空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

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(末端夹持器)。目前已有多种类型的机器人手被研制出来，包括多指手和特种手。其中多指手具有多个手指，且手指上具有转动或平动的关节；特种手没有明显手指，而是利用磁铁、吸盘、静电等原理来实现对物体的抓取。

多指手又分为特别像人手的灵巧手，工业上常用的简单二指夹持器，以及介于两者之间的欠驱动多指机器人手。

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。

由于欠驱动手指可以实现较好的自适应抓取，对不同的尺寸、形状物体都可以较好抓取，而无需复杂的实时抓取规划，具有非常好的效果，成为近年来的研究开发热点。但是传统的欠驱动手仅具有一种固定的抓取模式，影响了其灵活性，难以实现多种抓取模式，在现实抓取中常常需要两种以上的抓取模式。

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；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，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，(1)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；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有直线平行夹持和自适应抓取两种抓取模式，无需对物体环境进行复杂的实时检测、规划，既能沿着直线平动末端的第二指段去夹持物体，也能先后运动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；采用单个驱动器驱动，抓取范围大。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器；所述驱动器与基座固接；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述第二指段套固在远关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段的一端中；所述第一指段套接在近关节轴上；其特征在于：该空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构、主动轮、第一簧件、第一传动轮、传动件、第二传动轮、凸块拨盘轮、被动拨轮、复位轮、限位块、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮和第六传动轮；所述驱动器的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一轴相连；所述第一轴套设在基座中；所述第一连杆的一端活动套接在第一轴上，所述第二轴套设在第一连杆的另一端上；所述第一指段的一端套接在第二轴上；所述第三轴套设在基座中，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近关节轴上；所述近关节轴套设在第一指段的中部；设第一轴的中心为点A，第二轴的中心为点B，近关节轴的中心为点C，远关节轴的中心为点D，第三轴的中心为点E，线段BC的长度、线段CD的长度和线段CE的长度三者相等，线段AE的长度等于线段AB的长度的2倍，线段CE的长度是线段AB的长度的2.5倍；所述主动轮、第一传动轮套固在第一轴上；所述第一簧件的两端分别连接主动轮、第一连杆；所述第一传动轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二传动轮相连，所述第二传动轮活动套接在第三轴上；通过第二传动机构的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动为同向传动；所述第二传动轮与凸块拨盘轮固接，所述凸块拨盘轮活动套接在第三轴上，所述被动拨轮、复位轮、第三传动轮分别套接在第三轴上；所述被动拨轮、复位轮、第三传动轮三者固接；所述凸块拨盘轮上有主动凸块，所述被动拨轮上有被动凸块，所述主动凸块与被动凸块在初始状态不接触，主动凸块转动一个预设角度后接触被动凸块；所述复位轮上有复位凸块，所述复位凸块与限位块在初始状态时接触，所述限位块与基座固接；所述第二簧件的两端分别连接复位轮与基座；所述第三传动轮与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第四传动轮相连，所述第四传动轮、第五传动轮活动套接在近关节轴上，所述第四传动轮与第五传动轮固接，所述第四传动轮与第四传动机构的输入端相连，所述第四传动机构的输入端与第六传动轮相连，所述第六传动轮套固在远关节轴上；通过第三传动机构的传动，从第三传动轮到第四传动轮的传动为同向传动且传动比为1:1；通过第四传动机构的传动，从第五传动轮到第六传动轮的传动为同向传动且传动比为1:1。

本发明所述的空程传动连杆直线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、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、凸块拨盘轮、被动拨轮、复位轮、多个传动轮和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能；采用满足一定条件的四连杆机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用同向等传动比的传动机构配合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、空程传动的凸块拨盘轮和被动拨轮等综合实现了第二指段自动绕远关节轴转动；利用单个驱动器驱动两个关节，达到欠驱动效果；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；该装置能够直线平动第二指段去夹持物体，适用于工作台上薄板零件的良好夹持，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；抓取范围大，稳定可靠。

附图说明

图1是本发明设计的空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的侧面视图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的外观图。

图4是图1所示实施例的立体外观图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的正视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的剖视图，是图3的A-A剖视图，显示了第一轴、第三轴与其它零部件的关系。

图8是图1所示实施例中部分零件位置图。

图9是图1所示实施例中部分零件位置图。

图10是图1所示实施例的侧面外观(未画出部分零件)，显示出点A、B、C、D和E的位置。

图11是图10所示的AB、BCD、CE及基座连杆AE的多个连杆机构简图，显示出在主动转动连杆AB时点D的移动轨迹，该轨迹中有一段直线轨迹就是本实施例的第二指段直线平行夹持阶段的移动轨迹。

图12至图13是图1所示实施例在直线平行夹持阶段的动作过程图。

图14至图17是图1所示实施例在自适应包裹阶段的动作过程图。

图18至图19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，复位轮、第二簧件与限位块的相对位置的变化情况。

图20至图22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，凸块拨盘与被动拨轮的相对位置的变化情况，是图7的B-B剖面图。图19中的双点划线为初始状态的凸块拨盘中的凸块，图22中的双点划线为初始状态的被动拨轮中的凸块。其中凸块拨盘在最初的转动过程中不会碰触被动拨轮，转过一定角度后才会接触并推动被动拨轮。

图23是采用两个图1所示实施例构成的机器人手示意图，显示了机器人手张开到最大以及合拢状态(双点划线)。

图24是图23所示实施例的平夹抓取物体示意图。

图25是图23所示实施例的自适应抓取物体示意图。

在图1至图25中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 6－第一连杆， 7－第二连杆， 8－第一轴，

9－第二轴， 10－第三轴， 11－驱动器， 12－减速器，

13－联轴器， 14－主动轮， 15－第一簧件， 16－第一传动轮，

17－传动件， 18－第二传动轮， 19－凸块拨盘轮， 20－被动拨轮，

21－复位轮， 22－第二簧件， 23－限位块， 24－第三传动轮，

25－第四传动轮， 26－第五传动轮， 27－第六传动轮， 41－第一中间轴，

42－第二中间轴， 43－第三中间轴， 44－第四中间轴， 45－第五中间轴，

46－第六中间轴， 51－第一中间齿轮， 52－第二中间齿轮， 53－第三中间齿轮，

54－第四中间齿轮， 55－第五中间齿轮， 56－第六中间齿轮， 101-第一传动机构，

102-第二传动机构, 103-第三传动机构, 104-第四传动机构， 111－基座前板，

112－基座后板， 113－基座左板， 114－基座右板， 115－基座底板，

116－基座支承板， 211－第一指段前板， 212－第一指段后板， 213－第一指段左板，

214－第一指段右板， 301－套筒， 302－轴承， 400－物体，

401－空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置。

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。

本发明设计的空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图6所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和驱动器11；所述驱动器11与基座1固接；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；所述第二指段2套固在远关节轴5上；所述远关节轴5套设在第一指段2的一端中；所述第一指段2套接在近关节轴4上；其特征在于：该空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆6、第二连杆7、第一轴8、第二轴9、第三轴10、第一传动机构101、第二传动机构102、第三传动机构103、第四传动机构104、主动轮14、第一簧件15、第一传动轮16、传动件17、第二传动轮18、凸块拨盘轮19、被动拨轮20、复位轮21、限位块23、第三传动轮24、第四传动轮25、第五传动轮26和第六传动轮27；所述驱动器11的输出轴与第一传动机构101的输入端相连，所述第一传动机构101的输出端与第一轴8相连；所述第一轴8套设在基座1中；所述第一连杆6的一端活动套接在第一轴8上，所述第二轴9套设在第一连杆6的另一端上；所述第一指段2的一端套接在第二轴9上；所述第三轴10套设在基座1中，所述第二连杆7的一端套接在第三轴10上，第二连杆7的另一端套接在近关节轴4上；所述近关节轴4套设在第一指段2的中部；设第一轴8的中心为点A，第二轴9的中心为点B，近关节轴4的中心为点C，远关节轴5的中心为点D，第三轴10的中心为点E，线段BC的长度、线段CD的长度和线段CE的长度三者相等，线段AE的长度等于线段AB的长度的2倍，线段CE的长度是线段AB的长度的2.5倍；所述主动轮14、第一传动轮16套固在第一轴8上；所述第一簧件15的两端分别连接主动轮14、第一连杆6；所述第一传动轮16与第二传动机构102的输入端相连，所述第二传动机构102的输出端与第二传动轮18相连，所述第二传动轮18活动套接在第三轴10上；通过第二传动机构102的传动，从第一传动轮16到第二传动轮18的传动为同向传动；所述第二传动轮18与凸块拨盘轮19固接，所述凸块拨盘轮19活动套接在第三轴10上，所述被动拨轮20、复位轮21、第三传动轮24分别套接在第三轴10上；所述被动拨轮20、复位轮21、第三传动轮24三者固接；所述凸块拨盘19轮上有主动凸块，所述被动拨轮20上有被动凸块，所述主动凸块与被动凸块在初始状态不接触，主动凸块转动一个预设角度后接触被动凸块；所述复位轮21上有复位凸块，所述复位凸块与限位块在初始状态时接触，所述限位块23与基座1固接；所述第二簧件22的两端分别连接复位轮21与基座1；所述第三传动轮24与第三传动机构103的输入端相连，所述第三传动机构103的输出端与第四传动轮25相连，所述第四传动轮25、第五传动轮26活动套接在近关节轴4上，所述第四传动轮25与第五传动轮26固接，所述第四传动轮25与第四传动机构104的输入端相连，所述第四传动机构104的输入端与第六传动轮27相连，所述第六传动轮套固27在远关节轴上；通过第三传动机构103的传动，从第三传动轮24到第四传动轮25的传动为同向传动且传动比为1:1；通过第四传动机构104的传动，从第五传动轮26到第六传动轮27的传动为同向传动且传动比为1:1。

本发明所述的空程传动连杆直线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、气缸或液压缸。在本实施例中，所述驱动器采用电机。

本发明所述的齿轮连杆直线四连杆平夹自适应机器人手指装置，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15采用扭簧。

本发明所述的齿轮连杆直线四连杆平夹自适应机器人手指装置，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22采用拉簧。

采用本实施例构成的一种机器人手装置，包括多个空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置401，所有所述空程传动连杆直线平夹自适应机器人手指装置401的基座1固接在一起。采用2个图1所示实施例401组成的机器人手装置如图24所示，该机器人手装置可以平夹抓取(如图24所示)或者自适应抓取物体(如图25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。

电机11转动，通过连轴器带动第一轴8转动，第一连杆6绕着第一轴8的中心线转动；因为第一连杆6、第一指段2、第二连杆7和基座1构成了四连杆机构，并且满足以下条件：

a)线段BC的长度、线段CD的长度和线段CE的长度三者相等，

b)线段AE的长度等于线段AB的长度的2倍，

c)线段CE的长度是线段AB的长度的2.5倍；

如图11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2接触物体400的直线平行夹持(也称直线平夹)抓取模式：

驱动器11正转时，由于凸块拨盘轮19与被动拨轮20之间有空行程，此时，被动拨轮20一直在第二簧件的作用下靠在基座1上，在第一连杆6的转动作用下，第二连杆7和第一指段2随之运动，由于第一连杆AB、第二连杆CE、基座连杆AE和第一指段BD构成的四连杆机构会使得末端按直线运动一段轨迹，如图11所示，因此远关节轴5会相对于基座1沿直线运动；于是，通过从第三传动轮24、同向等传动比的第三传动机构103、第四传动轮25、第五传动轮26、同向等传动比的第四传动机构104、第六传动轮27的传动，会使得末端的第六传动轮27始终保持与基座1固定的姿态，因此与第六传动轮27固接的第二指段3在此阶段中始终与基座1保持固定的姿态，于是，第二指段3将沿着直线平动，如果此时第二指段2接触物体400，则是平行夹持抓取模式，也简称为平夹模式，动作过程如图12、图13所示。

电机11继续转动，但凸块拨盘轮19的凸块与被动拨轮20的凸块还没接触，第一簧件15发生变形，第一簧件15的变形弹力(该力称为F₁)，通过第一指段2、远关节轴5等施加到了第二指段3对物体400的抓持力中，如果抓持力足够，电机11停转，抓取结束。

b)第一指段2接触物体400的自适应抓取模式：

第一阶段的直线平夹抓取与第二阶段的自适应抓取合称为直线平夹自适应抓取模式。

当第一指段2接触物体400而被物体400阻挡不能再转动，将自动进入自适应抓取阶段，驱动器11继续转动，第一传动轮16通过第二传动机构102把动力传递到第二传动轮18，第二传动轮18带动凸块拨盘轮19转动，凸块拨盘轮19转动一定角度后拨动被动拨轮20和复位轮21，第二簧件22被拉伸变形，被动拨轮20带动第三传动轮24转动，第三传动轮24通过第三传动机构103把动力传递到第四传动轮25、第五传动轮26，第五传动轮26通过第四传动机构104把动力传递到第六传动轮27，第六传动轮27与第二指段3一起转动，第二指段3的转动角度α等于被动拨轮20、复位轮21的转动角度α，产生对物体400的包络，电机11停转，抓取结束，抓取过程如图14至图17所示，转动角度α如图18至图19，图20至图22所示。

释放物体400的过程：电机11反转，后续过程与上述抓取物体400的过程刚好相反，不再赘述。

图18至图19是复位轮21、第二簧件22、限位块23的相对位置变化情况。

图20至图22是凸块拨盘轮19、被动拨轮20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、凸块拨盘轮、被动拨轮、复位轮、多个传动轮和两个簧件等综合实现了机器人手指直线平行夹持与自适应抓取的功能；采用满足一定条件的四连杆机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用同向等传动比的传动机构配合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、空程传动的凸块拨盘轮和被动拨轮等综合实现了第二指段自动绕远关节轴转动；利用单个驱动器驱动两个关节，达到欠驱动效果；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；该装置能够直线平动第二指段去夹持物体，适用于工作台上薄板零件的良好夹持，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；抓取范围大，稳定可靠。