CN110014445B - 一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，属于机器人技术领域。该仿生机械手的初始抓取角度可调节，一方面，仿生机械手的初始抓取角度决定其工作空间范围，初始抓取角度越大，仿生机械手能够抓取的目标物体的尺寸范围也就越大；另一方面，能够加快仿生机械手与被抓取物体的初始接触，减少抓取操作的耗时，提高工作效率。该仿生机械手的抓取模式可调节，能够根据被抓取物体的形状选择不同的抓取模式。由于板弹簧柔性变形元件的存在，使得该仿生机械手在接触到被抓取物体时，可以利用板弹簧的自适应变形来迎合物体的形状，对被抓取对象表现出良好的柔顺性与自适应性。

Description

一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手。

背景技术

机器人的大范围应用将人类从枯燥的体力劳动中解脱出来，机械手作为机器人的一个重要组成部分，能够直接感受外部环境并作用于目标抓取物，对机器人作业水平和智能化水平的提高具有十分重要的作用。随着人工智能技术的不断发展，机器人的操作对象变得更加复杂多样，为满足复杂抓取的需要，急需适应性和灵活性更好的机械手。

专用型和通用型工业机械手应用在特定场合，为了提高机械手的抓取效率，一般会根据目标抓取物设计出相应的结构，这两类机械手大多应用在特定产品的工业流水线。但是由于轻工、医药、食品和物流等行业的快速发展，工业产品不再局限于形状大小一致、硬度较高的刚性工件，对于形状和尺寸变化较大、材质易碎易变形的复杂抓持对象，传统的工业机械手已经无法满足抓持需求。

在工业机械手的基础上，出现了抓取适应性更强的多指灵巧手，其可以灵活精细的对各种复杂对象进行抓取和操作，但是由于采用了大量传感器和复杂的控制***，使得灵巧手本身的结构极为复杂，而且对应用环境有着较高的要求。

无论是工业机械手还是灵巧手大多都是由刚性机构组成的，刚性机构由运动副连接的刚性杆件组成，是传递或转换运动、力或能量的机械装置。与刚性机构不同，柔性机构由柔性部件(如弹簧，弹性杆等)构成，也能传递或转换运动、力或能量，而且在运动副传递运动的同时，还能从柔性部件的变形中获得一部分运动，从而增强柔性机构的自适应性。随着抓持对象的多样化和复杂化，传统的刚性结构无法满足机械手对抓持操作的柔顺性和适应性要求，于是针对柔性关节和柔性机械手的研究成为一种新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简便且抓取能力强的一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：

包括上下同心设置、并借助环向均布的多个连接杆固定的上固定盘和下固定盘，于上固定盘和下固定盘之间设有调节盘，于下固定盘的底面边缘环向均布有三根仿生指；

所述调节盘与上固定盘之间设有用于驱动调节盘上下移动的第一调节机构，所述调节盘与每一仿生指之间借助连杆固定，所述连杆包括水平设置的第一连杆，所述第一连杆的一端与调节盘借助竖直设置的第一转轴可转连接，所述第一连杆的另一端固定有L形的第二连杆，所述第二连杆的末端与仿生指的上端固定；

所述仿生指与固定盘之间借助第二调节机构连接，所述第二调节机构包括固定于下固定盘上的第二驱动电机，所述第二驱动电机的驱动轴朝下并固定有连接件，所述仿生指的上端与连接件借助水平的第二转轴可转动连接；

所述仿生指包括至少三节依次轴向连接的指关节，每一指关节包括两端的指间连接片，于两指间连接片上固定有相对设置的L形底座，于两L形底座之间水平设有连接气动***的气缸，所述气缸的两端分别与对应的L形底座铰接，于两指间连接片之间固定有板弹簧，所述板弹簧与气缸之间具有空间。

进一步的技术方案在于：所述第一调节机构包括固定于上固定盘中心的第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴向下并借助连轴器连接有驱动螺杆，所述上固定盘和下固定盘之间设有调节盘，所述调节盘的中心设有与驱动螺杆相匹配的驱动螺母。

进一步的技术方案在于：所述板弹簧为变截面式。

进一步的技术方案在于：所述仿生指的自由端与物体接触的位置固定有压力传感器。

进一步的技术方案在于：所述L形底座与指间连接片为可拆卸连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

初始抓取角度可调节：通过调节盘的上下移动，可调节仿生指的开合角度，一方面，仿生机械手的初始抓取角度决定其工作空间范围，初始抓取角度越大，仿生机械手能够抓取的目标物体的尺寸范围也就越大；另一方面，调节仿生机械手的初始抓取角度，能够加快仿生机械手与被抓取物体的初始接触，减少抓取操作的耗时，提高工作效率；

抓取模式可调节：通过第二调节机构可对仿生指的初始位置进行调节，能够根据被抓取物体的形状选择不同的抓取模式，包括中心抓取模式、平行抓取模式和捏取模式，能够适应对不同物品的抓取，且抓取牢固；

由于板弹簧柔性变形元件的存在，使得仿生机械手在接触到被抓取物体时，可以利用板弹簧的自适应变形来迎合物体的形状，对被抓取对象表现出良好的柔顺性与自适应性，不会破话被抓物品；

该仿生机械手结构简单，控制容易，无需大量精确传感器，制造成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的正视结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明中第一调节机构的结构示意图；

图5是本发明中仿生指的结构示意图(示出三节指关节)；

图6是本发明中指关节的结构示意图；

图7-1、7-2、7-3和7-4为本发明的不同初始抓取角度的机构示意图；

图8-1(弯曲前)和图8-2(弯曲后)为板弹簧受气缸作用发生弯曲变形的对比结构示意图；

图9-1、9-2和9-3为本发明的不同抓取模式的结构示意图(未示出仿生指)。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1～图6所示，一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，包括上下同心设置、并借助环向均布的多个连接杆3固定的上固定盘2和下固定盘7，于上固定盘2和下固定盘7之间设有调节盘4，于下固定盘7的底面边缘环向均布有三根仿生指11。

关于仿生指11的初始调节，可通过第一调节机构调节多根仿生指11之间的开角，以适应对不同尺寸物品的抓取，提高抓取效率；也可通过第一调节机构调节仿生指11的抓取模式，以适应对不同形状物品的抓取，提高抓取的稳定性。

关于仿生指11与各调节机构之间的连接关系，具体的，调节盘4与上固定盘2之间设有用于驱动调节盘4上下移动的第一调节机构，所述调节盘4与每一仿生指11之间借助连杆固定，所述连杆包括水平设置的第一连杆5，所述第一连杆5的一端与调节盘4借助竖直设置的第一转轴可转连接，所述第一连杆5的另一端固定有L形的第二连杆6，所述第二连杆6的末端通过基座10与仿生指11的上端固定。仿生指11与固定盘之间借助第二调节机构连接，所述第二调节机构包括固定于下固定盘7上的第二驱动电机8，所述第二驱动电机8的驱动轴朝下并固定有连接件9，所述仿生指11的上端与连接件9借助水平的第二转轴可转动连接。

关于仿生指11的柔性结构，所述仿生指11包括至少三节依次轴向连接的指关节，即一柔性近指节111、一柔性中指节112和一柔性指尖113，在柔性指尖113的末端固定有圆滑过渡的指尖连接件1139，可避免划伤物品。多节指关节的设置，可使每一仿生指11具有多节柔性结构，抓取时更贴合物体表面。每一指关节包括两端的指间连接片1131，于两指间连接片1131上固定有相对设置的L形底座1132，于两L形底座1132之间水平设有连接气动***的气缸1135，气缸1135上设有进气管接头1134和出气管接头1136,所述气缸1135的两端可借助单耳支座1133和双耳连接件1137分别与对应的L形底座1132铰接，于两指间连接片1131之间固定有板弹簧1138，所述板弹簧1138与气缸1135之间具有空间。

每个柔性的指关节都被一个气缸1135控制，所有气缸1135均采用相同的气动***，气缸1135由一个高精度电气比例减压阀控制。当气缸1135内充入气体时，气缸1135活塞杆伸长，将力与力矩传递给板弹簧1138，板弹簧1138产生变形弯曲，如图8-1和8-2所示，由于板弹簧1138有着较好的适应性与柔性，当被抓取物体形状不规则时，可以通过自身变形迎合物体的形状，进行有效抓持。控制气缸1135的压强不变，仿生机械手可以对被抓取物体实施提升、移动等操作，完成相应操作后，打开开关阀，气缸1135内气体放出，在板弹簧1138的恢复力作用下，压迫气缸1135活塞杆回缩，使柔性关节恢复到初始状态。

当根据抓取目标的大小对仿生机械手的初始抓取角度进行调节时，通过第一调节机构驱动调节盘4向上或下移动，当调节盘4向上移动时，在连杆的带动下，仿生指11会沿第二转轴向外转动，使得多根仿生指11之间的开角扩张。反之，当调节盘4向下移动时，多根仿生指11之间的开角收缩。从而实现通过调节盘4的上下移动，对仿生指11的开合角度的调节，如图7-1、图7-2、图7-3和图7-4所示。

对仿生机械手的初始抓取角度进行调节，一方面，仿生机械手的初始抓取角度决定其工作空间范围，初始抓取角度越大，仿生机械手能够抓取的目标物体的尺寸范围也就越大；另一方面，调节仿生机械手的初始抓取角度，能够加快仿生机械手与被抓取物体的初始接触，减少抓取操作的耗时，提高工作效率。

当根据抓取目标的形状对仿生机械手的抓取模式进行调节时，启动单个的第二驱动电机8，单独改变每一仿生指11的初始位置。第二驱动电机8通过连接件9带动对应的仿生指11旋转，此时连杆会沿第一转轴随仿生指11转动，改变仿生指11手的工作位置，进而改变机械手的手指布局。

以该仿生机械手具有三个仿生指11为例，如图9-1所示，在初始位置时，即0°位置，三个仿生指11环向均布，在第一调节机构的作用下能够呈锥体向中抱紧，使得机械手可以实现中心抓取模式，手指接触力沿法向指向抓取目标的几何中心，适合抓取圆形物体；如图9-2所示，当两仿生指11相对旋转15°后，该两仿生指11处于平行状态，第三个仿生指11位于该两仿生指11中间，在第一调节机构的作用下，三个仿生指11形成相互靠近，实现平行抓取模式，适合抓取圆柱形物体；当如图9-3所示，其中两仿生指11相背旋转30°后，三个仿生指11位于180°的范围内，缩小了三个仿生指11的范围，在第一调节机构的作用下，机械手可以实现捏取模式，适合适合捏取诸如硬币等尺寸较小的物体。

当抓取目标物为球体结构时，使用该仿生机械进行抓取操作时：

1.1通过第二调节机构将该仿生机械手调节为如图9-1所示的中心抓取模式；

1.2将被抓取的球形物体置于仿生机械手的工作空间中；

1.3通过第一调节机构驱动调节盘4向下，改变仿生机械手的初始抓取角度至合适位置，理想位置为恰好使得仿生指11与被抓取球形物体发生接触；

1.4仿生指11中未与被抓取球形物体发生接触的指关节中的板弹簧1138在对应气缸1135的作用下发生柔顺变形，直至仿生指11与被抓取球形物体发生接触，完成中心抓取操作。

当抓取目标物为圆柱体结构时，使用该仿生机械进行抓取操作时：

2.1通过第二调节机构将该仿生机械手调节为如图9-2所示的平行抓取模式；

2.2将被抓取的圆柱形物体置于仿生机械手的工作空间中；

2.3通过第一调节机构驱动调节盘4向下，改变仿生机械手的初始抓取角度至合适位置，理想位置为恰好使得仿生指11与被抓取球形物体发生接触；

2.4仿生指11中未与被抓取球形物体发生接触的指关节中的板弹簧1138在对应气缸1135的作用下发生柔顺变形，直至仿生指11与被抓取球形物体发生接触，完成中心抓取操作。

其中，仿生指11的初始角度，应使抓取物能够被放置在仿生机械手的工作空间中。

具体的，关于第一调节机构的具体形式，第一调节机构包括固定于上固定盘2中心的第一驱动电机1，所述第一驱动电机1的输出轴向下并借助连轴器12连接有驱动螺杆13，所述上固定盘2和下固定盘7之间设有调节盘4，所述调节盘4的中心设有与驱动螺杆13相匹配的驱动螺母14。第一驱动电机1正转，带动驱动螺杆13正转，使得驱动螺母14沿驱动螺杆13向上移动，从而使调节盘4上移，仿生指11向外扩张。反之，第一驱动电机1反转，使得调节盘4下移，生指向内收合。

其中，第一驱动电机1和第二驱动电机8均采用伺服电机或者步进电机均可，且电机配置有旋转编码器，使得对仿生指11的调节更加精准。

板弹簧1138可以采用等截面的矩形板弹簧1138，但优选的板弹簧1138为变截面式，例如双梯形板弹簧1138、抛物线形板弹簧1138，变截面板弹簧1138不仅能够节约资源，且柔顺性更好。

仿生指11的自由端与物体接触的位置固定有压力传感器，通过压力传感器对指尖压力的检测，可以实时调节仿生指11与接触物品指尖的压力，避免损坏物品。具体的，压力传感器将检测的压力传输给控制器，控制器根据压力值适时调节气缸1135的伸长，以使板弹簧1138的弯曲度更贴合物品。

L形底座1132与指间连接片1131为可拆卸连接，通过更换不同高度的L形底座1132，改变气缸1135的轴心线与板弹簧1138的中性面之间的距离，以使板弹簧1138具有足够的变形空间，满足不同的变形需求。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：

包括上下同心设置、并借助环向均布的多个连接杆(3)固定的上固定盘(2)和下固定盘(7)，于上固定盘(2)和下固定盘(7)之间设有调节盘(4)，于下固定盘(7)的底面边缘环向均布有三根仿生指(11)；

所述调节盘(4)与上固定盘(2)之间设有用于驱动调节盘(4)上下移动的第一调节机构，所述调节盘(4)与每一仿生指(11)之间借助连杆固定，所述连杆包括水平设置的第一连杆(5)，所述第一连杆(5)的一端与调节盘(4)借助竖直设置的第一转轴可转连接，所述第一连杆(5)的另一端固定有L形的第二连杆(6)，所述第二连杆(6)的末端与仿生指(11)的上端固定；

所述仿生指(11)与固定盘之间借助第二调节机构连接，所述第二调节机构包括固定于下固定盘(7)上的第二驱动电机(8)，所述第二驱动电机(8)的驱动轴朝下并固定有连接件(9)，所述仿生指(11)的上端与连接件(9)借助水平的第二转轴可转动连接；

所述仿生指(11)包括至少三节依次轴向连接的指关节，每一指关节包括两端的指间连接片(1131)，于两指间连接片(1131)上固定有相对设置的L形底座(1132)，于两L形底座(1132)之间水平设有连接气动***的气缸(1135)，所述气缸(1135)的两端分别与对应的L形底座(1132)铰接，于两指间连接片(1131)之间固定有板弹簧(1138)，所述板弹簧(1138)与气缸(1135)之间具有空间。

2.根据权利要求1所述的一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：所述第一调节机构包括固定于上固定盘(2)中心的第一驱动电机(1)，所述第一驱动电机(1)的输出轴向下并借助连轴器(12)连接有驱动螺杆(13)，所述上固定盘(2)和下固定盘(7)之间设有调节盘(4)，所述调节盘(4)的中心设有与驱动螺杆(13)相匹配的驱动螺母(14)。

3.根据权利要求1所述的一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：所述板弹簧(1138)为变截面式。

4.根据权利要求1所述的一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：所述仿生指(11)的自由端与物体接触的位置固定有压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种初始抓取角度可调节的柔性仿生机械手，其特征在于：所述L形底座(1132)与指间连接片(1131)为可拆卸连接。

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