合，从而方便对各种形态的物件进行针对性的抓取。

附图说明

图1为本发明变姿态关节型灵巧手的结构示意图；

图2为本发明变姿态关节型灵巧手的俯视图；

图3为本发明圆盘的结构示意图；

图4为本发明顶紧组件的结构示意图；

图5为本发明多连杆手指的结构示意图；

图6为本发明多连杆手指的工作原理图一；

图7为本发明多连杆手指的工作原理图二；

图8为本发明滑动组件的结构示意图；

图9为本发明滑动组件的剖视图；

图10为本发明滑动组件的侧视图；

图11为本发明滑动组件的工作原理图。

图中：10-底座；11-圆盘；12-滑孔；13-环形滚槽；20-顶紧组件；21-顶紧驱动件；22-顶紧杆件；23-凸台；30-夹紧组件；31-多连杆手指；32-支架；33-滑块；34-第一支杆；35-第二支杆；36-第三支杆；37-第四支杆；38-第五支杆；39-转动件；40-随动件；41-第一角；42-第二角；43-第三角；44-第四角；45-第五角；46-第六角；48-接触垫块；49-夹紧垫块；50-滑动组件；51-卡接块；52-减速电机；53-摩擦滚动机构；54-卡槽；55-主动轮；56-摩擦轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

参考图1，一种变姿态关节型灵巧手，包括：底座10以及分别设置在底座10上的顶紧组件20和夹紧组件30。

参照图1、图2和图3，底座10包括：两个相连接的圆盘11，两个圆盘11的中心位置分别设有相对应的滑孔12，顶紧组件20贯穿设置在滑孔12内，从而在抓取物件时对物件的顶面进行顶紧。滑孔12的外侧还开设有固定孔，连接件穿过固定孔从而对两个圆盘11进行连接固定。两个圆盘11的顶面和底面分别开设有环形滚槽13，环形滚槽13上配合有滑动组件50，夹紧组件30连接在滑动组件50上，滑动组件50沿环形滚槽13圆周运动，从而带动夹紧组件30沿圆盘11边缘进行圆周运动。

参照图1和图4，顶紧组件20包括：设置在上层圆盘11顶面的顶紧驱动件21以及与顶紧驱动件21连接的顶紧杆件22，顶紧杆件22分别贯穿两个圆盘11中心的滑孔12，并且可在顶紧驱动件21的驱动作用下沿滑孔12进行轴向移动，从而方便在抓取物件时对物件进行顶紧。顶紧驱动件21可根据现场动力源的设置特点，可以是电机、气缸或者液压缸等常见驱动元件。在顶紧杆件22上远离顶紧驱动件21的端部还设置有凸台23，凸台23的表面积大于顶紧杆件22的截面面积，可增加顶紧杆件22与物件接触的表面积，避免顶紧力度过大对物件造成损伤。

参照图1和图2，夹紧组件30包括：分别连接在滑动组件50上的多连杆手指31，每个多连杆手指31可随滑动组件50沿圆盘11边缘进行圆周运动，从而形成不同类型的抓取组合。本发明中多连杆手指31的数量为四根，可以针对抓取目标的轮廓形状进行调整，可以实现1-1-1-1四指抓取、1-1-1三指抓取、1-1二指抓取、2-2对指抓取、1-3对指抓取、1-2对指抓取的功能。

参照图5、图6和图7，多连杆手指31包括：有序连接的支架32、滑块33、第一支杆34、第二支杆35、第三支杆36、第四支杆37、第五支杆38、转动件39以及随动件40。支架32连接在滑动组件50上，滑块33滑动设置在支架32上，使得滑块33可沿支架32的延伸方向进行移动。转动件39上设有第一角41、第二角42和第三角43，随动件40上设有第四角44、第五角45、第六角46，转动件39和随动件40因机构运动学所以设置为三角形杆件结构。

第一支杆34的端部与滑块33铰接，另一端与转动件39的第二角42铰接；转动件39上第一角41以及第二支杆35的端部分别与支架32的底端铰接，第二支杆35的另一端与随动件40的第四角44铰接；并且第二支杆35的数量为两根，使得转动件39从两根第二之间35之间的间隙穿过，从而提高了转动的稳定性；第三支杆36的端部与转动件39的第三角43铰接，另一端与随动件40的第五角45铰接；随动件40的第五角45还铰接有第五支杆38，随动件40的第六角46与第四支杆37的端部铰接，第四支杆37的另一端还与第五支杆38铰接。

在抓取物件过程中，滑块33沿支架32进行滑动，使第一支杆34和转动件39作相应的转动，并带动第二支杆35和第三支杆36进行位置变化，第二支杆35与物件的侧面接触抵住，第三支杆36则带动随动件40进行转动，并使第五支杆38的端部与物件接触。通过多个多连杆手指31的第五支杆38分别从不同的方向对物件进行夹紧，从而完成物件的抓取任务。

在第二支杆35上还设置有接触垫块48，从而避免第二支杆35与物件抵住的过程中对物件表面造成压伤。第五支杆38远离随动件40的端部也设置有夹紧垫块49，同样用于与物件直接接触，避免第五支杆38的端部对物件造成压伤。

参照图6和图7，从装置侧平面上看，装置运动时，滑块33相对于支架32发生滑动，向右运动时，第五支杆38会逆时针转动，转动到极限位置时，便可进行针对目标物体的抓取。

装置的连杆结构分为两层，当转动件39和随动件40转动时不会发生干涉。多连杆手指31为九杆机构，可动杆件为八个，杆组级别为二级杆组，存在两处复合铰链约束，无虚约束、局部自由度，低副数量为十一个，高副数量为零。当滑块33滑动时，多连杆手指31在竖直方向上做相应的运动，因此可以当作平面连杆机构进行自由度计算，由公式

可得该装置自由度为二。其中

为活动杆件的个数，

为低副个数，

为高副个数。

在该发明进行抓取时，各个杆件都会发生旋转，但第二支杆35会由于先触碰到物体表面而无法继续转动，由于该发明在平面上具有两个自由度，此时滑块33仍然在继续运动，因此第五支杆38会继续逆时针转动，直到夹紧物体。

参照图8、图9和图10，滑动组件50包括：卡接块51、设置在卡接块51上的减速电机52以及与减速电机52连接的摩擦滚动机构53，减速电机52用于提供摩擦滚动机构53提供动力源，使得摩擦滚动机构53可沿环形滚槽13进行滚动，从而带动夹紧组件30进行移动。并且在卡接块51的内侧面上开设有卡槽54，卡接块51通过卡槽54套设在圆盘11的外壁上，并与圆盘11滑动配合，随摩擦滚动机构53作相应的移动；卡接块51的外侧面与支架32连接。摩擦滚动机构53包括：与减速电机52输出轴连接的主动轮55以及两个分别与主动轮55接触的摩擦轮56，主动轮55并不与环形滚槽13直接接触，而是由减速电机52带动主动轮55转动，主动轮55转动的同时带动两个摩擦轮56进行转动，使得摩擦轮56在环形滚槽13内进行滚动。在摩擦滚动机构53远离卡接块51的顶部还设有保护罩，通过罩体对减速电机52和传动轴形成一定的遮挡保护。

参照图11，并且主动轮55和两个摩擦轮56之间存在一定的夹角。倘若主动轮55和摩擦轮56之间为共线摩擦传动，那么摩擦滚动机构53只能进行直线运动而卡死在环形滚槽13中。当主动轮55和摩擦轮56之间设置一定的夹角，使它们不再同一直线上，方便摩擦轮56转动时可以贴合环形滚槽13进行滚动，该夹角的存在可以拟合环形滚槽13边缘的曲率，而环形滚槽13则起到一定的导向作用。经过测试，在环形滚槽13内的两枚摩擦轮56的中轴线角度需要小于25°，大于15°，使用这种角度装配摩擦滚动机构53，虽然在转动时会损失部分动能，存在一定的摩擦力阻碍相对转动，但牺牲一部分的动能，可以获得摩擦轮56停止转动时的稳定性，即进行抓取工作时摩擦滚动机构53会因与环形滚槽13之间的摩擦力而具有一定的自锁功能，从而防止抓取时发生意外滑动导致抓取目标掉落。

本发明的操作过程：（1）根据物件的结构特点使滑动组件50带动多连杆手指31移动至合适位置；（2）顶紧驱动件21带动顶紧杆件22沿滑孔12进行滑出；（3）顶紧杆件22端部的凸台23与物件顶面接触；（4）滑块33沿支架32移动，从而使各个多连杆手指31共同对物件进行夹紧；（5）通过顶紧杆件22对物件顶紧以及多连杆手指31对物件夹紧从而完成物料抓取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变姿态关节型灵巧手，其特征在于，包括：底座（10）以及分别设置在所述底座（10）上的顶紧组件（20）和夹紧组件（30）；

所述顶紧组件（20）与所述底座（10）滑动配合；

所述夹紧组件（30）包括：多个连接在所述底座（10）边缘并且可进行形态变化的多连杆手指（31），所述多连杆手指（31）为双层结构；

所述多连杆手指（31）包括：支架（32）、滑块（33）、第一支杆（34）、第二支杆（35）、第三支杆（36）、第四支杆（37）、第五支杆（38）、转动件（39）和随动件（40），所述支架（32）设置在所述底座（10）边缘，所述滑块（33）滑动设置在所述支架（32）上；所述转动件（39）包括：第一角（41）、第二角（42）和第三角（43），所述随动件（40）包括：第四角（44）、第五角（45）和第六角（46）；

所述第一支杆（34）端部与所述滑块（33）铰接，另一端与所述转动件（39）的第二角（42）铰接；

所述转动件（39）上第一角（41）以及所述第二支杆（35）的端部分别与所述支架（32）底端铰接，所述第二支杆（35）的另一端与所述随动件（40）的第四角（44）铰接；并且所述第二支杆（35）的数量为两根，所述转动件（39）从两根所述第二支杆（35）之间穿过；

所述第三支杆（36）的端部与所述转动件（39）的第三角（43）铰接，另一端与所述随动件（40）的第五角（45）铰接；

所述随动件（40）的第五角（45）还铰接有所述第五支杆（38），所述随动件（40）的第六角（46）与所述第四支杆（37）的端部铰接，所述第四支杆（37）的另一端与所述第五支杆（38）铰接；

所述底座（10）包括：两个相连接的圆盘（11），所述圆盘（11）上开设有滑孔（12），所述顶紧组件（20）与所述圆盘（11）上的滑孔（12）滑动配合，所述圆盘（11）上还开设有环形分布的固定孔；

所述圆盘（11）的边缘分别设有多个滑动组件（50），所述多连杆手指（31）与所述滑动组件（50）连接；

所述圆盘（11）的两面分别开设有环形滚槽（13），所述滑动组件（50）包括：卡接块（51）、设置在所述卡接块（51）上的减速电机（52）以及与所述减速电机（52）连接的摩擦滚动机构（53），所述卡接块（51）上开设有与所述圆盘（11）外壁配合的卡槽（54），所述卡接块（51）的外侧面与所述多连杆手指（31）连接，所述摩擦滚动机构（53）与所述环形滚槽（13）滚动配合；

所述摩擦滚动机构（53）包括：与所述减速电机（52）连接的主动轮（55）以及两个分别与所述主动轮（55）相接触的摩擦轮（56），所述摩擦轮（56）与所述环形滚槽（13）滚动接触。

2.根据权利要求1所述的变姿态关节型灵巧手，其特征在于，所述第二支杆（35）上设置有接触垫块（48），所述第五支杆（38）远离所述随动件（40）的端部也设置有夹紧垫块（49）。

3.根据权利要求1所述的变姿态关节型灵巧手，其特征在于，所述顶紧组件（20）包括：设置在所述圆盘（11）顶面的顶紧驱动件（21）以及与所述顶紧驱动件（21）连接的顶紧杆件（22），所述顶紧杆件（22）贯穿所述滑孔（12）。

4.根据权利要求3所述的变姿态关节型灵巧手，其特征在于，所述顶紧杆件（22）远离所述顶紧驱动件（21）的端部设置有凸台（23）。