CN113696204A - 欠驱动夹持器、机器人及夹取物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动夹持器，包括机架，还包括夹指驱动组件，夹指驱动组件包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和夹指杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆和夹指杆组成平行四杆结构，还包括弹性组件和驱动组件，所述弹性组件约束在所述机架和所述第二连杆之间；所述驱动组件用于在所述欠驱动夹持器执行夹取任务时，驱动所述第三连杆运动。还涉及一种机器人和一种夹取物体的方法。能够自适应平夹和包覆夹取。

Description

欠驱动夹持器、机器人及夹取物体的方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种欠驱动夹持器、机器人及一种夹取物体的方法。

背景技术

在机器人操作与抓取中，通常需要应对不同形状，不同尺寸，不同材质的物体。常规夹持器一般使用平行夹持器结构，夹持器的两个指面平行对称布置，同时平行移动，做开合动作，夹取物品。由于夹持器末端指面平行，在夹取某些异形物体时，会有加持中脱落的风险，而在增加夹持驱动力的过程中，有可能损坏被夹持物体。

发明内容

本发明为了克服现有技术中平行夹持器只能进行平夹造成夹取异形物体时，有脱落的风险或者损坏被夹持物体的，提供了一种能够根据待夹取物的形状适应进行平夹或者包覆夹取的夹持器，具体地，第一方面，本发明实施例提供了一种欠驱动夹持器，包括机架，还包括位于所述欠驱动夹持器的夹取区域周围的夹指驱动组件，其中，所述夹指驱动组件包括与所述机架铰接的第一连杆、与所述第一连杆铰接的第二连杆、与所述第二连杆铰接的第三连杆、与所述第三连杆铰接的夹指杆，所述夹指杆还与所述第一连杆铰接，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和所述夹指杆组成平行四杆结构，所述第二连杆还与所述机架铰接，所述夹指杆包括用于夹取位于夹取区域的待夹取物的夹指部；所述第一连杆与所述机架铰接的旋转轴线、所述第一连杆与所述第二连杆铰接的旋转轴线和所述第二连杆与所述机架铰接的旋转轴线共线；

所述夹指驱动组件还包括弹性组件和驱动组件，所述弹性组件约束在所述机架和所述第二连杆之间；所述驱动组件用于在所述欠驱动夹持器执行夹取任务时，驱动所述第三连杆运动以使所述夹指部向靠近待夹取物的方向运动直到所述夹指驱动组件与待夹取物接触后使所述夹指部实现平夹或者包覆夹取；所述弹性组件用于在所述欠驱动夹持器执行夹取任务时，弹性限制所述第二连杆的旋转运动。

本发明实施例第二方面提供了一种机器人，在所述机器人的末端安装有上述的欠驱动夹持器。使得上述的欠驱动夹持器能够运用到各个机器人末端上。

本发明实施例第三方面提供了一种夹取物体的方法，利用上述欠驱动夹持器对待夹取物进行夹取，其中，所述夹取物体的方法包括如下步骤：

获取待夹取物的待夹取面的特征；

判断所述待夹取面为平面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，所述夹指杆与所述待夹取面接触，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行平夹；

判断所述待夹取面为凸面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行包覆夹取。

进一步地，所述待夹取面的特征通过深度摄像头、或者激光雷达进行采集生成。

本发明实施例中的夹持器采用了欠驱动的方式，实现能够根据待夹取物的外形进行适应夹取，当夹取物的表面为平面时，夹持器能够进行平夹，当所述夹取物为异面时，夹持器能够适应转换成包覆夹取；利用夹持器进行搬运待夹取物时，由于能够适应性地夹取，保证了夹持器对夹取物的夹持力稳定可靠，避免出现脱落的情形，同时采用包覆夹取，保证有足够的与物体的接触面，使得受力均匀，避免出现破坏待夹取物的情况。本发明实施例中夹持器即能实现平夹也能实现包覆夹取，为使用者提供了多种选择，在利用本发明实施例中的夹持器进行夹取物体的任务时，可根据待夹取物的外形，控制夹持器的中心相对待夹取物的位置，实现多种夹取方式。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图2为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的抓取状态示意图；

图3为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的抓取状态示意图；

图4为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的抓取状态示意图；

图5为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的抓取状态示意图；

图6为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图7为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图8为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图9为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图10为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图11为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图12为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图13为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的拆掉机架外壳的结构示意图；

图14为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的另一视角的拆开后结构示意图；

图15为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的夹持示意图；

图16为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的夹持示意图；

图17、图18为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的夹持形式示意图；

图19、图20为本发明一些实施例中的欠驱动夹持器的夹持形式示意图；

图21至图24为本发明另一些实施例中的欠驱动夹持器的结构示意图；

图25为本发明一些实施例中的夹取物体的方法流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

现有技术中利用平夹夹持器进行夹持时，利用面与待夹取物进行接触，夹取时，物体受力固定，在搬运过程中常常会出现抓取不稳的情况，特别是对于异形物体，常常时点接触或者线接触，从接触点对物体施加的力比较僵化，不能自适应调整方向，常常出现夹取不稳，或者如果需要保证夹取稳当，需要增加夹持力，从而对待夹取物的破坏。本发明实施例提供了一种欠驱动的夹持器，能够保证夹持过程中能够夹持稳定，自适应夹持间隙的变化，同时不需要额外施加夹持力，从而避免了破坏待夹取物的情形。

具体地，如图1至图11所示，本发明实施例提供了一种欠驱动夹持器100，包括机架110，还包括位于所述欠驱动夹持器的夹取区域130周围的夹指驱动组件120，所述夹指驱动组件 120与所述机架110连接，所述夹指驱动组件120的数量可以根据待夹取物200的形状和其他夹取条件进行选择，其中，所述夹指驱动组件120包括与所述机架110铰接的第一连杆121、与所述第一连杆121铰接的第二连杆122、与所述第二连杆122铰接的第三连杆123、与所述第三连杆123铰接的夹指杆124，所述夹指杆124还与所述第一连杆121铰接，所述第一连杆121、第二连杆122、第三连杆123和所述夹指杆124组成平行四杆结构，所述第二连杆122还与所述机架110铰接，所述夹指杆124包括用于夹取位于夹取区域130的待夹取物200的夹指部1241；所述第一连杆121与所述机架110铰接的旋转轴线、所述第一连杆121与所述第二连杆122铰接的旋转轴线和所述第二连杆122与所述机架110铰接的旋转轴线共线，即所述第一连杆121、所述第二连杆122所述机架铰接与一点或者于同一个旋转轴线上；

所述夹指驱动组件120还包括弹性组件125和驱动组件126，所述弹性组件125约束在所述机架110和所述第二连杆122之间，所述弹性组件125用于在所述欠驱动夹持器100执行夹取任务时，弹性限制所述第二连杆122的旋转运动，当所述弹性组件125为拉力弹簧时，所述弹性组件125用于提供弹性阻力限制所述第二连杆122朝远离所述弹性组件125与所述机架110的力作用点的方向运动，如图1所示，所述弹性组件125限制所述第二连杆122逆时针旋转，当然所述弹性组件125也可为扭力弹簧，扭力方向根据需要设置；所述驱动组件126用于在所述欠驱动夹持器100执行夹取任务时，驱动所述第三连杆123运动以使所述夹指部1241向靠近待夹取物200的方向运动直到所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触后使所述夹指部1241实现平夹或者包覆夹取。

图1中机架110上示出了中心线，表达了省略了其他夹指驱动组件120，由于构型、结构大部分相同，在此不做表达，以让表达更加清楚。第三连杆123上示出了驱动力的延长线(虚线)，以明确接触点H相对延长线的位置。本发明实施例中一些附图采用了机构原理图或者机构简图的方式进行表达，是为了更加清晰地展现本发明的原理，本领域技术人员在获取到这样的原理图、简图后，很容易得到具体的夹持器结构。例如，当描述铰接时，本领域技术人员自然能够想到采用轴孔配合、轴与轴承的配合，再例如，如何两个杆件在运动空间中有交涉，自然能够想到从铰接轴的方向上相互离开，提供充分的运动空间；再例如，当描述滑动时，自然能够想到可以采用两个圆形截面的光轴与滑块配合，也可采用单独的截面形状为方型的轨道与滑块配合来实现；当描述驱动时，自然能够想到利用电机进行旋转驱动，利用电机与丝杠导轨配合的方式来进行滑动驱动，或者采用气缸、旋转气缸等等。

本发明实施例中欠驱动夹持器100中弹性组件125和驱动组件126提供约束驱动整个装置运动，其中，弹性组件125提供的约束是弹性约束，驱动组件126推动第三连杆123运动，从而带动夹指杆124运动，当所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触后，可以根据接触点的形式适应性地进行平夹取或者包覆夹取，平行夹取时，所述夹指部1241进行平移，包覆夹取时，所述夹指部1241进行翻转运动，翻转方向是向靠近待夹取物200的中心方向；本发明实施例中的欠驱动夹持器100既能够进行平夹也可以实现包覆夹取，能够自适应夹取。

本发明实施例中的欠驱动夹持器100从初始位置向靠近待夹取物200运动时，在一些实施例中可以直接驱动夹指部1241进行包覆夹取，当然实现包覆夹取的前提是，待夹取物与夹指部1241的接触点为单一接触点，如果是多个接触点，则仍是平夹；也可以先驱动夹指部1241平行移动，然后在所述夹指部1241或者所述第一连杆与待夹取物200接触时，夹指部 1241自适应进行夹取，例如，当待夹取物200的待夹取面201为平面时，夹指部1241进行平夹，当所述待夹取物200的待夹取面201为异面或者凸面时，如图2所示，这时第一连杆121可能先与待夹取面201接触，根据接触点相对驱动组件126的驱动力的延长线的位置，驱动组件126驱动夹指部1241选择性的进行平夹或者包覆夹取，例如，如图3所示，当接触点H位于延长线的左侧时，进行包覆夹取，当在右侧时，进行平夹；当夹指部1241先与待夹取面201接触，根据接触点相对驱动组件126的驱动力的延长线的位置，驱动组件126驱动夹指部1241选择性的进行平夹或者包覆夹取，例如，当接触点位于延长线的左侧时，进行包覆夹取，如图4、图5所示，当接触点H在右侧时，进行平夹。所述夹指杆124整体成“L”形状，夹指部1241上可以设置有夹取物体的夹指平面1242，在一些实施例中，夹指部1241 上的夹指平面1242与机架的中心线平行，可选地，夹指驱动组件120的数量为两个或者多个，对称或者周对称设置，这时，夹指部1241能够牢靠地夹取位于夹取区域130的待夹取物200。

本发明实施例中的夹指部1241向待夹取物200运动过程基本是一个必经过程，本发明实施例可以先让夹指部1241快速运动与待夹取物200进行接触，然后进行平夹或者包覆夹取，在一些实施例中，可以从初始位置先驱动夹指部1241进行平动，这时夹指部1241运动快，能够快速与待夹取物接触。具体地，所述欠驱动夹持器100被配置为，当所述欠驱动夹持器 100在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触前，所述驱动组件126 向所述第三连杆123提供的驱动力的方向不与所述第三连杆123的延伸方向平行或共线，如图所示，当驱动力不与第三连杆123或者第一连杆121平行或者共线时，能够保证弹性组件 125受外力较小，使得第二连杆122几乎不旋转，这时，平行四杆结构进行积压变形，由于夹指杆124的部分结构始终与第二连杆122平行，这时，夹指杆124不进行翻转，做平移运动，当夹指部1241与待夹取物200接触时，夹指部1241的平移运动被限制，在一些实施例中，驱动组件126继续驱动时，第二连杆122进行旋转，从而夹指杆124进行旋转，实现包覆夹取，这时也需要根据接触点与驱动力的延长线的相对位置关系判断是平夹还是包覆夹取，当接触点位于驱动力延长线的左侧时，进行包覆夹取，当在右侧时，进行平夹。当驱动组件126为推杆时，驱动力的延长线即为推杆的延长线。

在一些实施例中，当夹指驱动组件120与待夹取物接触之后，允许驱动力的延长线方向可与第三连杆123共线或者平行。这时，能够保证夹指杆124具有包覆夹取的趋势，如果仅有一个接触点，可以确保进行包覆夹取。

进一步地，所述欠驱动夹持器100被配置为，当所述欠驱动夹持器100在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触前，所述夹指杆124相对所述机架110进行平动运动。

进一步地，所述欠驱动夹持器100被配置为，当所述欠驱动夹持器100在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触时，若存在接触点位于所述驱动组件126 向所述第三连杆123提供的驱动力的左侧时，所述夹指杆124具有翻转趋势；实施例中描述的翻转趋势并不能完全使得夹指杆124进行翻转，还需根据接触点的数量进行判断，例如，当有在左侧的两个接触点位于夹指部1241上时，即便有翻转趋势，但是由于存在两个接触点，也不会进行翻转，但是这样的好处时，在搬运过程中，即便有产生了间隙，也能快速地自适应地调整夹指杆124的弥补间隙，保证了接触可靠；当然，如果在左侧的接触点仅为一个时，夹指杆124就会进行翻转。

当所述欠驱动夹持器100在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件120与待夹取物200 接触时，若存在接触点位于所述驱动组件126向所述第三连杆提供的驱动力的右侧时，所述夹指杆124不具有翻转趋势，这里，当待夹取物200的待夹取面201为平面时，能够进行平夹，即便是异形物，即接触点可能为单个，也是进行平夹。

在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触时，若存在两个以上的接触点，且存在两个接触点位于所述夹指杆124上时，所述夹指杆124不翻转；或者，存在一个接触点位于夹指杆124，一个接触点位于第一连杆121时，所述夹指杆不翻转，上述实施例中的接触点存在两个以上，且形成了稳定接触，夹指杆124不进行翻转。

在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触时，若接触点位于所述驱动组件126向所述第三连杆123提供的驱动力的左侧时，且所述接触点为单一接触点，则所述夹指杆124进行翻转运动；或者，若接触点位于所述驱动组件126向所述第三连杆123提供的驱动力的左侧时，所有接触点都为位于第一连杆上时，所述夹指杆进行翻转运动，这时允许有多个接触点，接触点的数量对夹指杆124的翻转与否基本没有影响。

为了保证驱动第三连杆123运动时，第二连杆122基本不旋转，可以让弹性组件125提供一个预加的力，具体地，所述欠驱动夹持器100位于初始状态时，所述驱动组件126的运动位置被配置为使得所述弹性组件125提供预设的弹性阻力。

所述弹性组件125既可以拉簧也可以是压簧，但是需要考虑设置位置不一样。

针对不同的待夹取物200的外形，本发明实施例中的夹指驱动组件120的数量可以设置不同，

如图6所示，所述夹指驱动组件120的数量为一个，利用所述机架110和所述夹指驱动组件120分别与待夹取物200接触实现夹取任务；机架110上设有向待夹取区域130延伸的延伸部，通过延伸部和夹指杆124或者第一连杆121共同作用进行夹取，夹取过程汇总，如上面的实施例中的描述，可以进行平夹和包覆夹取。

如图1所示，所述夹指驱动组件120的数量为两个或者多个，两个或者多个所述夹指驱动组件120均匀分布在所述夹取区域130周围。例如，所述夹指驱动组件120以夹取区域的中心线为中心均匀分布，当然，也可以根据需要不需要均匀分布。

进一步地，在所述夹指驱动组件120与待夹取物200接触之前，

若所述夹指驱动组件120的数量为两个或者多个，所述夹指部1241上的接触面与所述机架的中心线平行，例如，夹指平面1242与所述机架的中心线平行，这时保证了抓取过程，受力均匀。

若所述夹指驱动组件120的数量为一个，所述机架110包括向所述夹取区域延伸的夹取端111，所述夹指部1241上的接触面(例如，夹指平面1242)与所述夹取端111的夹取面112平行；

其中，所述接触面用于与待夹取物200接触。

通过控制本发明实施例中的欠驱动夹持器100可以实现平夹和包覆夹取，可以根据待夹取物200的外形，进行选择，控制夹持器100的夹持姿态，当所述待夹取物200的待夹取面 201为平面时，所述欠驱动夹持器被配置为利用夹指部1241的接触面与所述待夹取面201平行接触以实现平夹，这时需要获取待夹取物200的位姿，或者获取待夹取面201的位姿，调整夹持器100的位姿，使得夹指部1241的接触面与待夹取面201平行，然后控制夹指部1241 进行平动，使得夹指部1241与待夹取物200或者待夹取面201接触，实现平夹。

当所述待夹取物200的待夹取面201的凸面时，所述欠驱动夹持器100被配置为利用夹指部1241的接触面和/或所述第一连杆121与所述待夹取面201接触，与上述实施方式相似，需要调整夹持器的位姿，可以先控制夹指部1241进行平动，使得第一连杆121或者夹指部 1241与待夹取物200接触，可以使接触时接触点位于驱动力延长线的左侧，这时，夹指杆124 进行翻转，实现包覆夹取，如果不考虑包覆夹取，可以不用考虑接触点相对驱动力延长线的位置关系。

本发明实施例中的提供驱动力的方式可以有多种，下面进行介绍。

如图7所示，所述驱动组件126包括可被驱动相对所述机架110滑动的第一滑块1261、与所述第一滑块1261铰接的第一推杆1262，所述第一推杆1262与所述第三连杆123铰接。驱动第一滑块1261运动，即可使得第一推杆1262向第三连杆123施加推力。所述第一滑块 1261的运动位置可以位于远离待夹取区域130的位置，即可以设置在平行四杆机构的外侧。

进一步地，所述第一推杆1262与所述第三连杆123的铰接点位于所述第三连杆123与所述夹指杆124的铰接点和所述第三连杆123与所述第二连杆122的铰接点之间，保证了受力稳定，避免出现额外转矩的情况。

为了使得结构紧凑，可以将第一滑块1261的位置设置在靠近机架中心线的位置，然后延伸处于与第一推杆1262铰接，所述第一滑块1261上设有延伸杆，所述延伸杆朝向远离所述机架110中心的方向延伸，所述第一推杆1262与所述延伸杆的末端铰接。本发明实施例中设置延伸杆，使得第一滑块1261的运动区域可以设置在靠近机架中心的位置，在工程运用中，可以使得机架结构紧凑，从而使得整体上夹持器的结构紧凑，符合工程实际需求。

如图8所示，可以采用偏心轮、凸轮机构对第三连杆123进行驱动，具体地，所述驱动组件126包括可被驱动绕机架旋转的偏心轮2261，所述偏心轮2261的外缘2262与所述第三连杆123抵接。由于偏心轮2261的外缘与第三连杆123相切，驱动力的方向始终沿着垂直于第三连杆123的方向，使得夹指部1241从初始位置先进行平动，所述偏心轮2261可设置于所述平行四杆机构的外侧，具体远离所述夹取区域130的方向。为了保证连接可靠，如图9所示，所述偏心轮2261的可以设有轨槽2263，所述第三连杆123上设有与所述第三连杆123铰接的凸柱2231，所述凸柱2231被容纳在所述轨槽2263中，相对所述轨槽2263滑动。

如图10所示，驱动组件126的组成形式还可采用如下的形式：所述驱动组件126包括与所述第三连杆123铰接的第二滑块3261、可与所述第二滑块3261相对滑动的摆杆3262，所述摆杆3262与所述机架110铰接，所述第二滑块3261可被驱动沿所述摆杆3262滑动。所述第二滑块3261与所述第三连杆123的铰接点设置于第三连杆123与所述第二连杆122、夹指杆124的铰接点之间。可以在所述摆杆3262上设置有齿条，第二滑块3261上设置有驱动电机，驱动电机输出轴上的齿轮与所述齿条啮合，驱动电机旋转，即可驱动第三连杆123动作，为了避免相互干涉，可设置摆杆3262与机架110的铰接点位于所述平行四杆机构的外侧。

如图11所示，所述驱动组件126的形式还可采用连杆形式，具体地，所述驱动组件126 包括一端与所述第三连杆123铰接的第二推杆4261、与所述第二推杆4261另一端铰接的摇臂4262，所述摇臂4262与所述机架110铰接，所述摇臂4262可被驱动绕所述机架旋转。所述摇臂4262与所述机架的铰接点可设置在所述平行四杆机构的外侧，以避免运动干涉。可以设置所述第二推杆4261与所述第三连杆123的铰接点位于第三连杆123与所述第二连杆122、夹指杆124的铰接点之间，保证了受力稳定。

进一步地，所述弹性组件125包括扭簧、拉簧、压簧中的一种或多种，所述扭簧可套设在第二连杆122与所述机架110的铰接轴上，扭簧两端一端作用到机架上，一端设置在所述第二连杆122上；所述拉簧设置在第二连杆122与所述机架110之间，设置在所述平行四杆机构的外侧；所述压簧设置在第二连杆122与所述机架110之间，设置在所述平行四杆机构的内侧。一般地，为了结构紧凑和获得较大稳定的阻力距，可以采用扭簧进行安装。

上述驱动组件126中的驱动可以采用电机进行驱动，驱动方式可采用直接驱动，也可采用传动驱动，在此不做限定。当然在一些应用中也可采用液压驱动，比如液压马达。动力源即可采用旋转动力源也可采用直线动力源，例如，电动缸，电机与丝杠导轨组件等等。

本发明实施例中的夹持器采用了欠驱动的方式，实现能够根据待夹取物的外形进行适应夹取，当夹取物的表面为平面时，夹持器能够进行平夹，当所述夹取物为异面时，夹持器能够适应转换成包覆夹取；利用夹持器进行搬运待夹取物时，由于能够适应性地夹取，保证了夹持器对夹取物的夹持力稳定可靠，避免出现脱落的情形，同时采用包覆夹取，保证有足够的与物体的接触面，使得受力均匀，避免出现破坏待夹取物的情况。本发明实施例中夹持器即能实现平夹也能实现包覆夹取，为使用者提供了多种选择，在利用本发明实施例中的夹持器进行夹取物体的任务时，可根据待夹取物的外形，控制夹持器的中心相对待夹取物的位置，实现多种夹取方式。

下面从工程应用的角度，对本发明实施例中的欠驱动夹持器进行描述，一定程度上可以作为另一种实施方式。如图12至图16所示，本发明实施例提供了一种新构型的多连杆欠约束二指夹持器500，通过内部弹性元件实现欠约束下机构的外形稳定，在夹持动作过程中，若仅指尖末端受力，指尖部分可实现平行捏取的操作，若指根受力，手指会包覆住被夹持物体，实现抓取的操作。

本发明实施例中的夹持器500包括：机架501，滑块502，1号连杆503，2号连杆504，3号连杆505，指尖506，推杆507，弹性元件508。所述机架501是机构的固定部分，通过铰链与连杆推杆等连接；所述滑块502是机构中的主动运动部件，在机架501上由电动机牵引平动；1号连杆503，2号连杆504，3号连杆505，指尖506构成平行四杆结构，其中1号连杆和3号连杆通过铰链固定在机架上；指尖506作为平行四杆中的一个短连杆，同时也是夹持器500的夹取末端；推杆507连接滑块502以及2号连杆504，推杆507通过铰链连接在2号连杆504中间。所述滑块502上设有向外延伸的延伸杆5021，以使滑块502能够设置在靠近机架501中心的位置，从而使得结构紧凑。

上述机架501中，为夹持器500的固定部分，内部包含驱动元件以及驱动电路，通过电动元件产生动力。

上述平行四杆结构中，2号连杆504与3号连杆505始终平行，1号连杆503与指尖506始终平行，指尖506即是平行四杆中的一部分，也是末端夹取的受力部件。夹持器包含两个平行四杆结构，为对称布置结构，两个平行四杆结构中1号连杆503与3号连杆505的铰链点间的距离确定夹持器的开合大小。

上述推杆507连接滑块502与平行四杆结构中的2号连杆504，与平行四杆结构中的2号连杆504的铰接点位于2号连杆504的中部位置，也可在其他位置，处于两个交联点之间即可。

上述指尖506为L形连杆，为平行四杆结构的一部分，L指尖部分可根据设计需求进行外形变化。

上述弹性元件508连接1号连杆503与机架501，通过装配中的预紧将1号连杆503向下拉向机架501方向，弹性元件可选用扭簧或者拉簧。

上述滑块502与机架501间为移动副，当滑块502向上移动时，推杆507将直接推动平行四杆结构中的2号连杆504，由于末端空载，1号连杆503由弹性元件向下拉，指尖506将保持姿态相向运动，此时为平行夹取，如图15所示，指尖506与待夹取物200平行接触进行夹取；原理上如图7所示，当3号连杆505遇到障碍物阻挡时，1号连杆503将受到2号连杆504的向上牵引而向上转动，此时，平行四杆围绕机架501与1号连杆503的铰链点转动， 1号连杆503绕3号连杆505与1号连杆503之间的铰接点进行转动，从而使得同处平行的指尖506的顶部进行转动，两指尖506的顶部将不再保持平行，此时夹持器500将包覆被抓取物，结果如图16所示。

上述平行四杆结构在弹性元件508拉力作用下，1号连杆503的位置保持不变，当滑块 502推或拉平行四杆结构时，两指尖506的顶部始终平行；当3号连杆505在夹取过程中遇到阻碍，推杆507推动平行四杆使1号连杆503远离机架501，平行四杆整体结构发生旋转，在继续推动过程中，指尖506向内包覆，包络住被夹持物体。

上述1号连杆503与机架501之间的弹簧可以使用扭簧代替，与实际工程设计中具体应用相关。

如图17、图18所示，推杆EF在运动过程中与连杆BC线始终不平行(至少在平动过程中不平行)。推杆EF与AD连杆、DC指尖连杆交于G点(G点可能在AD连杆上，也可能在DC指尖连杆上)。当夹取物体时，物体与指面内侧接触点H。当H点位于AG区间内，指尖发生旋转，对物体进行包覆，如图19、图20所示。当H点位于AG区间外，指尖将平行夹取物体。也可这样认为，当接触点H位于推杆EF的延长线的左侧，指尖发生旋转，对物体进行包覆，当位于右侧，指尖将平行夹取物体。

本发明实施例提出使用多连杆与弹性元件构成的欠约束二指夹持器构型，其中机架501 可作为外壳，内部放置驱动元件，驱动滑块502沿机架501方向往复运动。内部平行四杆结构尺寸可根据设计需求进行尺寸修改，针对不同形状目标物可实现平行夹取和包络式抓取。

本发明实施例提出的新型机构通过改变平行四杆结构的可以实现平行夹取以及包络抓取，可以自适应被抓取的物体形状，实现更加可靠的抓取或夹取。

如图21至图24所示，本发明实施例的提供了一种具有指尖压力检测和抓取自适应功能的物体夹持器，其结构示意图如图21所示，包括左指节模块1、右指节模块2、移动模块3、驱动器4、压力传感器5、传感器控制板6、驱动电机7、上盖8、下盖9、后盖10。上盖8、下盖9、后盖10组成机架。左指节模块1和右指节模块2完全相同。移动模块3通过螺纹孔与下盖9相连接。驱动器4通过螺孔分别与上盖8、下盖9相连接。传感器控制板6 通过螺孔分别固定在左指节模块1、右指节模块2中的第一连杆15上。上盖8与下盖9通过螺孔用螺钉20相连接。后盖10通过螺孔用螺钉20与上盖8、下盖9相连接。左指节模块1、右指节模块2一部分由第一连杆15下端轴孔通过转轴18和卡簧19分别于上盖8、下盖9相连接，另一部分由推杆平行杆17通过转动轴18和卡簧19与移动推杆21相连接。移动模块 3由移动推杆21通过转轴18和卡簧19分别与左指节模块1、右指节模块2的推杆17相连接。

左指节模块1、右指节模块2的结构，如图22中所示，夹指杆3的尖端有一凹槽和螺孔，指尖可以用固定螺钉20和夹指杆13部分固定，防滑橡胶垫11粘合在之间的平面上方，压力传感器5粘合在指尖12与防滑橡胶垫11之间。夹指杆13分别通过转轴18和卡簧19与第三连杆14、第一连杆15的上端轴孔相连接，第三连杆14、第一连杆15的下端通过转轴18和卡簧19与第二连杆16相连接。第二连杆16通过穿过转轴18的扭簧19与下盖9的扭簧固定槽相连接。推杆17通过转轴18和卡簧19与第三连杆14相连接。推杆17的下端通过转动轴 18和卡簧19与移动推杆21相连接。左、右指节模块一部分由第一连杆15下端轴孔通过转动轴18和卡簧19分别于上盖8、下盖9相连接，另一部分由推杆17通过转动轴18和卡簧 19与移动推杆21相连接。

移动模块3的结构如图23所示，导杆丝杠支撑座22和电机丝杠支撑座23通过螺钉固定在移动模块底板24上。导向轴25通过螺孔固定在导杆丝杠支撑座22和电机丝杠支撑座23 上面。滚珠丝杠27通过轴承29固定在导杆丝杠支撑座22和电机丝杠支撑座23上。直线轴承26通过卡簧与移动推杆21相连接。滚珠丝杠螺母28通过螺钉固定在移动推杆21上。移动推杆21通过直线轴承26和滚珠丝杠螺母28与导向轴25、滚珠丝杠27相配合连接。驱动电机7通过螺钉固定在电机丝杠支撑座23上，第二齿轮31和第一齿轮30分别固定在驱动电机7的输出轴和滚珠丝杠27的轴段上，第二齿轮31和第一齿轮32相啮合。上述驱动形式也可运用到单指或者多指的情况下。

如图24所示，传感器控制板6放置在指节模块内，通过柔性排线连接压力传感器5，传感器控制板6负责将压力传感器5的原始模拟信号采集后，计算得到实际力值，将压力值通过线缆传输给驱动器，由驱动器内部逻辑判断夹爪是否夹取物体，以及夹取物体的力，同时可以控制夹持力的范围，所述驱动器将信号发送给伺服电机，控制开合。

本发明提出的具有指尖压力检测和抓取自适应功能的物体夹持器，其优点是：可以实现压力感知、自适应抓取不同形状物体等功能。本发明的压力传感器可以应用于机器人上的夹持器，以及其他复杂环境场景下的精密抓取。与现在通用的无传感器和反馈的夹持器相比，本发明的物体夹持器具有自适应性，对抓取物体具有更好的包络性，使抓取的过程更为准确可靠。本发明中的夹持器，结构紧凑，能够联合驱动，驱动数量少，将质量大的部件整合到机架中，减少了末端运动的惯量，具有工程实际运用价值。

本发明第二方面将上述的夹持器运用到机器人领域上，具体地，提供了一种机器人，在所述机器人的末端安装有上述的欠驱动夹持器。所述机器人可以为履带式、轮式移动机器人，也可是爬壁机器人、水下爬壁机器人、水下悬浮机器人和飞行机器人，上述机器人中还可设有机械臂，例如6自由度机械臂，2自由度机械臂，上述的欠驱动夹持器位于机械臂的末端，进行空间中物体的夹取。机器人能够自适应夹取，保证了夹取稳定，在搬运过程中，避免脱落。上述机器人也可仅为单独的机械臂，例如在码垛、拣选场景，在6轴机械臂、5轴机械臂的末端上述安装的欠驱动夹持器。

如图25所示，本发明实施例还提供了基于上述欠驱动夹持器的夹取物体的方法，包括如下步骤：

S110、获取待夹取物的待夹取面的特征，所述待夹取面的特征通过深度摄像头、或者激光雷达进行采集生成，也可是预先设定的，实时采集特征时，可通过模式匹配的方式获知是否是平面还是凸面，还可提取截面形状做外接圆，在某一个方向上，如果有两个点位于外接圆上，即可认定为平面，这时，其实并不是完全是平面，例如，如果是凹面，由于可以进行平行夹取，也可认定为平面，如果只有一个点在外接圆上，则认定为凸面，当然需要考虑误差余量之后进行判断，避免测量误差对结果的影响；

S120、判断所述待夹取面为平面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，所述夹指杆与所述待夹取面接触，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行平夹，这时接触点一般在指尖上；

S130、判断所述待夹取面为凸面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行包覆夹取，这时接触点可在指尖上，也可在连杆上。

上述夹取方法的具体实施细节，例如控制夹持器运动到达的位置，需要结合上述夹持器的运行原理来理解，如上所述，夹持器与待夹取物的接触点相对驱动力延长线的位置作为核心因素决定是否是平夹和是包覆夹取，另外的因素还包括待夹取物的夹取面的特征，所以利用上述夹持器进行夹取时，除了可以实际试验决定怎么夹取外，还可通过各种因素进行模拟，模拟夹取的效果，模拟之后决定采用何种夹取方式，再反过来调整夹取的位置。在工程应用中，生产线上待夹取物在一段时间内时不变的，可以通过上述方式获取到夹持器的位姿，重复控制即可进行稳定运行。

本发明实施例中的夹持器在夹持物体完成夹持任务之后需要回复到初始状态，这时驱动组件回退即可。由于存在有弹性组件的作用，平行四杆结构回复到初始位置，例如回复到夹指部处于相互平行的位置。

从上述实施例中可知接触点位置对应了夹持器夹持时是包覆夹取还是平夹，通过待夹取物的外形和夹取面的特征，可以预先仿真出具体的接触点位于何处，还可根据夹持器的位姿调整，实现不同的夹取方式。

本发明实施例中夹持器、机器人、夹取方法能够针对不同的夹取面特征进行自适应夹取。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”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“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (20)

1.一种欠驱动夹持器，包括机架，其特征在于，还包括位于所述欠驱动夹持器的夹取区域周围的夹指驱动组件，其中，所述夹指驱动组件包括与所述机架铰接的第一连杆、与所述第一连杆铰接的第二连杆、与所述第二连杆铰接的第三连杆、与所述第三连杆铰接的夹指杆，所述夹指杆还与所述第一连杆铰接，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和所述夹指杆组成平行四杆结构，所述第二连杆还与所述机架铰接，所述夹指杆包括用于夹取位于夹取区域的待夹取物的夹指部；所述第一连杆与所述机架铰接的旋转轴线、所述第一连杆与所述第二连杆铰接的旋转轴线和所述第二连杆与所述机架铰接的旋转轴线共线；

所述夹指驱动组件还包括弹性组件和驱动组件，所述弹性组件约束在所述机架和所述第二连杆之间；所述驱动组件用于在所述欠驱动夹持器执行夹取任务时，驱动所述第三连杆运动以使所述夹指部向靠近待夹取物的方向运动直到所述夹指驱动组件与待夹取物接触后使所述夹指部实现平夹或者包覆夹取；所述弹性组件用于在所述欠驱动夹持器执行夹取任务时，弹性限制所述第二连杆的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述欠驱动夹持器被配置为，当所述欠驱动夹持器在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触前，所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的方向不与所述第三连杆的延伸方向平行或共线。

3.根据权利要求2所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述欠驱动夹持器被配置为，当所述欠驱动夹持器在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触前，所述夹指杆相对所述机架进行平动运动。

4.根据权利要求2所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述欠驱动夹持器被配置为，当所述欠驱动夹持器在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触时，若存在接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧时，所述夹指杆具有翻转趋势；

当所述欠驱动夹持器在执行夹取任务时，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触时，若存在接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的右侧时，所述夹指杆不具有翻转趋势。

5.根据权利要求4所述的欠驱动夹持器，其特征在于，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触时，若存在两个以上的接触点，且存在两个接触点位于所述夹指杆上时，所述夹指杆不翻转；或者，存在一个接触点位于夹指杆，一个接触点位于第一连杆时，所述夹指杆不翻转。

6.根据权利要求4所述的欠驱动夹持器，其特征在于，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触时，若接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧时，且所述接触点为单一接触点，则所述夹指杆进行翻转运动；或者，若接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧时，所有接触点都为位于第一连杆上时，所述夹指杆进行翻转运动。

7.根据权利要求1所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述欠驱动夹持器位于初始状态时，所述驱动组件的运动位置被配置为使得所述弹性组件提供预设的弹性阻力。

8.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，

所述夹指驱动组件的数量为一个，利用所述机架和所述夹指驱动组件分别与待夹取物接触实现夹取任务；或者，

所述夹指驱动组件的数量为两个或者多个，两个或者多个所述夹指驱动组件均匀分布在所述夹取区域周围。

9.根据权利要求8所述的欠驱动夹持器，其特征在于，在所述夹指驱动组件与待夹取物接触之前，

若所述夹指驱动组件的数量为两个或者多个，所述夹指部上的接触面与所述机架的中心线平行；

若所述夹指驱动组件的数量为一个，所述机架包括向所述夹取区域延伸的夹取端，所述夹指部上的接触面与所述夹取端的夹取面平行；

其中，所述接触面用于与待夹取物接触。

10.根据权利要求9所述的欠驱动夹持器，其特征在于，

当所述待夹取物的待夹取面为平面时，所述欠驱动夹持器被配置为利用夹指部的接触面与所述待夹取面平行接触以实现平夹；

当所述待夹取物的待夹取面的凸面时，所述欠驱动夹持器被配置为利用夹指部的接触面和/或所述第一连杆与所述待夹取面接触。

11.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述驱动组件包括可被驱动相对所述机架滑动的第一滑块、与所述第一滑块铰接的第一推杆，所述第一推杆与所述第三连杆铰接。

12.根据权利要求11所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述第一推杆与所述第三连杆的铰接点位于所述第三连杆与所述夹指杆的铰接点和所述第三连杆与所述第二连杆的铰接点之间。

13.根据权利要求11所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述第一滑块上设有延伸杆，所述延伸杆朝向远离所述机架中心的方向延伸，所述第一推杆与所述延伸杆的末端铰接。

14.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述驱动组件包括可被驱动绕机架旋转的偏心轮，所述偏心轮的外缘与所述第三连杆抵接。

15.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述驱动组件包括与所述第三连杆铰接的第二滑块、可与所述第二滑块相对滑动的摆杆，所述摆杆与所述机架铰接，所述第二滑块可被驱动沿所述摆杆滑动。

16.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述驱动组件包括一端与所述第三连杆铰接的第二推杆、与所述第二推杆另一端铰接的摇臂，所述摇臂与所述机架铰接，所述摇臂可被驱动绕所述机架旋转。

17.根据权利要求1至7任一所述的欠驱动夹持器，其特征在于，所述弹性组件包括扭簧、拉簧中的一种或多种。

18.一种机器人，其特征在于，在所述机器人的末端安装有如权利要求1～17任一所述的欠驱动夹持器。

19.一种夹取物体的方法，其特征在于，利用权利要求1至17任一所述欠驱动夹持器对待夹取物进行夹取，其中，所述夹取物体的方法包括如下步骤：

获取待夹取物的待夹取面的特征；

判断所述待夹取面为平面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，所述夹指杆与所述待夹取面接触，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行平夹；

判断所述待夹取面为凸面时，移动所述欠驱动夹持器的位置以使所述待夹取面与所述夹指驱动组件接触时，接触点位于所述驱动组件向所述第三连杆提供的驱动力的左侧，然后控制所述驱动组件运动，以使所述夹指部对所述待夹取面进行包覆夹取。

20.根据权利要求19所述的夹取物体的方法，所述待夹取面的特征通过深度摄像头、或者激光雷达进行采集生成。

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