CN218255196U - 一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手 - Google Patents

Abstract

一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，属于欠驱动变刚度机器人技术领域，包括基座，所述基座上安装有欠驱动软体夹爪。对于具有简单几何外形轮廓物体，通过驱动夹爪内侧的绳索实现对物体的包络，进一步拉紧绳索可以增加夹持刚度。对于具有复杂几何外形轮廓物体，通过驱动绳索，利用机械手欠驱动特点实现对物体的包络，驱动绳索可以在增加夹持刚度同时保证欠驱动夹持稳定性。机械手利用了欠驱动机构的自适应包络性，利用夹爪内侧绳索与软体材料配合控制抓取刚度，提高机械手抓取能力，同时兼顾机械手抓取形态及稳定性。

Description

一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手

技术领域

本实用新型属于欠驱动变刚度机器人技术领域，具体涉及一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手。

背景技术

机械手是机器人与外部环境交互的主要接口。机械手通常安装于机械臂末端，也称末端执行机构。传统机械手通常由刚性部件和刚性接头构成，有限的自由度，使其只能用来执行单一种类任务，缺乏环境的适应性。此外，传统的机械手大多由金属材料制作而成，与被抓持物体之间一般是刚性接触，缺乏必要的柔顺性，人机交互是不安全的，在很大程度上限制了其通用性和灵活性。

随着3D打印技术和新型智能材料发展不断成熟，软体机械手迅猛发展，其设计灵感多来源于自然界的生物，如蚯蚓、海星和章鱼等。软体机械手所用橡胶、形状记忆合金和智能材料等柔性材料的天然柔顺性，降低控制的复杂程度，实现良好的灵活性及与人、环境的交互安全性。然而，软体机械手负载小，精度下降也成为制约其广泛应用的主要因素。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，可用于采摘机器人、服务机器人等外形自适应抓取领域；多模式驱动的变刚度欠驱动机械手将多组平行四边形框架、驱动绳索、复位弹簧、绕线轮与软体接触材料相结合，通过控制不同驱动绳索长度实现多种抓取模式，可以完成对不同复杂程度形状轮廓物体的自适应变刚度抓取。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，包括基座，所述基座上安装有欠驱动软体夹爪。

所述软体夹爪包括多组串联的平行四边形框架、第一绳索和第二绳索，且位于最底端的平行四边形框架上安装有手指，第一绳索一端固定在位于基座内的第一绕线轮上，另一端依次贯穿多个平行四边形框架，且末端固定在最底端的平行四边形框架上，通过第一绕线轮转动改变第一绳索长度，进而改变手指平行四边形框架的形状，通过形变接触物体表面，实现包络和夹持功能；第二绳索一端固定在位于基座内的第二绕线轮上，另一端依次贯穿安装于平行四边形框架内侧的多个软体，且末端固定在最底端的软体上，通过第二绕线轮改变内侧驱动第二绳索长度，使机械手手指弯曲程度改变；每一个平行四边形框架顶部的外侧铰接点和底部的内侧铰接点之间均安装有四边形复位弹簧，相邻所述平行四边形框架之间均安装有关节闭合复位弹簧，平行四边形框架内复位弹簧及四边形限位块用于使机械手在绳索拉力取消后能够复位至初始形状；关节闭合复位弹簧及闭合限位块用于机械手在手指内侧绳索拉力取消后使相邻平行四边形框架短边闭合至重合状态。

相邻所述平行四边形框架短边靠近手指内侧的铰接点同轴安装，靠近手指外侧的铰接点可以相对运动。

每一个所述平行四边形框架的基板上下两端分别安装有导线轴，所述第一绳索依次贯穿平行四边形框架顶部内侧的销轴及底部外侧的导线轴，且末端与最底端的平行四边形框架的导线轴固定。

未安装手指的所述平行四边形框架的外侧设置有用于限制平行四边形框架形状的四边形限位块，未安装手指的平行四边形框架的底部内侧设置有用于防止相邻平行四边形框架交叉的闭合限位块。

本实用新型的技术效果为：

1、对于具有简单几何外形轮廓物体，通过驱动夹爪内侧的绳索实现对物体的包络，进一步拉紧绳索可以增加夹持刚度。

2、对于具有复杂几何外形轮廓物体，通过驱动绳索，利用机械手欠驱动特点实现对物体的包络，驱动绳索可以在增加夹持刚度同时保证欠驱动夹持稳定性。

3、机械手利用了欠驱动机构的自适应包络性，利用夹爪内侧绳索与软体材料配合控制抓取刚度，提高机械手抓取能力，同时兼顾机械手抓取形态及稳定性。

4、多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，采用欠驱动原理，有利于抓取包络复杂形状物体；同时，通过引入变刚度设计改变抓取力，以实现柔顺抓取。将欠驱动与变刚度相结合既可以提高机械手的抓取稳定性，又可以增加抓取的柔顺性。

附图说明

图1为多模式驱动的变刚度欠驱动机械手原理图；

图2为多模式驱动的变刚度欠驱动机械手主视图；

图3为多模式驱动的变刚度欠驱动机械手斜视图；

图4为平行四边形框架对角绳索驱动机械手变形夹持原理图；

图5为机械手内侧绳索驱动变形夹持原理图；

1、导线轴；2、第一平行四边形框架；3、四边形复位弹簧；4、关节闭合复位弹簧；5、第二平行四边形框架；6、第三平行四边形框架；7、第一绳索；8、第二绳索；9、第一绕线轮；10、第二绕线轮；11、软体；12、闭合限位块；13、四边形限位块，14-基座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种多模式驱动变刚度欠驱动机械手，包括基座14，所述基座14上安装有欠驱动软体夹爪。

所述软体夹爪为两个，分别是软体夹爪Ⅰ和软体夹爪Ⅱ，所述软体夹爪Ⅰ和软体夹爪Ⅱ对称安装于基座14上。

所述软体夹爪Ⅰ和软体夹爪Ⅱ结构相同，本实施例中，包括第一平行四边形框架2、第二平行四边形框架5和第三平行四边形框架6，具体为：第一平行四边形框架2和第二平行四边形框架5均由两个基板以及连接两个基板的四个连杆及销轴组成，且两个基板顶部连接的连杆位于基板的内侧设置，两个基板底部连接的连杆位于基板的外侧设置，而第三平行四边形框架6由两个基板、两个连杆以及手指组成，多个所述基板的顶端和底端分别安装有导线轴1；第一平行四边形框架2通过其顶部的连杆固定安装在基座14上，第一平行四边形框架2通过其底部内侧一端与第二平行四边形框架5顶部内侧一端连接，即第二平行四边形框架5顶部内侧连杆和基板组成的铰接点与第一平行四边形框架2底部内侧的连杆及基板组成的铰接点共用一根销轴铰接，第二平行四边形框架5通过其底部内侧一端与第三平行四边形框架6顶部内侧一端连接，即第三平行四边形框架6顶部内侧连杆和基板组成的铰接点与第二平行四边形框架5底部内侧的连杆及基板组成的铰接点共用一根销轴铰接，第一绳索7一端固定在第一绕线轮9上，通过第一绕线轮9实现绳索收放动作，另一端依次穿过第一平行四边形框架2顶部且位于内侧的销轴及底部的导线轴1、第二平行四边形框架5顶部且位于内侧的销轴及底部的导线轴1、第三平行四边形框架6顶部且位于内侧的销轴后与第三平行四边形框架6底部的导线轴1固定连接，所述第一平行四边形框架2顶部的导线轴1与第二平行四边形框架5底部的导线轴1之间以及所述第二平行四边形框架5顶部的导线轴1与第三平行四边形框架6底部的导线轴1之间分别安装有关节闭合复位弹簧4，关节闭合复位弹簧4用于恢复平行四边形框架相邻杆件外部铰接点至闭合状态，关节闭合复位弹簧4及闭合限位块12用于机械手在手指内侧绳索拉力取消后使相邻平行四边形框架短边闭合至重合状态，第一平行四边形框架2顶部外侧销轴与第一平行四边形框架2底部内侧销轴之间、第二平行四边形框架5顶部外侧销轴与第二平行四边形框架5底部内侧销轴之间及第三平行四边形框架6顶部外侧销轴与第三平行四边形框架6底部内侧销轴之间分别安装有沿对角线方向设置的四边形复位弹簧3，且四边形复位弹簧3安装于平行四边形框架的内侧和外侧均可以，机械手的平行四边形框架采用复位弹簧和四边形限位块保持平行四边形框架初始形状，四边形复位弹簧3及四边形限位块13用于使机械手在绳索拉力取消后能够复位至初始形状，位于内侧的三个基板上分别安装有软体11，软体11受压力作用可以产生形变，第二绳索8一端固定在第二绕线轮10上，通过第二绕线轮10实现收放线动作，另一端依次贯穿第一平行四边形框架2上的软体11、第二平行四边形框架5上的软体11及第三平行四边形框架6上的软体11，且末端与第三平行四边形框架6上的软体11固定。

为了保证软体夹爪Ⅰ上的第一绳索7和第二绳索8与软体夹爪Ⅱ上的第一绳索7和第二绳索8是同步伸长或缩短的，两个第一绳索7在第一绕线轮9上的缠绕方向一致，两个第二绳索8在第二绕线轮10上的缠绕方向也是一致的。

所述第一平行四边形框架2的顶部连杆上安装有四边形限位块13，第二平行四边形框架5位于内侧的基板外侧安装有四边形限位块13，限位块用于限制平行四边形框架形状；所述第一平行四边形框架2和第二平行四边形框架5的基板底部内侧均安装有闭合限位块12，用于限制相邻平行四边形框架杆件外部铰接点的闭合位置。

所述多模式驱动变刚度欠驱动机械手的第一绳索7拉力F1用于改变平行四边形框架的形状，相邻平行四边形框架外侧铰接点在关节闭合复位弹簧4的作用下处于闭合状态，平行四边形框架外部的四边形复位弹簧3在拉力F1作用下伸长，实现对复杂形状物体的包络。

所述多模式驱动变刚度欠驱动机械手第二绳索8拉力F2控制夹爪内侧软体11中第二绳索8长度，该状态下平行四边形框架在四边形复位弹簧3及四边形限位块13的作用下保持初始形状不变，夹爪相邻平行四边形框架外侧铰接点处关节闭合复位弹簧4在F2作用下处于打开状态，夹爪进一步夹紧物体，夹爪内侧软体11进一步发生形变，提升夹持刚度。

一种多模式驱动变刚度欠驱动机械手的夹持过程为，利用机构欠驱动原理在增大夹持力后容易引起抓取形态不稳定，因此，对于复杂几何轮廓物体抓取可以驱动手指框架内部绳索，利用欠驱动原理完成对外形包络，然后，驱动手指内侧绳索使手指进一步弯曲，同时物体表面与手指内侧软体11接触位置产生进一步形变，增加夹持力、夹持刚度及抓取稳定性。对于简单几何轮廓物体可以直接通过驱动手指内侧绳索改变手指弯曲程度，完成夹持动作，稳定性较好。

Claims (4)

1.一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，其特征在于，包括基座，所述基座上安装有欠驱动软体夹爪；

所述软体夹爪包括多组串联的平行四边形框架、第一绳索和第二绳索，且位于最底端的平行四边形框架上安装有手指，第一绳索一端固定在位于基座内的第一绕线轮上，另一端依次贯穿多个平行四边形框架，且末端固定在最底端的平行四边形框架上，第二绳索一端固定在位于基座内的第二绕线轮上，另一端依次贯穿安装于平行四边形框架内侧的多个软体，且末端固定在最底端的软体上，每一个平行四边形框架顶部的外侧铰接点和底部的内侧铰接点之间均安装有四边形复位弹簧，相邻所述平行四边形框架之间均安装有关节闭合复位弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，其特征在于：相邻所述平行四边形框架短边靠近手指内侧的铰接点同轴安装，靠近手指外侧的铰接点可以相对运动。

3.根据权利要求1所述的一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，其特征在于：每一个所述平行四边形框架的基板上下两端分别安装有导线轴，所述第一绳索依次贯穿平行四边形框架顶部内侧的销轴及底部外侧的导线轴，且末端与最底端的平行四边形框架的导线轴固定。

4.根据权利要求1所述的一种多模式驱动的变刚度欠驱动机械手，其特征在于：未安装手指的所述平行四边形框架的外侧设置有用于限制平行四边形框架形状的四边形限位块，未安装手指的平行四边形框架的底部内侧设置有用于防止相邻平行四边形框架交叉的闭合限位块。

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