CN114851230A - 鳍条结构柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鳍条结构柔性机械手。包括壳体和安装在壳体上的电机驱动组件、传动连杆组件和两个柔性手指，电机驱动组件固定于壳体的相应位置上，其中的驱动螺母与传动连杆组件中的输入端连接，传动连杆组件中的其他各部件根据各自的运动方式与壳体上的相应孔位转动连接，输出端与柔性手指上的相应孔位转动连接。本发明通过步进电机带动传动连杆组件运动并传动至柔性手指，使两个柔性手指相向运动进行抓取，柔性手指所具备的鳍条结构和软垫结构对抓取目标实现全方位的柔性包络，提高了柔性机械手的抓取安全性、抓取范围、抓取力及其可控性，降低了其结构复杂程度。

Description

鳍条结构柔性机械手

技术领域

本发明涉及机械手领域的一种柔性机械手，具体涉及一种鳍条结构柔性机械手。

背景技术

柔性机械手的可变形性使其在抓取物体时表现出独特的优势，在与人和环境的交互中能够保持足够的灵活性和安全性，因此在各种特殊场景中有着广泛的应用。但目前市面上的柔性机械手在性能上存在抓取范围小、抓取力不足、抓取力难以控制等问题；设计上则存在原理复杂、结构繁琐、生产成本高等问题。

发明内容

为了克服现有技术领域存在的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种鳍条结构柔性机械手，利用较为结构简单的驱动装置、传动装置和末端执行装置，实现对物体的较大范围、较大抓取力且抓取力可以控制的柔性抓取。

本发明采用的技术方案是：

包括壳体和安装在壳体上的电机驱动组件、传动连杆组件和柔性手指；所述电机驱动组件固定在壳体上，两个所述传动连杆组件分居壳体的两侧，且两个传动连杆组件同时分别与电机驱动组件、壳体活动连接，两个所述柔性手指分别位于两个传动连杆组件的下方且分别与各自对应的一个传动连杆组件活动连接。

所述电机驱动组件包括顶盖、步进电机、第一连杆、驱动螺母和挡片；所述步进电机的机体固定安装在顶盖的下表面上，所述顶盖固定安装在壳体内顶面，所述步进电机输出轴向下活动套装有驱动螺母，所述第一连杆固定套装在驱动螺母上，且与传动连杆组件活动连接，所述步进电机输出轴末端套装有挡片，且步进电机输出轴与挡片不接触，所述挡片的两端均固定连接到壳体。

两个所述传动连杆组件对称设置在壳体下方的两侧；每个所述的传动连杆组件包括第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆；所述第二连杆的一端与电机驱动组件的第一连杆铰接，所述第二连杆的另一端向下与第三连杆的一端活动连接，所述第三连杆的另一端活动连接到第四连杆的一端，所述第三连杆的中部活动连接到壳体，所述第五连杆的一端活动连接到壳体，所述第五连杆的另一端活动连接到第四连杆的另一端；两个所述的第四连杆均向下固定安装有一个柔性手指，使得传动连杆组件在电机驱动组件的驱动下，带动两个柔性手指相向运动抓取目标物体。

所述柔性手指整体为鳍条结构，所述柔性手指主要由多根并行排列的鳍条、一个刚性顶面和两个柔性鳍面组成；所述两个柔性鳍面与一个刚性顶面合围成封闭结构，且封闭结构靠近目标物体的柔性鳍面为垂直于刚性顶面的平面，封闭结构远离目标物体的柔性鳍面为曲面，多根并行排列的鳍条设置在在封闭结构内，多根并行排列的鳍条的一端均连接到曲面，多根并行排列的鳍条的另一端分别连接到平面或者刚性顶面；所述柔性手指靠近目标物体的柔性鳍面安装有多个矩形软垫，所述多个矩形软垫自上而下水平间隔布置，所述矩形软垫为中空结构。

所述柔性手指为橡胶制品。

所述步进电机输出轴与驱动螺母通过螺纹连接进行活动套装。

所述第三连杆为L型结构。

所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆之间的活动连接均为螺栓连接。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明所述的鳍条结构柔性机械手，不同于传统的柔性机械手，驱动方式为步进电机，传动方式经过特殊设计，因此可提供较大的抓取范围以及较大且可控的抓取力。

本发明结构简单紧凑，体积较小，因此在生产成本、易于安装维护的程度上也优于传统的柔性机械手。其具体实现方法如下：本发明所述的柔性手指不同于传统的柔性手指，其具有鳍条结构及软垫结构，两个柔性手指上的鳍条结构提供四个维度上的包络，软垫结构提供另两个维度上的包络，因此仅需两个柔性手指即可实现全方位的包络，实现传统三指机械手的功能，且对于抓取目标具有安全性。

本发明所述各部件均采用经优化后的轻量化设计，重量较轻、所需材料较少。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是电机驱动组件结构示意图。

图3是传动连杆组件结构示意图。

图4是壳体内部各部件装配关系示意图。

图5是壳体结构示意图。

图6是柔性手指结构示意图。

图7是柔性手指对目标物体进行夹取时的原理示意图。

图中所示：1、电机驱动组件；1-1、顶盖；1-2、步进电机；1-3、驱动螺母；1-4、挡片；2、传动连杆组件；2-1、第一连杆；2-2、第二连杆；2-3、第三连杆；2-4、第四连杆；2-5、第五连杆；3、壳体；4、柔性手指。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1和图5所示，本发明包括壳体3和安装在壳体3上的电机驱动组件1、传动连杆组件2和柔性手指4；电机驱动组件1固定在壳体3上，两个传动连杆组件2分居壳体3的两侧，且两个传动连杆组件2同时分别与电机驱动组件1、壳体3活动连接，两个柔性手指4分别位于两个传动连杆组件2的下方且分别与各自对应的一个传动连杆组件2活动连接。

如图2所示，电机驱动组件1包括顶盖1-1、步进电机1-2、第一连杆2-1、驱动螺母1-3和挡片1-4；步进电机1-2的机体固定安装在顶盖1-1的下表面上，顶盖1-1固定安装在壳体3内顶面，从而使得电机驱动组件1通过顶盖1-1固定安装在壳体3内。步进电机1-2输出轴向下活动套装有驱动螺母1-3，第一连杆2-1固定套装在驱动螺母1-3上，且与传动连杆组件2活动连接，步进电机1-2输出轴末端套装有挡片1-4，且步进电机1-2输出轴与挡片1-4不接触，挡片1-4的两端均固定连接到壳体3。驱动螺母1-3沿步进电机1-2输出轴进行竖直移动，挡片1-4安装于壳体3上，限制驱动螺母1-3的移动范围，避免驱动螺母1-3脱离步进电机1-2输出轴。

如图3和图4所示，两个传动连杆组件2对称设置在壳体3下方的两侧；每个传动连杆组件2包括第二连杆2-2、第三连杆2-3、第四连杆2-4和第五连杆2-5；第二连杆2-2的一端与电机驱动组件1的第一连杆2-1铰接，第二连杆2-2的另一端向下与第三连杆2-3的一端活动连接，第三连杆2-3的另一端活动连接到第四连杆2-4的一端，第三连杆2-3的中部活动连接到壳体3，第五连杆2-5的一端活动连接到壳体3，第五连杆2-5的另一端活动连接到第四连杆2-4的另一端；两个第四连杆2-4均向下固定安装有一个柔性手指4，使得传动连杆组件2在电机驱动组件1的驱动下，带动两个柔性手指4相向运动抓取目标物体。

如图6所示，柔性手指4为鳍条结构，柔性手指4主要由多根并行排列的鳍条、一个刚性顶面和两个柔性鳍面组成；两个柔性鳍面与一个刚性顶面合围成封闭结构，且封闭结构靠近目标物体的柔性鳍面为垂直于刚性顶面的平面，封闭结构远离目标物体的柔性鳍面为曲面，多根并行排列的鳍条设置在在封闭结构内，多根并行排列的鳍条的一端均连接到曲面，多根并行排列的鳍条的另一端分别连接到平面或者刚性顶面。并行的多条线状结构，使得不同鳍条受力情况及形变程度不同，受力时，越靠近柔性手指4的末梢，柔性手指4的形变量越大，弯曲越明显。其中，柔性手指4靠近目标物体的柔性鳍面安装有多个矩形软垫，多个矩形软垫自上而下水平间隔布置，矩形软垫为中空结构。此结构特征可实现对目标物体进行全方位的抓取。具体分析如下，如图7所示，当两个柔性手指4与目标物体发生接触后继续相向运动时，目标物体对柔性手指4施加的压力主要集中在柔性手指4与目标物体接触的中心点处。由于柔性手指4的鳍条结构，在压力作用下，柔性手指4的边缘开始变形向目标物体聚拢并对目标物体进行包络，从而限制住目标物体的移动；与此同时，柔性手指4侧面矩形软垫的中空结构，使得每一个矩形软垫中间部位受力发生的变形程度大于矩形软垫边缘的变形程度，因此，矩形软垫也对目标物体形成包络，再次限制住目标物体的移动；综上，鳍条结构和矩形软垫的同时作用限制了目标物体在各个方向上的移动，从而实现了对目标物体的牢固抓取。

优选的，柔性手指4为橡胶制品。

优选的，步进电机1-2输出轴与驱动螺母1-3通过螺纹连接进行活动套装。

优选的，第三连杆2-3为L型结构。

优选的，第一连杆2-1、第二连杆2-2、第三连杆2-3、第四连杆2-4和第五连杆2-5之间的活动连接均为螺栓连接。

本机械手的工作过程如下：

工作时，首先利用编程控制器控制步进电机1-2的步长和频率从而控制其输出的位移量，进而控制柔性手指4对目标物体夹取力的大小。

随着第一连杆2-1的轴向位移，在传动连杆组件2中，第二连杆2-2运动并带动第三连杆2-3的一端进行运动；由于第三连杆2-3的中间部位与壳体3转动连接，使得第三连杆2-3无法移动，使得第三连杆2-3与第四连杆2-4相连接的一端运动方向发生改变；同时由于第五连杆2-5的一端与壳体3的转动连接，对第四连杆2-4的运动方向进行限制。综上，由于传动连杆组件2中各部件特殊的几何关系，第四连杆2-4被限制无法转动，只能整体随着第一连杆2-1进行平移运动，其结果是传动连杆组件2带动柔性手指4进行平面内的平移运动，两个柔性手指4之间进行相向运动，从两侧抵近目标物体进行抓取。

当两个柔性手指4与目标物体发生接触后继续相向运动时，目标物体对柔性手指4施加的压力主要集中在柔性手指4与目标物体接触的中心点处。由于柔性手指4的鳍条结构，在压力作用下，柔性手指4的边缘开始变形向目标物体聚拢并对目标物体进行包络，从而限制住目标物体的移动；与此同时，柔性手指4侧面矩形软垫的中空结构，使得每一个矩形软垫中间部位受力发生的变形程度大于矩形软垫边缘的变形程度，因此，矩形软垫也对目标物体形成包络，再次限制住目标物体的移动。综上，鳍条结构和矩形软垫的同时作用限制了目标物体在各个方向上的移动，从而实现了对目标物体的牢固抓取。

此外，由于柔性手指4的柔性特征，使得柔性手指4对目标物体进行包络的同时可起到保护作用。

Claims (8)

1.一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：包括壳体(3)和安装在壳体(3)上的电机驱动组件(1)、传动连杆组件(2)和柔性手指(4)；所述电机驱动组件(1)固定在壳体(3)上，两个所述传动连杆组件(2)分居壳体(3)的两侧，且两个传动连杆组件(2)同时分别与电机驱动组件(1)、壳体(3)活动连接，两个所述柔性手指(4)分别位于两个传动连杆组件(2)的下方且分别与各自对应的一个传动连杆组件(2)活动连接。

2.根据权利要求1所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述电机驱动组件(1)包括顶盖(1-1)、步进电机(1-2)、第一连杆(2-1)、驱动螺母(1-3)和挡片(1-4)；所述步进电机(1-2)的机体固定安装在顶盖(1-1)的下表面上，所述顶盖(1-1)固定安装在壳体(3)内顶面，所述步进电机(1-2)输出轴向下活动套装有驱动螺母(1-3)，所述第一连杆(2-1)固定套装在驱动螺母(1-3)上，且与传动连杆组件(2)活动连接，所述步进电机(1-2)输出轴末端套装有挡片(1-4)，且步进电机(1-2)输出轴与挡片(1-4)不接触，所述挡片(1-4)的两端均固定连接到壳体(3)。

3.根据权利要求2所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：

两个所述传动连杆组件(2)对称设置在壳体(3)下方的两侧；每个所述的传动连杆组件(2)包括第二连杆(2-2)、第三连杆(2-3)、第四连杆(2-4)和第五连杆(2-5)；所述第二连杆(2-2)的一端与电机驱动组件(1)的第一连杆(2-1)铰接，所述第二连杆(2-2)的另一端向下与第三连杆(2-3)的一端活动连接，所述第三连杆(2-3)的另一端活动连接到第四连杆(2-4)的一端，所述第三连杆(2-3)的中部活动连接到壳体(3)，所述第五连杆(2-5)的一端活动连接到壳体(3)，所述第五连杆(2-5)的另一端活动连接到第四连杆(2-4)的另一端；两个所述的第四连杆(2-4)均向下固定安装有一个柔性手指(4)，使得传动连杆组件(2)在电机驱动组件(1)的驱动下，带动两个柔性手指(4)相向运动抓取目标物体。

4.根据权利要求1所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述柔性手指(4)整体为鳍条结构，所述柔性手指(4)主要由多根并行排列的鳍条、一个刚性顶面和两个柔性鳍面组成；所述两个柔性鳍面与一个刚性顶面合围成封闭结构，且封闭结构靠近目标物体的柔性鳍面为垂直于刚性顶面的平面，封闭结构远离目标物体的柔性鳍面为曲面，多根并行排列的鳍条设置在在封闭结构内，多根并行排列的鳍条的一端均连接到曲面，多根并行排列的鳍条的另一端分别连接到平面或者刚性顶面；所述柔性手指(4)靠近目标物体的柔性鳍面安装有多个矩形软垫，所述多个矩形软垫自上而下水平间隔布置，所述矩形软垫为中空结构。

5.根据权利要求1所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述柔性手指(4)为橡胶制品。

6.根据权利要求2所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述步进电机(1-2)输出轴与驱动螺母(1-3)通过螺纹连接进行活动套装。

7.根据权利要求3所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述第三连杆(2-3)为L型结构。

8.根据权利要求3所述的一种鳍条结构柔性机械手，其特征在于：所述第一连杆(2-1)、第二连杆(2-2)、第三连杆(2-3)、第四连杆(2-4)和第五连杆(2-5)之间的活动连接均为螺栓连接。

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