专利名称：抓取设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安装在例如机器人中并用于传送物体或装配结构构件的抓取设备，更具体地讲，涉及一种具有简单结构、能够由少量致动器驱动并适用于各种物体的抓取 设备。
背景技术：
近年来，主要为了替代人类劳动而积极进行了机器人的研究和开发。很多机器人 在它们的手中具有抓取设备以传送物体或装配结构构件。抓取设备具有很多关节自由度以执行复杂工作。然而，如果用于驱动关节的致动 器的数量增加，则致动器和支撑致动器的框架的重量增加并且抓取设备变得尺寸很大。用 于操作致动器的驱动和控制电路以及配线的尺寸也随着致动器的数量而增大，由此使得驱 动软件变得复杂以同时控制多个关节轴。由于单个致动器仅实现一个自由度(诸如，旋转 或平行移动)，所以需要许多致动器来支撑各种物体。例如，日本未审专利申请公开No. 2008-105116提出了一种具有片簧和致动器的 双指抓取机器手。即使当致动器的扭矩是0时，这个机器手也能够利用弹簧力抓取物体。然 而，问题在于一直产生内侧力，并且仅能够实现在转动方向上的抓取。另外，例如，日本未审专利申请公开No. 2008-49456提出了一种具有位于基座的 一个致动器的机器手，该致动器打开或闭合手指中间关节和手指底部关节并且使用齿轮传 动机构同时打开或闭合左右手指。然而，因为利用齿轮传动机构传送动力，所以在这个机器 手中发生反冲。另一问题在于仅在相当于手指的连杆的旋转方向上能够实现抓取。另外，例如，日本未审专利申请公开No. 2007-69286提出了一种经滑轮使用差动 齿轮和线缆同时打开或闭合左右手指的机器手。然而，因为通过该线缆传送动力，所以这种 机器手的一个问题在于线缆自身的初始张力和伸长。因为使用了锥齿轮，所以另一问题在 于反冲或效率。例如，日本未审专利申请公开No. 2005-238400和2005-261535提出了具有夹具的 两个互相面对的手指的抓取设备，每个手指包括平行的连杆。这种类型的抓取设备通过在 它们的抓取表面保持基本上平行的情况下打开或闭合在指尖上的爪部来抓取物体。因此， 即使当物体为箱形时也能够充分保留爪部和物体之间的接触区域，而不管箱子的尺寸如 何。
发明内容
希望提供一种安装在例如机器人中并用于传送物体或装配结构构件的抓取设备。还希望提供一种具有简单结构、能够由少量致动器驱动并适用于各种物体的优秀 的抓取设备。根据本发明的第一实施例，提供了一种抓取设备，包括基座单元；左平行连杆和 右平行连杆，每个平行连杆包括第一连杆，围绕基座单元的基轴在打开/闭合方向上能够转动地安装；第二连杆，围绕辅助轴在打开/闭合方向上能够转动地安装，与基座单元的基轴相比，所述辅助轴位于打开/闭合方向上的外侧；手指单元，在打开/闭合方向上的内侧 具有抓取表面并且在第一连杆的末端和第二连杆的末端能够转动地被支撑；爪部，朝着打 开/闭合方向上的内侧突出，并且沿手指单元的抓取表面的端面布置该爪部，左右平行连 杆基本上彼此对称；驱动单元，容纳在基座单元中并在打开/闭合方向上驱动左平行连杆 和右平行连杆的第一连杆。根据本发明的第二实施例，根据第一实施例的抓取设备的驱动单元包括致动器； 和传动单元，把致动器的旋转均等地传动给左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆 的基轴。根据本发明的第三实施例，传动单元包括齿轮系，在用于驱动基轴的末级对该齿轮 系应用非反冲齿轮。根据本发明的第四实施例，根据第一实施例的抓取设备的手指单元和爪部包括高 分子化合物，诸如具有Shore A硬度70至90的聚氨酯材料。根据本发明的第五实施例，根据第一实施例的抓取设备的左手指单元和右手指单 元中的每一个手指单元的抓取表面具有例如丙烯酸树脂、聚氨酯和橡胶的共聚物泡沫体的 制动器。根据本发明的第六实施例，根据第一实施例的抓取设备的左平行连杆和右平行连 杆中的每一个平行连杆具有旋转区域，在该旋转区域中，手指单元的尖端根据第一连杆和 第二连杆的旋转画出基本上弧形路径；和近似水平移动区域，在该近似水平移动区域中，手 指单元的尖端的运动能够近似为水平的运动。根据本发明的第七实施例，根据第一连杆和 第二连杆的长度与容许高度之间的关系确定所述近似水平移动区域的长度，在所述容许高 度内，允许手指单元的尖端在近似水平移动区域中垂直移动。根据本发明的第八实施例，根据第一实施例的抓取设备的左平行连杆和右平行连 杆中的每一个平行连杆的第一连杆在打开/闭合方向上的内侧具有凹抓取表面。根据本发 明的第九实施例，沿左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆的第一连杆的抓取表面 的下边缘布置在朝着打开/闭合方向上的内侧突出的内爪部。根据本发明的第十实施例， 内爪部包括高分子化合物，诸如具有Shore A硬度70至90的聚氨酯材料。左平行连杆和 右平行连杆中的每一个平行连杆的第一连杆的抓取表面包括例如丙烯酸树脂、聚氨酯和橡 胶的共聚物泡沫体的制动器。根据本发明的第十一实施例，根据第一实施例的抓取设备的左平行连杆和右平行 连杆中的每一个平行连杆的第二连杆在打开/闭合方向上的外侧具有凹抓取表面。根据本发明的第十二实施例，根据第一实施例的抓取设备还包括感测装置，用于 感测使用抓取设备的左平行连杆和右平行连杆的打开/闭合操作抓取物体而施加的抓取 力。根据本发明的实施例，可以提供一种安装在机器人中并用于传送物体或装配结构 构件的优异的抓取设备。根据本发明的实施例，可以提供一种具有简单结构、能够由少量致动器驱动并适 用于各种物体的优秀抓取设备。根据第一至第三实施例，抓取设备能够使用一个动力源一起操作左平行连杆和右 平行连杆。因此，能够以机械方式使左平行连杆和右平行连杆同步。另外，抓取设备具有包括少量部件的简单结构，因此生产成本低。另外，由于存在较少的空间限制，所以增加部件 的刚度会改善MTBF(平均故障间隔时间)并且左手指单元和右手指单元的尖端在单一路径 中移动，使得不需要定位控制并且能够实现准确的操作。另外，由于抓取设备的简单结构和 高刚度，所以抓取设备不仅能够抓取轻的物体，还能够抓取具有在动力源能够保持它的输 出动力的范围内的最大重量的较重的物体。
根据第一至第三实施例，沿左手指单元和右手指单元中的每一个手指单元的抓取 表面的前边缘布置朝着内侧突出的爪部，因此能够优选地抓取地面上的硬币、卡片、发夹或 另一较薄的物体。根据第四实施例，左手指单元和右手指单元以及沿左手指单元和右手指单元的前 边缘布置的爪部具有柔韧性和耐久性，使抓取操作稳定，并解决可靠性问题。根据第五实施例，抓取表面上的海绵制动器和在手指单元的尖端的爪部的组合实 现高抓取性能。根据第六和第七实施例，平移驱动和旋转驱动能够实现各种抓取方法。根据待抓 取的物体的形状和尺寸可应用这些方法之一。根据第八至第十实施例，左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆的第一连 杆具有在打开/闭合方向上在内侧的凹抓取表面，因此能够通过两个凹入部分安全地抓取 相对较大的物体。根据第十二实施例，通过使用左平行连杆和右平行连杆的打开/闭合操作能够感 测用于抓取物体的抓取力。根据稍后描述的实施例和基于附图的详细描述能够了解本发明实施例的其它目 的、特性和优点。
图1是显示根据本发明实施例的抓取设备的整体结构的立体图。图2是显示图1中的抓取设备的分解立体图，其中从基座单元拆掉左右平行连杆。图3是显示图1中的抓取设备的基座单元的内部的立体图。图4是显示容纳在图1中的抓取设备的基座单元中的传动单元的侧视图。图5是显示图1中的抓取设备的顶视图，其中左右平行连杆闭合。图6是显示图1中的抓取设备的顶视图，其中左右平行连杆打开。图7A显示抓取设备如何抓取地面上的物体。图7B显示抓取设备如何抓取地面上的物体。图7C显示抓取设备如何抓取地面上的物体。图7D显示抓取设备如何抓取地面上的物体。图7E显示抓取设备如何抓取地面上的物体。图8显示抓取设备的一个手指单元的运动及其可移动范围。图9指示近似水平移动区域的容许高度c和长度Xh之间的关系，其中左右平行连 杆的长度r恒定。图IOA显示在打开/闭合方向上位于内侧的左右平行连杆的第一连杆的凹抓取表 面和沿抓取表面的下边缘布置的内侧爪部。
图IOB显示在左右平行连杆的打开/闭合方向上位于内侧的凹抓取表面如何用于 抓取宝特瓶的瓶颈。图IOC显示左右平行连杆的第二连杆的抓取表面，即在打开/闭合方向上位于外 侧的凹抓取表面。图11显示当左右平行连杆充分打开时从基座单元弹出滑动件。图12显示当左右平行连杆充分打开时从基座单元弹出吊钩。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明的实施例。根据本发明实施例的抓取设备适用于例如 机器臂的手单元。然而，本发明实施例的应用不限于机器人并且本发明实施例的目的不限 于特定机器人，因此在本说明书中不对机器人进行描述。首先，将参照图1描述根据本发明实施例的抓取设备的整体结构。在图1的抓取 设备1中，夹具的互相面对的左右手指单元具有平行连杆。图1是显示抓取设备1的弹出 的立体图；图2是分解立体图，其中从基座单元10拆掉左平行连杆20和右平行连杆30 ；图 3是基座单元10的内部的立体图；图4是容纳在基座单元10中的传动单元12的侧视图； 图5是抓取设备1的顶视图，其中左平行连杆20和右平行连杆30闭合；图6是抓取设备1 的顶视图，其中左平行连杆20和右平行连杆30打开。在图6中，左平行连杆20和右平行 连杆30在近似水平移动区域(稍后描述)中打开；左平行连杆20和右平行连杆30能够以 最大至θ _(稍后描述)的角度打开，在这个图中未示出θ_。如图1中所示，抓取设备1包括基座单元10以及安装到基座单元10的左平行连 杆20和右平行连杆30。如图2中所示，左平行连杆20包括第一连杆22，围绕基轴21在打开/闭合方向 上可转动地安装到基座单元10 ；第二连杆24，围绕辅助轴23在打开/闭合方向上可转动地 安装，与基轴21相比所述辅助轴23位于打开/闭合方向上的外侧；和手指单元25，由第一 连杆22和第二连杆24的末端可转动地支撑。在图2示出的例子中，第一连杆22具有在基 轴21的纵向方向上叠加的两个连杆构件，第二连杆24具有插入到这两个连杆构件之间的 空间中的一个连杆构件。手指单元25在打开/闭合方向中的内侧上具有抓取表面。当第一连杆22围绕基轴21在打开/闭合方向上转动时，第二连杆24 —起围绕辅 助轴23在打开/闭合方向上转动。在转动操作期间保持由基座单元10、第一连杆22、第二 连杆24和手指单元25形成的平行四边形，因此由手指单元25的抓取表面和基座单元10 形成的角度恒定。左平行连杆30包括第一连杆32，围绕基轴31在打开/闭合方向上可转动地安 装到基座单元10 ；第二连杆34，围绕辅助轴33在打开/闭合方向上可转动地安装，与基轴 31相比所述辅助轴33在打开/闭合方向上位于外侧；和手指单元35，由第一连杆32和第 二连杆34的末端可转动地支撑。在图2示出的例子中，第一连杆32具有在基轴31的纵向 方向上叠加的两个连杆构件，第二连杆34具有插入到这两个连杆构件之间的空间中的一 个连杆构件。手指单元35在打开/闭合方向中的内侧上具有抓取表面。当第一连杆32围绕基轴31在打开/闭合方向上转动时，第二连杆34 —起围绕辅 助轴33在打开/闭合方向上转动。在转动操作期间保持由基座单元10、第一连杆32、第二连杆34和手指单元35形成的平行四边形，因此由手指单元35的抓取表面和基座单元10 形成的角度恒定。左平行连杆20和右平行连杆30基本上彼此对称。当左第一连杆22和右第一连 杆32在打开/闭合方向上转动时，手指单元25和手指单元35在打开/闭合方向上一起移 动。此时，第一连杆22和32与第二连杆24和34 —起基本上彼此对称地转动，第二连杆24 和34是平行连杆20和30的其它部件。因此，如图6中所示，不管平行连杆20和30的位 置如何，互相面对的手指单元25和35的抓取表面都保持彼此平行。
基座单元10容纳致动器11，用作电机的驱动源；传动单元12，包括齿轮传动机 构，该齿轮传动机构用于利用相同的传动比(即，基本上等分旋转输出)把致动器11的旋 转输出传动给左平行连杆20的基轴21和右平行连杆30的基轴31 ( S卩，第一连杆22和32)。 假设致动器11具有电机和减速器。正齿轮传动机构、行星齿轮或波动齿轮(wave gear)减 速设备能够用作减速器。致动器11具有角度检测传感器13，诸如旋转编码器。主要参照图4来描述把致动器11的旋转输出分配给平行连杆20和30的过程。致动器11的旋转通过与小齿轮14、第二齿轮ISa、第三齿轮15b、第四齿轮15c和 分支齿轮16按照这样的次序啮合来减速，这些齿轮附接到致动器11的输出轴。分支齿轮 16的旋转方向与小齿轮14的旋转方向相同，小齿轮14的旋转方向与致动器11的旋转方向 相同。围绕基轴21可旋转地布置从动齿轮18，从动齿轮18与分支齿轮16啮合；从 动齿轮18的旋转方向与分支齿轮16的旋转方向相反，分支齿轮16的旋转方向与小齿 轮14的旋转方向相同。围绕基轴31可旋转地布置从动齿轮19，从动齿轮19与对转 (contrarotating)中间齿轮17啮合。对转中间齿轮17与分支齿轮16啮合，并且从动齿 轮19的旋转方向与分支齿轮16的旋转方向相同，分支齿轮16的旋转方向与小齿轮14的 旋转方向相同。从动齿轮18和从动齿轮19包括非反冲齿轮以无反冲地传递旋转。左平行连杆20的第一连杆22由从动齿轮18的旋转驱动，右平行连杆30的第一 连杆32由从动齿轮19的旋转驱动。因此，当通过旋转驱动致动器11时，经传动单元12分 配旋转输出以基本上对称地驱动左平行连杆20和右平行连杆30。当左第一连杆22和右第 一连杆32在打开/闭合方向上转动时，手指单元25和手指单元35在打开/闭合方向上一 起移动。此时，第一连杆22和32与第二连杆24和34 —起基本上彼此对称地转动，第二连 杆24和34是平行连杆20和30的其它部件，因此在位于手指单元25和手指单元35的内 侧的抓取表面保持基本上彼此平行的情况下执行打开和闭合，如图5和图6中所示。如上所述，在根据实施例的抓取设备1中，作为一个动力源的致动器11能够一起 移动左平行连杆20和右平行连杆30。因此，能够以机械方式使左平行连杆20和右平行连 杆30同步。抓取设备1具有包括少量部件的简单结构，因此能够以低价格制造抓取设备1。 另外，由于存在较少的空间限制，所以增加部件的刚度会改善MTBF(平均故障间隔时间)并 且手指单元25和35的尖端在单一路径中移动，使得不需要定位控制以及使得定位控制变 得快速并且能够实现准确的操作。另外，由于抓取设备1的简单结构和高刚度，所以抓取设 备1不仅能够抓取轻的物体还能够抓取具有在致动器11能够保持它的输出动力的范围内 的最大重量的沉重的物体。接下来，将在以下考虑根据实施例的抓取设备1的抓取操作。
当平行 连杆20的手指单元25和平行连杆30的手指单元35如图5和图6中所示 打开或闭合以抓取地面上的物体时，互相打开的手指单元25和35与地面接触以夹住物体， 然后手指单元25和35在地面上滑动的同时闭合以抓取物体。图7A至7E显示抓取设备1的手指单元25和35如何抓取地面上的薄物体。薄物 体的例子是硬币、卡片、发针等。沿左手指单元25和右手指单元35中的每一个的抓取表面的前边缘布置朝着内侧 突出的爪部以便捕捉薄而细的物体。爪部在打开/闭合方向上朝着内侧突出并且它的横截 面具有大约45度的锐角。当手指单元25和35闭合时，尖锐的爪部尖端进入物体和地面之 间的空隙，使得容易抓取物体。当爪部由金属制成时，可仅通过爪部的尖端抓取物体，物体和爪部之间的接触的 区域较小，使得抓取状态不稳定。硬而尖的爪部尖端还可能引起伤害或其它安全问题。因 此，在本实施例中，左右爪部由聚氨酯制成并与手指单元25和35—体地形成。由于聚氨酯 具有Shore A硬度70至90并且比金属更柔韧，所以它更加安全和可靠。具有Shore A硬 度70至90的爪部提高了柔韧性和耐久性并且适用较重的物体。在本实施例中，在左手指单元25和右手指单元35的内侧的抓取表面上布置海绵 制动器。抓取表面上的海绵制动器与在手指单元25和35的边缘的爪部的组合实现高抓取 性能。海绵制动器可以优选地是特殊海绵，该海绵的细小的气泡被用作许多吸盘；海绵制动 器的例子是由MISUMI公司制造的制动橡胶片STPES，制动橡胶片STPES是丙烯酸树脂、聚氨 酯和橡胶的共聚物泡沫体。如图7B中所示，互相打开的手指单元25和35的尖端与地面接触以夹住物体，然 后手指单元25和35在地面上滑动的同时闭合以抓取物体。左右爪部的尖端到达物体的 底部边缘，当手指单元25和35进一步闭合时，爪部的尖端轻微弯曲并进入到物体的底部 下方，如图7C中所示。如果待抓取的物体的尺寸较小，则如图7D中所示，物体沿爪部的45 度斜坡轻微上升(然而，如果物体较大，则手指单元25和35内的抓取表面能够直接抓住物 体)。当物体的左右侧与具有海绵制动器的抓取表面接触时，物体被牢固地抓取，从而能够 通过手指单元25和35内的抓取表面安全地使物体升起，如图7E中所示。在以上抓取设备1的抓取操作中(图7A至7E)，地面用作用于控制的顺从性接近 表面。在图5和图6中示出的手指单元25和35的打开/闭合操作中，如果手指尖端主要 在垂直方向上(或者在手指单元的纵向方向上)移动，则基座单元10的位置相应地在垂直 方向上变化。例如，当抓取设备1用作关节臂的末端执行器(end effecter)时，腕部位置 在这种抓取操作期间垂直地变化。因此，在抓取操作中不仅要控制两个手指单元，还要控 制关节臂的腕部位置，因此计算变得复杂。也就是说，在抓取操作中，如果手指尖端在垂直 方向上的变化足够小而接近于水平运动，则通过固定关节臂的腕部位置仅控制两个手指单 元。虽然抓取设备1的手指尖端以弧线路径移动，但通过扩大能够近似为线性移动的区域 来简化用于控制的计算。图8表示抓取设备1的一个手指单元的运动及其可移动范围。在图8中，平行连杆 相对于基轴的最大旋转量假设为θ max，在平行连杆的可移动范围中在手指尖端的水平方向 上的移动量假设为Xmax，在手指尖端的垂直方向上的可达范围假设为ymax。手指尖端的变化 的垂直方向上的容许高度假设为c，在该容许高度以上，手指尖端的运动无法近似为水平，实现最大至C的容许高度的平行连杆的(从垂直位置)旋转的量假设为(Ph，手指尖端的近 似水平移动区域的长度假设为xh。容许高度C等于例如能够由关节臂的顺从性吸收的垂直 方向上的变化的量。当确定了手指尖端的垂直方向上的容许高度c时，能够基于下述表达式(1)至(3) 从平行连杆的连杆长度r获得手指尖端的运动能够近似为水平的近似水平移动区域的长
度Xh °
权利要求
1.一种抓取设备，包括基座单元；左平行连杆和右平行连杆，每个平行连杆包括第一连杆，围绕基座单元的基轴在打开/闭合方向上能够转动地安装；第二连杆，围绕辅助轴在打开/闭合方向上能够转动地安装，与基座单元的基轴相比， 所述辅助轴位于打开/闭合方向上的外侧；手指单元，在打开/闭合方向上的内侧具有抓取表面并且在第一连杆的末端和第二连 杆的末端能够转动地被支撑，左平行连杆和右平行连杆基本上彼此对称；爪部，朝着打开/闭合方向上的内侧突出，并且沿手指单元的抓取表面的前边缘布置 该爪部；驱动单元，容纳在基座单元中并在打开/闭合方向上驱动左平行连杆和右平行连杆的 第一连杆。
2.如权利要求1所述的抓取设备，其中驱动单元包括致动器；和传动单元，把致动器 的旋转均等地传动给左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆的基轴。
3.如权利要求2所述的抓取设备，其中传动单元包括齿轮系，在用于驱动基轴的末级 对该齿轮系应用非反冲齿轮。
4.如权利要求1所述的抓取设备，其中手指单元和爪部包括高分子化合物。
5.如权利要求1所述的抓取设备，其中左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆 的手指单元的抓取表面具有共聚物泡沫体的制动器。
6.如权利要求1所述的抓取设备，其中左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆 具有旋转区域，在该旋转区域中，手指单元的尖端根据第一连杆和第二连杆的旋转画出基 本上弧形的路径；和近似水平移动区域，在该近似水平移动区域中，手指单元的尖端的运动 能够近似为水平的运动。
7.如权利要求6所述的抓取设备，其中根据第一连杆和第二连杆的长度与容许高度之 间的关系确定所述近似水平移动区域的长度，在所述容许高度内，允许手指单元的尖端在 近似水平移动区域中垂直移动。
8.如权利要求1所述的抓取设备，其中左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆 的第一连杆在打开/闭合方向上的内侧具有凹抓取表面。
9.如权利要求8所述的抓取设备，其中沿左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连 杆的第一连杆的抓取表面的下边缘布置在朝着打开/闭合方向上的内侧突出的内爪部。
10.如权利要求9所述的抓取设备，其中内爪部包括高分子化合物，左平行连杆和右平 行连杆中的每一个平行连杆的第一连杆的抓取表面包括共聚物泡沫体的制动器。
11.如权利要求1所述的抓取设备，其中左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连 杆的第二连杆在打开/闭合方向上的外侧具有凹抓取表面。
12.如权利要求1所述的抓取设备，还包括感测装置，用于感测使用左平行连杆和右 平行连杆的打开/闭合操作抓取物体而施加的抓取力。
全文摘要
本发明涉及一种抓取设备，包括基座单元；左平行连杆和右平行连杆；驱动单元，容纳在基座单元中并在打开/闭合方向上驱动右平行连杆的第一连杆和左平行连杆的第一连杆。左平行连杆和右平行连杆中的每个平行连杆具有第一连杆，围绕基座单元的基轴在打开/闭合方向上能够转动地安装；第二连杆，围绕在打开/闭合方向上位于外侧的辅助轴在打开/闭合方向上能够转动地安装；手指单元，在第一连杆的末端和第二连杆的末端能够转动地支撑该手指单元；爪部，在打开/闭合方向上朝着内侧突出，沿左平行连杆和右平行连杆中的每一个平行连杆的手指单元的抓取表面的端面布置该爪部。
文档编号B25J15/08GK102107432SQ20101055961
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年12月25日
发明者川浪康范, 永野雅邦, 田中章爱, 长阪宪一郎 申请人:索尼公司