CN105150231A - 七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括驱动器、基座、两个指段、四根杆件、六个轴、簧件和限位块。近关节轴和第一驱动轴套设在基座中，第一转轴套设在第一平行杆上，第二转轴套设在第一指段中，远关节轴和第二驱动轴套设在第二指段中，第一指段和第一平行杆套接在近关节轴上，从动杆的两端分别套接第一转轴和远关节轴，第二平行杆的两端分别套接远关节轴和第二转轴，驱动杆的两端分别套接第一驱动轴和第二驱动轴。该装置实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能第二指段平行捏持，也能自适应包络握持；远关节轴可平移，抓取范围大，运动死区小；体积小、外观拟人，结构简单、可靠，无需传感和控制***。

Description

七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手具有自由度多、体积小、出力大、抓取模式多的特点，这给模仿人手的拟人机器人手的研制带来困难。机器人手可以对物体进行抓持，并通过移动平台和臂部进行操作。现有的灵巧手是模仿人手的最高端装置，具有非常多的主动控制自由度，动作灵活，但是控制非常复杂，而且***比较昂贵，难以自主适应未知环境，完成一个简单的抓取物体动作往往需要复杂的编程，对不同物体的抓取需要不同的编程，成本高，出力小，适应能力需要用到传感和控制***。这些因素导致灵巧手难以广泛推广应用。

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，虽然缺少类似灵巧手的高主动控制灵活度，但是由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈***无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。工业夹持器一般采用捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取；耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。上述三种手均有很大的提升空间。现实中很需要一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。

已有的一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，如中国专利CN102161204B，可以实现先耦合转动多个关节，然后再自适应抓取的功能，其不足之处在于，该装置的抓取范围小；抓取物体时要求物体最初必须靠近基座和近指段，降低了抓取效率；无法实施平行捏持。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置的抓取范围小，机构体积大，外观不拟人，缺乏柔顺性，制造成本高。

本发明提供的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置具有较多的关节自由度、较少的驱动器，远关节轴可平移，抓取模式多，抓取范围大，自适应性强。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，该装置用一个驱动器驱动两个关节，具有多种抓取模式：根据目标物体形状和位置的不同，既能实现平行开合末端指段进行向内捏持，也能自适应包络握持；在包络抓取时，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小、外观拟人，结构简单、可靠。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，包括驱动器、基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述的驱动器与基座固接；所述的近关节轴套设在基座中；所述的第一指段活动套接在近关节轴上；所述的远关节轴套设在第二指段中；其特征在于：该七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置还包括驱动杆、第一平行杆、从动杆、第二平行杆、第一转轴、第二转轴、第一驱动轴、第二驱动轴、簧件和限位块；所述的驱动器的输出轴通过传动机构与驱动杆相连；所述的第一平行杆活动套接在近关节轴上；所述的第一转轴套设在第一平行杆上；所述的从动杆的一端活动套接在第一转轴上，从动杆的另一端活动套接在远关节轴上；所述的第二转轴套设在第一指段中；所述的第二平行杆的一端活动套接在远关节轴上，第二平行杆的另一端活动套接在第二转轴上；所述的第一驱动轴套设在基座中；所述的第二驱动轴套设在第二指段中，所述的驱动杆的一端活动套接在第一驱动轴上，驱动杆的另一端活动套接在第二驱动轴上；所述的簧件的两端分别连接第一平行杆和基座；所述的限位块与基座固接，簧件使第一平行杆靠向限位块；所述的近关节轴的轴线、第二转轴的轴线、远关节轴的轴线、第一转轴的轴线、第一驱动轴的轴线和第二驱动轴的轴线两两平行；设平面g与近关节轴的轴线垂直，设近关节轴的轴线与平面g的交点为点A，第二转轴的轴线与平面g的交点为点B，第一驱动轴的轴线与平面g的交点为点C，第二驱动轴的轴线与平面g的交点为点D，远关节轴的轴线与平面g的交点为点E，第一转轴的轴线与平面g的交点为点F，点A与点B不重合，点B与点E不重合，点E与点F不重合，点A与点F不重合，点C与点D不重合，点D与点E不重合，点A与点C不重合，点C与点D之间的距离等于点E与点F之间的距离；当第一指段和第二指段相对于基座处于伸直状态时，线段CD与线段EF平行，线段DE与线段CF平行，第一平行杆与限位块接触。

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：线段AF与线段BE平行，线段AB与线段EF平行。

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置利用多个具有一定位置关系的转轴、连杆、簧件及限位块等综合实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能合上第二指段向内平行捏持，也能自适应包络握持；根据目标物体形状和位置的不同，该装置具有多种抓取模式；而且，在包络抓取时，远关节轴可自动平移，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小、外观拟人，结构简单、可靠，无需传感和控制***。

附图说明

图1是本发明提供的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置的实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的***图。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4是图1所示实施例的立体图。

图5是图3的H-H剖面图。

图6是图3的M-M剖面图。

图7是图3的N-N剖面图。

图8是图3的O-O剖面图。

图9是图1所示实施例的右视图。

图10是图1所示实施例的第一平行杆和簧件的立体图。

图11是图1所示实施例的基座、近关节轴、第一驱动轴和限位块的立体图。

图12至图14是图1所示实施例的机构示意图。

图15至图17是图1所示实施例的抓取物体的一种方式——第二指段平动捏持物体过程示意。

图18至图22是图1所示实施例的抓取物体的另一种方式——自适应握持物体过程示意。

在图1至图22中：

1-驱动器，2-基座，3-第一指段，

4-第二指段，5-近关节轴，6-远关节轴，

7-驱动杆，8-第一平行杆，9-从动杆，

10-第二平行杆，11-第二转轴，12-第一驱动轴，

13-第二驱动轴，14-第一转轴，15-簧件，

16-限位块，17-物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图11所示，包括驱动器1、基座2、第一指段3、第二指段4、近关节轴5、远关节轴6、驱动杆7、第一平行杆8、从动杆9、第二平行杆10、第一转轴14、第二转轴11、第一驱动轴12、第二驱动轴13、簧件15和限位块16；所述的驱动器1与基座2固接；所述的近关节轴5套设在基座2中；所述的第一指段3活动套接在近关节轴5上；所述的远关节轴6套设在第二指段4中；所述的驱动器1的输出轴通过传动机构与驱动杆7相连；所述的第一平行杆8活动套接在近关节轴5上；所述的第一转轴14套设在第一平行杆8上；所述的从动杆9的一端活动套接在第一转轴14上，从动杆9的另一端活动套接在远关节轴6上；所述的第二转轴11套设在第一指段3中；所述的第二平行杆10的一端活动套接在远关节轴6上，第二平行杆10的另一端活动套接在第二转轴11上；所述的第一驱动轴12套设在基座2中；所述的第二驱动轴13套设在第二指段4中，所述的驱动杆7的一端活动套接在第一驱动轴12上，驱动杆7的另一端活动套接在第二驱动轴13上；所述的簧件15的两端分别连接第一平行杆8和基座2；所述的限位块16与基座2固接，簧件15使第一平行杆8靠向限位块16；所述的近关节轴5的轴线、第二转轴11的轴线、远关节轴6的轴线、第一转轴14的轴线、第一驱动轴12的轴线和第二驱动轴13的轴线两两平行；设平面g与近关节轴5的轴线垂直，设近关节轴5的轴线与平面g的交点为点A，第二转轴11的轴线与平面g的交点为点B，第一驱动轴12的轴线与平面g的交点为点C，第二驱动轴13的轴线与平面g的交点为点D，远关节轴6的轴线与平面g的交点为点E，第一转轴14的轴线与平面g的交点为点F，点A与点B不重合，点B与点E不重合，点E与点F不重合，点A与点F不重合，点C与点D不重合，点D与点E不重合，点A与点C不重合，点C与点D之间的距离等于点E与点F之间的距离；当第一指段3和第二指段4相对于基座2处于伸直状态时，线段CD与线段EF平行，线段DE与线段CF平行，第一平行杆8与限位块16接触。

在本实施例中，线段AF与线段BE平行，线段AB与线段EF平行。

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器1采用电机、气缸或液压缸。在本实施例中，所述的驱动器1采用电机。

本发明所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件15采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。在本实施例中，所述的簧件15采用扭簧。

本实施例的工作原理，如图12至图22，叙述如下：

本实施例的机构示意图如图12、图13和图14所示，由于线段CD与线段EF长度相等，当第一指段3和第二指段4处于伸直状态时，线段CD与线段EF平行，线段DE与线段CF平行，第一平行杆8与限位块16接触；因此，当第一平行杆8在簧件15的作用下相对基座2静止且保持与限位块16接触状态时，第二指段4相对基座2的方向始终保持不变。本实施例抓取物体17时，驱动器1通过传动机构带动驱动杆7正转，当第一指段3没有接触到物体17时，在簧件15和限位块16的约束下，第一平行杆8相对基座2静止，第二指段4相对基座2的方向保持不变。当第一指段3碰到物体17时，第一指段3不能继续转动，驱动杆7继续正转，带动第二指段4正转，第二指段4带动第二平行杆10正转，并通过从动杆9带动第一平行杆8正转，此时第一平行杆8与限位块16分离，簧件15拉紧。

图12、图13和图14中的Y箭头代表驱动器1的动力，X箭头代表所抓的物体17的阻挡力。

本实施例的初始位置如图15和图18所示，此时第一指段3相对基座2处于伸直状态，第二指段4相对第一指段3处于伸直状态；在簧件15的作用下，第一平行杆8与限位块16接触。

本实施例的抓取方式有两种，分别叙述如下：

(a)第二指段平动捏持物体过程

如图15、图16和图17所示，当本实施例捏持物体17时，驱动器1通过传动机构带动驱动杆7正转，由于限位块16和簧件15的约束，第一平行杆8相对基座2静止。根据前述分析，在基座2、驱动杆7、从动杆9、第一平行杆8、第二平行杆10、第一指段3和第二指段4等部件的约束下，第一指段3相对基座2正转，第二指段4相对基座2平移，直到第二指段4接触到物体17。

放开物体17的过程如下，驱动器1通过传动机构带动驱动杆7反转，在限位块16和簧件15的约束下，第一平行杆8相对基座2静止，驱动杆7和从动杆9带动第二指段4平移，第二指段4通过第二平行杆10带动第一指段3反转，实现放开物体17，回到初始的伸直状态。

(b)自适应握持物体过程

如图18、图19、图20、图21和图22所示，当本实施例握持物体17时，驱动器1正转，通过传动机构带动驱动杆7正转，由于限位块16和簧件15的约束，第一平行杆8相对基座2静止。根据前述分析，在基座2、驱动杆7、从动杆9、第一平行杆8、第二平行杆10、第一指段3和第二指段4等部件的约束下，第一指段3相对基座2正转，第二指段4相对基座2平移，直到第一指段3接触到物体17。此时，第一指段3不能继续运动，驱动器1带动驱动杆7继续正转，驱动杆7带动第二指段4正转，第二指段4带动第二平行杆10正转，并通过从动杆9带动第一平行杆8正转，此时第一平行杆8与限位块16分离，簧件15拉紧，直到第二指段4接触到物体17。该自适应握持物体实现了对不同形状大小物体的抓取，减轻了对控制***的要求。

放开物体17的过程如下，驱动器1反转，通过传动机构带动驱动杆7反转，同时簧件15迫使第一平行杆8反转，在从动杆9的作用下，第二平行杆10反转，于是第二指段4反转，直到第一平行杆8与限位块16接触，此时第二指段4相对基座2处于伸直状态。之后驱动杆7继续反转，第一平行杆8在簧件15作用下与限位块16保持接触。在基座2、驱动杆7、从动杆9、第一平行杆8、第二平行杆10、第一指段3和第二指段4等部件的约束下，第一指段3相对基座2反转，第二指段4相对基座2平移，直到第一指段3相对基座2伸直，回到初始状态。

本实施例具有大范围抓取的特点，在第一指段3接触到物体17后，第二指段4正转的过程中，远关节轴6会移向靠近物体17的位置，有效地减小了运动死区。

该装置利用多个具有一定位置关系的转轴、连杆、簧件及限位块等综合实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能合上第二指段向内平行捏持，也能自适应包络握持；根据目标物体形状和位置的不同，该装置具有多种抓取模式；在包络抓取时，远关节轴可自动平移，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小、外观拟人，结构简单、可靠，无需传感和控制***。

Claims (4)

1.一种七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，包括驱动器(1)、基座(2)、第一指段(3)、第二指段(4)、近关节轴(5)和远关节轴(6)；所述的驱动器(1)与基座(2)固接；所述的近关节轴(5)套设在基座(2)中；所述的第一指段(3)活动套接在近关节轴(5)上；所述的远关节轴(6)套设在第二指段(4)中；其特征在于：该七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置还包括驱动杆(7)、第一平行杆(8)、从动杆(9)、第二平行杆(10)、第一转轴(14)、第二转轴(11)、第一驱动轴(12)、第二驱动轴(13)、簧件(15)和限位块(16)；所述的驱动器(1)的输出轴通过传动机构与驱动杆(7)相连；所述的第一平行杆(8)活动套接在近关节轴(5)上；所述的第一转轴(14)套设在第一平行杆(8)上；所述的从动杆(9)的一端活动套接在第一转轴(14)上，从动杆(9)的另一端活动套接在远关节轴(6)上；所述的第二转轴(11)套设在第一指段(3)中；所述的第二平行杆(10)的一端活动套接在远关节轴(6)上，第二平行杆(10)的另一端活动套接在第二转轴(11)上；所述的第一驱动轴(12)套设在基座(2)中；所述的第二驱动轴(13)套设在第二指段(4)中，所述的驱动杆(7)的一端活动套接在第一驱动轴(12)上，驱动杆(7)的另一端活动套接在第二驱动轴(13)上；所述的簧件(15)的两端分别连接第一平行杆(8)和基座(2)；所述的限位块(16)与基座(2)固接，簧件(15)使第一平行杆(8)靠向限位块(16)；所述的近关节轴(5)的轴线、第二转轴(11)的轴线、远关节轴(6)的轴线、第一转轴(14)的轴线、第一驱动轴(12)的轴线和第二驱动轴(13)的轴线两两平行；设平面g与近关节轴(5)的轴线垂直，设近关节轴(5)的轴线与平面g的交点为点A，第二转轴(11)的轴线与平面g的交点为点B，第一驱动轴(12)的轴线与平面g的交点为点C，第二驱动轴(13)的轴线与平面g的交点为点D，远关节轴(6)的轴线与平面g的交点为点E，第一转轴(14)的轴线与平面g的交点为点F，点A与点B不重合，点B与点E不重合，点E与点F不重合，点A与点F不重合，点C与点D不重合，点D与点E不重合，点A与点C不重合，点C与点D之间的距离等于点E与点F之间的距离；当第一指段(3)和第二指段(4)相对于基座(2)处于伸直状态时，线段CD与线段EF平行，线段DE与线段CF平行，第一平行杆(8)与限位块(16)接触。

2.如权利要求1所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：线段AF与线段BE平行，线段AB与线段EF平行。

3.如权利要求1所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器(1)采用电机、气缸或液压缸。

4.如权利要求1所述的七连杆并联捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件(15)采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。