曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置的制作方法

文档序号:11207752阅读:550来源:国知局
曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置的制造方法

本发明属于机器人手技术领域,特别涉及一种曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置的结构设计。



背景技术:

欠驱动机器人手是指电机数量少于关节数量的机器人手,它能够实现对不同物体的自适应抓取,也能够适应多种物体的抓取。应用在不同的场合下,均可以满足减少复杂传感与实时控制的需求,提高抓取的稳定性和精确性,同时该装置简便、成本低廉,质量小、体积小,可以被广泛应用在农业、工业以及服务业机器人中,也可以用于医疗,例如为残疾人提供假手。

具有两自由度的欠驱动机器人手主要包括两个基本类别:一类是耦合抓取模式,另一类是自适应抓取模式。其中耦合抓取模式是指两个关节按一定的比例或者变化的比例同时转动,具体可以分为正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式,正向耦合抓取常常简称为耦合抓取,反向耦合抓取模式中按相同比例的抓取模式应用比较广泛,常称为平行夹持耦合抓取模式,常常简称为平夹抓取。正向耦合抓取适合用末端指段去捏持小的物体,而自适应抓取适合包络物体抓取,常称为力量抓取。

在基本类别的组合中,主要有两种复合抓取模式:一种是先耦合而后自适应的抓取模式,称为耦合自适应抓取模式,或耦自抓取模式;另一种是先平行夹持而后自适应的抓取模式,称为平夹自适应抓取模式,或平自抓取模式。其中,耦自抓取模式具有更加拟人性的特点,同时末端的捏持效果也是比较容易实现。平自抓取模式能够具有两个平行开合的末端指段,在工业上适合平行捏持薄片状物体或者具有两个相平行面的物体。

已有的一种连杆欠驱动三指机械手装置,如加拿大laval大学专利us5762390,包括多个连杆、三个簧件和机械约束等。该装置实现了平夹自适应抓取模式。在工作时,开始阶段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捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于,该装置仅能实现平夹自适应抓取模式,无法实现耦合自适应抓取模式,不适用于快速抓取的工况,效率比较低;它采用复杂的多连杆机构,机构体积大,摩擦副多,能量利用率低;由于连杆数量多,缺乏柔顺性,制造成本高,运动存在较大的死区,抓取范围较小。

已有的一种柔性件平夹耦合切换自适应机器人手指装置(中国专利cn105835083a),包括基座、两个指段、两个关节轴、驱动器、柔性传动件、腱绳、多个传动轮、半轮、半轮连接件、转轴、半轮凸块、两个簧件和限位凸块等。该装置实现了机器人手指平夹自适应抓取模式与耦合自适应抓取模式可以简单切换的功能。其不足之处在于,该装置采用腱绳带动传动轮转动,工作时间过长后,腱绳的弹性会下降,机构的运动精确性随之下降;此外,采用多个传动轮,机构比较复杂,安装维修困难,制造成本较高;

已有的一种精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置(中国专利cn106799742a),包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、腱绳、从动滑轮、连接件、转轴、扇形轮、球缺件、齿轮、齿条和弹簧等。该装置实现了机器人手指平夹抓取、耦合抓取和自适应抓取多种抓取模式。该装置利用球缺件的球面实现了平夹与耦合的平稳切换,并且球缺件的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度;其不足之处在于,该装置采用腱绳和弹簧的张紧程度的配合实现相应功能,长时间工作后,腱绳和弹簧会发生疲劳失效,其弹性会下降,机构的运动精确性随之下降;此外,采用多个传动轮,机构比较复杂;采用齿轮和齿条,安装维修困难,制造成本较高。



技术实现要素:

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷,提供一种曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置。该装置可以实现平夹自适应抓取模式,在简单手动切换后,又可以实现耦合自适应抓取模式;该装置既能平动第二指段平行夹持物体,也能两个关节同时正向弯曲耦合捏持物体,还可以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;抓取范围大;无需复杂的传感和控制系统。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置,包括基座1、第一指段2、第二指端3、近关节轴4、电机12、传动机构,该近关节轴4活动套设在基座1中,该远关节轴5活动套设在第一指段2中,所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行;该第一指段2套接在近关节轴4上,该第二指段3套接在远关节轴5上;该电机12与基座1固接,该传动机构设置在基座1中,所述电机12的输出轴与传动机构的输入端相连;

该曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置还包括第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69、转轴41、连接件42、第一限位块91、第二限位块92、连杆凸块10和簧件11,前述传动机构的输出端与第一连杆61固接,该第一连杆61套接在近关节轴4上;该第二连杆62通过第一销轴71套接在第一连杆61上;该第三连杆63一端通过第二销轴72套接在第二连杆62上,另一端套接在远关节轴5上;所述第一连杆61的长度大于第三连杆63的长度;所述第二指端3与第三连杆63固接;

该连接件42套接在近关节轴4上;该转轴41套设在连接件42上,其中心线与近关节轴4的中心线相交且垂直;该第四连杆64套接在转轴41上;该第六连杆66的下端通过第三销轴73套接在第四连杆64上,其上端与套筒68固接;该第七连杆67的上端通过第四销轴74套接在第五连杆65上,其下端与中间轴69固接;该中间轴69套设在所述套筒68中,其中心线位于近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线构成的平面u上且与近关节轴4的中心线垂直;该第五连杆65套接在远关节轴5上,所述第二指端3与第五连杆65固接;所述第四连杆64的长度与第五连杆65的长度相等;

该第一限位块91、第二限位块92分别与基座1固接;该连杆凸块10与第四连杆64固接,该簧件11的两端分别连接连杆凸块10、基座1;在该曲轴杆件平夹耦合切换自适应机器人手装置处于平夹初始状态时,所述连杆凸块10与第一限位块91接触,第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、转轴41和套筒68之间配合形成连杆传动关系,且为平行四边形机构;在该曲轴杆件平夹耦合切换自适应机器人手装置处于耦合初始状态时,连杆凸块10与第二限位块92接触,第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、转轴41和套筒68之间配合形成连杆传动关系,且为“8”字形机构。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。

前述的曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置,所述簧件11采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明装置利用电机、传动机构、两个指段、两个关节轴、七个连杆、四个销轴、连接件、转轴、套筒、中间轴、簧件、连杆凸块和两个限位块等构件,综合实现了机器人手装置平夹自适应抓取模式与耦合自适应抓取模式之间简单切换的功能:该装置可以实现平夹自适应抓取模式,在简单手动切换后,又可以实现耦合自适应抓取模式;在平夹自适应抓取模式中,该装置既能平动第二指段捏持物体,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;在耦合自适应抓取模式中,该装置可以同时联动两个关节转动,并在第一指段接触物体受阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段;抓取范围广;采用欠驱动的方式,利用一个电机驱动两个关节,无需复杂的传感和控制系统;该装置结构紧凑、简单、体积小,制造和维护成本低,适用于农业、工业和服务业等各个领域的机器人手。

上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1是本发明设计的曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的右视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的左视图)。

图5是图2的a-a剖视图。

图6是图2的b-b剖视图。

图7是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图9是图1所示实施例的从第三个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图10至图14是图1所示实施例在平夹自适应模式下以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图15至图17是图1所示实施例在平夹自适应模式下平行开合第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图18至图21是图1所示实施例在耦合自适应模式下以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图22至图24是图1所示实施例在耦合自适应模式下耦合弯曲用第二指段夹持物体的动作过程示意图。

【主要元件符号说明】

1-基座,111-基座前板,112-基座后板,113-基座左侧板,

114-基座右侧板,115-基座表面板,116-基座底板,117-基座侧罩板,

2-第一指段,21-第一指段骨架,22-第一指段左侧板,23-第一指段右侧板,

24-第一指段表面板,25-第一指段前板,26-第一指段后板,3-第二指段,

4-近关节轴,41-转轴,42-连接件,5-远关节轴,

61-第一连杆,62-第二连杆,63-第三连杆,64-第四连杆,

65-第五连杆,66-第六连杆,67-第七连杆,68-套筒,

69-中间轴,71-第一销轴,72-第二销轴,73-第三销轴,

74-第四销轴,81-轴承,82-轴承端盖,83-套筒,

84-销钉,85-螺钉91-第一限位块,92-第二限位块

10-连杆凸块,11-簧件,12-电机,121-减速器,

122-第一锥齿轮,123-第二锥齿轮,124-过渡齿轮轴,125-第一带轮,

126-第二带轮,127-传动带,17-物体

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本发明提出的曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。

请参阅图1至图9,为本发明设计的曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置的一种实施例,包括基座1、第一指段2、第二指端3、近关节轴4、电机12、传动机构,该近关节轴4活动套设在基座1中,该远关节轴5活动套设在第一指段2中,所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行;该第一指段2套接在近关节轴4上,该第二指段3套接在远关节轴5上;该电机12与基座1固接,该传动机构设置在基座1中,所述电机12的输出轴与传动机构的输入端相连。

该曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置还包括第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69、转轴41、连接件42、第一限位块91、第二限位块92、连杆凸块10和簧件11,前述传动机构的输出端与第一连杆61固接,该第一连杆61套接在近关节轴4上;该第二连杆62通过第一销轴71套接在第一连杆61上;该第三连杆63一端通过第二销轴72套接在第二连杆62上,另一端套接在远关节轴5上;所述第一连杆61的长度大于第三连杆63的长度;所述第二指端3与第三连杆63固接;

该连接件42套接在近关节轴4上;该转轴41套设在连接件42上,其中心线与近关节轴4的中心线相交且垂直;该第四连杆64套接在转轴41上;该第六连杆66的下端通过第三销轴73套接在第四连杆64上,其上端与套筒68固接;该第七连杆67的上端通过第四销轴74套接在第五连杆65上,其下端与中间轴69固接;该中间轴69套设在所述套筒68中,其中心线位于近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线构成的平面u上且与近关节轴4的中心线垂直;该第五连杆65套接在远关节轴5上,所述第二指端3与第五连杆65固接;所述第四连杆64的长度与第五连杆65的长度相等;

定义抓取物体的一侧为该曲轴杆件平夹耦合切换自适应机器人手装置的前方,相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方;该第一限位块91、第二限位块92分别与基座1固接;该连杆凸块10与第四连杆64固接,该簧件11的两端分别连接连杆凸块10、基座1;设第一指段2靠向物体的转动方向为近关节正方向,第一指段2远离物体的转动方向为近关节反方向;在该曲轴杆件平夹耦合切换自适应机器人手装置处于平夹初始状态时,所述连杆凸块10与第一限位块91接触,第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、转轴41和套筒68之间配合形成连杆传动关系,且为平行四边形机构;在该曲轴杆件平夹耦合切换自适应机器人手装置处于耦合初始状态时,连杆凸块10与第二限位块92接触,第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、转轴41和套筒68之间配合形成连杆传动关系,且为“8”字形机构。

优选的,所述簧件11采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中,所述簧件11采用拉簧。

本实施例中,所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115、基座底板116和基座侧罩板117。所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23、第一指段表面板24、第一指段前板25和第一指段后板26。

本实施例中,所述传动机构包括减速器121、第一锥齿轮122、第二锥齿轮123、过渡齿轮轴124、第一带轮125、第二带轮126和传动带127,该电机12的输出轴与减速器121的输入轴相连,该第一锥齿轮122套固在减速器121的输出轴上,该第二锥齿轮123套固在过渡齿轮轴124上,所述第一锥齿轮122与第二锥齿轮123啮合;所述过渡齿轮轴124套设在基座1中,该第一带轮125套固在过渡齿轮轴124上,该第二带轮126活动套固在近关节轴4上,所述第二带轮126与第一连杆61固接;该传动带127呈“o”字形,用于连接第一带轮125和第二带轮126,三者形成带轮传动关系。

本实施例还采用了若干轴承81、若干套筒83、若干销钉84和若干螺钉85等零件,属于公知常用技术,不赘述。

本实施例的工作原理,结合图10至图24,叙述如下:

该装置具有两种抓取模式:一种是耦合自适应抓取模式,另一种是平夹自适应抓取模式,两种模式的切换可以由第四连杆绕转轴的转动以及第六连杆绕中间轴的转动来实现。

平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式的手动切换方法为:

将该装置运行调整到伸直的状态,然后将第四连杆64绕转轴41以及第六连杆66绕中间轴69同时旋转180度。

1)平夹自适应抓取模式的实现

将第四连杆64转动到与第一限位块91接触的位置,第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第七连杆67、转轴41和套筒68之间配合形成连杆传动关系,且为平行四边形机构,此时该曲轴连杆平夹耦合切换自适应机器人手装置处于平夹初始状态。下面针对平夹自适应抓取模式进行详细说明:

初始位置为手指伸直状态。

a)当第四连杆64的旋转角度为0度时,第四连杆64相对基座1的位置不变;由于第四连杆64与第五连杆65的长度相等(即两者转角相同,传动比为1),在第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69的作用下,无论第一指段2处于何位置,第五连杆65始终与第四连杆64保持同一角度,第五连杆65相对基座1只进行平移运动而不会旋转,由于第五连杆65与第二指段3固接,所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转。

b)当第四连杆的旋转角度为正时,在第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69的作用下,第五连杆65的旋转角度等于第四连杆64的转角。

当本实施例抓取物体17时,电机12通过传动机构的传动,使得第一连杆61正转,第一连杆61相对基座1的转角为α。在第二连杆62的作用下,第一连杆61相对第一指段2的转角与第三连杆63相对第一指段2的转角有一定比例的关系。设从第一连杆61通过第二连杆62传动到第三连杆63的传动比为i,该传动比是第一连杆61的转速(相对于第一指段2)与第三连杆63的转速(相对于第一指段2)之比,它等于第三连杆63的长度与第一连杆61的长度之比。由于第一连杆61的长度大于第三连杆63的长度,因此是增速传动,输出速度大于输入速度,故传动比i小于1。设第一指段2绕近关节轴4的转角为δ。由于第三连杆63与第二指段3固接,而第二指段3相对于基座1没有发生转动,因此此时第三连杆63也就相对于基座1没有发生转动,于是可以推导得出本实施例装置将平衡于满足如下(公式1)的位置:

α=δ(1-i)(公式1)

由于i小于1,可以求出一个α和δ分别为正的不同角度(其中α小于δ)。因此当电机12通过传动机构的传动,第一连杆61转动了一个角度α,此时第一指段2绕近关节轴4转过了一个角度δ,第二指段3相对于基座1始终是同一个姿态,只是位置发生了变化。这是平行夹持的阶段(如图10、图11、图12、图18)。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体17,或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体17。例如一个空心圆柱筒的拿取,从该物体的内侧向外张开撑住筒壁,从而拿取物体。

当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动,将进入自适应包络的第二阶段(如图13、图14、图19、图20、图21所示),这时电机12通过传动机构的传动,带动第一连杆61,使固接在一起的第二指段3、第三连杆63和第五连杆65同时绕远关节轴5转动,通过第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69带动第四连杆64绕近关节轴4转动,簧件11发生变形(如图13、图19所示),此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线继续转动,直到第二指段3接触物体17为止,完成自适应包络抓取物体的效果。针对不同形状、大小的物体,本实施例具有自适应性,能够通用抓取多种物体。

释放物体17的过程:电机12反转,后续过程与上述抓取物体17的过程刚好相反,不赘述。

2)耦合自适应抓取模式的实现

将第四连杆64拨动到靠向抓取物体17的一侧(前方),第四连杆64带动第六连杆66、套筒68绕中间轴69旋转到前方,第四连杆64,第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69、第四连杆64与第五连杆65构成“8”字形机构,实现反向等速传动。

下面针对耦合自适应抓取模式进行介绍。

当电机12通过第一连杆61、第二连杆62和第三连杆63带动第一指段2正向转动靠向物体17时,由于第四连杆64始终靠向第二限位块92而没有发生转动,此时第一指段2相对于第四连杆64的转动会使得第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69带动第四连杆64,此时簧件11将第二指段3拉向抓取物体17一侧,第六连杆66、第七连杆67、套筒68、中间轴69便会带动第五连杆65,第五连杆会带动第二指段3靠向物体17的方向转动。此时会有:

α=δ(1+i)(公式2)

释放物体17的过程与上述过程相反,不赘述。

本发明装置利用电机、传动机构、两个指段、两个关节轴、七个连杆、四个销轴、连接件、转轴、套筒、中间轴、簧件、连杆凸块和两个限位块等构件,综合实现了机器人手装置平夹自适应抓取模式与耦合自适应抓取模式之间简单切换的功能:该装置可以实现平夹自适应抓取模式,在简单手动切换后,又可以实现耦合自适应抓取模式;在平夹自适应抓取模式中,该装置既能平动第二指段捏持物体,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;在耦合自适应抓取模式中,该装置可以同时联动两个关节转动,并在第一指段接触物体受阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段;抓取范围广;采用欠驱动的方式,利用一个电机驱动两个关节,无需复杂的传感和控制系统;该装置结构紧凑、简单、体积小,制造和维护成本低,适用于农业、工业和服务业等各个领域的机器人手。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

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