CN207206430U - 一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，抓取机构包括传动齿轮、传动齿条、末端夹手和单手指，所述单手指包括至少两层四杆机构，每个所述四杆机构包括相互铰接的底部的连杆、两侧的连杆和顶部的连杆，位于最下层的四杆机构的底部的连杆为基座，最下层四杆机构的两侧的连杆分别铰接基座上，其中一侧的连杆由传动齿轮驱动，位于下层的四杆机构的顶部的连杆为其上层四杆机构的底部连杆，最上层的四杆机构的顶部连杆为末端夹手，所述传动齿轮和传动齿条相啮合，所述传动齿条由驱动机构驱动，所述驱动机构固定在基座上。本实用新型可以实现对任何对象在不同位姿环境下模拟人手的可靠性抓取。

Description

一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手

技术领域

本实用新型涉及一种抓取机械手，尤其涉及的是一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手。

背景技术

机械手广泛应用于自动化装备或面对特定对象的抓取、搬运和拿放。目前通用的机械手爪分为无关节、固定单关节和自由多关节3种，按手指的数量又可分为两指、三指、四指或多指。从驱动上来讲，又分为单一驱动和多关节驱动两种类型。传统的机械手对空间几何形状复杂物体的抓取、搬运、取放，或者模拟人类人手的运动动作却不能够很好的实现。具有驱动控制复杂、成本高、可靠性低等问题。

中国实用新型专利申请，CN103433932，一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪，基于变胞机构实现了机械手爪的自适应性和柔顺抓取，但是，当零件外形轮廓小于爪手机构件的最小适应范围时，将无法抓取，因此面向产品范围较小。由于采用被动自适应性抓取，不可避免的造成对大型物品或者比较重的物体的夹持力较小，可靠性下降。申请人虽然提出了可以采用多个变胞转动关节，左右或轴向分布气缸周围，但由于采用一级变胞机构，其自适应性相比多级而言相对较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，可以实现对任何对象在不同位姿环境下模拟人手的可靠性抓取。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括驱动机构、基座和至少一个抓取机构；所述抓取机构包括传动齿轮、传动齿条、末端夹手和单手指，所述单手指包括至少两层四杆机构，每个所述四杆机构包括相互铰接的底部的连杆、两侧的连杆和顶部的连杆，位于最下层的四杆机构的底部的连杆为基座，最下层四杆机构的两侧的连杆分别铰接基座上，其中一侧的连杆由传动齿轮驱动，位于下层的四杆机构的顶部的连杆为其上层四杆机构的底部连杆，最上层的四杆机构的顶部连杆为末端夹手，所述传动齿轮和传动齿条相啮合，所述传动齿条由驱动机构驱动，所述驱动机构固定在基座上。

所述单手指包括第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、第一传动杆和第二传动杆；所述第一主动杆的一端铰接在基座上并刚性连接在传动齿轮上，另一端与第一传动杆和第二主动杆铰接在一起，所述第二主动杆的另一端与第三主动杆和第二传动杆铰接在一起，所述第三主动杆的另一端和末端夹手铰接在一起；所述第一伸缩杆的一端与基座铰接，另一端与第二伸缩杆和第一传动杆铰接在一起；所述第二伸缩杆的另一端与第三伸缩杆和第二传动杆铰接在一起；所述第三伸缩杆的另一端和末端夹手铰接；所述第一主动杆、第一传动杆、第一伸缩杆和基座构成最下层四杆机构，所述第二主动杆、第二传动杆、第二伸缩杆和第一传动杆构成中层四杆机构，所述第三主动杆、末端夹手、第三伸缩杆和第二传动杆构成最上层四杆机构。

三层四杆机构之间的动力源分别为第一主动杆、第二主动杆和第三主动杆。

所述第一主动杆和第二主动杆之间、第二主动杆和第三主动杆之间分别设有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括相互啮合的内齿轮和外齿轮，所述第一主动杆和第二主动杆通过内齿轮和外齿轮相啮合，所述第二主动杆和第三主动杆通过内齿轮和外齿轮相啮合。通过内齿轮和外齿轮啮合传递动力，并以固定传动比实现加减速。

所述第一伸缩杆和第一传动杆之间、第二伸缩杆和第二传动杆之间、第三伸缩杆和末端夹手之间分别设有扭簧或拉簧。实现两杆之间的相对位置保持固定，当四杆机构的相对转动分离力矩大于扭簧或拉簧的闭合力矩时，会产生相对转动，实现变胞机构连接。

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件，每个所述伸缩杆分为上下两节，所述弹性压缩件用于连接对应每个伸缩杆的上下两节。在“手握”产品时，若产品尺寸较小，则抓取机构继续向内闭合，由于第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆的内部含有弹性压缩件，可以在“用力握”作用下，实现杆长的自适应调整，实时变短，如此一来，面对需要握紧的场合，或者面对夹持对象比较细小的产品时，也能有效夹持。

所述第一传动杆和第二传动杆上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件，每个所述传动杆分为上下两节，所述弹性压缩件用于连接对应每个传动杆的上下两节。

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上的弹性机构外部还具有延展部，所述延展部包括外腔和气孔，所述外腔固定在对应的弹性机构的外壁，所述气孔设置在外腔上并连通压缩气体，所述弹性机构位于外腔的内部。当伸缩杆上弹性机构压缩时，外腔内的气体受压，从而会带动外腔膨胀起来，使得抓取更为柔顺。

所述外腔为橡胶类制品。结合被抓对象的外形实现自适应性变形，其结果是在抓取过程中与被抓对象的接触面积变大，在材料与材料之间摩擦力的影响下，抓的更牢、更可靠，其过程类似于人手握物体的效果和指纹与物体之间的摩擦力。

所述末端夹手上包裹有柔性层。通过弹性变形对于不同形状的物品可以实现自适应外形抓取。

所述末端夹手上设有触觉阵列传感器。可以实现精确控制。

所述抓取机构有多个，沿驱动机构的中心线左右对称设置或轴向均布。可以任意组合成任意指机械手。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型来源于模拟人手抓取货物，针对不同的动作(“抓”、“握”、“捏”等)进行分析，结合面向对象的多样性而提出，基于多级变胞机构、柔顺抓取、塑性材料等理论，达到模拟人手抓取不同类物品的效果，具有面向对象广、自适应柔性、驱动少、成本低、抓取可靠性高等特点。并以此机构衍生出来的仿生柔顺抓取机械手，可以实现对任何对象在不同位姿环境下模拟人手的可靠性抓取。

附图说明

图1是实施例1的整体示意图；

图2是基于主动杆动力逐级传递结构示意图；

图3是基于最下层变胞铰链四杆机构结构示意图；

图4是基于中层变胞铰链四杆机构结构示意图；

图5是基于最上层变胞铰链四杆机构结构示意图；

图6是伸缩杆内部压缩后外壁膨胀结构示意图；

图7是实施例2的仿大拇指二关节机构示意图；

图8是实施例3机械手张开状态示意图；

图9是实施例4机械手闭合状态示意图；

图10是实施例5机械手握紧状态示意图；

图11是实施例6含大拇指的捏合状态示意图；

图12是抓取铅笔的示意图；

图13是实施例7的多指结构示意图；

图14是实施例8含大拇指的多指结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1～6所示，本实施例包括驱动机构2、基座1和一个抓取机构；所述抓取机构包括传动齿轮3、传动齿条13、末端夹手7和单手指，所述单手指有三层四杆机构，所述单手指包括第一主动杆4、第二主动杆5、第三主动杆6、第一伸缩杆8、第二伸缩杆9、第三伸缩杆10、第一传动杆11和第二传动杆12；所述第一主动杆4的一端铰接在基座1上并刚性连接在传动齿轮3上，另一端与第一传动杆11和第二主动杆5铰接在一起，所述第二主动杆5的另一端与第三主动杆6和第二传动杆12铰接在一起，所述第三主动杆6的另一端和末端夹手7铰接在一起；所述第一伸缩杆8的一端与基座1铰接，另一端与第二伸缩杆9和第一传动杆11铰接在一起；所述第二伸缩杆9的另一端与第三伸缩杆10和第二传动杆12铰接在一起；所述第三伸缩杆10的另一端和末端夹手7铰接；所述第一主动杆4、第一传动杆11、第一伸缩杆8和基座1构成最下层四杆机构，所述第二主动杆5、第二传动杆12、第二伸缩杆9和第一传动杆11构成中层四杆机构，所述第三主动杆6、末端夹手7、第三伸缩杆10和第二传动杆12构成最上层四杆机构。三层四杆机构之间的动力源分别为第一主动杆4、第二主动杆5和第三主动杆6。

所述驱动机构2为直线运动机构，可以选用驱动电机、气缸等来实现。

所述第一主动杆4和第二主动杆5之间、第二主动杆5和第三主动杆6之间分别设有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括相互啮合的内齿轮18和外齿轮19，所述第一主动杆4和第二主动杆5通过内齿轮18和外齿轮19相啮合，所述第二主动杆5和第三主动杆6通过内齿轮18和外齿轮19相啮合。通过内齿轮18和外齿轮19啮合传递动力，并以固定传动比实现加减速。

所述第一伸缩杆8和第一传动杆11之间、第二伸缩杆9和第二传动杆12之间、第三伸缩杆10和末端夹手7之间分别设有扭簧或拉簧。实现两杆之间的相对位置保持固定，当四杆机构的相对转动分离力矩大于扭簧或拉簧的闭合力矩时，会产生相对转动，实现变胞机构连接。

所述第一伸缩杆8、第二伸缩杆9和第三伸缩杆10上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件23，每个所述伸缩杆分为上下两节，所述弹性压缩件23用于连接对应每个伸缩杆的上下两节。在“手握”产品时，若产品尺寸较小，则抓取机构继续向内闭合，由于第一伸缩杆8、第二伸缩杆9和第三伸缩杆10的内部含有弹性压缩件23，可以在“用力握”作用下，实现杆长的自适应调整，实时变短，如此一来，面对需要握紧的场合，或者面对夹持对象比较细小的产品时，也能有效夹持。

所述第一传动杆11和第二传动杆12上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件23，每个所述传动杆分为上下两节，所述弹性压缩件23用于连接对应每个传动杆的上下两节。

所述第一伸缩杆8、第二伸缩杆9、第三伸缩杆10、第一传动杆11和第二传动杆12上的弹性机构外部还具有延展部，所述延展部包括外腔21和气孔22，所述外腔21固定在对应的弹性机构的外壁，所述气孔22设置在外腔21上并连通压缩气体，所述弹性压缩件23位于外腔21的内部。

所述外腔21为橡胶类制品。结合被抓对象的外形实现自适应性变形，其结果是在抓取过程中与被抓对象的接触面积变大，在材料与材料之间摩擦力的影响下，抓的更牢、更可靠，其过程类似于人手握物体的效果和指纹与物体之间的摩擦力。

所述末端夹手7上包裹有柔性层。通过弹性变形对于不同形状的物品可以实现自适应外形抓取。所述末端夹手7上设有触觉阵列传感器。可以实现精确控制。

在无动力驱动时，或者驱动机构2处于原位时，此时手指张开。由于第一伸缩杆8和第一传动杆11之间、第二伸缩杆9和第二传动杆12之间、第三伸缩杆10和末端夹手7之间通过扭簧实现两杆之间的相对位置保持固定，该结构形成的三组变胞铰链四杆机构可等同于三组刚性三杆机构，具有保持相对位置不变的特性，此时整个机构保持不易变形性。手指的闭合由驱动机构2驱动，带动传动齿条13做直线运动，通过传动齿轮3啮合实现旋转，由于传动齿轮3和第一主动杆4的刚性连接，则带动第一主动杆4，当相对转动分离力矩大于关节C处扭簧的闭合力矩时，最下层变胞铰链四杆机构会产生相对转动。此时第一主动杆4相对关节B发生相对转动，通过内齿轮18、外齿轮19啮合，第二主动杆5相对关节B产生扭矩，同第一主动杆4一样，当相对转动分离力矩大于关节F处扭簧的闭合力矩时，中层变胞铰链四杆机构会产生相对转动。同理，此时第二主动杆5相对关节E发生相对转动，通过内齿轮18和外齿轮19啮合，第三主动杆6相对关节E产生扭矩,当相对转动分离力矩大于关节H处扭簧的闭合力矩时，最上层变胞铰链四杆机构会产生相对转动。至此，整个手指在单动力驱动下实现抓的动作。

实施例2

如图7所示，本实施例的单手指有两层四杆机构，可以模拟大拇指关节，当大拇指关节形成机械手时，其动力为单独驱动，驱动机理和实施例1的三关节结构一样，单独驱动的好处是：在特殊场合拾取物体时，可以逐步驱动手指运动，更好地面向不同场景的需求。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例3

如图8所示，本实施例的抓取机构有两个，沿沿驱动机构2的中心线左右对称设置，单手指的结构和实施例1相同。在同一驱动机构2的作用下，同时带动两个传动齿轮3，实现并联运动。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例4

如图9所示，本实施例为两个三关节手指闭合的正常状态。在手握产品时，若产品尺寸较小，则该机构继续向内闭合，由于第一伸缩杆8、第二伸缩杆9、第三伸缩杆10内部含有弹性压缩件23，可以在“用力握”作用下，实现杆长的自适应调整，实时变短，如此一来，面对需要握紧的场合，或者面对夹持对象比较细小的产品时，也能有效夹持。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例5

如图10所示，本实施例为两个三关节手指握紧状态下的结构示意图。结合图6所示，由于伸缩杆在压缩过程中通过压缩杆内的气体，气体通过气孔22填充到外腔21内，外腔21为顺丁橡胶类产品，可以实现一定量的膨胀。如图10中的虚线表示为外腔21膨胀后的位置。结合被抓对象的外形实现自适应性变形，其结果是在抓取过程中与被抓对象的接触面积变大，在材料与材料之间摩擦力的影响下，抓的更牢、更可靠，其过程类似于人手握物体的效果和指纹与物体之间的摩擦力。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例6

如图11和12所示，本实施例为仿生大拇指关节与三关节结构的配合可以实现捏合作用。除了“握”、“夹”产品之外，本实施例同样可以试下“捏”产品，类似于人手从台面上捏物体一样。以铅笔20为例，如图12所示，通过在末端夹手7外表面包裹柔性材料，通过弹性变形实现自适应外形抓取。同时，末端夹手7可以装置触觉阵列传感器(力传感器等)实现精确控制。

其他实施方式和实施例1、2相同。

实施例7

如图13所示，本实施例的抓取机构在驱动机构2的左侧有三个，右侧有一个，均为三关节结构。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例8

如图14所示，本实施例的抓取机构在驱动机构2的左侧有三个三关节结构，一个两关节结构。

其他实施方式和实施例1相同。

在其他实施例中，也可以为更多关节的抓取机构，根据实际需要进行适当的变形。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，包括驱动机构、基座和至少一个抓取机构；所述抓取机构包括传动齿轮、传动齿条、末端夹手和单手指，所述单手指包括至少两层四杆机构，每个所述四杆机构包括相互铰接的底部的连杆、两侧的连杆和顶部的连杆，位于最下层的四杆机构的底部的连杆为基座，最下层四杆机构的两侧的连杆分别铰接基座上，其中一侧的连杆由传动齿轮驱动，位于下层的四杆机构的顶部的连杆为其上层四杆机构的底部连杆，最上层的四杆机构的顶部连杆为末端夹手，所述传动齿轮和传动齿条相啮合，所述传动齿条由驱动机构驱动，所述驱动机构固定在基座上。

2.根据权利要求1所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述单手指包括第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、第一传动杆和第二传动杆；所述第一主动杆的一端铰接在基座上并刚性连接在传动齿轮上，另一端与第一传动杆和第二主动杆铰接在一起，所述第二主动杆的另一端与第三主动杆和第二传动杆铰接在一起，所述第三主动杆的另一端和末端夹手铰接在一起；所述第一伸缩杆的一端与基座铰接，另一端与第二伸缩杆和第一传动杆铰接在一起；所述第二伸缩杆的另一端与第三伸缩杆和第二传动杆铰接在一起；所述第三伸缩杆的另一端和末端夹手铰接；所述第一主动杆、第一传动杆、第一伸缩杆和基座构成最下层四杆机构，所述第二主动杆、第二传动杆、第二伸缩杆和第一传动杆构成中层四杆机构，所述第三主动杆、末端夹手、第三伸缩杆和第二传动杆构成最上层四杆机构。

3.根据权利要求2所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述第一主动杆和第二主动杆之间、第二主动杆和第三主动杆之间分别设有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括相互啮合的内齿轮和外齿轮，所述第一主动杆和第二主动杆通过内齿轮和外齿轮相啮合，所述第二主动杆和第三主动杆通过内齿轮和外齿轮相啮合。

4.根据权利要求2所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述第一伸缩杆和第一传动杆之间、第二伸缩杆和第二传动杆之间、第三伸缩杆和末端夹手之间分别设有扭簧或拉簧。

5.根据权利要求2所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件，每个所述伸缩杆分为上下两节，所述弹性压缩件用于连接对应每个伸缩杆的上下两节。

6.根据权利要求2所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述第一传动杆和第二传动杆上分别装设弹性机构，所述弹性机构为弹性压缩件，每个所述传动杆分为上下两节，所述弹性压缩件用于连接对应每个传动杆的上下两节。

7.根据权利要求5所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上的弹性机构外部还具有延展部，所述延展部包括外腔和气孔，所述外腔固定在对应的弹性机构的外壁，所述气孔设置在外腔上并连通压缩气体，所述弹性机构位于外腔的内部。

8.根据权利要求2所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述末端夹手上包裹有柔性层。

9.根据权利要求8所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述末端夹手上设有触觉阵列传感器。

10.根据权利要求1所述的一种基于多级变胞机构的仿生柔顺抓取机械手，其特征在于，所述抓取机构有多个，沿驱动机构的中心线左右对称设置或轴向均布。