CN115946104B - 可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法，包括一端与机械手连接的保护壳、与所述保护壳另一端连接的基板以及设置于所述基板上的夹持机构，所述夹持机构包括手指组件和与所述手指组件连接的传动组件，所述传动组件包括经传动绳相互连接的夹持传动单元、变刚度单元和张紧力调节单元。本发明采用上述可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法，能够适应不同零件外形，抓取的零件种类广、自适应抓取行程大，提高了通用性。

Description

可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法

技术领域

本发明涉及一种机械手技术，尤其涉及可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法。

背景技术

在工业自动化生产中，机器人越来越多的用于加工和装配生产线，机器人末端执行器也趋向于智能化和自动化。

其中，机械手作为机器人的最重要末端执行器之一，承担着零件转运、夹持、装配等重要任务，在汽车生产装配、五金加工、农业采摘、微纳操作等领域具有广泛应用。

然而，传统全驱动刚性机械手只能抓取特定形状和大小的零件，在非结构化环境中，面对外形不同的多种异形零件时机械手往往无法适应零件外形而导致抓取失败。另外，机械手在抓取较软材质的零件和易损坏零件时，由于现有的全驱动和欠驱动机械手大多为刚性机械手，导致抓取时机械手容易破坏零件表面或零件结构，使用专用的柔性机械手又会导致机械手的可抓取零件种类单一，不具备通用性，因此使手指具备可调刚度至关重要。

综上所述，具备外形自适应和手指可调柔性的机械手能够提高机械手的零件抓取范围和种类，降低频繁更换机械手带来的时间和硬件成本，提高生产线的柔性和生产效率。

为解决上述问题，现有技术提出了欠驱动机械手，其是指系统动力输入数量小于系统运动自由度的一类机械手，其能够自适应零件外形，可抓取各种异状零件。但现有的欠驱动机械手的手指具有以下缺点：1、不具备柔性或柔性不可调，这极大地限制了机械手的通用性。2、现有机械手的力控通常依赖于高精度的传感和控制系统，使得力控系统非常复杂且昂贵。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统全驱动刚性机械手不能适应多种不同的零件外形。为此，本发明提出了可变刚度的绳驱动三指自适应机械手及方法，能够适应不同零件外形，抓取的零件种类广、自适应抓取行程大，提高了通用性。

为实现上述目的，本发明提供了一种可变刚度的绳驱动三指自适应机械手，包括一端与机械手连接的保护壳、与所述保护壳另一端连接的基板以及设置于所述基板上的夹持机构，所述夹持机构包括手指组件和与所述手指组件连接的传动组件，所述传动组件包括经传动绳相互连接的夹持传动单元、变刚度单元和张紧力调节单元。

优选的，所述夹持传动单元包括设置于所述基板面向所述保护壳一侧的夹持驱动电机和设置于所述基板背离所述保护壳一侧的中心绕线轮以及围绕所述中心绕线轮呈圆周均匀分布于所述基板上的径向移动部，所述径向移动部包括首端径向移动单元、中间径向移动单元和尾端径向移动单元；

所述中心绕线轮的动力输入端与所述夹持驱动电机连接，绕过所述中心绕线轮的所述传动绳依次与所述首端径向移动单元、所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元绕接，由所述尾端径向移动单元伸出的所述传动绳与所述张紧力调节单元连接。

优选的，所述首端径向移动单元、所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元均包括向靠近所述中心绕线轮的方向依次设置的滑轮座、对应所述滑轮座径向布置的第一直线导轨和设置于所述第一直线导轨上的第一径向移动滑块、关于所述第一直线导轨对称布置的第一传动滑轮和第二传动滑轮；

所述第一径向移动滑块上设置有所述手指组件，所述手指组件包括L型夹持板，所述L型夹持板经连接件与所述第一径向移动滑块连接；

所述滑轮座上且与所述第一传动滑轮和所述第二传动滑轮对应的位置分别设置有第一改向滑轮和第二改向滑轮，所述第一径向移动滑块面向所述中心绕线轮和所述滑轮座的方向分别设置有第一径向移动滑轮和第二径向移动滑轮；

所述传动绳包括内环段和外环段，所述内环段依次与所述第一传动滑轮、所述第一径向移动滑轮和所述第二传动滑轮绕接；

所述外环段依次与所述第一改向滑轮、所述第二径向移动滑轮和所述第二改向滑轮绕接。

优选的，所述张紧力调节单元包括两端均经轴承和轴承座设置于基板上的芯轴以及依次设置于所述芯轴上的边缘绕线轮和涡轮，所述涡轮与蜗杆啮合的一端啮合，所述蜗杆的另一端与刚度调节电机连接；

所述基板上且对应所述边缘绕线轮的位置设置有连接滑轮，所述连接滑轮的转动方向与所述边缘绕线轮的转动方向垂直；

所述传动绳由所述尾端径向移动单元的所述第二改向滑轮伸出后依次绕过所述连接滑轮、所述边缘绕线轮后与所述尾端径向移动单元的第二传动滑轮连接。

优选的，所述变刚度单元包括与所述首端径向移动单元和所述中间径向移动单元之间的传动绳绕接的左侧变刚度组件以及与所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元之间的传动绳绕接的右侧变刚度组件，所述左侧变刚度组件和所述右侧变刚度组件关于所述中间径向移动单元对称布置。

优选的，所述左侧变刚度组件和所述右侧变刚度组件均包括拉紧弹簧，所述拉紧弹簧的一端经基座与所述基板连接，另一端与第二径向滑块连接，所述第二径向滑块滑动设置于径向布置的第二直线导轨上，所述第二径向滑块上设置有第三径向移动滑轮，所述基板上且关于所述第三径向移动滑轮对称的位置分别设置有第三改向滑轮和第四改向滑轮；

所述传动绳依次与所述第三改向滑轮、所述第三径向移动滑轮和所述第四改向滑轮绕接。

优选的，所述第二径向滑块上还连接有用于检测所述拉紧弹簧位置的位移传感器。

优选的，所述夹持传动单元、所述变刚度单元和所述张紧力调节单元均罩设于外壳内部，所述手指组件经开设于外壳上的径向槽口穿出所述外壳。

基于可变刚度的绳驱动三指自适应机械手的方法，包括以下步骤：

S1、根据待夹取零件的刚度进行主动刚度调节；

打开刚度调节电机，刚度调节电机经蜗杆带动涡轮转动，进而带动边缘绕线轮转动，而后带动第一径向移动滑块和第二径向滑块同步径向移动，直至位移传感器采集到拉紧弹簧伸长至设定长度后停止，从而达到主动刚度调节的目的；

S2、零件夹持

将零件放置于三个手指组件围成的区域内，打开夹持驱动电机，夹持驱动电机带动中心绕线轮逆时针转动，进而带动内环段收紧、外环段放松，从而带动第一径向移动滑块沿第一直线导轨朝向中心绕线轮的方向移动，直至第一径向移动滑块上的手指组件压紧零件停止移动，中心绕线轮继续转动，直至所有手指组件压紧零件；

S3、放开零件

在机械臂的带动下至合适位置，夹持驱动电机带动中心绕线轮顺时针转动即可放开零件。

本发明的有益效果如下：

1、对于不规则形状的零件具有很好地适应性，且适应范围大，可满足柔性生产和装配中各种不同零件的抓取需求。

2、通过滑轮—绳索缠绕方式，实现单个电机驱动三个手指，机械结构紧凑、高效，驱动方式简单，易于实现。

3、变刚度单元是通过弹簧—滑轮—绳索的机构组合实现的，故使得三个手指均能够实现大范围的刚度变化。

4、三个手指具有主动变刚度和被动变刚度的功能，主动变刚度通过绳索的张紧力来调节，最大刚度可达到完全刚性。被动变刚度功能是由手指抓取力大小决定的，故使得手指刚度具有负载大、刚度大，负载小、刚度小的被动自适应调节的特性。

5、本发明中的手指抓取力是由绳索张力控制的，抓取力的检测和控制简单，抓取力的控制成本低。

6、绳驱动三指自适应机械手结构紧凑，自适应抓取和刚度变化范围大，能够应用于汽车生产装配、五金加工、柔性装配等领域。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的爆炸图；

图2为本发明的夹持机构结构示意图；

图3为本发明的传动组件结构图；

图4为本发明的夹持传动单元结构图；

图5为本发明的张紧力调节单元结构图；

图6为本发明的变刚度单元结构图；

图7为本发明的传动绳绕接图；

图8为本发明的夹持时传动绳绕接图；

图9为本发明的中心绕线轮布置图；

图10为本发明的抓取点1到位示意图；

图11为本发明的抓取点1和抓取点2均到位示意图；

图12为本发明的抓取点1、抓取点2和抓取点3均到位示意图；

图13为本发明的主动变刚度原理图；

图14为本发明的手指组件结构图；

图15为本发明的外形图；

图16为本发明的保护壳结构图。

其中：1、保护壳；11、接口；2、基板；3、外壳；31、径向槽口；4、夹持机构；41、手指组件；411、L型夹持板；412、第一连接块；413、第二连接块；414、第三连接块；42、传动组件；421、夹持传动单元；4211、夹持驱动电机；4212、中心绕线轮；4213、径向移动部；42131、滑轮座；42132、第一直线导轨；42133、第一径向移动滑块；42134、第一传动滑轮；42135、第二传动滑轮；42136、第一改向滑轮；42137、第二改向滑轮；42138、第一径向移动滑轮；42139、第二径向移动滑轮；422、张紧力调节单元；4221、边缘绕线轮；4222、涡轮；4223、连接滑轮；4224、蜗杆；4225、芯轴；4226、刚度调节电机；4227、轴承；4228、轴承座；423、变刚度单元；4231、拉紧弹簧；4232、第二径向滑块；4233、第二直线导轨；4234、第三径向移动滑轮；4235、第三改向滑轮；4236、第四改向滑轮；4237、位移传感器；43、传动绳；431、内环段；432、外环段；5、零件。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

可变刚度的绳驱动三指自适应机械手，包括一端与机械手连接的保护壳1、与保护壳1另一端连接的基板2以及设置于基板2上的夹持机构4，本实施例的保护壳1上设置有用于连接机械臂的接口11，夹持机构4包括手指组件41和与手指组件41连接的传动组件42，传动组件42包括经传动绳43相互连接的夹持传动单元421、变刚度单元423和张紧力调节单元422。

其中，夹持传动单元421包括设置于基板2面向保护壳1一侧的夹持驱动电机4211和设置于基板2背离保护壳1一侧的中心绕线轮4212以及围绕中心绕线轮4212呈圆周均匀分布于基板2上的径向移动部4213，径向移动部4213包括首端径向移动单元、中间径向移动单元和尾端径向移动单元；中心绕线轮4212的动力输入端与夹持驱动电机4211连接，绕过中心绕线轮4212的传动绳43依次与首端径向移动单元、中间径向移动单元和尾端径向移动单元绕接，由尾端径向移动单元伸出的传动绳43与张紧力调节单元422连接。

优选的，首端径向移动单元、中间径向移动单元和尾端径向移动单元均包括向靠近中心绕线轮4212的方向依次设置的滑轮座42131、对应滑轮座42131径向布置的第一直线导轨42132和设置于第一直线导轨42132上的第一径向移动滑块42133、关于第一直线导轨42132对称布置的第一传动滑轮42134和第二传动滑轮42135；第一径向移动滑块42133上设置有手指组件41，手指组件包括L型夹持板411，L型夹持板411经连接件与第一径向移动滑块42133连接，本实施例中的连接件包括依次与L型夹持板411连接的第一连接块412、第二连接块413和第三连接块414；滑轮座42131上且与第一传动滑轮42134和第二传动滑轮42135对应的位置分别设置有第一改向滑轮42136和第二改向滑轮42137，第一径向移动滑块42133面向中心绕线轮4212和滑轮座42131的方向分别设置有第一径向移动滑轮42138和第二径向移动滑轮42139；传动绳43包括内环段431和外环段432，内环段431依次与第一传动滑轮42134、第一径向移动滑轮42138和第二传动滑轮42135绕接；外环段432依次与第一改向滑轮42136、第二径向移动滑轮42139和第二改向滑轮42137绕接。

优选的，张紧力调节单元422包括两端均经轴承4227和轴承座4228设置于基板2上的芯轴4225以及依次设置于芯轴4225上的边缘绕线轮4221和涡轮4222，涡轮4222与蜗杆4224啮合的一端啮合，蜗杆4224的另一端与刚度调节电机4226连接；基板2上且对应边缘绕线轮4221的位置设置有连接滑轮4223，连接滑轮4223的转动方向与边缘绕线轮4221的转动方向垂直；传动绳43由尾端径向移动单元的第二改向滑轮42137伸出后依次绕过连接滑轮4223、边缘绕线轮4221后与尾端径向移动单元的第二传动滑轮42135连接。

优选的，变刚度单元423包括与首端径向移动单元和中间径向移动单元之间的传动绳43绕接的左侧变刚度组件以及与中间径向移动单元和尾端径向移动单元之间的传动绳43绕接的右侧变刚度组件，左侧变刚度组件和右侧变刚度组件关于中间径向移动单元对称布置。

优选的，左侧变刚度组件和右侧变刚度组件均包括拉紧弹簧4231，拉紧弹簧4231的一端经基座与基板2连接，另一端与第二径向滑块4232连接，第二径向滑块4232滑动设置于径向布置的第二直线导轨4233上，第二径向滑块上设置有第三径向移动滑轮4234，基板2上且关于第三径向移动滑轮对称的位置分别设置有第三改向滑轮4235和第四改向滑轮4236；传动绳43依次与第三改向滑轮4235、第三径向移动滑轮4234和第四改向滑轮4236绕接。

优选的，第二径向滑块4232上还连接有用于检测拉紧弹簧4231位置的位移传感器4237。

优选的，夹持传动单元421、变刚度单元423和张紧力调节单元422均罩设于外壳3内部，手指组件41经开设于外壳3上的径向槽口31穿出外壳3。

本实施例中的上述滑轮均为U型滑轮。

基于可变刚度的绳驱动三指自适应机械手的方法，包括以下步骤：

S1、根据待夹取零件5的刚度进行主动刚度调节；

打开刚度调节电机4226，刚度调节电机4226经蜗杆4224带动涡轮4222转动，进而带动边缘绕线轮4221转动，而后带动第一径向移动滑块42133和第二径向滑块4232同步径向移动，直至位移传感器4237采集到拉紧弹簧4231伸长至设定长度后停止，从而达到主动刚度调节的目的；

在本实施例中主动变刚度的原理如下：中心绕线轮4212在刚度调节电机4226的驱动下旋转时，绳索缠绕在边缘绕线轮4221上的长度越大，拉紧弹簧4231的拉伸长度也越大，从而导致传动绳43与拉紧弹簧4231轴线的夹角β越大，使得传动绳43的张力F_c和刚度k_c越大，进而导致手指组件41在x方向上的平动刚度k_f越大,当β为零时手指为完全刚性。反之，绕线轮上缠绕的绳索长度越小，手指组件41的刚度就越小。再借助位移传感器4237用于测量弹簧的拉伸长度，即可计算夹角β、绳索拉力和绳索刚度。

本实施例技术方案还具有被动变刚度功能，其原理如下：

在抓取零件5时，抓取力F_j增大，导致手指在x方向上产生位移，从而拉动传动绳43，使得拉紧弹簧4231的位置L₂增大，L₁减小，由于绳索刚度变化是非线性的，因此手指的沿x方向的刚度增大。这种特性使得机械手能够根据负载大小被动调节刚度，故具有负载—刚度自适应的特性。

本专利提出一种廉价的抓取力控制方法，无需额外力传感器。手指的夹持力

可根据手指两侧绳索的张力差得到，计算方法为：

式中，

为手指的夹持力；/>

为手指组件一侧的受到的张力；/>

为手指组件另一侧的受到的张力；/>

为拉紧弹簧的刚度；/>

为手指组件一侧的拉紧弹簧的长度；/>

为手指组件另一侧的拉紧弹簧的长度；/>

为传动与拉紧弹簧的轴线的夹角；

这种控制方法避免了在手指末端放置力传感器，通过测量弹簧拉伸长度并计算绳索张力就能得到夹持力，降低了测量和控制成本。

S2、零件5夹持

将零件5放置于三个手指组件41围成的区域内，打开夹持驱动电机4211，夹持驱动电机4211带动中心绕线轮4212逆时针转动，进而带动内环段431收紧、外环段432放松，从而带动第一径向移动滑块42133沿第一直线导轨42132朝向中心绕线轮4212的方向移动，直至第一径向移动滑块42133上的手指组件41压紧零件5停止移动，中心绕线轮4212继续转动，直至所有手指组件41压紧零件5；

在本实施例中三个手指滑轮座42131中间放置了零件5，零件5的位置是随意放置的。中心绕线轮4212逆时针旋转时，三个手指组件41同时向中心运动，抓取点1首先与手指发生接触，然后中心绕线轮4212继续逆时针旋转，抓取点2与手指组件41发生接触，最后抓取点3与第三个手指接触，完成抓取，故可知对任意外形的零件5，所提出的自适应三指机械手均能适应零件5外形，完成抓取。

S3、放开零件5

在机械臂的带动下至合适位置，夹持驱动电机4211带动中心绕线轮4212顺时针转动即可放开零件5。

因此，本发明采用上述能够适应不同零件外形，抓取的零件种类广、自适应抓取行程大，提高了通用性能够适应不同零件外形，抓取的零件种类广、自适应抓取行程大，提高了通用性。且手指刚度能够大范围调节，能够抓取各种软硬程度材质的零件，实现柔性抓取，有利于柔顺装配。同时抓取力控制不需要高精度力传感器和高性能控制设备，节省成本，经济性好。从而使得装配的机械手能够应用于汽车生产装配、五金加工、柔性装配生产线等领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种可变刚度的绳驱动三指自适应机械手，其特征在于：包括一端与机械手连接的保护壳、与所述保护壳另一端连接的基板以及设置于所述基板上的夹持机构，所述夹持机构包括手指组件和与所述手指组件连接的传动组件，所述传动组件包括经传动绳相互连接的夹持传动单元、变刚度单元和张紧力调节单元；

所述夹持传动单元包括设置于所述基板面向所述保护壳一侧的夹持驱动电机和设置于所述基板背离所述保护壳一侧的中心绕线轮以及围绕所述中心绕线轮呈圆周均匀分布于所述基板上的径向移动部，所述径向移动部包括首端径向移动单元、中间径向移动单元和尾端径向移动单元；

所述中心绕线轮的动力输入端与所述夹持驱动电机连接，绕过所述中心绕线轮的所述传动绳依次与所述首端径向移动单元、所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元绕接，由所述尾端径向移动单元伸出的所述传动绳与所述张紧力调节单元连接；

所述首端径向移动单元、所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元均包括向靠近所述中心绕线轮的方向依次设置的滑轮座、对应所述滑轮座径向布置的第一直线导轨和设置于所述第一直线导轨上的第一径向移动滑块、关于所述第一直线导轨对称布置的第一传动滑轮和第二传动滑轮；

所述第一径向移动滑块上设置有所述手指组件，所述手指组件包括L型夹持板，所述L型夹持板经连接件与所述第一径向移动滑块连接；

所述滑轮座上且与所述第一传动滑轮和所述第二传动滑轮对应的位置分别设置有第一改向滑轮和第二改向滑轮，所述第一径向移动滑块面向所述中心绕线轮和所述滑轮座的方向分别设置有第一径向移动滑轮和第二径向移动滑轮；

所述传动绳包括内环段和外环段，所述内环段依次与所述第一传动滑轮、所述第一径向移动滑轮和所述第二传动滑轮绕接；

所述外环段依次与所述第一改向滑轮、所述第二径向移动滑轮和所述第二改向滑轮绕接；

所述张紧力调节单元包括两端均经轴承和轴承座设置于基板上的芯轴以及依次设置于所述芯轴上的边缘绕线轮和蜗轮，所述蜗轮与蜗杆啮合的一端啮合，所述蜗杆的另一端与刚度调节电机连接；

所述基板上且对应所述边缘绕线轮的位置设置有连接滑轮，所述连接滑轮的转动方向与所述边缘绕线轮的转动方向垂直；

所述传动绳由所述尾端径向移动单元的所述第二改向滑轮伸出后依次绕过所述连接滑轮、所述边缘绕线轮后与所述尾端径向移动单元的第二传动滑轮连接；

所述变刚度单元包括与所述首端径向移动单元和所述中间径向移动单元之间的传动绳绕接的左侧变刚度组件以及与所述中间径向移动单元和所述尾端径向移动单元之间的传动绳绕接的右侧变刚度组件，所述左侧变刚度组件和所述右侧变刚度组件关于所述中间径向移动单元对称布置；

所述左侧变刚度组件和所述右侧变刚度组件均包括拉紧弹簧，所述拉紧弹簧的一端经基座与所述基板连接，另一端与第二径向滑块连接，所述第二径向滑块滑动设置于径向布置的第二直线导轨上，所述第二径向滑块上设置有第三径向移动滑轮，所述基板上且关于所述第三径向移动滑轮对称的位置分别设置有第三改向滑轮和第四改向滑轮；

所述传动绳依次与所述第三改向滑轮、所述第三径向移动滑轮和所述第四改向滑轮绕接；

一种基于可变刚度的绳驱动三指自适应机械手的方法，包括以下步骤：

S1、根据待夹取零件的刚度进行主动刚度调节；

打开刚度调节电机，刚度调节电机经蜗杆带动蜗轮转动，进而带动边缘绕线轮转动，而后带动第一径向移动滑块和第二径向滑块同步径向移动，直至位移传感器采集到拉紧弹簧伸长至设定长度后停止，从而达到主动刚度调节的目的；

S2、零件夹持

将零件放置于三个手指组件围成的区域内，打开夹持驱动电机，夹持驱动电机带动中心绕线轮逆时针转动，进而带动内环段收紧、外环段放松，从而带动第一径向移动滑块沿第一直线导轨朝向中心绕线轮的方向移动，直至第一径向移动滑块上的手指组件压紧零件停止移动，中心绕线轮继续转动，直至所有手指组件压紧零件；

S3、放开零件

在机械臂的带动下至合适位置，夹持驱动电机带动中心绕线轮顺时针转动即可放开零件。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的绳驱动三指自适应机械手，其特征在于：所述第二径向滑块上还连接有用于检测所述拉紧弹簧位置的位移传感器。

3.根据权利要求1所述的可变刚度的绳驱动三指自适应机械手，其特征在于：所述夹持传动单元、所述变刚度单元和所述张紧力调节单元均罩设于外壳内部，所述手指组件经开设于外壳上的径向槽口穿出所述外壳。

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