CN114055502A - 连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、传动机构、两个指段、十一个轴、八个连杆、簧件和限位块等。该装置可以实现直线平夹和自适应抓取模式。在在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：远指段平动且轨迹为直线，适合夹持平面上的物体；当近指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：远指段绕第三轴转动，直到近指段和远指段均接触物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用一个电机驱动两个指段，抓取稳定，控制简单，制造和维护成本低。

Description

连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人技术的发展与应用是当下的研究热点。研究人员对于工业机器人的研究成果在工业生产中发挥着巨大的作用，通过控制机器人执行重复、危险的操作，促进了智慧工厂与无人工厂的形成，大大提高了生产效率。与工业机器人相似，走进千家万户及各种场合的服务型机器人将成为下一个标准化产品类别，它需要机器人手协助执行抓取操作。因此对于机器人手的研究成为研究热点。

人手具有自由度多、灵活度高、出力大等特点，直到现在还没有一款机器人手能完全模仿人手的功能。为了尽可能模仿人手的高灵活度、可靠性、广泛适用性，研究人员研发了高自由度的灵巧手，如Gifu手II、DLR-HIT手、NAIST手、Robonaut 2手、KIST手。灵巧手一般具有3～5个手指，每个手指2～4个关节自由度，其多数关节为电机、气缸或液压缸等驱动的主动关节。灵巧手的关节自由度(DOF)与电机的数量(DOA)相同，每一个关节都能得到独立的控制，具有较高的抓取精度。以美国宇航局研制的Robonaut手为例，它有5个手指和14个关节自由度，通过14个电机和12个独立的控制电路板来实现驱动控制功能，已经被应用在太空近地轨道的危险环境和行星探索任务中。灵巧手具有灵活的优点，但是其在抓取过程中需要预先判断被抓取物体的位置，进行路径规划，通过多个电机构成的实时控制系统进行控制，控制难度大，成本高。

研究人员进一步开发了欠驱动机器人手。欠驱动手减少了电机的使用数量，使机器人手在保证拟人化动作的同时，大大地降低了对于手部实时控制和传感系统的要求。现有的欠驱动手指包括平夹手指、耦合手指和自适应手指。平夹手指的末端在抓取过程中保持相对于基座不变的姿态，适合抓取台面上的物体；耦合手指的近指段转动时，远指段会相对近指段同时转动，抓取动作更加拟人，同时抓取更加迅速；自适应手指近关节先转动，近指段接触物体后才触发下一个关节关节转动，依次类推，直至末端指段接触物体，实现多个指段均接触物体的包络抓取效果，适应不同形状，尺寸物体。这种自适应抓取特点在传统的平夹手指或耦合手指中不能实现。

平夹自适应手指是将平行夹持与自适应抓取功能在一前一后两个时间阶段进行结合产生的复合抓取类型手指。耦合自适应手指则是将耦合抓取与自适应抓取相结合的另一种复合抓取手指。

传统的平夹自适应手指为一种末端呈圆弧轨迹的平夹自适应手指，无法实现末端呈直线轨迹的平夹自适应复合抓取模式，在抓取桌面物体时，需要机械臂配合控制协同作业才能实现比较精准的物体抓取，给机械臂控制带来麻烦，同时抓取不同大小物体时，该装置需要在不同的高度进行作业，否则容易发生该装置的末端手指与桌面相碰撞的危险。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有三个关节，具有末端指段直线轨迹平行夹持功能，能实现中指段和远指段的双指段自适应抓取模式，对不同形状、尺寸物体具有自适应性。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机和传动机构；所述电机与基座固接，所述电机与传动机构的输入端相连；其特征在于：该连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置还包括近指段、远指段、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第十一轴、限位块和簧件；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴和第十一轴的中心线相互平行；所述第一轴套设在基座中，所述第一连杆套接在第一轴上，所述第二轴套设在第一连杆中；所述近指段套接在第二轴上，所述第三轴套设在近指段中，所述远指段套接在第三轴上；所述第四轴套设在基座中，所述第二连杆套接在第四轴上；所述第五轴套设在第二连杆中，所述第三连杆套接在第五轴上；所述第四连杆套接在第四轴上，所述第六轴套设在第四连杆中，所述近指段套接在第六轴上；所述第五连杆套接在第六轴上，所述第七轴套设在第三连杆中，所述第五连杆套接在第七轴上；所述第八轴套设在第五连杆中，所述第八轴套设在第五连杆中；所述第六连杆套接在第八轴上，所述第九轴套设在第六连杆中，所述远指段套接在第九轴上；所述第十轴套设在基座中，所述第七连杆套接在第十轴上，所述传动机构的输出端与第七连杆相连；所述第十一轴套设在第七连杆中；所述第八连杆的一端连接在第九轴上，第八连杆的另一端套接在第十一轴上；所述限位块与基座固接；所述簧件的两端分别连接限位块和第二连杆；在初始状态时，所述第二连杆与限位块接触；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴和第九轴的中心点为A、B、C、D、E、F、G、H、I；线段DE的长度等于线段FG的长度；线段DF的长度等于线段EG的长度；线段CF的长度等于线段HI的长度；线段FH的长度等于线段CI的长度；线段AB、线段BF、线段CF、线段DF和线段AD的长度关系满足：AB:BF:CF:DF:AD＝13:7:12:5:17。

本发明所述的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述蜗杆套固在减速器的输出轴上；所述蜗轮套固在第十轴上，所述蜗杆与蜗轮啮合。

本发明所述的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置采用基座、电机、传动机构、两个指段、十一个轴、八个连杆、簧件和限位块等，综合实现了直线平夹和自适应抓取模式。在在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：远指段平动且轨迹为直线，适合夹持平面上的物体；当近指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：远指段绕第三轴转动，直到近指段和远指段均接触物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用一个电机驱动两个指段，抓取稳定，控制简单，制造和维护成本低。

附图说明

图1是本发明设计的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2-3是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的左视图。

图5是图1所示实施例的左视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的右视图(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例的正视图。

图8是图1所示实施例的后视图(未画出部分零件)。

图9是图1所示实施例中部分机构的原理简图。

图10是图1所示实施例的机构原理简图。

图11是图1所示实施例直线平行夹持动作过程。

图12是图1所示实施例双指段自适应动作过程。

在图1至图12中：

10－基座， 11－电机， 12－减速器， 13－蜗杆，

14－蜗轮， 21－近指段， 211－近指段表面板， 22－远指段，

301－第一轴 302－第二轴， 303－第三轴， 304－第四轴，

305－第五轴， 306－第六轴， 307－第七轴， 308－第八轴，

309－第九轴， 310－第十轴， 311－第十一轴， 401－第一连杆，

402－第二连杆， 403－第三连杆， 404－第四连杆， 405－第五连杆，

406－第六连杆， 407－第七连杆， 408－第八连杆， 5－限位块，

6－簧件， 7－物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图10所示，包括基座10、电机11和传动机构；所述电机11与基座10固接，所述电机11与传动机构的输入端相连；其特征在于：该连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置还包括近指段21、远指段22、第一连杆401、第二连杆402、第三连杆403、第四连杆404、第五连杆405、第六连杆406、第七连杆407、第八连杆408、第一轴301、第二轴302、第三轴303、第四轴304、第五轴305、第六轴306、第七轴307、第八轴308、第九轴309、第十轴310、第十一轴311、限位块5和簧件6；所述第一轴301、第二轴302、第三轴303、第四轴304、第五轴305、第六轴306、第七轴307、第八轴308、第九轴309、第十轴310和第十一轴311的中心线相互平行；所述第一轴301套设在基座中，所述第一连杆套接在第一轴301上，所述第二轴302套设在第一连杆中；所述近指段21套接在第二轴302上，所述第三轴303套设在近指段21中，所述远指段22套接在第三轴303上；所述第四轴304套设在基座中，所述第二连杆402套接在第四轴304上；所述第五轴305套设在第二连杆402中，所述第三连杆403套接在第五轴305上；所述第四连杆404套接在第四轴304上，所述第六轴306套设在第四连杆404中，所述近指段21套接在第六轴306上；所述第五连杆405套接在第六轴306上，所述第七轴307套设在第三连杆403中，所述第五连杆405套接在第七轴307上；所述第八轴308套设在第五连杆405中，所述第八轴308套设在第五连杆405中；所述第六连杆406套接在第八轴308上，所述第九轴309套设在第六连杆406中，所述远指段22套接在第九轴309上；所述第十轴310套设在基座中，所述第七连杆407套接在第十轴310上，所述传动机构的输出端与第七连杆407相连；所述第十一轴311套设在第七连杆407中；所述第八连杆408的一端连接在第九轴309上，第八连杆408的另一端套接在第十一轴311上；所述限位块5与基座固接；所述簧件6的两端分别连接限位块5和第二连杆402；在初始状态时，所述第二连杆402与限位块5接触；设第一轴301、第二轴302、第三轴303、第四轴304、第五轴305、第六轴306、第七轴307、第八轴308和第九轴309的中心点为A、B、C、D、E、F、G、H、I；线段DE的长度等于线段FG的长度；线段DF的长度等于线段EG的长度；线段CF的长度等于线段HI的长度；线段FH的长度等于线段CI的长度；线段AB、线段BF、线段CF、线段DF和线段AD的长度关系满足：AB:BF:CF:DF:AD＝13:7:12:5:17。

在本实施例中，所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述蜗杆套固在减速器的输出轴上；所述蜗轮套固在第十轴310上，所述蜗杆与蜗轮啮合。

本发明所述的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件5采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述簧件5采用拉簧。

在本实施例中，所述近指端21还包括近指端表面板211，所述近指端表面板211与近指端21固接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例的初始状态如图1所示。

本实施例中的基座10、近指段21、第一连杆401、第四连杆404、第一轴301、第二轴302、第三轴303、第四轴304、第六轴306等零件使得点C沿直线轨迹运动的原理如图9所示。当线段DE以D为圆心转动时，可以带动线段AB绕A点转动，点C沿直线S轨迹运动。第三轴303的中心点C在C₁与C₃之间运动呈现近似直线的轨迹。

在本实施例初始状态时，在簧件6的作用下，所述第二连杆402与限位块5接触。

在本实施例进行抓取操作时，有两种抓取模式：直线平夹模式和自适应包络抓取模式。工作原理介绍如下。

(1)直线平夹抓取模式

电机11转动，通过减速器12、蜗杆13、蜗轮14和第十轴310带动第七连杆407转动，通过第八连杆408推动远指段22运动。由于基座10、近指段21、第一连杆401和第四连杆404构成的机构末端沿近似直线运动，因此第三轴303会相对于基座10沿直线运动；由于近指段21、远指段22、第五连杆405和第六连杆406构成平行四连杆机构，因此图10中的线段CI与线段FG平行；第二连杆402、第三连杆403、第四连杆404和第五连杆405也构成平行四连杆机构，因此图10中的线段DE与线段FG平行，线段DE与线段CI平行。从初始状态开始运动的过程中，第二连杆402在簧件6的作用下保持接触限位块5，因此第二连杆402相对于基座10保持固定，使得远指段22在此过程中始相对于基座10保持不变的姿态，因此远指段22在运动过程中沿近似直线轨迹的平动。

上述过程称为直线平行夹持运动过程。在此过程中，当远指段22接触物体7，抓取结束，从而实现了直线平夹物体的功能，如图11所示。

(2)自适应抓取模式

在上述的直线平行夹持运动过程中，当近指段21率先接触物体7时，近指段21被阻挡而无法进一步转动，此时执行自适应抓取模式。电机11继续转动，带动第七连杆407转动，通过第八连杆408推动远指段22转动绕第三轴303转动。近指段21、远指段22、第五连杆405和第六连杆406构成平行四连杆机构，第五连杆405会绕第六轴306转动相应的角度；第二连杆402、第三连杆403、第四连杆404和第五连杆405也构成平行四连杆机构，第二连杆402会绕第四轴304转动相应的角度，第二连杆402离开限位块5，簧件6被拉伸。此过程持续至远指段22接触物体7，远指段被固定，实现自适应抓取模式。

上述过程综合实现了自适应抓取模式，该过程对不同形状、尺寸物体具有自适应性，如图12所示。

释放物体7的过程与上述过程相反，不再赘述。

该装置采用基座、电机、传动机构、两个指段、十一个轴、八个连杆、簧件和限位块等，综合实现了直线平夹和自适应抓取模式。在在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：远指段平动且轨迹为直线，适合夹持平面上的物体；当近指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：远指段绕第三轴转动，直到近指段和远指段均接触物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用一个电机驱动两个指段，抓取稳定，控制简单，制造和维护成本低。

Claims (3)

1.一种连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机和传动机构；所述电机与基座固接，所述电机与传动机构的输入端相连；其特征在于：该连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置还包括近指段、远指段、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第十一轴、限位块和簧件；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴和第十一轴的中心线相互平行；所述第一轴套设在基座中，所述第一连杆套接在第一轴上，所述第二轴套设在第一连杆中；所述近指段套接在第二轴上，所述第三轴套设在近指段中，所述远指段套接在第三轴上；所述第四轴套设在基座中，所述第二连杆套接在第四轴上；所述第五轴套设在第二连杆中，所述第三连杆套接在第五轴上；所述第四连杆套接在第四轴上，所述第六轴套设在第四连杆中，所述近指段套接在第六轴上；所述第五连杆套接在第六轴上，所述第七轴套设在第三连杆中，所述第五连杆套接在第七轴上；所述第八轴套设在第五连杆中，所述第八轴套设在第五连杆中；所述第六连杆套接在第八轴上，所述第九轴套设在第六连杆中，所述远指段套接在第九轴上；所述第十轴套设在基座中，所述第七连杆套接在第十轴上，所述传动机构的输出端与第七连杆相连；所述第十一轴套设在第七连杆中；所述第八连杆的一端连接在第九轴上，第八连杆的另一端套接在第十一轴上；所述限位块与基座固接；所述簧件的两端分别连接限位块和第二连杆；在初始状态时，所述第二连杆与限位块接触；设第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴和第九轴的中心点为A、B、C、D、E、F、G、H、I；线段DE的长度等于线段FG的长度；线段DF的长度等于线段EG的长度；线段CF的长度等于线段HI的长度；线段FH的长度等于线段CI的长度；线段AB、线段BF、线段CF、线段DF和线段AD的长度关系满足：AB:BF:CF:DF:AD＝13:7:12:5:17。

2.如权利要求1所述的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述蜗杆套固在减速器的输出轴上；所述蜗轮套固在第十轴上，所述蜗杆与蜗轮啮合。

3.如权利要求1所述的连杆协同驱动直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

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