CN112119986B - 一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手。本发明针对于现有的水下机械手在抓取海参、扇贝以及海胆等海生物时抓取适应性不强，抓取海生物时抓力不可控而导致海生物容易受到损伤降低其商业价值等缺点，设计了一个舵机驱动结合腱绳‑扭簧传动结构的水下欠驱动多指机械手，将驱动施加于各个手指的腱绳，通过腱绳张紧驱动多手指机构完成弯曲抓握动作，实现对海参等海生物的周边包络，形状自适应抓取运动，完成对海生物的无损、可靠性抓取。本发明的具有抓取形状适应性好、抓取包络范围大、抓取无目标损性好、密封性能好、密封结构简单、抓取可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手。
背景技术
传统的海参、扇贝等海生物的近海捕捞大多依靠潜水员下水作业完成，作业成本高、水温低、潜水员面临伤病和生命的威胁，尤其当作业深度超过20m，潜水员的工作时间大大缩短。而采用机器人代替潜水员可以较大地提高作业时间、降低捕捞成本，减少潜水员的伤病，提高捕捞的安全性。
目前，机器人捕捞海生物主要通过抽吸和抓取两种方式来完成。水下采捕机器人通过抽吸方式捕捞海生物时，主要由抽吸装置将海生物吸入收集容器内，虽然也可以完成海参等生物的捕捞，但在实际使用中容易将海底的泥沙、礁石、水草等杂物也吸进收集容器，甚至堵塞抽吸源。水下机械手是机器人完成水下目标抓取和作业的所常用方式。水下机械手虽然能够完成水下的目标抓取作业，但海参为光滑柔软的长纺锤状生物，难以完成可靠并且无损的抓取。
发明内容
本发明的目的在于提供用于完成对海参等复杂形状海生物的周边包络、无损抓取的一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括手爪模块和驱动模块；所述的手爪模块包括手爪基座；所述的手爪基座两侧分别安装有两根机械手指，四根机械手指结构相同；所述的机械手指包括手指基座、上指节和下指节；所述的手指基座安装在手爪基座上；所述的下指节包括下指节左侧板和下指节右侧板，在下指节左侧板上部与下指节右侧板上部之间设有上关节扭簧，在下指节左侧板底部与下指节右侧板底部之间设有下关节扭簧；所述的下关节扭簧的下端抵在手指基座下平面凸台处，下关节扭簧的上端抵在下指节右侧板凸起处；所述的下指节左侧板下端、下指节右侧板下端和下关节扭簧通过手指长轴串连在一起，安装在手指基座上；所述的手指长轴上设有手指长轴套，在手指长轴套上开设有沟槽；所述的上指节包括上指节指板；所述的上指节指板下端、下指节左侧板上端、上关节扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起；所述的手指关节销轴左右两端通过轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上端，手指关节销轴穿过上关节扭簧中心并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起处，上关节扭簧的下端抵在手指细轴上；所述的手指细轴安装在上关节扭簧下方，手指细轴两端分别穿过下指节左侧板与下指节右侧板上的定位孔并抵住两板，在下指节左侧板与下指节右侧板上方设有手指护板，手指护板将下指节左侧板与下指节右侧板连接为一体；所述的上指节指板的上部设有立柱结构，在立柱结构外部包覆有指套；所述的上指节指板上端安装有腱绳；所述的腱绳的上端固定于上指节指板上端，腱绳的下端依次绕过手指关节销轴、手指细轴与手指长轴套沟槽后固定在绳轮筒上；所述的绳轮筒与驱动模块的驱动主轴连接；位于手爪基座同一侧的两根机械手指的手指长轴相连。。
本发明还可以包括：
所述的驱动模块包括水密外壳和驱动舵机；所述的驱动舵机固定于水密外壳中，驱动舵机的舵机主轴与舵盘连接；所述的舵盘的下端与舵机主轴齿轮啮合，舵盘的上端与驱动主轴的下端连接；所述的驱动主轴的上端与绳轮筒连接。
所述的驱动舵机由舵机固定件包络，舵机下端安装有同心定位盘；所述的同心定位盘与舵机下端定位孔配合，同时通过定位销与舵机固定件配合，使得舵机、舵机固定件与同心定位盘组成一体；所述的舵机固定件上部柱状薄壁与水密外壳的隔板定位孔同心配合，辅之以螺钉与水密外壳固结，保证舵机与水密壳体的同心度符合要求；所述的驱动主轴下部通过球轴承与水密壳体中间隔板同心配合，驱动主轴上端穿过格莱圈盖和手爪基座定位孔后与绳轮筒连接，满足同心度要求的同时保证驱动主轴的动密封有效；所述的格莱圈盖中设有格莱圈，格莱圈安置于格莱圈盖凹槽中，格莱圈的内壁与驱动主轴上端贴合，格莱圈的外壁与格莱圈盖贴合；所述的格莱圈盖与水密壳体之间通过O型圈密封。
本发明的有益效果在于：
本发明针对于现有的水下机械手在抓取海参、扇贝以及海胆等海生物时抓取适应性不强，抓取海生物时抓力不可控而导致海生物容易受到损伤降低其商业价值等缺点，设计了一个舵机驱动结合腱绳-扭簧传动结构的水下欠驱动多指机械手，将驱动施加于各个手指的腱绳，通过腱绳张紧驱动多手指机构完成弯曲抓握动作，实现对海参等海生物的周边包络，形状自适应抓取运动，完成对海生物的无损、可靠性抓取。本发明的一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手具有抓取形状适应性好、抓取包络范围大、抓取无目标损性好、密封性能好、密封结构简单、抓取可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明中手爪模块的结构图。
图2是本发明中驱动模块的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明设计了一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手，主要针对于现有的水下机械手在抓取海参、扇贝以及海胆等海生物时抓取适应性不强，抓取海生物时抓力不可控而导致海生物容易受到损伤降低其商业价值等缺点，设计了一个舵机驱动结合腱绳-扭簧传动结构的水下欠驱动多指机械手，然后将驱动施加于各个手指的腱绳，通过腱绳张紧驱动多手指机构完成弯曲抓握动作，实现对海参等海生物的周边包络，形状自适应抓取运动，完成对海生物的无损、可靠性抓取。
本发明的水下欠驱动多指机械手主要由手指薄板，腱绳-扭簧传动组合机构，柔性橡胶指套，水密机构，驱动机构等装配组合构成。本发明具有抓取形状适应性好、抓取包络范围大、抓取无目标损性好、密封性能好、密封结构简单、抓取可靠性高等优点。
一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手，包括手爪模块和驱动模块；所述的手爪模块包括手爪基座1-6；所述的手爪基座两侧分别安装有两根机械手指，四根机械手指结构相同；所述的机械手指包括手指基座1-5、上指节和下指节；所述的下指节包括下指节左侧板1-7和下指节右侧板1-10，在下指节左侧板上部与下指节右侧板上部之间设有上关节扭簧1-14，在下指节左侧板底部与下指节右侧板底部之间设有下关节扭簧1-13；所述的下关节扭簧的下端抵在手指基座下平面凸台处，下关节扭簧的上端抵在下指节右侧板凸起处；所述的下指节左侧板下端、下指节右侧板下端和下关节扭簧通过手指长轴1-4串连在一起，安装在手指基座上；所述的手指长轴上设有手指长轴套，在手指长轴套上开设有沟槽；所述的上指节包括上指节指板1-2；所述的上指节指板下端、下指节左侧板上端、上关节扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起；所述的手指关节销轴1-3左右两端通过轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上端，手指关节销轴穿过上关节扭簧中心并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起处，上关节扭簧的下端抵在手指细轴1-9上；所述的手指细轴安装在上关节扭簧下方，手指细轴两端分别穿过下指节左侧板与下指节右侧板上的定位孔并抵住两板，在下指节左侧板与下指节右侧板上方设有手指护板1-13，手指护板将下指节左侧板与下指节右侧板连接为一体；所述的上指节指板的上部设有立柱结构，在立柱结构外部包覆有指套1-1；所述的上指节指板上端安装有腱绳1-8；所述的腱绳的上端固定于上指节指板上端，腱绳的下端依次绕过手指关节销轴、手指细轴与手指长轴套沟槽后固定在绳轮筒2-8上；所述的绳轮筒与驱动模块的驱动主轴连接；位于手爪基座同一侧的两根机械手指的手指长轴相连。
所述的驱动模块包括水密外壳2-9和驱动舵机2-3；所述的驱动舵机固定于水密外壳中，驱动舵机的舵机主轴与舵盘2-7连接；所述的舵盘的下端与舵机主轴齿轮啮合，舵盘的上端与驱动主轴2-2的下端连接；所述的驱动主轴的上端与绳轮筒连接。
所述的驱动舵机由舵机固定件2-6包络，舵机下端安装有同心定位盘2-4；所述的同心定位盘与舵机下端定位孔配合，同时通过定位销与舵机固定件配合，使得舵机、舵机固定件与同心定位盘组成一体；所述的舵机固定件上部柱状薄壁与水密外壳的隔板定位孔同心配合，辅之以螺钉与水密外壳固结，保证舵机与水密壳体的同心度符合要求；所述的驱动主轴下部通过球轴承与水密壳体中间隔板同心配合，驱动主轴上端穿过格莱圈盖2-10和手爪基座定位孔后进入到绳轮筒中，满足同心度要求的同时保证驱动主轴的动密封有效；所述的格莱圈盖中设有格莱圈，格莱圈安置于格莱圈盖凹槽中，格莱圈的内壁与驱动主轴上端贴合，格莱圈的外壁与格莱圈盖贴合；所述的格莱圈盖与水密壳体之间通过O型圈2-5密封。
实施例1：
一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手，它包括欠驱动形状自适应多指手爪模块、驱动模块。它能够在海参抓取过程中通过机械臂的运动趋近海参，通过欠驱动自适应多指机械手结构的包络运动实现手爪在水下对目标的周边包络，从而完成对海参的形状适应性无损抓取。形状自适应多指手爪模块包括欠驱动手指模块、欠驱动手指基座模块，并利用螺钉固定在水密模块中的外壳上；腱绳-扭簧传动模块搭载于形状自适应多指手爪模块；水密模块包括动密封模块、静密封模块；驱动模块主要是驱动舵机模块；力感知模块主要是六维力/力矩传感器模块。
舵机驱动模块包括一个驱动舵机、舵机固定件、舵盘、同心定位盘、驱动主轴；舵机由舵机固定件包络，同心定位盘与舵机下端定位孔紧配合，同时通过定位销与舵机固定件配合，舵机、舵机固定件与同心定位盘组成一体；舵机固定件上部柱状薄壁与水密外壳的隔板定位孔同心配合，辅之以螺钉与水密外壳固结，保证舵机与水密壳体的同心度符合要求；舵盘下端与舵机主轴齿轮啮合，上端与驱动主轴下端刚性连接传递扭矩；驱动主轴下端通过球轴承与水密壳体中间隔板同心配合，上端依次与格莱圈盖、格莱圈、绳轮筒、手指基座定位孔与轴承同心配合，满足同心度要求保证驱动主轴的动密封有效，其中格莱圈安置于格莱圈盖凹槽中，内壁与驱动主轴上端贴合，格莱圈外壁与格莱圈盖贴合，绳轮筒与驱动主轴通过平键连接；格莱圈盖与水密壳盖皆使用O型圈与水密壳体密封。
欠驱动自适应多指手爪有两侧每侧两个共四个手指，包括手指橡胶指套、上指节指板、下指节左侧板、下指节右侧板、不锈钢轴承、不锈钢螺钉、手指滑动垫片、手指支撑细轴、手指关节销轴、手指连接支柱、手指护板、关节扭簧、腱绳、手指基座、力传感器、绳轮筒。橡胶指套通过自身的弹性包裹于上指节指板上部立柱结构处，再通过不锈钢细螺钉将上述两者固定；手指连接支柱通过不锈钢螺钉分别与上指节指板、手指关节销轴刚性连接构成上指节；手指细轴两端分别穿过下指节左侧板与下指节右侧板上的定位孔并抵住左右侧板；手指护板通过不锈钢螺钉将下指节左、右侧板连接为一体；手指关节销轴左右两端通过球轴承安置在下指节左、右侧板的上部，同时销轴穿过关节扭簧的中心并将扭簧上端抵在上指节指板内侧凸起处，关节扭簧下端抵在下侧手指细轴上，组成上关节旋转副，关节扭簧为上关节阻尼；手指滑动垫片镶嵌在下指节左、右侧板下部，手指长轴依次穿过轴承、手指基座、手指滑动垫片中心、下指节左侧板下部、手指长轴套中心、关节扭簧中心、下指节右侧板下部、手指滑动垫片中心，组成下关节旋转副，其中下关节扭簧下端抵在手指基座下平面凸台处，上端抵在下指节右侧板凸起处，组成下关节旋转副；腱绳上端通过不锈钢螺钉固定于上指节指板上端，依次绕过手指关节销轴、手指细轴与手指长轴套沟槽，下端与绳轮筒固结。
舵机通过舵盘将扭矩施加给驱动主轴，并通过平键连接带动绳轮筒与驱动主轴同步做旋转运动，腱绳随着主轴旋转运动而收缩，由于关节扭簧的阻尼作用，欠驱动手指首先以下关节为中心做旋转运动，手指上关节无旋转运动，手指整体绕下关节旋转一定角度后，随着腱绳的继续收缩，手指上关节与下关节耦合运动—即手指驱动主轴的运动通过腱绳与扭簧的张力带动手指下指节和上指节之间的耦合运动。每侧的两个手指当抓取之初未受外力时同步运动，当单一手指遇到海参时，该手指能够根据海参的形状阻碍使得手指驱动主轴扭簧受到阻力和腱绳张力达到平衡，其他手指继续在腱绳的带动下继续运动，从而实现对海参的形状适应性抓取。对海参抓取力可以通过扭簧的选型以及力传感器来保证无损抓取。在抓取过程中，下指节和上指节的夹角变化与手指扭簧的刚度系数有关，其关系由手指扭簧刚度系数、腱绳张力、手指摩擦力计算得到，设计该关系可以保证对海参外形的准确包络与海参本体的无损抓取。
本发明的目的是设计一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手结构，主要针对现有的水下机械手在抓取海参等海生物时形状适应性不强，抓取不可靠或海参易受损坏等缺点，设计了一个舵机结合腱绳-扭簧传递机构驱动的多指手抓结构，通过多指结构对海参的周边包络进行形状适应性抓取，完成对海参等海生物的无损、可靠性抓取。
舵机通过舵盘将扭矩施加给驱动主轴，并通过平键连接带动绳轮筒与驱动主轴同步做旋转运动，腱绳随着主轴旋转运动而收缩，由于关节扭簧的阻尼作用，欠驱动手指首先以下关节为中心做旋转运动，手指上关节无旋转运动，手指整体绕下关节旋转一定角度后，随着腱绳的继续收缩，手指上关节与下关节耦合运动—即手指驱动主轴的运动通过腱绳与扭簧的张力带动手指下指节和上指节之间的耦合运动。每侧的两个手指当抓取之初未受外力时同步运动，当单一手指遇到海参时，该手指能够根据海参的形状阻碍使得手指驱动主轴扭簧受到阻力和腱绳张力达到平衡，其他手指继续在腱绳的带动下继续运动，从而实现对海参的形状适应性抓取。对海参抓取力可以通过扭簧的选型以及力传感器来保证无损抓取。在抓取过程中，下指节和上指节的夹角变化与手指扭簧的刚度系数有关，其关系由手指扭簧刚度系数、腱绳张力、手指摩擦力计算得到，设计该关系可以保证对海参外形的准确包络与海参本体的无损抓取。
本发明由形状自适应多指手指、腱绳-扭簧传动机构、驱动机构、手指基座模块、力感知机构与水密机构组成。其中形状自适应手爪机构包括手指橡胶指套、上指节指板、下指节左侧板、下指节右侧板、手指滑动垫片、手指支撑细轴、手指关节销轴、手指护板；手指基座模块由手指基座、手指连接长轴及其轴承组成；驱动机构由一个驱动舵机、舵机固定件、舵盘与同心定位盘组成；腱绳-扭簧传动机构由腱绳、上关节扭簧与下关节扭簧组成；力感知机构由力传感器、传感器壳体、信号电路处理模块组成；水密机构由格莱圈、格莱圈盖、驱动主轴、水密壳体、O型圈、水密壳盖组成。
手指驱动主轴通过舵盘与舵机输出轴实现等角速度传动，手指驱动主轴中间由力传感器连接；驱动主轴中部为动密封结构：格莱圈内侧与驱动主轴贴合，格莱圈外侧胶圈部分与格莱圈凹槽贴合，格莱圈盖通过紧固螺钉与水密外壳连接，实现舵机的动密封；驱动主轴的上部分与腱绳通过紧固螺钉固结，实现腱绳与驱动主轴的同步运动；腱绳1-8以上述固节点为起点，按照特定的缠绕方式分别以手指连接长轴1-4、手指支撑细轴1-9、上关节销轴1-3为支点，最终与手指上指节指板1-2固结，在手指上关节销轴1-3与手指下关节即手指连接长轴1-4处分别安置上关节扭簧1-14与下关节扭簧1-12，实现腱绳-扭簧传动机构的布置；欠驱动手指的上部为柔软指套1-1，通过自身的弹性力与手指上指节指板1-2连接，并以紧固螺钉加固，上指节指板1-2与上关节销轴1-3通过经过螺钉刚性连接，上关节销轴两端通过支撑轴承与下指节左侧板1-7、下指节右侧板1-10连接，构成上关节的旋转副，下关节侧板与手指支撑细轴1-9、手指护板1-13及手指活动垫片1-11组成手指下指节，由上述部分组成欠驱动手指；驱动舵机2-3通过同心定位盘2-4保证同心度，并与舵机固定件2-6、水密壳体2-9构成整体，其中同心定位盘2-4通过定位销与舵机固定件2-6刚性连接，舵机固定件2-6在保证与水密壳体2-9的同心度后以紧固螺钉实现刚性连接；水密壳体2-9、O型圈2-5以及水密壳盖2-11构成第1处静密封，格莱圈盖2-10、O型圈2-5以及水密壳体2-9构成第2处静密封。
舵机通过舵盘2-7将扭矩施加给驱动主轴2-2，并通过平键连接带动绳轮筒2-8与驱动主轴同步做旋转运动，腱绳2-1随着主轴旋转运动而收缩，由于关节扭簧的阻尼作用，欠驱动手指首先以下关节为中心做旋转运动，手指上关节无旋转运动，手指整体绕下关节旋转一定角度后，随着腱绳的继续收缩，手指上关节与下关节耦合运动—即手指驱动主轴的运动通过腱绳与扭簧的张力带动手指下指节和上指节之间的耦合运动。每侧的两个手指当抓取之初未受外力时同步运动，当单一手指遇到海参时，该手指能够根据海参的形状阻碍使得手指驱动主轴扭簧受到阻力和腱绳张力达到平衡，其他手指继续在腱绳的带动下继续运动，从而实现对海参的形状适应性抓取。对海参抓取力可以通过扭簧的选型以及力传感器来保证无损抓取。在抓取过程中，下指节和上指节的夹角变化与手指扭簧的刚度系数有关，其关系由手指扭簧刚度系数、腱绳张力、手指传动摩擦力计算得到，设计该关系可以保证对海参外形的准确包络与海参本体的无损抓取。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于海生物形状自适应无损抓取的欠驱动多指机械手，其特征在于：包括手爪模块和驱动模块；所述的手爪模块包括手爪基座；所述的手爪基座两侧分别安装有两根机械手指，四根机械手指结构相同；所述的机械手指包括手指基座、上指节和下指节；所述的手指基座安装在手爪基座上；所述的下指节包括下指节左侧板和下指节右侧板，在下指节左侧板上部与下指节右侧板上部之间设有上关节扭簧，在下指节左侧板底部与下指节右侧板底部之间设有下关节扭簧；所述的下关节扭簧的下端抵在手指基座下平面凸台处，下关节扭簧的上端抵在下指节右侧板凸起处；所述的下指节左侧板下端、下指节右侧板下端和下关节扭簧通过手指长轴串连在一起，安装在手指基座上；所述的手指长轴上设有手指长轴套，在手指长轴套上开设有沟槽；所述的上指节包括上指节指板；所述的上指节指板下端、下指节左侧板上端、上关节扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起；所述的手指关节销轴左右两端通过轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上端，手指关节销轴穿过上关节扭簧中心并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起处，上关节扭簧的下端抵在手指细轴上；所述的手指细轴安装在上关节扭簧下方，手指细轴两端分别穿过下指节左侧板与下指节右侧板上的定位孔并抵住两板，在下指节左侧板与下指节右侧板上方设有手指护板，手指护板将下指节左侧板与下指节右侧板连接为一体；所述的上指节指板的上部设有立柱结构，在立柱结构外部包覆有指套；所述的上指节指板上端安装有腱绳；所述的腱绳的上端固定于上指节指板上端，腱绳的下端依次绕过手指关节销轴、手指细轴与手指长轴套沟槽后固定在绳轮筒上；所述的绳轮筒与驱动模块的驱动主轴连接；位于手爪基座同一侧的两根机械手指的手指长轴相连；所述的驱动模块包括水密外壳和驱动舵机；所述的驱动舵机固定于水密外壳中，驱动舵机的舵机主轴与舵盘连接；所述的舵盘的下端与舵机主轴齿轮啮合，舵盘的上端与驱动主轴的下端连接；所述的驱动主轴的上端与绳轮筒连接；所述的驱动舵机由舵机固定件包络，舵机下端安装有同心定位盘；所述的同心定位盘与舵机下端定位孔配合，同时通过定位销与舵机固定件配合，使得舵机、舵机固定件与同心定位盘组成一体；所述的舵机固定件上部柱状薄壁与水密外壳的隔板定位孔同心配合，辅之以螺钉与水密外壳固结，保证舵机与水密壳体的同心度符合要求；所述的驱动主轴下部通过球轴承与水密壳体中间隔板同心配合，驱动主轴上端穿过格莱圈盖和手爪基座定位孔后与绳轮筒连接，满足同心度要求的同时保证驱动主轴的动密封有效；所述的格莱圈盖中设有格莱圈，格莱圈安置于格莱圈盖凹槽中，格莱圈的内壁与驱动主轴上端贴合，格莱圈的外壁与格莱圈盖贴合；所述的格莱圈盖与水密壳体之间通过O型圈密封。
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| CN105798938A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-07-27 | 清华大学 | 平夹感知自适应机器人手指装置及其控制方法 |
| CN107225587A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-10-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种用于海底生物无损捕捞的形状自适应机械手结构 |
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2020
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