CN106346499A - 曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置 - Google Patents
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Abstract
曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、多个传动件、多个传动轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、弹簧、凸块拨盘和限位块等。该装置实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能；该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个指段，无需复杂的传感和控制***；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置的结构设计。
背景技术
机器人手是实现抓取物体的重要装置。抓取物体的方法是从相对的两个方向限制住物体在该方向上的运动可能性。物体在空间中的运动存在多个方向，为了限制所抓物体的各种运动可能性，需要机器人手从各个方向限制物体运动。平行夹持抓取(简称平夹抓取)是一种常见的抓取方式，末端指段在运动过程中始终保持相对手掌基座相对固定的姿态，在抓取过程中，相对的两个手指或者多个手指在物体的两个或多个侧面接触物体并施加抓持力，通过手指表面的弹性变形材料来获得软指面从来改善抓取的稳定性，这种平行夹持的机器已经被工业上广泛应用，称之为工业夹持器。工业夹持器是指具有两个或多个手指，手指上没有关节或多个耦合运动的关节的机器，在抓取物体时使用平行夹持的方式，或末端尖点对物体进行捏持，这种抓取方式针对日常物品是有效的，能够达到最多种类的物体抓取。
模仿人手的机器人手目前具有很多的关节自由度，分别由多个电机控制，也称为灵巧手，灵巧手定义为至少具有三个手指，有九个以上自由度，抓取时需要确定物体姿态，对空间中的路线进行路径规划，确定物体空间布局，这些都带来复杂的控制。因而传统的灵巧手比较昂贵。
传统的欠驱动手利用少的驱动器驱动较多的关节，节能环保，重量低。传统的欠驱动手仅具有先转动近关节，再转动远关节的僵化抓取，虽然可以适应形状，但是不能以末端指段捏持物体，更不能实现直线平夹与自适应的抓取模式。
具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，如专利WO2016063314A1，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动，利用第二指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置仅能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取的功能。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置。该装置具有直线平行夹持和自适应抓取两种抓取模式，无需对物体环境进行复杂的实时检测、规划，既能沿着直线平动末端的第二指段去夹持物体，也能先后运动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的一种曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与过渡传动机构的输入端相连；所述第一指段套接在近关节轴上；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置还包括第一传动件、第二传动件、第三传动件、第四传动件、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮、第六传动轮、第七传动轮、第八传动轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、弹簧、凸块拨盘和限位块；所述第一轴、第二轴、第三轴与近关节轴的中心线平行；所述第一轴、第二轴分别活动套设在基座中；所述过渡传动机构的输出端与第二轴相连；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上；所述近关节轴活动套设在第二连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在远关节轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一连杆的一端活动套接在第二轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；设第一轴的中心点为A，第二轴中心点为B，第三轴的中心点为C，近关节轴的中心点为D，远关节轴中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍；所述第一传动轮套固在第二轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮和第二传动轮；第一传动轮、第一传动件与第二传动轮三者构成传动关系；所述第二传动轮活动套接在第三轴上；所述第三传动轮活动套接在第三轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接；所述第二传动件分别连接第三传动轮和第四传动轮；第三传动轮、第二传动件与第四传动轮三者构成传动关系；所述第四传动轮套接在远关节轴上，所述第五传动轮套接在远关节轴上；所述第三传动件分别连接第五传动轮和第六传动轮；第五传动轮、第三传动件与第六传动轮三者构成传动关系；所述第六传动轮套接在第三轴上，所述第七传动轮套接在第三轴上；所述第四传动件分别连接第七传动轮和第八传动轮；第七传动轮、第四传动件与第八传动轮三者构成传动关系；所述第八传动轮活动套接在第二轴上；所述第二传动轮与第三传动轮固接，所述第六传动轮与第七传动轮固接；所述第二指段、第四传动轮和第五传动轮三者固接；通过第一传动件、第二传动轮、第三传动轮和第二传动件的传动，从第一传动轮到第四传动轮的传动为同向传动且传动比小于1；通过第三传动件、第六传动轮、第七传动轮和第四传动件的传动，从第五传动轮到第八传动轮的传动为同向传动且传动比等于1；所述凸块拨盘活动套接在第二轴上，凸块拨盘与第八传动轮固接；所述限位块与基座固接，凸块拨盘在初始状态时与限位块接触；所述弹簧的两端分别连接基座和凸块拨盘。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第二传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第三传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第四传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述弹簧采用拉簧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置利用电机、四连杆机构、多个传动轮、凸块拨盘、限位块和弹簧综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能；该装置既能直线平动第二指段平行夹持物体，也能包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个指段，无需复杂的传感和控制***；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。
附图说明
图1是本发明设计的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置的实施例的立体外观图。
图2是图1所示实施例的一个正面外观图。
图3是图1所示实施例的侧面视图。
图4是图1所示实施例的轴测视图(未画出部分零件)。
图5至图6是图1所示实施例以直线平夹的方式抓取物体的动作过程示意图。
图7至图9是图1所示实施例以自适应包络的方式抓取物体的动作过程示意图。
图10至图11是图1所示实施例的局部视图，显示出限位块、凸块拨盘和弹簧在不同运动时刻的位置关系。
图12是图1所示实施例的局部视图(未画出部分零件)，显示出点A、B、C、D和E的位置。
图13是图12所示的连杆AD、BC、CDE及基座连杆AB的多连杆机构简图，显示出在主动转动连杆AD时点E的移动轨迹，该轨迹中有一段直线轨迹就是本实施例的第二指段直线平行夹持的移动轨迹。
在图1至图13中：
1－基座， 11－限位块， 2－第一指段， 3－第二指段，
4－近关节轴， 5－远关节轴， 51－第一轴， 52－第二轴，
53－第三轴， 61－第一传动轮， 62－第二传动轮， 63－第三传动轮，
64－第四传动轮， 65－第五传动轮， 66－第六传动轮， 67－第七传动轮，
68－第八传动轮， 71－第一连杆， 72－第二连杆， 73－第三连杆，
8－凸块拨盘， 81－第一传动件， 82－第二传动件， 83－第三传动件，
84－第四传动件， 9－弹簧， 12－电机， 100－物体，
200－过渡传动机构，201－减速器， 202－主动锥齿轮， 203－从动锥齿轮，
204－主动带轮， 205－从动带轮， 206－过渡轴， 207－过渡传动带。
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。
本发明设计的一种曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，如图1至图4所示，包括基座1、电机12、过渡传动机构200、第一指段2、第二指段3、近关节轴4和远关节轴5；所述电机12与基座1固接；所述电机12的输出轴与过渡传动机构200的输入端相连；所述第一指段2套接在近关节轴4上；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；其特征在于：该曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置还包括第一传动件81、第二传动件82、第三传动件83、第四传动件84、第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63、第四传动轮64、第五传动轮65、第六传动轮66、第七传动轮67、第八传动轮68、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第一轴51、第二轴52、第三轴53、弹簧9、凸块拨盘8和限位块11；所述第一轴51、第二轴52、第三轴53与近关节轴4的中心线平行；所述第一轴51、第二轴52分别活动套设在基座1中；所述过渡传动机构200的输出端与第二轴52相连；所述第三连杆73的一端套接在第一轴51上，第三连杆73的另一端套接在近关节轴4上；所述近关节轴4活动套设在第二连杆72的中部；所述第二连杆72的一端套接在远关节轴5上，第二连杆72的另一端套接在第三轴53上；所述第一连杆71的一端活动套接在第二轴52上，第一连杆71的另一端套接在第三轴53上；设第一轴51的中心点为A，第二轴52中心点为B，第三轴53的中心点为C，近关节轴4的中心点为D，远关节轴5中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍；所述第一传动轮61套固在第二轴52上；所述第一传动件81分别连接第一传动轮61和第二传动轮62；第一传动轮61、第一传动件81与第二传动轮62三者构成传动关系；所述第二传动轮62活动套接在第三轴53上；所述第三传动轮63活动套接在第三轴53上，所述第二传动轮62与第三传动轮63固接；所述第二传动件82分别连接第三传动轮63和第四传动轮64；第三传动轮63、第二传动件82与第四传动轮64三者构成传动关系；所述第四传动轮64套接在远关节轴5上，所述第五传动轮65套接在远关节轴5上；所述第三传动件83分别连接第五传动轮65和第六传动轮66；第五传动轮65、第三传动件83与第六传动轮66三者构成传动关系；所述第六传动轮66套接在第三轴53上，所述第七传动轮67套接在第三轴53上；所述第四传动件84分别连接第七传动轮67和第八传动轮68；第七传动轮67、第四传动件84与第八传动轮68三者构成传动关系；所述第八传动轮68活动套接在第二轴52上；所述第二传动轮62与第三传动轮63固接，所述第六传动轮66与第七传动轮67固接；所述第二指段3、第四传动轮64和第五传动轮65三者固接；通过第一传动件81、第二传动轮62、第三传动轮63和第二传动件82的传动，从第一传动轮61到第四传动轮64的传动为同向传动且传动比小于1；通过第三传动件83、第六传动轮66、第七传动轮67和第四传动件84的传动，从第五传动轮65到第八传动轮68的传动为同向传动且传动比等于1；所述凸块拨盘8活动套接在第二轴52上，凸块拨盘8与第八传动轮68固接；所述限位块11与基座1固接，凸块拨盘8在初始状态时与限位块11接触；所述弹簧9的两端分别连接基座1和凸块拨盘8。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第一传动件81采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，所述第一传动件81采用传动带。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第二传动件82采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，所述第二传动件82采用传动带。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第三传动件83采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，所述第三传动件83采用传动带。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第四传动件84采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。本实施例中，所述第四传动件84采用传动带。
本发明所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，所述过渡传动机构200包括减速器201，主动锥齿轮202，从动锥齿轮203，主动带轮204，从动带轮205，过渡轴206和过渡传动带207。所述过渡轴206活动套设在基座1中，所述减速器201的输入轴与电机12的输出轴相连，所述减速器201与基座1固接，所述主动锥齿轮202固接在减速器201的输出轴上，所述从动锥齿轮203固接在过渡轴206上，所述主动锥齿轮202与从动锥齿轮203啮合，所述主动带轮204固接在过渡轴206上，所述从动带轮205固接在第二轴52上，所述过渡传动带207连接主动带轮204与从动带轮205。
本实施例中，所述弹簧9采用拉簧。
本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：
本实施例中，将初始位置设置为第三连杆73竖直的状态(如图2所示)。
电机12转动，通过过渡传动机构200带动第二轴52转动，第一传动轮61绕着第二轴52的中心线转动；因为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、基座1构成四连杆机构，并且满足条件(如图13所示)：
a)线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，
b)线段CD的长度、线段DE的长度和线段AD的长度三者相等，
c)线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍，
如图所示，该四连杆机构将因为第一连杆71的转动带动远关节轴5直线运动。
于是第二指段3将沿着直线平动，如图12所示。
当凸块拨盘8的旋转角度为0度时，此时弹簧9拉着凸块拨盘8使其紧靠在限位块11上，当第三连杆73绕第一轴51的中心线转动时，在第一传动件81和第二传动件82的作用下，第一传动轮61到第四传动轮64的传动是同向传动且为增速传动(传动比小于1)，在第三传动件83和第四传动件84的作用下，第五传动轮65到第八传动轮68的传动是同向传动且为等速传动(传动比等于1)，因为弹簧9的约束作用让凸块拨盘8在第一阶段时靠着限位块11，第八传动轮68相对于第二轴52不会发生转动，第二指段3与第五传动轮65在第一阶段时保持相对于基座1不变的姿态。
当本实施例抓取物体100时，会呈现两种抓取模式，即直线平夹模式(第一阶段)和自适应包络抓取模式(第二阶段):
a)当第二指段3先于第一指段2接触物体100时，该装置将采用直线平夹的抓取模式。此时电机12通过过渡传动机构200的传动，使得第二轴52转动，第一连杆71将绕着第二轴52转动，带着第三连杆73绕着第一轴51转动，从而使得远关节轴5成直线平动的状态，在弹簧9的拉动下，与第八传动轮68固接的凸块拨盘8将紧贴着限位块11，使第五传动轮65，第六传动轮66，第七传动轮67，第八传动轮68均不能相对基座1发生转动，只能伴随着各自的中心轴发生平动，使第二指段3在第一阶段保持着最初的姿态，直到第二指段3接触到物体100，此时电机12停止工作，从而实现该装置的直线平夹功能。如图5和图6所示。
b)当第一指段2先于第二指段3碰触到物体100时，该装置将采用自适应包络抓取模式。当第一指段2碰触到物体100之后，第一指段2将无法再发生转动，从而第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73也将无法转动，此时电机12继续转动，通过过渡传动机构200驱动第一传动轮61继续转动，驱动第二传动轮62绕第三轴53发生转动。第三传动轮63绕着第三轴53转动，第四传动轮64绕着远关节轴5转动，从而带动第四传动轮64、第二指段3与第五传动轮65一同转动，第二指段3就会绕着远关节轴5转动，向物体100靠近，第八传动轮68绕着第二轴52转动，带动着凸块拨盘8离开限位块11，弹簧9拉伸变形。直至第二指段3与物体100接触，电机12停止工作，抓取结束。如图7至图9所示。针对不同形状、大小的物体100，本实施例具有自适应性，能够抓取不同形状和尺寸的物体。
释放物体时，电机反转，与上述过程刚好相反，不再赘述。
本发明装置利用电机、四连杆机构、多个传动轮、凸块拨盘、限位块和弹簧综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能；该装置既能直线平动第二指段捏持物体，也能包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个指段，无需复杂的传感和控制***；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。
Claims (6)
1.一种曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与过渡传动机构的输入端相连；所述第一指段套接在近关节轴上；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置还包括第一传动件、第二传动件、第三传动件、第四传动件、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮、第六传动轮、第七传动轮、第八传动轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、弹簧、凸块拨盘和限位块；所述第一轴、第二轴、第三轴与近关节轴的中心线平行；所述第一轴、第二轴分别活动套设在基座中；所述过渡传动机构的输出端与第二轴相连；所述第三连杆的一端套接在第一轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上；所述近关节轴活动套设在第二连杆的中部；所述第二连杆的一端套接在远关节轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一连杆的一端活动套接在第二轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；设第一轴的中心点为A，第二轴中心点为B，第三轴的中心点为C，近关节轴的中心点为D，远关节轴中心点为E，线段AB的长度等于线段BC长度的2倍，线段CD、线段DE和线段AD三者长度相等，线段CD的长度等于线段BC长度的2.5倍；所述第一传动轮套固在第二轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮和第二传动轮；第一传动轮、第一传动件与第二传动轮三者构成传动关系；所述第二传动轮活动套接在第三轴上；所述第三传动轮活动套接在第三轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接；所述第二传动件分别连接第三传动轮和第四传动轮；第三传动轮、第二传动件与第四传动轮三者构成传动关系；所述第四传动轮套接在远关节轴上，所述第五传动轮套接在远关节轴上；所述第三传动件分别连接第五传动轮和第六传动轮；第五传动轮、第三传动件与第六传动轮三者构成传动关系；所述第六传动轮套接在第三轴上，所述第七传动轮套接在第三轴上；所述第四传动件分别连接第七传动轮和第八传动轮；第七传动轮、第四传动件与第八传动轮三者构成传动关系；所述第八传动轮活动套接在第二轴上；所述第二传动轮与第三传动轮固接，所述第六传动轮与第七传动轮固接；所述第二指段、第四传动轮和第五传动轮三者固接；通过第一传动件、第二传动轮、第三传动轮和第二传动件的传动，从第一传动轮到第四传动轮的传动为同向传动且传动比小于1；通过第三传动件、第六传动轮、第七传动轮和第四传动件的传动，从第五传动轮到第八传动轮的传动为同向传动且传动比等于1；所述凸块拨盘活动套接在第二轴上，凸块拨盘与第八传动轮固接；所述限位块与基座固接，凸块拨盘在初始状态时与限位块接触；所述弹簧的两端分别连接基座和凸块拨盘。
2.如权利要求1所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
3.如权利要求1所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第二传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
4.如权利要求1所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第三传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
5.如权利要求1所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第四传动件采用连杆、齿轮、传动带、链条或腱绳。
6.如权利要求1所述的曲柄摇杆动轴轮系直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述弹簧采用拉簧。
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