CN113799162B - 面向异形物体的机器人抓取手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向异形物体的机器人抓取手爪，包括底座、可移动的设置于底座上的多个夹爪和设置于底座上且用于控制所有夹爪进行移动的夹爪滑动驱动机构，夹爪包括与夹爪滑动驱动机构连接的移动指根、手爪指尖、手爪指中、与手爪指中和手爪指尖连接的弹性连接件以及设置于移动指根上且用于控制手爪指中和手爪指尖进行旋转的弯折机构。本发明面向异形物体的机器人抓取手爪，具有驱动元件较少，控制简单，手爪负载小，对于异形物体的自适应能力强和抓取较为稳定的优点，拓展了机器人的应用空间，使机器人在面对复杂环境时能够做出更好的应对。

Description

面向异形物体的机器人抓取手爪

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地说，本发明涉及一种面向异形物体的机器人抓取手爪。

背景技术

在社会不断发展的今天，社会分工越来越细致化，工作的种类也开始多样化。然而，许多工作是人力不能完成的或者达不到预期目标，为此，机器人应运而生。世界各国开始研发机器人技术，以机器人代替人工去完成工作。例如：工厂使用机器人代替人工对汽车进行装配等，不仅减少了工作的失误率，同时降低了人力成本，加快了汽车的组装速度；利用搜救机器人对受灾人员进行搜救，既可以加快寻找到受灾人员，同时也可以使搜救人员避免在搜救时遭遇危险。

机器人手爪作为机器人与环境交互的结构，最初采用的是对物体进行夹取操控的夹持器，它结构简单，操作方便且夹取力较大，但由于是单自由度，所以灵活性较差，很难实现对复杂物体的抓取。为了实现机器人手爪拟人化，多关节多手指机器人手爪开始了迅速发展，这种机器人手爪适应物体形状的能力强，能够根据需要对各种物体进行抓取，但其结构相对复杂，手爪的负载能力差且控制困难。

机器人手爪在不断的发展过程中，其应用领域，使用对象以及需要面对的工作环境越来越丰富，所以，目前对于多手指多自由度的机器人手爪的需求日益增长。产生这种状况的原因大概有以下三个方面：

由于机器人手爪需要面对各种复杂的抓取对象，所以要求机器人手爪要拥有较为复杂的结构。

设计机器人手爪的主要目的是为了解放人手，利用机器人手爪代替人手完成相应的工作与任务，所以需制作出类似于人手爪结构的多手指多关节型机器人手爪才最为合适。

多手指多关节型机器人手爪与人手类似，在外观上更容易被人认可，容易受到市场与用户的关注。

为了满足科学技术发展的需求，20世纪末，多关节多手指型机器人手爪的研究向着丰富的感知能力和高集成度系统的方向发展，机器人手爪进入了快速发展的阶段。高系统集成度的机器人手爪拥有很强的灵活性和丰富的抓取功能，但却存在着以下几个方面的不足：

1、手爪负载较大。目前的机器人手爪为了完成繁杂的抓取功能，多采用多自由度多手指型的机器人手爪，为了追求手爪的稳定性，多采用电机驱动控制指节，完成手爪对物体的抓取，电机驱动的响应快，产生噪音小，且输出较为稳定。然而，过多的电机会增加机器人手爪的负载，影响机器人手爪的性能；

2、手爪结构复杂。为了使就机器人手爪能够实现稳定抓取，传动方式上多采用齿轮传动，该种传动方式的传动力较大，传动可靠性较高，但同时体积大，结构也较为复杂，不利于对机器人手爪的控制；

3、手爪的适应能力差。目前机器人手爪在抓取物体的时候存在多种抓取的方式。但是，不同的抓取模式的稳定性与可靠性差别较大，且手爪无法选择合适的抓取模式增加主动适应物体形状的能力，进而容易产生抓取不稳的现象。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种面向异形物体的机器人抓取手爪，目的是提高自适应能力。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：面向异形物体的机器人抓取手爪，包括底座、可移动的设置于底座上的多个夹爪和设置于底座上且用于控制所有夹爪进行移动的夹爪滑动驱动机构，夹爪包括与夹爪滑动驱动机构连接的移动指根、手爪指尖、手爪指中、与手爪指中和手爪指尖连接的弹性连接件以及设置于移动指根上且用于控制手爪指中和手爪指尖进行旋转的弯折机构。

所述夹爪滑动驱动机构包括与所述移动指根连接的第一腱绳、用于卷绕第一腱绳的指根连接盘和与指根连接盘连接且用于控制指根连接盘进行旋转的第一电机。

所述夹爪滑动驱动机构还包括设置于所述底座上的支撑帽，所述指根连接盘位于支撑帽的内部，所述所有夹爪分布在支撑帽的外侧四周。

所述底座上设置用于对所述夹爪施加弹性作用力的复位弹簧，夹爪位于复位弹簧和所述夹爪滑动驱动机构之间。

所述弯折机构包括设置于所述移动指根上的第二电机、与第二电机和所述手爪指中连接的传动机构、与所述手爪指尖连接的第二腱绳以及与传动机构连接且用于卷绕第二腱绳的指尖连接盘。

所述传动机构为锥齿轮机构，传动机构的主动锥齿轮与所述第二电机连接，传动机构的从动锥齿轮和所述指尖连接盘设置于传动轴上，传动轴设置于所述手爪指中上。

所述手爪指尖具有第一接触面，第一接触面为花纹面。

所述手爪指中具有第二接触面，第二接触面为花纹面。

本发明面向异形物体的机器人抓取手爪，具有驱动元件较少，体积小，控制简单，手爪自身质量小，通过移动指根、手爪指中和手爪指尖协调动作，提升了对所抓取物体的形状自适应性，从而能对异形物体进行稳定抓取，拓展了机器人的应用范围。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明面向异形物体的机器人抓取手爪的结构示意图；

图2是夹爪的结构示意图；

图3是弯折机构的结构示意图；

图4是夹爪滑动驱动机构的结构示意图；

图5是底座的结构示意图；

图6是本发明面向异形物体的机器人抓取手爪对异形物体1的抓取示意图；

图7是本发明面向异形物体的机器人抓取手爪对异形物体2的抓取示意图；

图中标记为：1、夹爪；2、底座；3、弯折机构；4、夹爪滑动驱动机构；5、手爪指尖；6、弹性连接件；7、手爪指中；8、移动指根；9、传动机构；10、传动轴；11、指尖连接盘；12、第二电机；13、支撑帽；14、指根连接盘；15、第一电机；16、轴承顶套；17、法兰盘；18、滑槽；19、第一腱绳；20、第二腱绳。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

需要说明的是，在下述的实施方式中，所述的“第一”和“第二”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

如图1至图5所示，本发明提供了一种面向异形物体的机器人抓取手爪，包括底座2、可移动的设置于底座2上的多个夹爪和设置于底座2上且用于控制所有夹爪进行移动的夹爪滑动驱动机构4，夹爪包括与夹爪滑动驱动机构4连接的移动指根8、手爪指尖5、手爪指中7、与手爪指中7和手爪指尖5连接的弹性连接件6以及设置于移动指根8上且用于控制手爪指中7和手爪指尖5进行旋转的弯折机构。弯折机构用于控制夹爪由初始状态切换至弯曲状态，处于弯曲状态的所有夹爪相配合，可以夹紧异形物体。夹爪切换至初始状态后，夹爪呈笔直状态，此时夹爪不能夹紧异形物体，异形物体可以被释放。

具体地说，如图1、图2和图5所示，所有夹爪是以底座2的中心线为中心线沿周向均匀分布，夹爪滑动驱动机构4设置在底座2的中心处，夹爪滑动驱动机构4控制所有夹爪同步进行直线移动，夹爪直线移动时的移动方向与底座2的中心线相垂直。需要抓取异形物体时，夹爪滑动驱动机构4控制所有夹爪朝向靠近底座2中心处进行移动，直至夹爪接触到异形物体后，夹爪夹紧异形物体。底座2具有让移动指根8嵌入的滑槽18，滑槽18对夹爪起到导向作用，滑槽18的长度方向与底座2的中心线相垂直，移动指根8的长度方向上的一端嵌入滑槽18中，移动指根8与底座2为滑动连接，移动指根8的长度方向上的另一端与手爪指中7的一端转动连接，手爪指中7的长度方向上的另一端与弹性连接件6的长度方向上的一端固定连接，弹性连接件6的长度方向上的另一端与手爪指尖5的长度方向上的一端固定连接，移动指根8的长度方向与底座2的中心线相平行。夹爪处于完全状态时，移动指根8的长度方向与手爪指中7的长度方向之间具有夹角且该夹角小于180度，手爪指中7的长度方向与手爪指尖5的长度方向之间具有夹角且该夹角小于180度，确保抓紧更牢固，手爪指中7的长度大于手爪指尖5的长度。夹爪处于初始状态时，移动指根8的长度方向与手爪指中7的长度方向之间的夹角为180度，手爪指中7的长度方向与手爪指尖5的长度方向之间的夹角为180度，夹爪整体呈笔直状态。

如图1、图2和图4所示，夹爪滑动驱动机构4包括与移动指根8连接的第一腱绳19、用于卷绕第一腱绳19的指根连接盘14和与指根连接盘14连接且用于控制指根连接盘14进行旋转的第一电机15。第一电机15固定设置在底座2的中心处，指根连接盘14与第一电机15的电机轴固定连接，各个夹爪的移动指根8分别与一个第一腱绳19连接，所有第一腱绳19卷绕在指根连接盘14上，指根连接盘14的轴线与底盘的中心线为同一直线。第一电机15运转时，带动指根连接盘14转动，指根连接盘14卷绕所有第一腱绳19，第一腱绳19拉动移动指根8朝向靠近底座2中心处的位置处进行直线移动。

如图1、图2和图4所示，底座2上设置用于对夹爪施加弹性作用力的复位弹簧，夹爪位于复位弹簧和夹爪滑动驱动机构4之间。复位弹簧为拉簧，复位弹簧位于滑槽18中，复位弹簧的一端与移动指根8连接，复位弹簧的另一端与底座2连接，复位弹簧用于对移动指根8施加使其朝向远离底座2中心处移动的弹性作用。当手爪张开时，第一电机15反转，释放第一腱绳19，复位弹簧收缩，在复位弹簧的作用下，夹爪朝向远离底座2中心处的位置处进行直线移动，最终夹爪回到初始位置。

如图1、图2和图4所示，夹爪滑动驱动机构4还包括设置于底座2上的支撑帽13，指根连接盘14位于支撑帽13的内部，所有夹爪分布在支撑帽13的外侧四周。支撑帽13设置在底座2的中心处，支撑帽13与底座2固定连接，第一腱绳19穿过支撑帽13，第一电机15位于支撑帽13与底座2之间。支撑帽13可以保护第一电机15与指根连接盘14在抓取的时候不会碰上异形物体，同时由于移动指根8不参与抓取行为，支撑帽13可以充当对抓取的异形物体提供支撑作用，支撑帽13具有用于与抓取的异形物体相接触的支撑面，该支撑面为与底座2的中心线相垂直的平面。

如图1至图3所示，弯折机构包括设置于移动指根8上的第二电机12、与第二电机12和手爪指中7连接的传动机构9、与手爪指尖5连接的第二腱绳20以及与传动机构9连接且用于卷绕第二腱绳20的指尖连接盘11。手爪指中7通过传动轴10与移动指根8转动连接，第二电机12固定设置在移动指根8上，传动机构9的动力输入端与第二电机12的电机轴连接，传动机构9的动力输出端与传动轴10连接，传动轴10与手爪指中7固定连接，指尖连接盘11固定设置在传动轴10上，手爪指尖5与第二腱绳20固定连接，第二腱绳20卷绕在指尖连接盘11上，第二腱绳20穿过手爪指中7。在夹爪切换至弯曲状态的过程中，第二电机12运转，通过传动机构9带动传动轴10转动，传动轴10带动手爪指中7和指尖连接盘11同步转动，指尖连接盘11所有第二腱绳20，第二腱绳20拉动手爪指尖5进行转动，同时弹性连接件6发生弯曲变形。

如图1至图3所示，弹性连接件6位于手爪指中7和手爪指尖5之间，弹性连接件6采用弹性体材质制成，弹性连接件6具有弹性性能。在弹性连接件6产生的弹性力作用下，手爪指尖5具有使其与手爪指中7之间的夹角朝向最大值变化的趋势，手爪指尖5与手爪指中7之间的夹角最大值为180度，这样在第二电机12反转，第二腱绳20释放后，弹性连接件6恢复弹性变形，弹性连接件6依靠自身弹力使手爪指尖5发生转动，手爪指尖5可以恢复至原状。

如图1至图3所示，在本实施例中，传动机构9为锥齿轮机构，传动机构9的主动锥齿轮与第二电机12的电机轴固定连接，传动机构9的从动锥齿轮和指尖连接盘11设置于传动轴10上，主动锥齿轮与从动锥齿轮相啮合，从动锥齿轮与传动轴10为同轴固定连接，传动轴10为可旋转的设置于手爪指中7上。

各个夹爪内均设置弯折机构，可以实现各个夹爪的独立控制，从而实现每根夹爪能够实现不同的抓取行为，实现对异形物体的抓取。

如图1和图2所示，手爪指尖5具有第一接触面，第一接触面为花纹面。手爪指中7具有第二接触面，第二接触面为花纹面。第一接触面和第二接触面用于与异形物体的表面相接触，设置为花纹面，能够在抓取的时候增加与异形物体之间的摩擦力。

如图1和图5所示，底座2是安装在机器人的末端执行器上，底座2包括轴承顶套16和法兰盘17，其中轴承顶套16的作用当机器人手爪与机器人手臂连接时，对连接轴起到固定的作用；法兰盘17用于连接机器手爪与机器人手臂，是轴与轴之间连接的组件。

如图1所示，在本实施例中，夹爪共设置三个。

上述结构的机器人抓取手爪，其抓取异形物体的流程为：根据异形物体的大小，首先第一电机15运转，将移动指根8移动到合适位置；然后独立控制各个第二电机12运转，使每根夹爪通过不同的抓取行为完成对异形物体的抓取。

所述的面向异形物体的机器人抓取手爪设计，其手爪结构采用仿人型结构设计，其中手爪指尖5仿手指尖设计，手爪指中7仿手指中设计与移动指根8仿手指根设计，底座2作用类似于手掌作用，与手指相连。传动系统采用齿轮传动与腱绳传动综合使用，通过电机驱动锥齿轮组控制连杆转动，连杆与手爪指中7固定连接，进而控制手爪指中7的转动抓取行为，手爪指尖5采用腱绳控制，指尖连接盘11收紧腱绳，腱绳拉动手爪指尖5，进而给连接软板提供了一个力使其弯曲，从而完成了手爪指尖5的抓取动作。

如图6所示，抓取的异形物体为是一个长80mm，宽80mm,高50mm的长方体与一个半径为40mm，高80mm的圆柱的一半组合而成的物体。

如图7所示，抓取的异形物体是一个直径为120mm的球状物体。

上述结构的机器人抓取手爪，具有如下的优点：

1、将机器人抓取手爪中的手爪指尖5部分的驱动机构采用腱绳驱动，手爪指中7部分的驱动机构采用电机齿轮结构，采用腱绳机构代替齿轮电机机构对手爪指尖5的控制，既减少了机器人手爪自身的负载，同时，使机器人手爪的结构复杂性减小；手爪指中7部分采用电机齿轮驱动机构则保证了机器人手爪抓取物体的稳定性，同时不会降低机器人手爪的响应速度。手爪指尖5与手爪指中7的抓取面采用增加花纹的形式则会增加物体与机器人手爪之间的摩擦力，从而加强了机器人手爪在抓取物体时的稳定性；

2、底座2与移动指根8之间采用滑动机构连接，移动指根8安放在底座2滑槽18中，通过控制指根连接盘14旋转，腱绳收紧，弹簧拉伸，带动移动指根8的滑动，当电机反转，腱绳放松，弹簧由于自身弹性恢复原状，拉动移动指根8恢复原位。设计夹爪滑动驱动机构4的目的是让机器人手爪可以根据异形物体的形状大小，调节夹爪距离机器人手爪中心的距离，使机器人手爪能够选择较为合适的抓取方式抓取异形物体，更好的提高机器人手爪在抓取物体时候的自适应能力；

3、具有驱动元件较少，控制简单，手爪负载小，对于异形物体的自适应能力强，抓取较为稳定等优点，拓展了机器人的应用空间，使机器人在面对复杂环境时能够做出更好的应对。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.面向异形物体的机器人抓取手爪，其特征在于：包括底座、可移动的设置于底座上的多个夹爪和设置于底座上且用于控制所有夹爪进行移动的夹爪滑动驱动机构，夹爪包括与夹爪滑动驱动机构连接的移动指根、手爪指尖、手爪指中、与手爪指中和手爪指尖连接的弹性连接件以及设置于移动指根上且用于控制手爪指中和手爪指尖进行旋转的弯折机构；

底座具有让移动指根嵌入的滑槽，滑槽对夹爪起到导向作用，滑槽的长度方向与底座的中心线相垂直，移动指根的长度方向上的一端嵌入滑槽中，移动指根与底座为滑动连接，移动指根的长度方向上的另一端与手爪指中的一端转动连接，手爪指中的长度方向上的另一端与弹性连接件的长度方向上的一端固定连接，弹性连接件的长度方向上的另一端与手爪指尖的长度方向上的一端固定连接，移动指根的长度方向与底座的中心线相平行；

弹性连接件位于手爪指中和手爪指尖之间，弹性连接件采用弹性体材质制成，弹性连接件可发生弯曲变形，手爪指中和手爪指尖之间具有一定固定距离；

在弹性连接件产生的弹性力作用下，手爪指尖具有使其与手爪指中之间的夹角朝向最大值变化的趋势；

夹爪处于完全状态时，移动指根的长度方向与手爪指中的长度方向之间具有夹角且该夹角小于180度，手爪指中的长度方向与手爪指尖的长度方向之间具有夹角且该夹角小于180度；

夹爪处于初始状态时，移动指根的长度方向与手爪指中的长度方向之间的夹角为180度，手爪指中的长度方向与手爪指尖的长度方向之间的夹角为180度，夹爪整体呈笔直状态；

夹爪共设置三个，所有夹爪是以底座的中心线为中心线沿周向均匀分布，夹爪滑动驱动机构设置在底座的中心处，夹爪滑动驱动机构控制所有夹爪同步进行直线移动，夹爪直线移动时的移动方向与底座的中心线相垂直；需要抓取异形物体时，夹爪滑动驱动机构控制所有夹爪朝向靠近底座中心处进行移动，直至夹爪接触到异形物体后，夹爪夹紧异形物体；

夹爪滑动驱动机构包括与移动指根连接的第一腱绳、用于卷绕第一腱绳的指根连接盘和与指根连接盘连接且用于控制指根连接盘进行旋转的第一电机；第一电机固定设置在底座的中心处，指根连接盘与第一电机的电机轴固定连接，各个夹爪的移动指根分别与一个第一腱绳连接，所有第一腱绳卷绕在指根连接盘上，指根连接盘的轴线与底盘的中心线为同一直线；第一电机运转时，带动指根连接盘转动，指根连接盘卷绕所有第一腱绳，第一腱绳拉动移动指根8朝向靠近底座中心处的位置处进行直线移动；

夹爪滑动驱动机构还包括设置于底座上的支撑帽，指根连接盘位于支撑帽的内部，所有夹爪分布在支撑帽的外侧四周；支撑帽设置在底座的中心处，支撑帽与底座固定连接，第一腱绳穿过支撑帽，第一电机位于支撑帽与底座之间；支撑帽保护第一电机与指根连接盘在抓取的时候不会碰上异形物体，同时由于移动指根不参与抓取行为，支撑帽充当对抓取的异形物体提供支撑作用，支撑帽具有用于与抓取的异形物体相接触的支撑面，该支撑面为与底座的中心线相垂直的平面；

底座上设置用于对夹爪施加弹性作用力的复位弹簧，夹爪位于复位弹簧和夹爪滑动驱动机构之间；复位弹簧为拉簧，复位弹簧位于滑槽中，复位弹簧的一端与移动指根连接，复位弹簧的另一端与底座连接，复位弹簧用于对移动指根施加使其朝向远离底座中心处移动的弹性作用；当手爪张开时，第一电机反转，释放第一腱绳，复位弹簧收缩，在复位弹簧的作用下，夹爪朝向远离底座中心处的位置处进行直线移动，最终夹爪回到初始位置；

弯折机构包括设置于移动指根上的第二电机、与第二电机和手爪指中连接的传动机构、与手爪指尖连接的第二腱绳以及与传动机构连接且用于卷绕第二腱绳的指尖连接盘；

手爪指中通过传动轴与移动指根转动连接，第二电机固定设置在移动指根上，传动机构的动力输入端与第二电机的电机轴连接，传动机构的动力输出端与传动轴连接，传动轴与手爪指中固定连接，指尖连接盘固定设置在传动轴上，手爪指尖与第二腱绳固定连接，第二腱绳卷绕在指尖连接盘上，第二腱绳穿过手爪指中；

在夹爪切换至弯曲状态的过程中，第二电机运转，通过传动机构带动传动轴转动，传动轴带动手爪指中和指尖连接盘同步转动，指尖连接盘所有第二腱绳，第二腱绳拉动手爪指尖进行转动，同时弹性连接件发生弯曲变形；

传动机构为锥齿轮机构，传动机构的主动锥齿轮与第二电机的电机轴固定连接，传动机构的从动锥齿轮和指尖连接盘设置于传动轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮相啮合，从动锥齿轮与传动轴为同轴固定连接，传动轴为可旋转的设置于手爪指中上。

2.根据权利要求1所述的面向异形物体的机器人抓取手爪，其特征在于：所述手爪指尖具有第一接触面，第一接触面为花纹面。

3.根据权利要求1所述的面向异形物体的机器人抓取手爪，其特征在于：所述手爪指中具有第二接触面，第二接触面为花纹面。

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