CN106426230B - 双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置 - Google Patents
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Abstract
双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、驱动器、至少2个手指、主动轴、主动轮、两个簧件、两个齿轮、内环齿圈、内环、主动拨盘、从动拨盘、外环齿圈、外环和限位块等。该装置利用可旋转双环及连杆机构等实现了多个机器人手指平行夹持与自适应抓取的功能；采用单个驱动器驱动多个手指的多个关节；根据物体形状和位置的不同，可以在平夹与自适应两种模式之间自动切换；能够平动第二指段去夹持物体，该装置还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，获得出力更大的握持效果，能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取；自适应包络方向与手指的延伸方向垂直；抓取稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置的结构设计。
背景技术
机器人技术是当前技术发展的重要趋势之一。机器人替代人工开展各项工作要依靠机器人手。目前许多已开发的机器人手主要模仿人手的结构，由多个手指和手掌构成，每个手指上具有2个以上的关节。这种手称为多指手。在工业上，多指手具有非常广泛的应用。多指手又分为欠驱动手与灵巧手。灵巧手具有主动驱动和控制的多个手指以及在每个手指上具有多个关节，能够比较好的模仿人手，达到稳定抓取物体的效果，实现的抓取模式和手势比较多样，代表了机器人手发展的重要方向，但是，传统的灵巧手在每次抓取时均需要对物体的形状、大小和位置进行探测，并根据检测的多个传感信号结合某种抓取、操作或手势目的，进行各个手指、关节的路径规划，带来非常复杂的实时传感与控制需求，制造、维护成本高昂、使用不便。
欠驱动手由于控制简单、抓取稳定、体积小等优点而成为目前的研究热点。
在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是夹持，一种是握持。夹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，抓取很精确，也称为精确抓取，尤其是平行夹持，即在夹持中，末端的第二指段始终保持平行；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，力量更大，也称为力量抓取。
工业夹持器一般采用末端平行的夹持方式，难以具有包络握持功能，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，但是无法实施末端平行夹持抓取，传统的欠驱动手仅具有一种固定的圆柱握持抓取模式，缺少末端平行夹持抓取方式(该方式在工业中比较常用)，影响了其适用性。例如，已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平行齿轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式主要为握持方式，难以实现较好的末端平行夹持抓取效果。
具有两种抓取模式的传统欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座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夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于：该装置仅能实现圆弧平行夹持功能，无法实现直线平行夹持功能，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人臂部运动才能配合实现抓取，因此抓取存在严重不足；该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置。该装置具有多个手指，抓取中各手指具有平行夹持和自适应两种抓取模式，既能平动末端的第二指段去夹持物体，当第一指段接触物体后，第二指段还能继续转动，从而实现自适应抓取不同形状、大小物体的目的；采用单个驱动器驱动多个手指的多个关节。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，包括基座、驱动器、传动机构和至少2个手指；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连；每个所述手指分别包括近关节轴、第一指段、远关节轴和第二指段；所述近关节轴套设在第一指段；所述远关节轴套设在第一指段的末端；所述第二指段套固在远关节轴上；其特征在于：该双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置还包括主动轴、主动轮、第一簧件、第一齿轮、内环齿圈、内环、主动拨盘、从动拨盘、第二齿轮、外环齿圈、外环、外环凸块、第二簧件和限位块；所述手指包括第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴和第四轴；所述传动机构的输出端与主动轴相连；所述主动轴套设在基座中；所述主动轮套固在主动轴上，所述第一簧件的两端分别连接主动轮、第一齿轮，所述第一齿轮活动套接在主动轴上，所述第一齿轮与内环齿圈啮合，所述内环齿圈固接在内环上；所述外环活动套接在基座上，所述内环活动套接在基座上，所述外环、内环、内环齿圈与外环齿圈四者同轴；所述主动拨盘套固在主动轴上，所述从动拨盘活动套接在主动轴上；在初始状态时，所述主动拨盘上的凸块与从动拨盘上的凸块有一段距离，在运动过程中所述主动拨盘上的凸块会接触并推动从动拨盘上的凸块；所述第二齿轮活动套接在主动轴上，所述第二齿轮与从动拨盘固接，所述第二齿轮与外环齿圈啮合，所述外环齿圈固接在外环上；所述第二簧件的两端分别连接外环与基座；所述限位块固接在基座上，所述外环凸块固接在外环上，所述外环凸块与限位块活动接触，所述限位块限制外环凸块的单向转动；所述第一轴套设在基座上，所述第二轴套设在内环上，所述第三轴套设在外环上，所述第四轴套设在第二指段上，所述第一指段的一端套接在第一轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第三轴上，第二连杆的另一端套接在第四轴上；设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一轴的中心为C，第二轴的中心为D，第三轴的中心为E，第四轴的中心为F，线段CB的长度等于线段EF的长度；在初始状态，线段CE的长度等于线段BF的长度；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、近关节轴和远关节轴相互平行。
本发明所述的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置利用单个驱动器、多个连杆、主动拨盘、从动拨盘、内环、外环、齿轮传动机构和两个簧件等综合实现了多个机器人手指平行夹持与自适应抓取的功能；采用多连杆机构实现了实现第二指段保持相对基座固定姿态的平动；当物体接触第一指段被阻挡时，通过两个簧件、传动机构、空程传动的主动拨盘和从动拨盘等综合实现了第二指段自动绕远关节轴转动；采用单个驱动器驱动多个手指的多个关节，达到高欠驱动效果；根据物体形状和位置的不同，可以在平夹与自适应两种模式之间自动切换；该装置能够平动第二指段去夹持物体，该装置还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，获得出力更大的握持效果，能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取；抓取稳定可靠。
附图说明
图1是本发明设计的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置的一种实施例的实施例的立体外观图。
图2是图1所示实施例的俯视图(未画出部分零件)。
图3是图1所示实施例的立体外观图(未画出部分零件)。
图4是图1所示实施例的剖视图(未画出部分零件)，显示了基座、内环、外环与其它零部件的关系。
图5是图1所示实施例的***图。
图6至图8是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，主动拨盘与被动拨盘的相对位置的变化情况的示意图。图6中的大剖面凸块为初始状态的主动拨盘中的凸块，图6中的小剖面凸块为初始状态的从动拨盘中的凸块。其中主动拨盘在最初的转动过程中不会碰触从动拨盘，转过一定角度后才会接触并推动从动拨盘。
图9至图10是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，第二簧件与限位块的相对位置的变化情况的示意图。
图11是图1所示实施例中初始位置的俯视图。
图11至图14是图1所示实施例中在抓取物体时候平夹自适应动作过程的俯视图，其中图11至图12是平夹动作过程俯视图，图13至图14是自适应动作过程俯视图。
图15是图1所示实施例中的内环旋转多指平夹原理连杆机构简图，显示出点A、B、C、D、E和F的运动位置变化。
图16是图1所示实施例中的外环旋转多指自适应原理连杆机构简图，显示出点A、B、C、D、E和F的运动位置变化。
图17至图19是图1所示实施例在抓取圆柱物体时候的平夹自适应动作过程的立体图。
图20至图23是图1所示实施例在抓取圆柱物体时候的平夹自适应动作过程的立体图。
在图1至图23中：
1－基座， 11－限位块， 12－基座连接板， 13－基座支撑杆，
14－基座前端板， 15－基座后端板， 2－驱动器(电机)， 21－传动机构，
3－手指， 31－近关节轴， 32－第一指段， 33－远关节轴，
34－第二指段， 41－主动轴， 42－主动轮， 43－第一簧件，
44－第一齿轮， 5－内环， 51－内环齿圈， 61－主动拨盘，
62－从动拨盘， 63－第二齿轮， 7－外环， 71－外环齿圈，
72－外环凸块， 73－第二簧件， 81－第一连杆， 82－第二连杆，
91－第一轴， 92－第二轴， 93－第三轴， 94－第四轴，
100－轴承， 200－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。
本发明设计的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置的一种实施例，如图1至图5所示，包括基座1、驱动器(本实施例中是电机)2、传动机构21和至少2个手指3；所述驱动器2与基座1固接，所述驱动器2的输出轴与传动机构21的输入端相连；每个所述手指3分别包括近关节轴31、第一指段32、远关节轴33和第二指段34；所述近关节轴31套设在第一指段32；所述远关节轴33套设在第一指段32的末端；所述第二指段34套固在远关节轴33上；该实施例还包括主动轴41、主动轮42、第一簧件43、 第一齿轮44、内环齿圈51、内环5、主动拨盘61、从动拨盘62、第二齿轮63、外环齿圈71、外环7、外环凸块72、第二簧件73和限位块11；所述手指3包括第一连杆81、第二连杆82、第一轴91、第二轴92、第三轴93和第四轴94；所述传动机构21的输出端与主动轴41相连；所述主动轴41套设在基座1中；所述主动轮42套固在主动轴41上，所述第一簧件43的两端分别连接主动轮42、第一齿轮44，所述第一齿轮44活动套接在主动轴41上，所述第一齿轮44与内环齿圈51啮合，所述内环齿圈51固接在内环5上，所述外环7活动套接在基座1上，所述内环5活动套接在基座1上，所述外环7、内环5、内环齿圈51与外环齿圈71四者同轴；；所述主动拨盘61套固在主动轴41上，所述从动拨盘62活动套接在主动轴41上；在初始状态时，所述主动拨盘61上的凸块611与从动拨盘62上的凸块621有一段距离，在运动过程中所述主动拨盘61上的凸块611会接触并推动从动拨盘62上的凸块621；所述第二齿轮63活动套接在主动轴41上，所述第二齿轮63与从动拨盘62固接，所述第二齿轮63与外环齿圈71啮合，所述外环齿圈71固接在外环7上；所述第二簧件73的两端分别连接外环7与基座1；所述限位块11固接在基座1上，所述外环凸块72固接在外环7上，所述外环凸块72与限位块11活动接触，所述限位块11限制外环凸块72的单向转动；所述第一轴91套设在基座上，所述第二轴92套设在内环上，所述第三轴93套设在外环7上，所述第四轴94套设在第二指段34上，所述第一指段32的一端套接在第一轴91上；所述第一连杆81的一端套接在近关节轴31上，第一连杆81的另一端套接在第二轴92上；所述第二连杆82的一端套接在第三轴93上，第二连杆82的另一端套接在第四轴94上；设近关节轴31的中心为A，远关节轴33的中心为B，第一轴91的中心为C，第二轴92的中心为D，第三轴93的中心为E，第四轴94的中心为F，线段CB的长度等于线段EF的长度；在初始状态，线段CE的长度等于线段BF的长度；所述第一轴91、第二轴92、第三轴93、第四轴94、近关节轴31和远关节轴33相互平行。
本发明所述的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述驱动器2采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器2采用电机。
本发明所述的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第一簧件43采用扭簧。
本发明所述的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第二簧件73采用拉簧。
本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：
本实施例处于初始状态时，如图1所示。
电机2转动，通过传动机构21带动主动轴41转动，第一齿轮44绕着主动轴41的中心线转动；因为第一连杆81、第一指段32、第二连杆82和基座1构成了四连杆机构，并且满足以下条件：
a)线段BF的长度与线段CE的长度相等；
b)线段BC的长度与线段EF的长度相等；
如图15所示。
本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：
本实施例处于初始状态时，如图1所示。
a)第二指段34接触物体200的平行夹持抓取模式：
电机2正转，由于主动拨盘61与从动拨盘62之间有空行程，此时，外环7一直在第二簧件73与限 位块11的作用下保持位置不变；主动轴41转动，主动轮42转动，通过第一簧件43带动第一齿轮44转动，内环齿圈51转动，使内环5转动，第一连杆81随之运动，如图12所示，点CEBF构成一个平行四边形，线段CE位置未发生变化，随着内环5的转动，第一连杆81发生位移，从而推动第一指段32以第一轴91作为基点进行摆动，直到触碰到物体200；在本实施例中，均匀布置有3个手指，可同时对中接触物体200；同时，第二连杆82以第三轴93作为基点进行摆动，根据平行四边形原理，因此第二指段34相对于基座1保持了相对位置的姿态保持不变；于是，第一指段32将沿着内环5中轴线旋转对中接触物体200，这是平行夹持抓取阶段，动作如图11、图12所示。
在第一指段32接触物体200后，内环齿圈不能再继续转动，内环保持静止不动，第一指段32保持夹紧物体姿态不变；电机2继续转动，但主动拨盘61的凸块与从动拨盘62的凸块还没接触，第一簧件43发生变形，第一簧件43的变形弹力(该力称为F1)，通过第一齿轮44、内环齿圈51、第四轴94、第一连杆81、第一轴91等施加到了第一指段32对物体200的抓持力中，如果抓持力足够，电机2停转，抓取结束。
b)第一指段32接触物体200的自适应抓取模式：
第一阶段的平夹抓取与第二阶段的自适应抓取合称为平夹自适应抓取模式。
当第一指段32接触物体200而被物体200阻挡不能再转动，第一簧件43发生变形，第一簧件43的变形弹力(该力称为F1)，通过第一齿轮44、内环齿圈51、第四轴94、第一连杆81、第一轴91等施加到了第一指段32对物体200的抓持力，抓取力可保持足够；电机2继续转动，将自动进入自适应抓取阶段；随着主动轴41旋转，转动一定角度后主动拨盘61的凸块与从动拨盘62的凸块接触，主动拨盘61拨动从动拨盘62转动，第二齿轮63转动，外环齿圈71转动，带动外环7转动，同时第二簧件43被拉伸变形；内环5由于第一指段32夹紧物体200从而保持位置不变，如图13所示，外环7逆向转动，第一轴91带动第二连杆82转动，于是第二连杆82位置发生变化，点CEBF不再保持平行四边形状态，第二连杆82推动第二指段34以远关节轴33作为基点摆动，第二指段34便可发生相对于初始位置的角度变化，第二指段34的转动角度α等于外环7转动角度α，从而实现对物体200的包络，电机2停转，抓取结束，抓取过程如图12至图14所示，外环7转动角度α如图9至图10所示。
释放物体200的过程：电机2反转，后续过程与上述抓取物体200的过程刚好相反，不再赘述。
图6至图8是主动拨盘61与从动拨盘62的相对位置变化情况。
图9至图10是第二簧件73与限位块11的相对位置变化情况。
本发明装置利用单个驱动器、多个连杆、主动拨盘、从动拨盘、内环、外环、齿轮传动机构和两个簧件等综合实现了多个机器人手指平行夹持与自适应抓取的功能；采用多连杆机构实现了实现第二指段保持相对基座固定姿态的平动；当物体接触第一指段被阻挡时，通过两个簧件、传动机构、空程传动的主动拨盘和从动拨盘等综合实现了第二指段自动绕远关节轴转动；采用单个驱动器驱动多个手指的多个关节，达到高欠驱动效果；根据物体形状和位置的不同，可以在平夹与自适应两种模式之间自动切换；该装置能够平动第二指段去夹持物体，该装置还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，获得出力更大的握持效果，能够自动适应不同形状、大小的物体的抓取；抓取稳定可靠。
Claims (2)
1.一种双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，包括基座、驱动器、传动机构和至少2个手指；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连；每个所述手指包括近关节轴、第一指段、远关节轴和第二指段；所述近关节轴套设在第一指段；所述远关节轴套设在第一指段的末端；所述第二指段套固在远关节轴上；其特征在于：该双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置还包括主动轴、主动轮、第一簧件、第一齿轮、内环齿圈、内环、主动拨盘、从动拨盘、第二齿轮、外环齿圈、外环、外环凸块、第二簧件和限位块；所述手指还包括第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴和第四轴；所述传动机构的输出端与主动轴相连；所述主动轴套设在基座中；所述主动轮套固在主动轴上，所述第一簧件的两端分别连接主动轮、第一齿轮，所述第一齿轮活动套接在主动轴上，所述第一齿轮与内环齿圈啮合，所述内环齿圈固接在内环上；所述外环活动套接在基座上，所述内环活动套接在基座上，所述外环、内环、内环齿圈与外环齿圈四者同轴；所述主动拨盘套固在主动轴上，所述从动拨盘活动套接在主动轴上；在初始状态时，所述主动拨盘上的凸块与从动拨盘上的凸块有一段距离，在运动过程中所述主动拨盘上的凸块会接触并推动从动拨盘上的凸块；所述第二齿轮活动套接在主动轴上，所述第二齿轮与从动拨盘固接，所述第二齿轮与外环齿圈啮合，所述外环齿圈固接在外环上；所述第二簧件的两端分别连接外环与基座；所述限位块固接在基座上，所述外环凸块固接在外环上，所述外环凸块与限位块活动接触，所述限位块限制外环凸块的单向转动；所述第一轴套设在基座上，所述第二轴套设在内环上，所述第三轴套设在外环上，所述第四轴套设在第二指段上，所述第一指段的一端套接在第一轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第三轴上，第二连杆的另一端套接在第四轴上；设近关节轴的中心为A，远关节轴的中心为B，第一轴的中心为C，第二轴的中心为D，第三轴的中心为E，第四轴的中心为F，线段CB的长度等于线段EF的长度；在初始状态，线段CE的长度等于线段BF的长度；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、近关节轴和远关节轴相互平行。
2.如权利要求1所述的双环旋转多指平夹自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。
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