CN113997311B - 一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，包括：基座；第一支架，可移动设置在基座上；两个夹爪底座，两个夹爪底座的外侧均与第一支架转动连接，两个夹爪底座各自连接有一个夹爪本体；连杆支座，设置在第一支架上，两个夹爪底座的内侧均与连杆支座转动连接；夹合驱动机构，设置在第一支架上，夹合驱动机构能够驱动连杆支座升降，使得两个夹爪本体夹合或者张开；平移驱动机构，设置在第一支架上，平移驱动机构用于驱动连杆支座左右平移，使得两个夹爪的夹合位置改变，应用上述柔性机械手能够提高机械手工作时的灵巧度。

Description

一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，特别是涉及一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手。

背景技术

随着机器人在工业生产中的大量应用，作为机器人重要的末端机构，机械手的研究越来越受人重视。从仿人手的灵巧手到腱驱动机械手，再到自适应柔性机械手，机械手的发展随着新材料以及仿生学的发展而呈现出了更多元化的发展趋势。而这些机械手也在医疗、物流、加工等多个行业发挥着日益重要的作用。根据机械手的材质以及变形特性，目前的机械手分为了刚性机械手和柔性机械手这两大类。刚性机械手在抓取物体的过程中，具有抓取力度大，抓取稳定等优点。但同时，刚性机械手需要对手指关节的转角或者位移做出精确的设定。由于其刚性特质，对物体形状的包容度较差，难以实现自适应抓取，而且很容易对被抓物体造成伤害。同时，被抓物体的硬度、刚度、体积等因素，也都会影响到手爪的抓取稳定性和准确性。此外，为了实现刚性机械手的稳定抓取，就需要加入多种传感器等反馈工具，大大提高了应用成本。

相对地，柔性机械手对于易变性的柔软物体、易碎的脆性物体和形状不规则的物体都有着显著的抓取优势；但是现有的柔性机械手，一般是通过柔性夹爪对物体进行夹合，由于材质柔软，具有一定的自适应性，在抓取物体时能对被抓物形成包络，在夹合过程当中，两个夹爪一般只能够沿着固定的夹合路径对中夹合，当需要改变夹合位置时，只能够驱动整个机械手移动位置，造成了机械手工作时的灵巧度不足。

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，本发明提出一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，能够提高机械手工作时的灵巧度。

本发明的自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，包括：基座；第一支架，可移动设置在基座上；两个夹爪底座，两个夹爪底座的外侧均与第一支架转动连接，两个夹爪底座各自连接有一个夹爪本体；连杆支座，设置在第一支架上，两个夹爪底座的内侧均与连杆支座转动连接；夹合驱动机构，设置在第一支架上，夹合驱动机构能够驱动连杆支座升降，使得两个夹爪本体夹合或者张开；平移驱动机构，设置在第一支架上，平移驱动机构用于驱动连杆支座左右平移，使得两个夹爪的夹合位置改变。

根据本发明的一些实施例，夹合驱动机构包括：电机丝杆机构，设置在第一支架上，电机丝杆机构的丝杆沿上下方向延伸；滑块，与电机丝杆机构的丝杆螺纹配合，滑块与连杆支座连接。

根据本发明的一些实施例，滑块上连接有沿左右方向延伸的限位轴，滑块与限位轴滑动配合。

根据本发明的一些实施例，电机丝杆机构有两组，两组电机丝杆机构分别设置在第一支架的左右两边。

根据本发明的一些实施例，平移驱动机构包括：第二舵机模块，设置在第一支架上；舵盘，与第二舵机模块驱动连接；连杆支座连接于舵盘的偏心位置。

根据本发明的一些实施例，舵盘上设置有偏心凸块，连杆支座上开设有沿上下方向延伸的滑槽，偏心凸块与滑槽滑动配合。

根据本发明的一些实施例，第一支架上设置有沿左右方向延伸的限位轴，连杆支座与限位轴滑动配合。

根据本发明的一些实施例，第一支架外侧转动连接有连杆机构，连杆机构与夹爪底座转动连接。

根据本发明的一些实施例，基座上设置有第一舵机模块，第一舵机模块用于驱动第一支架转动。

根据本发明的一些实施例，自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手还包括：第一电机，设置在基座上；第一丝杆，转动连接于基座上，第一电机与第一丝杆驱动连接；平移滑动件，与第一丝杆螺纹配合，第一舵机模块与平移滑动件连接。

应用上述自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，在抓取过程当中，可以控制夹合驱动机构，带动连杆支座升降，使得两个夹爪底座上的夹爪夹合或者张开，当需要微调两个夹爪本体的夹合位置时，只需控制平移驱动机构，朝向左右方向平移连杆支座，即可使得两个夹爪在夹合时的夹合位置偏离原来的位置；在无需移动整个机械手的情况下，即可实现对于夹合位置的微调，提高了整个机械手的灵巧度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中抓取感知一体化设计的柔性机械手的轴测图；

图2为本发明实施例中抓取感知一体化设计的柔性机械手拆除部分壳体后的轴侧图；

图3图1中单个夹爪本体的轴侧图；

图4图1中单个夹爪本体的剖视图；

图5为图1中柔性机械手的单个夹取部分的轴测图；

图6为图5中单个夹取部分拆除部分零件后的轴测图；

图7为图5中单个夹取部分拆除其他部分零件后的轴测图；

图8至图12为多个实施例中的机械手的多个位置状态侧视图。

上述附图包含以下附图标记。

标号	名称	标号	名称
				100	夹爪本体	312	连杆机构
110	柔性本体	313	连杆支座
				111	走线孔	321	限位轴
112	肋板	322	滑块
				113	薄片	331	电机丝杆机构
114	槽孔	332	第二舵机模块
				115	定位孔	333	舵盘
116	防滑部	400	基座
				120	连接管	410	第一电机
200	夹爪底座	420	第一丝杆
				300	夹爪驱动装置	430	平移滑动件
310	第一舵机模块	500	连接件
				311	第一支架

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图7，本实施例的自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，包括：基座400；第一支架311，可移动设置在基座400上；两个夹爪底座200，两个夹爪底座200的外侧均与第一支架311转动连接，两个夹爪底座200各自连接有一个夹爪本体100；连杆支座313，设置在第一支架311上，两个夹爪底座200的内侧均与连杆支座313转动连接；夹合驱动机构，设置在第一支架311上，夹合驱动机构能够驱动连杆支座313升降，使得两个夹爪本体100夹合或者张开；平移驱动机构，设置在第一支架311上，平移驱动机构用于驱动连杆支座313左右平移，使得两个夹爪的夹合位置改变。

应用上述自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，在抓取过程当中，可以控制夹合驱动机构，带动连杆支座313升降，使得两个夹爪底座200上的夹爪夹合或者张开，当需要微调两个夹爪本体100的夹合位置时，只需控制平移驱动机构，朝向左右方向平移连杆支座313，即可使得两个夹爪在夹合时的夹合位置偏离原来的位置；在无需移动整个机械手的情况下，即可实现对于夹合位置的微调，提高了整个机械手的灵巧度。

具体地，如图5所示，当连杆支座313上升时，两个夹爪底座200的内侧会同时上升，使得两个夹爪本体100夹合，而当连杆支座313向左或者向右平移时，两个夹爪朝向中间夹合的位置也会随之向左或向右移动，可以参考随本案一同递交的其他证明文件当中，当连杆支座313左右平移后两个夹爪本体100的状态。

在此，可以理解，本领域技术人员可以采取多种方式实现夹合驱动机构，驱动两个夹爪本体100开合的功能以及平移驱动机构驱动连杆支座313平移的功能，例如通过电机带动丝杆螺母机构或者齿轮齿条机构，驱动连杆支座313升降，或者通过气缸或者液压活塞等部件驱动连杆支座313升降或者平移等。

值得注意的是，本实施例中所称的上下、左右、前后等方向，指的均是如图5所示的相对方向，本实施例中所称的两个夹爪底座200的外侧指的是两个夹爪底座200上远离连杆支座313的左右两侧。

如图5至图7所示，夹合驱动机构包括：电机丝杆机构331，设置在第一支架311上，电机丝杆机构331的丝杆沿上下方向延伸；滑块322，与电机丝杆机构331的丝杆螺纹配合，滑块322与连杆支座313连接；当需要控制两个夹爪夹合时，可以控制电机丝杆机构331，使得电机驱动丝杆转动，带动滑块322上升，此时滑块322即可带动连杆支座313上升，使得两个夹爪本体100夹合；为了确保滑块322升降的平稳，可以在电机的外壳上设置上下延伸的限位杆，并将滑块322与限位杆滑动配合。

如图6所示，滑块322上连接有沿左右方向延伸的限位轴321，滑块322与限位轴321滑动配合；当平移驱动机构带动滑块322左右平移时，限位轴321能够对连杆支座313的左右平移起到限位作用，保证连杆支座313左右位置的准确，同时确保连杆支座313升降和左右平移能够相互独立的控制，互不干扰，当滑块322上升时，限位轴321即带动连杆支座313上升。

如图6、图7所示，电机丝杆机构331有两组，两组电机丝杆机构331分别设置在第一支架311的左右两边；其中，两个夹爪本体100夹合时，左右两边的电机丝杆机构331同时运转，驱动左右两边的滑块322同时上升，此时连接左右两个滑块322的限位轴321带动连杆支座313上升，完成夹合，有效减少单个电机丝杆机构331驱动夹合带来的偏心力。

如图6、图7所示，平移驱动机构包括：第二舵机模块332，设置在第一支架311上；舵盘333，与第二舵机模块332驱动连接；连杆支座313连接于舵盘333的偏心位置；当需要调整两个夹爪本体100夹合的中心位置时，可以由第二舵机模块332带动舵盘333转动，使得与舵盘333偏心连接的连杆支座313能够左右移动，达到调整两个夹爪本体100夹合的中心位置的作用。

具体地，盘上设置有偏心凸块，连杆支座313上开设有沿上下方向延伸的滑槽，偏心凸块与滑槽滑动配合；当舵盘333转动时，偏心凸块能够带动连杆支座313左右滑动，同时偏心凸块能相对于滑槽滑动配合，在限位轴321限位的情况下，舵盘333转动时偏心凸块能够在滑槽当中滑动，使得舵盘333转动仅会带来连杆支座313左右位置的变化，而不会影响连杆支座313的上下位置。

如图6、图7所示，第一支架311上设置有沿左右方向延伸的限位轴321，连杆支座313与限位轴321滑动配合；具体地，限位轴321连接于左右两侧的两个滑块322之间。

在本实施例当中，2设置舵盘333和连杆支座313等机构后，增加了两个夹爪夹合的中间位置左右平动的自由度，使具有更高的灵巧操作性能。比如，使用实施例的柔性机械手在进行插孔任务例如将螺栓插入孔中时，通过连杆支座313的左右平动和手指柔性变形，不要求很高精度的位置控制，即可完成插孔操作，对于没有平移驱动机构的夹爪，则需要精准的位置控制保证轴孔对齐，才能完成插孔操作；使用本实施例的柔性机械手在进行水果采摘作业时，通过连杆支座313左右平动，对果柄施加侧向剪切力，能更轻松地将果子摘下，对于没有平移驱动机构的夹爪，要么需要通过机械臂移动整个夹爪实现上述操作，要么只能通过施加轴向拉力进行采摘，容易把果柄从果子中拉断，破坏果子；使用本实施例的柔性机械手在需要操作门闩、拨档开关、滑块322卡子等物体的场景中，通过连杆支座313左右平动可以轻松完成相应动作，对于没有平移驱动机构的夹爪，则需要通过机械臂移动整个夹爪实现上述操作，控制复杂。

如图5、图6所示，第一支架311外侧转动连接有连杆机构312，连杆机构312与夹爪底座200转动连接；具体地，第一支架311的左右两侧分别向外伸出一部分，两个伸出部分分别连接有连杆机构312，连杆机构312向下延伸并与夹爪底座200连接，当连杆支座313左右平移时，连杆机构312能够适应性的转动，使得连杆支座313左右平移后仍然能够正常升降，驱动两个夹爪本体100夹合，其状态也可以参考随本案一同递交的其他证明文件当中，当连杆支座313左右平移后两个夹爪本体100的状态。

如图1所示，基座400上设置有第一舵机模块310，第一舵机模块310用于驱动第一支架311转动；具体地，基座400上设置有两个第一舵机模块310，两个第一舵机模块310上均设置有一个第一支架311，每个第一支架311上均设置有两个夹爪本体100，两个第一舵机模块310能独立的驱动两个第一支架311转动，使得两对夹爪本体100各自具有高灵活度的同时能够完全独立控制。

具体地，机械手还包括：第一电机410，设置在基座400上；第一丝杆420，转动连接于基座400上，第一电机410与第一丝杆420驱动连接；平移滑动件430，与第一丝杆420螺纹配合，第一舵机模块310与平移滑动件430连接；如图2所示，基座400的左右两端都设置有第一电机410，两个第一电机410各自驱动一根第一丝杆420，两根第一丝杆420各自螺纹配合有一个平移滑动件430，每个平移滑动件430连接一个第一舵机模块310；通过两个第一电机410的驱动，两对夹爪本体100可以独立的移动。

在本实施当中，基座400内部还设置有电控柜，电控柜用于放置主控板和数字变送器等电子元器件；基座400上还设置了连接件500，连接件500用于对接机械臂。

本实施例当中，图3、图4所示的为单个夹爪本体100的具体结构，在本实施例当中，夹爪本体100为柔性本体110，在夹持过程当中柔性本体110能够产生一定程度的形变，便于实现对于不规则物体的抓取，在柔性本体110上还设置有应变检测机构，用于检测夹爪本体100变形时夹爪的变形程度，并转化为电信号输送到控制系统，实现机械手的抓取感知一体化。

具体地，柔性本体110可以采用柔性可变形的材料制作，例如采用聚氨酯材料制作柔性本体110，或者采用橡胶、硅胶等材料实现。

可以理解，应变检测机构也可以通过多种方式检测夹爪本体100夹取时的变形，例如在夹爪本体100上粘贴电阻应变片用于检测夹爪本体100变形时的应变，或者通过光学应变片等方式检测夹爪本体100的变形，也可以通过摄像头拍摄等视觉检测的方式，检测夹爪本体100变形时的变形量。

如图3、如4所示，整个柔性本体110整体为一个上宽下窄的梯形结构，其腰部的一侧设置有防滑部116，用于增加夹取时夹爪本体100对于夹取物的摩擦力。

其中，柔性本体110的两腰之间设置有多个肋板112，用于支撑两腰结构，肋板112上开设有走线孔111，在此电阻应变片的导线通过走线孔111引出。

如图3、图4所示，柔性本体110的两腰部分内设有薄片113，用于支撑矩形结构，柔性本体110上开设有多个矩形的槽孔114，通过槽孔114能够将电阻应变片贴于薄片113上用于检测夹爪变形；此处的薄片113优选为碳素弹簧钢薄片113，也可以采用铝合金等其他材料制作；而此处的电阻应变片优选为粘贴箔式电阻应变片。

在此，由于聚氨酯材料是柔性材料，在成型后难以通过切削加工等减材方式进行加工，所以优选采用模具注塑方式加工出走线孔111、槽孔114和防滑部116等结构；在加工时，可以先采用3D打印的方式加工柔性本体110的原型，通过原型制作硅胶模具再用于注塑。

如图3所示，柔性本体110上端的两侧均设置有连接管120，两个连接管120能够插入到夹爪底座200的两个槽孔114当中，实现夹爪本体100与夹爪底座200的相对固定；此处的连接管120优选采用不锈钢毛细管，在生产过程当中可以向不锈钢毛细管内部填充粘接剂并固化，使得固化后不锈钢毛细管能够与碳素弹簧钢材质的薄片113固定连接。

如图3、图4所示，柔性本体110沿两侧腰线的位置分布有多个定位孔115，定位孔115用于安装标示靶球，此时标示靶球可以作为视觉检测的标定装置，用于标定力感知算法检测所用。

其中，不锈钢毛细管和弹簧碳素钢材质的薄片113，均可以通过包胶工艺内置于柔性本体110当中。

此外，图8至图12为多个实施例中的机械手的多个位置状态侧视图，以作参考。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，其特征在于，包括：

基座(400)；

第一支架(311)，可移动设置在所述基座(400)上；

两个夹爪底座(200)，两个所述夹爪底座(200)的外侧均与所述第一支架(311)转动连接，两个所述夹爪底座(200)各自连接有一个夹爪本体(100)；

连杆支座(313)，设置在所述第一支架(311)上，两个所述夹爪底座(200)的内侧均与所述连杆支座(313)转动连接；

夹合驱动机构，设置在所述第一支架(311)上，所述夹合驱动机构能够驱动所述连杆支座(313)升降，使得两个所述夹爪本体(100)夹合或者张开；

平移驱动机构，设置在所述第一支架(311)上，所述平移驱动机构用于驱动所述连杆支座(313)左右平移，使得两个所述夹爪的夹合位置改变；

其中，所述夹合驱动机构包括：

电机丝杆机构(331)，设置在所述第一支架(311)上，所述电机丝杆机构(331)的丝杆沿上下方向延伸；

滑块(322)，与所述电机丝杆机构(331)的丝杆螺纹配合，所述滑块(322)与所述连杆支座(313)连接；

所述滑块(322)上连接有沿左右方向延伸的限位轴(321)，所述滑块(322)与所述限位轴(321)滑动配合；

所述平移驱动机构包括：

第二舵机模块(332)，设置在所述第一支架(311)上；

舵盘(333)，与所述第二舵机模块(332)驱动连接；

所述连杆支座(313)连接于所述舵盘(333)的偏心位置；

所述舵盘(333)上设置有偏心凸块，所述连杆支座(313)上开设有沿上下方向延伸的滑槽，所述偏心凸块与所述滑槽滑动配合；

所述第一支架(311)上设置有沿左右方向延伸的限位轴(321)，所述连杆支座(313)与所述限位轴(321)滑动配合；

所述第一支架(311)外侧转动连接有连杆机构(312)，所述连杆机构(312)与所述夹爪底座(200)转动连接。

2.根据权利要求1所述的自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，其特征在于，所述电机丝杆机构(331)有两组，两组电机丝杆机构(331)分别设置在第一支架(311)的左右两边。

3.根据权利要求1所述的自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，其特征在于，所述基座(400)上设置有第一舵机模块(310)，所述第一舵机模块(310)用于驱动所述第一支架(311)转动。

4.根据权利要求3所述的自适应抓取感知一体化设计的柔性机械手，其特征在于，还包括：

第一电机(410)，设置在所述基座(400)上；

第一丝杆(420)，转动连接于所述基座(400)上，所述第一电机(410)与所述第一丝杆(420)驱动连接；

平移滑动件(430)，与所述第一丝杆(420)螺纹配合，所述第一舵机模块(310)与所述平移滑动件(430)连接。

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