CN110549357A - 快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、驱动器、两个指段、两个关节轴、多个齿轮、中间传动机构、柔性传动件、滑块、限位盘、簧件和限位盘等。该装置实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能。根据目标物体形状和位置的不同，该装置自动采用平夹或自适应包络模式抓取。该装置既能末端平行夹持物体；也能用两个指段自适应包络不同形状、大小的物体，抓取稳定。该装置在自适应抓取时第二指段响应快速，抓取效率高；抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制***；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，特别涉及一种快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置的设计。
背景技术
目前已经开发出的平夹自适应欠驱动机器人手，采用少量驱动器驱动多个自由度关节，驱动器数量少，具有平夹抓取功能，同时增加对物体包络的抓取效果，扩大了抓取范围，提高了抓取稳定性，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时传感和闭环反馈控制，简单方便。
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、末端指段和平带轮式传动机构等。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，难实现较好的末端平行夹持抓取效果。
已有的一种具有双关节的五连杆欠驱动手指装置(美国专利US8973958B2)，包括基座、电机、两个指段、两个连杆、限位块和簧件等。该装置根据物体的位置实现平行夹持或自适应包络握持的功能。平夹阶段保持第二指段相对于基座不变的竖直的姿态，近关节转动，第二指段接触到物体时完成平夹；自适应抓取阶段开始时保持第二指段保持竖直的姿态，近关节转动，当第一指段接触物体时，电机继续驱动打开限位，簧件变形，第二指段再进行自适应包络抓取物体。另一种柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置(专利CN201610152554.2)被设计出来，能够实现平夹与自适应复合抓取的功能，采用了齿轮传动机构和柔性传动件作为传动零部件。包括上述两种手指的现有平夹自适应机器人手指均存在无法快速响应，快速抓取运动中的物体，这一点在第一指段转动较大角度后更为明显。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置。该装置具有两种抓取模式，既能平动第二指段夹持物体，也能先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；自适应抓取动作迅速，实现快速高效抓取；抓取范围大；无需复杂的传感和控制***。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的一种快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，包括基座、驱动器、输入传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一齿轮、第二齿轮和中间传动机构；所述近关节轴活动套设在基座中；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；所述驱动器与基座固接；所述输入传动机构设置在基座中；所述驱动器的输出轴与输入传动机构的输入端相连；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上；所述第二齿轮与第二指段固接；所述中间传动机构安装在第一指段中，所述中间传动机构的输入齿轮与第一齿轮啮合，所述中间传动机构的输出齿轮与第二齿轮相啮合；通过中间传动机构的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；其特征在于：该快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置还包括滑块、第三齿轮、第四齿轮、转轴、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、簧件、限位盘和凸块；所述输入传动机构的输出端与近关节轴相连，所述第一指段套固在近关节轴上；所述滑块滑动镶嵌在第一指段中；所述转轴套设在第一指段中，所述转轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第三齿轮套固在转轴上；所述第四齿轮活动套接在远关节轴上；所述第三齿轮和第四齿轮相啮合；所述中间传动机构的输出齿轮套固在转轴上；所述第一传动轮套接在近关节轴上，所述第一传动轮与基座固接；所述第二传动轮套接在远关节轴上，所述第二传动轮与第四齿轮固接；所述柔性传动件的一端与第一传动轮固接，柔性传动件依次缠绕经过第一传动轮、第二传动轮，柔性传动件的另一端与第二传动轮固接；所述滑块在滑动过程中与柔性传动件接触并挤压柔性传动件变形；所述限位盘活动套接在近关节轴上，限位盘与第一齿轮固接；所述凸块与基座固接；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在该快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，限位盘与凸块接触，设此时限位盘相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，限位盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述凸块限制限位盘的转动角度只能为正；所述簧件的两端分别连接限位盘和基座。设第四齿轮到第三齿轮的分度圆直径之比为k，设中间传动机构的输出齿轮到第二齿轮的分度圆直径之比为p，设第二传动轮的传动半径和第一传动轮的传动半径之比为m，则：m＝kp。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、液压缸或气缸。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述柔性传动件采用腱绳、传动带或链条。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于；所述中间传动机构为n个齿轮的齿轮传动机构，n为奇数。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括输入齿轮、过渡齿轮、输出齿轮、输入轴和过渡轴；所述输入轴套设在第一指段中，所述过渡轴套设在第一指段中；所述输入齿轮套接在输入轴上，所述过渡齿轮套接在过渡轴上；所述输入齿轮与过渡齿轮啮合，所述过渡齿轮与输出齿轮啮合。
本发明与现有技术相比，具有以下突出特点和有益效果：
本发明装置利用基座、驱动器、两个指段、两个关节轴、滑块、柔性传动件、两个传动轮、多个齿轮、传动机构、簧件、限位盘和凸块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能。根据目标物体形状和位置的不同，该装置自动采用平夹或自适应包络模式抓取。该装置既能平动第二指段捏持物体，适合在工作台上平夹物体；也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体，抓取稳定。该装置在第二指段自适应包络抓取时响应快速，抓取效率高。该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，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是本发明设计的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体图。
图2是图1所示实施例的正视图。
图3是图1所示实施例的内部立体视图(未画出部分零件)。
图4是图1所示实施例的后视图(未画出部分零件)。
图5是图1所示实施例的***视图。
图6至图8是图1所示实施例的平行夹持过程示意图。
图9至图13是图1所示实施例的自适应抓取过程示意图。
在图1至图13中：
1－基座， 11－限位盘， 12－簧件， 13－凸块，
2－第一指段， 21－第一指段中板， 22－第一指段左侧板，23－第一指段右侧板，
24－第一指段前板， 25－第一指段后板， 26－滑块， 3－第二指段，
41－近关节轴， 42－远关节轴， 43－转轴， 51－第一齿轮，
52－第二齿轮， 53－第三齿轮， 54－第四齿轮， 61－输入齿轮，
62－过渡齿轮， 63－输出齿轮， 64－输入轴， 65－过渡轴，
71－第一传动轮， 72－第二传动轮， 73－传动带， 81－电机，
82－减速器， 83－第一锥齿轮， 84－第二锥齿轮， 9－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。
本发明设计的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图5所示，包括基座1、驱动器、输入传动机构、第一指段2、第二指段3、近关节轴41、远关节轴42、第一齿轮51、第二齿轮52和中间传动机构；所述近关节轴41活动套设在基座1中；所述远关节轴42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42上；所述近关节轴41的中心线与远关节轴42的中心线平行；所述驱动器与基座1固接；所述输入传动机构设置在基座1中；所述驱动器的输出轴64与输入传动机构的输入端相连；所述第一齿轮51活动套接在近关节轴41上；所述第二齿轮52套接在远关节轴42上；所述第二齿轮52与第二指段3固接；所述中间传动机构安装在第一指段2中，所述中间传动机构的输入齿轮61与第一齿轮51啮合，所述中间传动机构的输出齿轮63与第二齿轮52相啮合；通过中间传动机构的传动，从第一齿轮51到第二齿轮52的传动是同向传动且传动比等于1；该快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置还包括滑块26、第三齿轮53、第四齿轮54、转轴43、第一传动轮71、第二传动轮72、柔性传动件、簧件、限位盘11和凸块13；所述输入传动机构的输出端与近关节轴41相连，所述第一指段2套固在近关节轴41上；所述滑块26滑动镶嵌在第一指段2中；所述转轴43套设在第一指段2中，所述转轴43的中心线与近关节轴41的中心线平行；所述第三齿轮53套固在转轴43上；所述第四齿轮54活动套接在远关节轴42上；所述第三齿轮53和第四齿轮54相啮合；所述中间传动机构的输出齿轮63套固在转轴43上；所述第一传动轮71套接在近关节轴41上，所述第一传动轮71与基座1固接；所述第二传动轮72套接在远关节轴42上，所述第二传动轮72与第四齿轮54固接；所述柔性传动件的一端与第一传动轮71固接，柔性传动件依次缠绕经过第一传动轮71、第二传动轮72，柔性传动件的另一端与第二传动轮72固接；所述滑块26在滑动过程中与柔性传动件接触并挤压柔性传动件变形；所述限位盘11活动套接在近关节轴41上，限位盘11与第一齿轮51固接；所述凸块13与基座1固接；设第一指段2靠向物体9的转动方向为近关节正方向，第一指段2远离物体9的转动方向为近关节反方向；在该滑块26柔性传动件间接式平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，限位盘11与凸块13接触，设此时限位盘11相对基座1的旋转角度为0度，从该位置开始，限位盘11朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位盘11朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述凸块13限制限位盘11的转动角度只能为正；所述簧件的两端分别连接限位盘11和基座1。设第四齿轮54到第三齿轮53的分度圆直径之比为k，设中间传动机构的输出齿轮63到第二齿轮52的分度圆直径之比为p，设第二传动轮72的传动半径和第一传动轮71的传动半径之比为m，则：m＝kp。
本实施例中，取k＝2，p＝2，m＝kp＝4。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机81、液压缸或气缸。本实施例中，驱动器为电机81。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述柔性传动件采用腱绳、传动带73或链条。本实施例中，柔性传动件为传动带73。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧12、压簧或扭簧。本实施例中，簧件为拉簧12。
本发明所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于；所述中间传动机构为n个齿轮的齿轮传动机构，n为奇数。本实施例中，n＝3，所述中间传动机构包括输入齿轮61、过渡齿轮62、输出齿轮63、输入轴和过渡轴65；所述输入轴套设在第一指段2中，所述过渡轴65套设在第一指段2中；所述输入齿轮61套接在输入轴上，所述过渡齿轮62套接在过渡轴65上；所述输入齿轮61与过渡齿轮62啮合，所述过渡齿轮62与输出齿轮63啮合。
本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段2中板、第一指段2左侧板、第一指段2右侧板、第一指段2前板和第一指段2后板。
本实施例中，所述输入传动机构包括减速器82、第一锥齿轮83和第二锥齿轮84；所述电机81的输出轴64与减速器82的输入轴相连，所述第一锥齿轮83套固在减速器82的输出轴64上，所述第二锥齿轮84套固在近关节轴41上，所述第一锥齿轮83与第二锥齿轮84啮合。
工作原理结合附图，叙述如下：
限位盘11转角、柔性件与第二指段3运动的关系介绍如下：
本实施例中，将初始位置设置为手指伸直的状态，此时第一指段2和第二指段3在图中均为竖直状态(如图6、图9所示)。
a)平行夹持(平夹)阶段
当限位盘11的旋转角度为0度时，此时拉簧12拉着限位盘11使其紧靠在凸块13上。
当第一指段2绕近关节轴41转动角度α时，在中间传动机构作用下，第二指段3仍然会保持与初始位置时相同的的姿态(相对于基座1不变)，原因是：
当本实施例抓取物体9时，电机81转动，通过输入传动机构的传动，使得第一指段2正转，由于限位盘11与第一齿轮51固接，通过中间传动机构的传动，从第一齿轮51到第二齿轮52的传动是同向传动且传动比等于1，也就是第二齿轮52相对于第一指段2会绕远关节轴42反向转动α，所以第二齿轮52相对基座1的只进行平移运动而不会旋转。
由于第二齿轮52与第二指段3固接，第二指段3相对于第一指段2绕远关节轴42反向转过相同角度α，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转，始终保持着原有的姿态。
这是平行夹持的阶段，这一阶段适合以第二指段3去夹持物体9。
当第一指段2绕近关节轴41的中心线转动α时，传动带73依然保持张紧，原因是：
平夹过程中，第二齿轮52相对于第一指段2绕远关节轴42反向转动α，输出齿轮63到第二齿轮52的分度圆直径之比为2，所以带动输出齿轮63相对第一指段2正向转动α/2，由于输出齿轮63和第三齿轮53都固接在转轴43上，所以第三齿轮53相对第一指段2正向转动α/2，第四齿轮54到第三齿轮53的分度圆直径之比为2，所以带动第四齿轮54相对于第一指段2反向转动α/4。
设第一传动轮71直径为r，因为第二传动轮72的传动半径和第一传动轮71的传动半径之比为4，所以第二传动轮72直径为4r。
于是传动带73在第二传动轮72上缠绕的一段弧长x，x＝4r×α/4＝rα。
此时，固接于基座1的第一传动轮71相对于第一指段2反向转动α，所以传动带73在第一传动轮71上解除缠绕的一段弧长s，s＝rα。
所以x＝s，所以传动带73缠绕和解除缠绕的长度相等，传动带73在平夹过程中仍保持张紧状态。
在此过程中，当第二指段3接触物体9时，抓取结束，达到了平夹方式抓取物体9的目的，该过程如图6到图8所示。
b)自适应抓取阶段
在上述平夹过程(如图9、图10所示)中，如果第一指段2前方的滑块26先于第二指段3接触物体9，物体9会挤压滑块26向第一指段2内部滑动一段距离，滑块26挤压传动带73向第一指段2内部变形，传动带73拉动第二传动轮72正转，第四齿轮54绕远关节轴42正转，通过第三齿轮53、输出齿轮63带动第二齿轮52绕远关节轴42快速正转，所以第二指段3绕远关节轴42快速正转，直到第二指段3接触到物体9，抓取结束。
此过程对于不同形状和大小的物体9均具有自动包络抓取的效果，达到自适应抓取目的，该自适应抓取过程如图12、图13所示。
上述的自适应阶段中，第二指段3快速转动的原因是：
滑块26受物体9挤压向内滑动从而推动传动带73，由于传动带73的一端固定在第一传动轮71上，所以传动带73向内凹陷带动第二传动轮72转动，带动第四齿轮54转动，设第四齿轮54的转速为ω，由于第四齿轮54的分度圆直径是第三齿轮53的2倍，第四齿轮54带动第三齿轮53以2ω的转速快速转动，第三齿轮53与中间传动机构的输出齿轮63固接在转轴43上，从而输出齿轮63以同样2ω的转速转动，由于输出齿轮63的分度圆直径是第二齿轮52的2倍，输出齿轮63带动与之啮合的第二齿轮52以4ω的转速快速转动，第二齿轮52与第二指段3固接在远关节轴42上，从而第二指段3以4ω的转速快速转动。
同时第二齿轮52的快速转动，通过中间传动机构，使得第一齿轮51和限位盘11以4ω的转速绕近关节轴41转动，凸块13和限位盘11分离，拉簧12变形量增大。
释放物体9的过程：电机81反转，后续过程与上述抓取物体9的过程刚好相反，不再赘述。
本发明装置利用基座、驱动器、两个指段、两个关节轴、滑块、柔性传动件、两个传动轮、多个齿轮、传动机构、簧件、限位盘和凸块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能。根据目标物体形状和位置的不同，该装置自动采用平夹或自适应包络模式抓取。该装置既能平动第二指段捏持物体，适合在工作台上平夹物体；也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体，抓取稳定。该装置在第二指段自适应包络抓取时响应快速，抓取效率高。该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，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)
1.一种快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，包括基座、驱动器、输入传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一齿轮、第二齿轮和中间传动机构；所述近关节轴活动套设在基座中；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；所述驱动器与基座固接；所述输入传动机构设置在基座中；所述驱动器的输出轴与输入传动机构的输入端相连；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上；所述第二齿轮与第二指段固接；所述中间传动机构安装在第一指段中，所述中间传动机构的输入齿轮与第一齿轮啮合，所述中间传动机构的输出齿轮与第二齿轮相啮合；通过中间传动机构的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；其特征在于：该快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置还包括滑块、第三齿轮、第四齿轮、转轴、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、簧件、限位盘和凸块；所述输入传动机构的输出端与近关节轴相连，所述第一指段套固在近关节轴上；所述滑块滑动镶嵌在第一指段中；所述转轴套设在第一指段中，所述转轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第三齿轮套固在转轴上；所述第四齿轮活动套接在远关节轴上；所述第三齿轮和第四齿轮相啮合；所述中间传动机构的输出齿轮套固在转轴上；所述第一传动轮套接在近关节轴上，所述第一传动轮与基座固接；所述第二传动轮套接在远关节轴上，所述第二传动轮与第四齿轮固接；所述柔性传动件的一端与第一传动轮固接，柔性传动件依次缠绕经过第一传动轮、第二传动轮，柔性传动件的另一端与第二传动轮固接；所述滑块在滑动过程中与柔性传动件接触并挤压柔性传动件变形；所述限位盘活动套接在近关节轴上，限位盘与第一齿轮固接；所述凸块与基座固接；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在该快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，限位盘与凸块接触，设此时限位盘相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，限位盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述凸块限制限位盘的转动角度只能为正；所述簧件的两端分别连接限位盘和基座。设第四齿轮到第三齿轮的分度圆直径之比为k，设中间传动机构的输出齿轮到第二齿轮的分度圆直径之比为p，设第二传动轮的传动半径和第一传动轮的传动半径之比为m，则：m＝kp。
2.如权利要求1所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、液压缸或气缸。
3.如权利要求1所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述柔性传动件采用腱绳、传动带或链条。
4.如权利要求1所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧或扭簧。
5.如权利要求1所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于；所述中间传动机构为n个齿轮的齿轮传动机构，n为奇数。
6.如权利要求5所述的快速包络抓取平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括输入齿轮、过渡齿轮、输出齿轮、输入轴和过渡轴；所述输入轴套设在第一指段中，所述过渡轴套设在第一指段中；所述输入齿轮套接在输入轴上，所述过渡齿轮套接在过渡轴上；所述输入齿轮与过渡齿轮啮合，所述过渡齿轮与输出齿轮啮合。
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Cited By (1)
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2019
- 2019-09-18 CN CN201910880848.0A patent/CN110549357A/zh active Pending
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