CN218082707U - 一种柔性变刚度机械手的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性变刚度机械手的驱动装置，包括机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器和机架；所述机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器均安装在机架上，驱动器通过腱绳控制柔性手指的弯曲伸展动作。本实用新型通过伸展腱绳驱动器改变机械手整体的抓取刚度，通过弯曲腱绳驱动器调节机械手抓取力大小，完成机械手适应性抓取，最终实现机械手的变刚度适应性抓取，操作简单，抓取柔性高，应用前景广阔。

Description

一种柔性变刚度机械手的驱动装置

技术领域

本实用新型涉及一种机械手的驱动装置，特别涉及一种柔性变刚度机械手的驱动装置。

背景技术

机械手作为机器人系统中的重要组成部分，担负着复杂的工作任务，往往需要根据抓取对象做出不同的抓取选择。柔性绳驱机械手具备复杂环境下不同形状物体稳定抓取的优势，但是在面对不同作业要求时，单一的抓取刚度存在一定缺陷。高刚度机械手利于实现对目标的精确抓取，而低刚度机械手适用于不规则物体的包络抓握，因此不同的应用场景下通常要求机械手具备抓取刚度可调的功能，对驱动器要求更高。

目前已有的一些变刚度机械手，CN202010524764.6，一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法，其为刚性抓取机械手，难以实现对易碎物体的柔性抓取；CN202010625865.2，变刚度线驱动柔性抓手及其变刚度控制方法，通过外接负压泵来控制抓手刚度变化，其结构复杂且成本较高。此外，一些柔性绳驱机械手采用串联可调弹性机构的方式，或是改变关节自身的弹性模量，从而实现变刚度的目的，但这些方法往往难以获得自变量与机械手抓取刚度精准的对应关系。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、抓取刚度可调且精确度高的柔性变刚度机械手的驱动装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种柔性变刚度机械手的驱动装置，包括机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器和机架；所述机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器均安装在机架上，且伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器分别连接机械手。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述机架包括前安装板、后安装板、第一导轨底板和第二导轨底板，所述前安装板和后安装板相对设置，前安装板中部与后安装板中部之间通过若干块第二导轨底板连接，第二导轨底板外侧周向分布若干块第一导轨底板，第一导轨底板两端分别固定在前安装板、后安装板上。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述机械手包括手掌基座和三根手指，所述手掌基座固定在前安装板上，三根手指为拇指、食指和中指，拇指、食指和中指呈三角形分布在手掌基座上，每根手指均包括远指节、中指节与近指节，每根手指均通过三根腱绳控制手指的弯曲伸展动作，三根腱绳分别为背部伸展腱绳、中指节弯曲腱绳和近指节弯曲腱绳，每根手指的三根腱绳均由一个伸展腱绳驱动器和两个弯曲腱绳驱动器驱动，其中背部伸展腱绳依次通过对应手指的远指节、中指节、近指节后与伸展腱绳驱动器相连，中指节弯曲腱绳依次经由对应手指的中指节、近指节后与其中一个弯曲腱绳驱动器相连，近指节弯曲腱绳固定于对应手指的近指节上并与另一个弯曲腱绳驱动器相连，中指节与远指节之间设有耦合腱绳。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述伸展腱绳驱动器包括第一伺服电机、固线盘、弹性绳、弹性绳连接件和第一导轨，所述第一伺服电机固定在后安装板上，第一伺服电机的输出轴与固线盘相连，所述第一导轨固定设置在第一导轨底板上，所述弹性绳连接件可滑动安装在第一导轨上，弹性绳一端与固线盘固定连接，弹性绳另一端与弹性绳连接件一侧固定连接，弹性绳连接件另一侧与对应手指的背部伸展腱绳连接；第一伺服电机带动固线盘旋转，多根弹性绳相互缠绕，其自身刚度发生改变，进而改变机械手整体的抓取刚度。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述固线盘上设有六个第一通孔，弹性绳一端从第一通孔中穿过，固线盘侧面开有拧紧螺纹孔，通过紧定螺钉的方式将弹性绳夹紧。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述弯曲腱绳驱动器包括第二伺服电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠副连接件、滑块连接件、动滑轮和第二导轨，所述第二伺服电机固定于后安装板上，第二伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠一端相连，滚珠丝杠通过支撑座安装在第二导轨底板上，滚珠丝杠上设有丝杠螺母，所述第二导轨固定设置在第二导轨底板上，滑块连接件可滑动安装在第二导轨上，所述丝杠副连接件一端与丝杠螺母相连，丝杠副连接件另一端与滑块连接件相连，滑块连接件上设一动滑轮，对应的中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳经过动滑轮后，缠绕于绕线轮组件上，绕线轮组件固定在前安装板上。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述丝杠副连接件与丝杠螺母连接的部位与丝杠螺母的外形相匹配，通过螺栓的方式与丝杠螺母相连。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述绕线轮组件包括上组件、下组件、基座、扭簧和连接螺杆，所述上组件通过螺钉固定在基座上，下组件与上组件相对设置，下组件远离上组件的一端为绕线轮用于缠绕中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳，上组件和下组件之间设有扭簧，上组件和下组件面向扭簧的一端均设有沟槽，所述扭簧的两端分别卡设于上组件、下组件的沟槽中形成一个整体，所述连接螺杆依次穿过下组件、扭簧、上组件将形成的整体结构安装在基座上；第二伺服电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动动滑轮做直线运动，控制手指的弯曲动作，且在动滑轮运动过程中中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳的拉力与绕线轮下组件扭力相同，从而调节机械手抓取力大小。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述第二导轨底板的数量为六块，分别对应安装三根手指的六个弯曲腱绳驱动器，六块第二导轨底板呈环形分布整体形成一个内侧为圆形通孔，外侧为正六边形形状的筒体结构。

上述柔性变刚度机械手的驱动装置，所述第一导轨底板的数量为三块，分别对应安装三根手指的三个伸展腱绳驱动器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型每根手指的三根腱绳均由一个伸展腱绳驱动器和两个弯曲腱绳驱动器驱动，伸展腱绳驱动器的第一伺服电机带动固线盘旋转，多根弹性绳相互缠绕，其自身刚度发生改变，根据第一伺服电机的旋转程度调节手指背部刚度大小，进而改变机械手整体的抓取刚度；根据抓取对象调节机械手抓取刚度之后，弯曲腱绳驱动器的第二伺服电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动动滑轮做直线运动，控制手指的弯曲动作，此时机械手具备一个初始抓取力，且在动滑轮运动过程中中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳的拉力与绕线轮下组件扭力相同，手指与抓取对象接触后，继续调节第二伺服电机的旋转，绕线轮下组件旋转一定角度，中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳拉力增大，从而调节机械手抓取力大小，完成机械手适应性抓取，最终实现机械手的变刚度适应性抓取，操作简单，抓取柔性高，应用前景广阔。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图。

图2为机架结构图。

图3为机械手的整体结构图。

图4为单手指腱绳分布图。

图5为伸展腱绳驱动器的结构图。

图6为弯曲腱绳驱动器的结构图。

图7为绕线轮组件的爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，一种柔性变刚度机械手的驱动装置，包括机械手1、伸展腱绳驱动器2、弯曲腱绳驱动器3和机架4；所述机械手1、伸展腱绳驱动器2、弯曲腱绳驱动器3均安装在机架4上，且伸展腱绳驱动器2、弯曲腱绳驱动器3分别连接机械手1。

如图2所示，所述机架4包括前安装板401、后安装板403、第一导轨底板402和第二导轨底板404，所述前安装板401和后安装板403相对设置，前安装板401中部与后安装板403中部之间通过若干块第二导轨底板404连接，第二导轨底板404外侧周向分布若干块第一导轨底板402，第一导轨底板402两端分别固定在前安装板401、后安装板403上。

如图3、图4所示，所述机械手1包括手掌基座104和三根手指，所述手掌基座104固定在前安装板401上，三根手指为拇指101、食指102和中指103，拇指101、食指102和中指103呈三角形分布在手掌基座104上，每根手指均包括远指节1011、中指节1012与近指节1013，每根手指均通过三根腱绳控制手指的弯曲伸展动作，三根腱绳分别为背部伸展腱绳105、中指节弯曲腱绳106和近指节弯曲腱绳107，每根手指的三根腱绳均由一个伸展腱绳驱动器2和两个弯曲腱绳驱动器3驱动，其中背部伸展腱绳105依次通过对应手指的远指节1011、中指节1012、近指节1013后与伸展腱绳驱动器2相连，中指节弯曲腱绳106依次经由对应手指的中指节1012、近指节1013后与其中一个弯曲腱绳驱动器3相连，近指节弯曲腱绳107固定于对应手指的近指节1013上并与另一个弯曲腱绳驱动器3相连，中指节1012与远指节1011之间设有耦合腱绳108。

如图1-图4所示，单根手指的驱动通过一个伸展腱绳驱动器2和两个弯曲腱绳驱动器3控制完成，驱动装置总共具备9个驱动器，其中第二导轨底板404位于机架4的中心位置，弯曲腱绳驱动器3呈圆形均匀分布在第二导轨底板404周围，每个伸展腱绳驱动器2安置在两个伸展腱绳驱动器3中间外侧处。弯曲腱绳驱动器3的输出可以实现变刚度功能，此处的变刚度用于驱动包括但不限于二自由度机械手指。

如图5所示，所述伸展腱绳驱动器2包括第一伺服电机201、固线盘202、弹性绳204、弹性绳连接件205和第一导轨，所述第一伺服电机201固定在后安装板403上，第一伺服电机201的输出轴与固线盘202相连，所述第一导轨固定设置在第一导轨底板402上，所述第一导轨底板402的数量为三块，分别对应安装三根手指的三个伸展腱绳驱动器2；所述弹性绳连接件205可滑动安装在第一导轨上，弹性绳204一端与固线盘202固定连接，弹性绳204另一端与弹性绳连接件205一侧固定连接，弹性绳连接件205另一侧与对应手指的背部伸展腱绳105连接；第一伺服电机201带动固线盘202旋转，多根弹性绳204相互缠绕，其自身刚度发生改变，进而改变机械手1整体的抓取刚度。

所述固线盘202上设有六个第一通孔，弹性绳204一端从第一通孔中穿过，固线盘202侧面开有拧紧螺纹孔，通过紧定螺钉203的方式将弹性绳204夹紧。

如图6所示，所述弯曲腱绳驱动器3包括第二伺服电机301、滚珠丝杠304、丝杠螺母305、丝杠副连接件308、滑块连接件307、动滑轮306和第二导轨309，所述第二伺服电机301固定于后安装板403上，第二伺服电机301的输出轴通过联轴器302与滚珠丝杠304一端相连，滚珠丝杠304通过支撑座303安装在第二导轨309底板404上，支撑座303内安装角接触球轴承，固定支撑滚珠丝杠304的同时承受轴向力，防止滚珠丝杠304轴向串动；滚珠丝杠304上设有丝杠螺母305，所述第二导轨309固定设置在第二导轨309底板404上，所述第二导轨309底板404的数量为六块，分别对应安装三根手指的六个弯曲腱绳驱动器3，六块第二导轨309底板404呈环形分布整体形成一个内侧为圆形通孔，外侧为正六边形形状的筒体结构。滑块连接件307可滑动安装在第二导轨309上，所述丝杠副连接件308一端与丝杠螺母305相连，丝杠副连接件308另一端与滑块连接件307相连，滑块连接件307上设一动滑轮306，对应的中指节弯曲腱绳106或近指节弯曲腱绳107经过动滑轮306后，缠绕于绕线轮组件上，绕线轮组件固定在前安装板401上。

所述丝杠副连接件308与丝杠螺母305连接的部位与丝杠螺母305的外形相匹配，通过螺栓的方式与丝杠螺母305相连。

如图7所示，所述绕线轮组件包括上组件501、下组件503、基座504、扭簧502和连接螺杆，所述上组件501通过螺钉505固定在基座504上，下组件503与上组件501相对设置，下组件503远离上组件501的一端为绕线轮用于缠绕中指节弯曲腱绳106或近指节弯曲腱绳107，上组件501和下组件503之间设有扭簧502，上组件501和下组件503面向扭簧502的一端均设有沟槽，所述扭簧502的两端分别卡设于上组件501、下组件503的沟槽中形成一个整体，中指节弯曲腱绳106或近指节弯曲腱绳107与绕线轮旋转角度呈对应关系；所述连接螺杆依次穿过下组件503、扭簧502、上组件501将形成的整体结构安装在基座504上；第二伺服电机301带动滚珠丝杠304旋转，从而带动动滑轮306做直线运动，控制手指的弯曲动作，且在动滑轮306运动过程中中指节弯曲腱绳106或近指节弯曲腱绳107的拉力与绕线轮下组件503扭力相同，从而调节机械手1抓取力大小。

本实用新型的工作原理为：驱动装置处于初始状态时，伸展腱绳驱动器2中的弹性绳204相对平行，中指节弯曲腱绳106、近指节弯曲腱绳107与背部伸展腱绳105存在一个初始预紧力。当确定抓取对象所需抓取刚度后，启动第一伺服电机201，带动多根弹性绳204相互缠绕，从而调节手指背部刚度，同时弹性绳连接件205向下移动，背部伸展腱绳105收紧从而控制手指向外伸展。手指抓取刚度调节完毕之后，开始目标的抓取工作，此时关闭第一伺服电机201，启动第二伺服电机301，滚珠丝杠304将旋转运动转化为直线运动，动滑轮306向下移动，中指节弯曲腱绳106、近指节弯曲腱绳107收紧，从而控制手指弯曲，当手指与抓取物接触后，中指节弯曲腱绳106、近指节弯曲腱绳107无法继续收紧，此时继续转动第二伺服电机301，下组件503绕中心旋转，中指节弯曲腱绳106、近指节弯曲腱绳107拉力增大，从而更改机械手的抓取力大小。完成抓取以后，将第二伺服电机201与第二伺服电机301反向旋转，驱动装置回复初始状态。

Claims (10)

1.一种柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：包括机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器和机架；所述机械手、伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器均安装在机架上，且伸展腱绳驱动器、弯曲腱绳驱动器分别连接机械手。

2.根据权利要求1所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述机架包括前安装板、后安装板、第一导轨底板和第二导轨底板，所述前安装板和后安装板相对设置，前安装板中部与后安装板中部之间通过若干块第二导轨底板连接，第二导轨底板外侧周向分布若干块第一导轨底板，第一导轨底板两端分别固定在前安装板、后安装板上。

3.根据权利要求2所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述机械手包括手掌基座和三根手指，所述手掌基座固定在前安装板上，三根手指为拇指、食指和中指，拇指、食指和中指呈三角形分布在手掌基座上，每根手指均包括远指节、中指节与近指节，每根手指均通过三根腱绳控制手指的弯曲伸展动作，三根腱绳分别为背部伸展腱绳、中指节弯曲腱绳和近指节弯曲腱绳，每根手指的三根腱绳均由一个伸展腱绳驱动器和两个弯曲腱绳驱动器驱动，其中背部伸展腱绳依次通过对应手指的远指节、中指节、近指节后与伸展腱绳驱动器相连，中指节弯曲腱绳依次经由对应手指的中指节、近指节后与其中一个弯曲腱绳驱动器相连，近指节弯曲腱绳固定于对应手指的近指节上并与另一个弯曲腱绳驱动器相连，中指节与远指节之间设有耦合腱绳。

4.根据权利要求3所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述伸展腱绳驱动器包括第一伺服电机、固线盘、弹性绳、弹性绳连接件和第一导轨，所述第一伺服电机固定在后安装板上，第一伺服电机的输出轴与固线盘相连，所述第一导轨固定设置在第一导轨底板上，所述弹性绳连接件可滑动安装在第一导轨上，弹性绳一端与固线盘固定连接，弹性绳另一端与弹性绳连接件一侧固定连接，弹性绳连接件另一侧与对应手指的背部伸展腱绳连接；第一伺服电机带动固线盘旋转，多根弹性绳相互缠绕，其自身刚度发生改变，进而改变机械手整体的抓取刚度。

5.根据权利要求4所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述固线盘上设有六个第一通孔，弹性绳一端从第一通孔中穿过，固线盘侧面开有拧紧螺纹孔，通过紧定螺钉的方式将弹性绳夹紧。

6.根据权利要求4所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述弯曲腱绳驱动器包括第二伺服电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、丝杠副连接件、滑块连接件、动滑轮和第二导轨，所述第二伺服电机固定于后安装板上，第二伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠一端相连，滚珠丝杠通过支撑座安装在第二导轨底板上，滚珠丝杠上设有丝杠螺母，所述第二导轨固定设置在第二导轨底板上，滑块连接件可滑动安装在第二导轨上，所述丝杠副连接件一端与丝杠螺母相连，丝杠副连接件另一端与滑块连接件相连，滑块连接件上设一动滑轮，对应的中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳经过动滑轮后，缠绕于绕线轮组件上，绕线轮组件固定在前安装板上。

7.根据权利要求6所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述丝杠副连接件与丝杠螺母连接的部位与丝杠螺母的外形相匹配，通过螺栓的方式与丝杠螺母相连。

8.根据权利要求6所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述绕线轮组件包括上组件、下组件、基座、扭簧和连接螺杆，所述上组件通过螺钉固定在基座上，下组件与上组件相对设置，下组件远离上组件的一端为绕线轮用于缠绕中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳，上组件和下组件之间设有扭簧，上组件和下组件面向扭簧的一端均设有沟槽，所述扭簧的两端分别卡设于上组件、下组件的沟槽中形成一个整体，所述连接螺杆依次穿过下组件、扭簧、上组件将形成的整体结构安装在基座上；第二伺服电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动动滑轮做直线运动，控制手指的弯曲动作，且在动滑轮运动过程中中指节弯曲腱绳或近指节弯曲腱绳的拉力与绕线轮下组件扭力相同，从而调节机械手抓取力大小。

9.根据权利要求6所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述第二导轨底板的数量为六块，分别对应安装三根手指的六个弯曲腱绳驱动器，六块第二导轨底板呈环形分布整体形成一个内侧为圆形通孔，外侧为正六边形形状的筒体结构。

10.根据权利要求6所述的柔性变刚度机械手的驱动装置，其特征在于：所述第一导轨底板的数量为三块，分别对应安装三根手指的三个伸展腱绳驱动器。

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