CN117245682A - 一种可变刚度的自适应二指夹爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的自适应二指夹爪，包括：手指模块、变刚度模块和安装座，手指模块和变刚度模块设置至少一组，手指模块和变刚度模块均固定在安装座上，手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮，手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装座共同组成一个平行四边形连杆结构，变刚度模块包括光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨，手指模块通过驱动绳与变刚度模块中的光轴相连，弹簧模块上方和下方分别与光轴和导轨相互约束并发生相对滑动，同步带模块驱动弹簧模块进行直线滑动，进而改变了由光轴、驱动绳、弹簧模块构成的杠杆的阻力臂。本发明结构简单紧凑，受力均衡，可调节性良好，可以实现夹爪的无极刚度调节。

Description

一种可变刚度的自适应二指夹爪

技术领域

本发明涉及机器人末端夹爪技术领域，具体涉及一种可变刚度的自适应二指夹爪。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在工业生产中发挥了越来越重要的作用，逐步替代了许多的人工生产制造过程。二指夹爪在机器人领域发挥着至关重要的作用，可以作为机器人的末端执行器进行多样的夹取操作，在装配、运输、分料等领域有着广泛的运用。然而，传统机器人二指夹爪一般是刚性结构，无法对待夹取物体的形状进行自适应，也无法根据待夹取物体的强度改变夹爪自身的刚度，因此在夹取较为脆弱的物体时，容易出现将物体损坏的情况。

如专利公开号为CN115533953A的变刚度机械夹爪，其利用机械夹爪后方的板簧作为弹性部件，利用滚珠丝杠作为驱动装置对板簧受力的位置进行调节，进而调节夹爪整体的刚度，但是其夹爪内的手指与电机固定连接，手指的活动收到电机的限制，无法被动自适应，且手指结构对板簧施力方向不稳定，使得板簧的刚度调节控制复杂，且其体积较大，结构比较复杂。

如专利公开号为CN115781750A的一种基于双稳态机构的快速响应柔性三指手，其利用双稳态结构使得机械夹爪具有抓取和张开两种固定状态，简化了夹爪的控制策略，并设计了一系列连杆使得夹爪可以对物体的形状进行自适应，虽然可以对物体的形状进行自适应，但不具有刚度变化能力，无法调节夹取时的刚度大小，容易对物体造成损坏，且其体积较大，结构比较复杂。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种可变刚度的自适应二指夹爪，本发明结构简单紧凑、可调节性良好，可以实现无极刚度调节。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种可变刚度的自适应二指夹爪，包括：手指模块、变刚度模块和安装座；

所述手指模块和变刚度模块设置至少一组，所述手指模块和变刚度模块一一对应；

所述安装座设有安装竖板和安装横板，所述安装竖板和安装横板相互垂直；

手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮；

所述手指杠杆的一端设有弯折部，用于夹持物体，所述手指杠杆的另一端与驱动杠杆的一端活动连接，所述驱动杠杆的另一端与安装竖板活动连接，所述连接杠杆的一端与手指杠杆活动连接，所述连接杠杆的另一端与安装竖板活动连接，所述连接杠杆与驱动杠杆相互平行，所述手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装竖板共同组成一个平行四边形连杆结构，连杆结构的平行四边形所在平面与安装横板所在平面相互垂直；

所述驱动绳一端与连接杠杆固定，另一端跨过导轮与光轴固定连接；

所述变刚度模块包括：光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨；

所述弹簧模块包括光轴滑块、弹簧、弹簧导座，所述光轴滑块的顶部设有第一凹槽，所述第一凹槽与光轴匹配嵌合，所述光轴的一端与安装座活动连接，所述光轴滑块沿光轴延伸方向滑动，所述光轴滑块的底部与弹簧导座连接，所述弹簧位于弹簧导座内，所述弹簧外侧套设有套管，所述套管与弹簧导座设有间隔，所述弹簧导座与同步带模块固定连接；

所述弹簧导座设有第二凹槽，所述第二凹槽与导轨匹配嵌合，所述弹簧导座沿导轨延伸方向滑动；

所述导轨与光轴平行设置，与连杆结构的平行四边形处于同一平面；

所述同步带模块用于带动与弹簧导座相连的光轴滑块沿光轴滑动。

作为优选的技术方案，还设有杠杆电机，所述杠杆电机与安装座固定连接，所述杠杆电机的输出轴上设有输出轴齿轮，驱动杠杆与安装座连接的一端设有驱动齿轮，输出轴齿轮与驱动齿轮相啮合，杠杆电机驱动驱动杠杆进行转动。

作为优选的技术方案，所述同步带模块包括同步带电机、同步带、同步带轮、张紧轮；

所述同步带电机与安装竖板固定连接，所述同步带电机的输出轴与同步带轮固定连接，同步带与弹簧导座固定连接；

所述同步带轮设有多个，所述同步带与多个同步带轮嵌合，所述张紧轮紧贴同步带，使得同步带保持张紧状态，同步带电机通过同步带轮旋转带动同步带转动，同步带的运动轨迹与光轴、弹簧模块、导轨所在平面相互平行。

作为优选的技术方案，所述连接杠杆的侧面设有第一凸台，第一凸台设有孔道，所述驱动绳一端与第一凸台固定，另一端沿孔道穿出，跨过导轮与光轴固定连接。

作为优选的技术方案，所述弹簧导座侧面具有第二凸台，所述第二凸台与同步带模块固定连接。

作为优选的技术方案，不同组的弹簧导座上的第二凸台设置不同的高度，分别设置在同步带的两侧，与同步带的相应位置固定连接，同步带对两侧的弹簧导座同时驱动。

作为优选的技术方案，所述光轴上设有第三凸台，所述驱动绳的另一端与第三凸台固定连接。

作为优选的技术方案，所述连接杠杆与安装座连接的一端设有槽口，所述安装竖板上设有圆柱轴，所述圆柱轴穿过槽口，所述导轮与圆柱轴固定连接。

作为优选的技术方案，安装座的底部设有法兰，用于与外部设备连接。

作为优选的技术方案，所述第一凹槽采用圆形凹槽或者不完全的圆柱形凹槽，与光轴匹配嵌合，所述第二凹槽采用梯形凹槽，与导轨匹配嵌合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明利用杠杆原理，将末端与外界接触力通过基于杠杆原理的杠杆组件传递，并通过手指模块、变刚度模块的相互配合实现无极改变杠杆阻力臂的长度，进而使得二指夹爪可以实现无极变刚度效果。

(2)本发明利用同步带传动带动光轴滑块沿光轴直线滑动，进而改变杠杆的阻力臂大小，其可调节性良好，刚度变化连续，其调节精度基本不受外部变化因素的干扰，可使机械臂满足多种生产场景的需求。

附图说明

图1为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的结构正视图；

图2为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的结构轴测图；

图3为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的局部结构示意图；

图4(a)为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的张开状态示意图；

图4(b)为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的合并状态示意图；

图5为本发明变刚度模块的局部结构示意图；

图6为本发明同步带模块的结构示意图。

其中，1-手指杠杆，2-连接杠杆，3-驱动杠杆，4-驱动绳，5-导轮，6-光轴，7-弹簧模块，8-同步带模块，9-导轨，10-安装座，11-杠杆电机，12-同步带电机，13-同步带，14-同步带轮，15-张紧轮，16-光轴滑块，17-弹簧，18-弹簧导座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-图6所示，本实施例提供一种可变刚度的自适应二指夹爪，主要针对机器人装配、运输等过程中对物体的自适应夹取操作，其包括手指模块、变刚度模块和安装座10，手指模块与变刚度模块固定在安装座10上，手指模块与变刚度模块相连接；

在本实施例中，手指模块和变刚度模块设置至少一组，本实施例优选为两组，手指模块与变刚度模块一一对应，安装座10设置一组，手指模块与变刚度模块均固定在安装座10上；

在本实例中，安装座10位于二指夹爪整体的下方，其底部具有圆柱法兰，可以与外部设备如机械臂相连接，使得二指夹爪可以安装在其他待使用设备上。安装座10的上方具有一些安装横板与安装竖板，安装横板与安装竖板上均具有一定的孔位与圆柱轴，用以安装夹爪中相应的零部件。变刚度模块中的导轨9底部固定在安装座10的安装横板上，手指模块中的连接杠杆2、驱动杠杆3、导轮5、杠杆电机11以及变刚度模块中的同步带模块8的同步带电机12、同步带轮14、张紧轮15均安装在安装座10的安装竖板上，使得一部分零件可以相对安装座10自由转动，一部分零部件与安装座10相对固定。

结合图1-图3所示，手指模块包括手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3、驱动绳4、导轮5、杠杆电机11，手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3都是具有两个铰链的矩形杆状构件，手指杠杆1的两个铰链分别位于一端和中部，连接杠杆2和驱动杠杆3的铰链位于两端，手指杠杆1没有铰链的一端具有弯折的一部分，其可以作为手指以夹持物体，连接杠杆2一端的铰链具有槽口，连接杠杆2的侧面具有凸台，凸台上具有孔道，用以固定和导向驱动绳4，驱动杠杆3一端的铰链外部具有齿轮结构，其中手指杠杆1一端的铰链与驱动杠杆3没有齿轮结构的一端的铰链相连接，手指杠杆1中部的铰链与连接杠杆2没有槽口的一端的铰链相连接，连接杠杆2具有槽口的铰链和驱动杠杆3具有齿轮结构的铰链均与安装座10上的圆柱轴相连接，可以绕圆柱轴进行旋转。此外，连接杠杆2与驱动杠杆3保持平行，手指杠杆1与连接杠杆2和驱动杠杆3另一侧铰链的连线保持平行，因此手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3与安装竖板组成了一个平行四边形连杆结构，可以使手指杠杆1末端的手指结构侧面始终保持竖直方向。驱动绳4是一根柔软但不具有弹性的软绳，其一端固定在连接杠杆2上的凸台上，并穿过连接杠杆2上凸台的孔道，其中部与导轮5相接触，另一端与光轴6上的凸台固定，导轮5是圆柱面具有凹槽的小轮，与连接杠杆2槽口一端的铰链固定在同一圆柱轴上，用以对驱动绳4进行导向和张紧，使得驱动绳4在导轮5和光轴6之间的部分保持竖直，即可使驱动绳4传导到光轴6上的力保持竖直向上。杠杆电机11固定在安装座10上，其输出轴上具有小齿轮，该小齿轮与驱动杠杆3一端具有的齿轮相啮合，使得杠杆电机11可以驱动驱动杠杆3进行转动。杠杆电机11驱动驱动杠杆3旋转带动手指结构整体进行转动，在手指杠杆1一端的手指结构接触物体时，手指杠杆1受力向远离物体的方向旋转，进而带动连接杠杆2一端的槽口相对于圆柱轴移动，此时驱动绳4受力张紧并拉动光轴6进行移动，此时手指杠杆1上的手指结构相对于物体即发生了偏移，以一定的刚度对物体的外形进行了适应。当驱动绳4拉动光轴6进行旋转时，驱动绳4对光轴6产生的力即相当于动力，由于驱动绳4固定于光轴6上凸台，其相对于光轴6一端的铰链距离固定，因此动力臂大小保持不变。

结合图1-图3所示，变刚度模块包括光轴6、弹簧模块7、同步带模块8、导轨9，光轴6是圆柱形杆件，弹簧模块7是可以发生一定伸缩和旋转的组件，同步带模块8是同步带传动系统，导轨9是表面具有凹槽的矩形杆件，光轴6、弹簧模块7、导轨9始终处于同一平面内，同步带模块8中的同步带13的运动轨迹平面始终与光轴6、弹簧模块7、导轨9所在平面平行。光轴6表面粗糙度较低，其一端具有铰链，固定在安装座10上的安装孔位上，可以发生旋转，另一端自由，光轴6上靠近铰链的一侧上方具有一个小凸台，用以和驱动绳4的下端相固定。导轨9表面粗糙度较低，具有梯形的截面，其下端面固定在安装座10上。弹簧模块7可以发生一定的伸缩和旋转，其上端和下端分别具有相应截面的凹槽可以分别与光轴6和导轨9相匹配并约束，使得弹簧模块7可以相对于光轴6和导轨9发生直线滑动。同步带模块8安装在安装座10的安装竖板上，同步带模块8中的同步带13与弹簧模块7相固定，可以带动弹簧模块7沿光轴6和导轨9发生直线滑动。

结合图5所示，本实施例的弹簧模块7包括光轴滑块16、弹簧17、弹簧导座18，光轴滑块16上方具有不完全的圆柱形凹槽，可以与光轴6相嵌合并相对滑动，该凹槽表面粗糙度较低，光轴滑块16下方与弹簧导座18上方以铰链连接并可以相对旋转。弹簧17安装在弹簧导座18内，弹簧导座18对弹簧17进行了运动范围的限制，使得弹簧17只能在直线方向上进行伸缩运动。弹簧17外侧套设有套管(即图中的连续圆柱面)，套管与弹簧导座18设有间隔，弹簧导座18下方具有梯形的凹槽，该凹槽表面粗糙度较低，其与固定在安装座10上的导轨9互相嵌合，并可以发生相对滑动，弹簧导座18的侧面具有凸台，不同组弹簧导座18的凸台具有不同的高度，凸台可以与同步带模块8中的同步带13固定连接。由于光轴6和导轨9位于同一平面内，光轴滑块16可以沿光轴6发生相对滑动，弹簧导座18可以相对导轨9发生相对滑动，且光轴滑块16可以相对弹簧导座18发生旋转，弹簧17可以发生相应的伸缩，因此本实施例的弹簧模块7在发生直线滑动时同时也可以发生直线伸缩，直线伸缩在弹簧导座18的约束下始终处于竖直方向，即保证了弹簧模块7对光轴6施加的力始终沿竖直方向。当驱动绳4拉动光轴6进行旋转，光轴6旋转时带动弹簧模块7进行伸缩，因此弹簧模块7对光轴6施加的力相当于阻力，由于弹簧模块7可以沿光轴6和导轨9发生直线滑动，因此弹簧模块7相对于光轴6一端的铰链的距离可以发生相对变化，即阻力臂可以发生变化。

结合图6所示，本实施例的同步带模块8包括同步带电机12、同步带13、同步带轮14、张紧轮15，其中同步带13是表面具有梯形凸台的弹性皮带，同步带轮14是表面具有梯形凹槽的金属轮，本实例中具有三个，张紧轮15是圆柱形小轮，本实例中具有两个，同步带电机12固定在安装座10的安装竖板上，输出轴固定有一个同步带轮14，其余同步带轮14、张紧轮15安装在安装座10的圆柱轴上，可以发生旋转，同步带13与三个同步带轮14嵌合，并被张紧轮15向一侧挤压，使得同步带13始终保持张紧状态。同步带电机12可以通过同步带轮14旋转带动同步带13转动，同步带13的运动轨迹始终与光轴6、弹簧模块7、导轨9所在平面保持平行，且同步带13与弹簧模块7中的弹簧导座18固定连接，因此同步带电机12可以驱动弹簧模块7沿光轴6和导轨9直线滑动，进而使得弹簧模块7相对于光轴6铰链的距离发生变化，即阻力臂发生变化，因此即可产生变刚度效果。由于不同组的弹簧导座18上的凸台具有不同的高度，在本实例中一组弹簧导座18上的凸台较高与同步带13的上部固定，一组弹簧导座18上的凸台较低与同步带13的下部固定，两组分布于同步带电机12的两侧，因此当同步带电机12驱动时，两组弹簧导座18可以同时沿光轴6和导轨9向同步带电机12接近或者远离，使得两组弹簧模块7相对于光轴6铰链的距离相等，即可使得两组变刚度模块的变刚度效果一致。

在本实例中，一种可变刚度的自适应二指夹爪运行时，手指杠杆1会与外界物体发生接触并受到一定的作用力，由于驱动杠杆3在杠杆电机11的啮合作用下位置相对固定，手指杠杆1会相对于驱动杠杆3向张开的趋势进行旋转，进而带动连接杠杆2向上运动，使得驱动绳4受拉力，驱动绳4经过导轮5的导向对光轴6施加竖直方向的力，光轴6将力传递给光轴滑块16，进而传递给弹簧17，并使弹簧17发生一定的伸缩，之后作用力通过弹簧导座18、导轨9、安装座10依次传递，最终将力传递给与安装座10底部法兰相连的外部设备，如机械臂。而刚度调节的主要原理主要是对光轴6传递给光轴滑块16的作用力进行调节，光轴6起到一个杠杆的作用，其中从手指杠杆1传递到连接杠杆2进而传递到驱动绳4的外部力可视为杠杆中的动力，从光轴6传递到光轴滑块16进而传递到弹簧17的力可视为杠杆中的阻力，动力臂没有变动因此保持不变，而本发明中的刚度调节就是对杠杆中的阻力臂的长度进行调整。在进行刚度的无极调节时，同步带电机12带动同步带13进行转动，同步带13带动与之固定的弹簧导座18沿导轨9进行直线滑动，因此与弹簧导座18相连的光轴滑块16被带动沿光轴6进行直线滑动，由光轴6传递给光轴滑块16的阻力臂长度即发生了变化，因此光轴6传递给光轴滑块16的力也会发生变化。进而，由光轴滑块16传递给弹簧17的力发生变化，弹簧17的压缩程度也会不同，进而二指夹爪整体表现出的刚度特性即不同。由于同步带模块8中驱动光轴滑块16沿光轴6移动的距离是无极变化的，因此二指夹爪对刚度的调节即是无极变化的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，包括：手指模块、变刚度模块和安装座；

所述手指模块和变刚度模块设置至少一组，所述手指模块和变刚度模块一一对应；

所述安装座设有安装竖板和安装横板，所述安装竖板和安装横板相互垂直；

手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮；

所述手指杠杆的一端设有弯折部，用于夹持物体，所述手指杠杆的另一端与驱动杠杆的一端活动连接，所述驱动杠杆的另一端与安装竖板活动连接，所述连接杠杆的一端与手指杠杆活动连接，所述连接杠杆的另一端与安装竖板活动连接，所述连接杠杆与驱动杠杆相互平行，所述手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装竖板共同组成一个平行四边形连杆结构，连杆结构的平行四边形所在平面与安装横板所在平面相互垂直；

所述驱动绳一端与连接杠杆固定，另一端跨过导轮与光轴固定连接；

所述变刚度模块包括：光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨；

所述弹簧模块包括光轴滑块、弹簧、弹簧导座，所述光轴滑块的顶部设有第一凹槽，所述第一凹槽与光轴匹配嵌合，所述光轴的一端与安装座活动连接，所述光轴滑块沿光轴延伸方向滑动，所述光轴滑块的底部与弹簧导座连接，所述弹簧位于弹簧导座内，所述弹簧外侧套设有套管，所述套管与弹簧导座设有间隔，所述弹簧导座与同步带模块固定连接；

所述弹簧导座设有第二凹槽，所述第二凹槽与导轨匹配嵌合，所述弹簧导座沿导轨延伸方向滑动；

所述导轨与光轴平行设置，与连杆结构的平行四边形处于同一平面；

所述同步带模块用于带动与弹簧导座相连的光轴滑块沿光轴滑动。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，还设有杠杆电机，所述杠杆电机与安装座固定连接，所述杠杆电机的输出轴上设有输出轴齿轮，驱动杠杆与安装座连接的一端设有驱动齿轮，输出轴齿轮与驱动齿轮相啮合，杠杆电机驱动驱动杠杆进行转动。

3.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述同步带模块包括同步带电机、同步带、同步带轮、张紧轮；

所述同步带电机与安装竖板固定连接，所述同步带电机的输出轴与同步带轮固定连接，同步带与弹簧导座固定连接；

所述同步带轮设有多个，所述同步带与多个同步带轮嵌合，所述张紧轮紧贴同步带，使得同步带保持张紧状态，同步带电机通过同步带轮旋转带动同步带转动，同步带的运动轨迹与光轴、弹簧模块、导轨所在平面相互平行。

4.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述连接杠杆的侧面设有第一凸台，第一凸台设有孔道，所述驱动绳一端与第一凸台固定，另一端沿孔道穿出，跨过导轮与光轴固定连接。

5.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述弹簧导座侧面具有第二凸台，所述第二凸台与同步带模块固定连接。

6.根据权利要求5所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，不同组的弹簧导座上的第二凸台设置不同的高度，分别设置在同步带的两侧，与同步带的相应位置固定连接，同步带对两侧的弹簧导座同时驱动。

7.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述光轴上设有第三凸台，所述驱动绳的另一端与第三凸台固定连接。

8.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述连接杠杆与安装座连接的一端设有槽口，所述安装竖板上设有圆柱轴，所述圆柱轴穿过槽口，所述导轮与圆柱轴固定连接。

9.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，安装座的底部设有法兰，用于与外部设备连接。

10.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪，其特征在于，所述第一凹槽采用圆形凹槽或者不完全的圆柱形凹槽，与光轴匹配嵌合，所述第二凹槽采用梯形凹槽，与导轨匹配嵌合。