一种基于柔性轴的仿生手爪模块的制作方法

本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种基于柔性轴的仿生手爪模块，具体是一种通过柔性轴传动实现抓取和扭转两种功能的仿生手爪。

背景技术：

机器人技术是一门综合了机械学、电子学、力学、生物学、控制理论、计算机、人工智能、人机工程和系统工程等多学科领域的高技术，是21世纪最具有代表性的高新技术之一。仿生机器人近年来越来越受到研究者们的关注，已经成为当今技术发展的最高级和最尖端的体现。仿生学是一门新兴的学科，仿生学的发展促进了与之密切相关的仿生机械学的诞生与发展。模仿各类动物的行走、爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形态，生理结构和控制原理设计制造出的功能更集中效率更高、应用更加广泛并具有生物特征的机构。

自从1960年第一台机器人问世以来，机器人技术在国防、科研和生产等领域都有了广泛的应用，代替人类从事一些复杂、危险或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高工作效率，扩大人类的活动空间。但是目前国内外的工业机器人大多是针对专门的任务设计的，使用的也是夹钳或者平行移动式的单自由度末端执行器。这种执行器的结构简单，控制方便，对于实现重负荷的大范围运动作业十分有效，但是却存在以下几个方面的缺点：

1.它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难以达到很高的抓取精度、稳定性和可靠性；2.它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过手臂调整末端位置，通过手腕调整末端姿态。由于机械臂的尺寸较大，很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差；3.它缺少精确的力控制，只能完成夹持力要求不高的作业；4.不能适应物体外形的变化。

技术实现要素：

本实用新型旨在针对上述现有机械手爪技术的不足，设计一种基于柔性轴的仿生手爪模块。本实用新型将传统的刚性连接与传动，例如齿轮齿条、蜗轮蜗杆、链条、同步带轮等，更换为柔性轴传动。在本实用新型中，驱动机构仿生手指与驱动机构直流伺服电机分开布置，可实现远距离传动，使得手爪整体结构紧凑。每根仿生手指采用一根柔性轴传动，即能够实现沿轴线方向的屈伸运动，又能够实现绕轴线方向的转动，即每根仿生手指具有2个自由度；整个手爪由3根仿生手指组成，具有6个自由度，运动组合之后能够实现抓取和扭转功能。

本实用新型解决上述问题主要是通过下述技术方案得以实现的：

一种基于柔性轴的仿生手爪模块，其特征在于，包括电机安装基座、固定在电机安装基座上的驱动机构、通过联轴器组件与驱动机构配接的丝杆副以及与丝杆副配接并能随丝杆副的运动做往复运动的手指安装基座；弹性手指模块通过手指支撑旋转平台设置在手指安装基座上，手指支撑旋转平台通过配接件与手指安装基座的竖向突台装配并能够绕竖向突台轴向旋转，手指支撑旋转平台的一侧通过复位机构与手指安装基座固定，底部与辅助驱动机构配接并能够在辅助驱动机构的往复运动驱动下绕竖向突台轴向旋转从而带动弹性手指模块进行开启和闭合的动作。

本实用新型作为末端执行器的灵巧手相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，通过机器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力，这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。

在上述的一种基于柔性轴的仿生手爪模块，驱动机构包括主直流伺服电机，辅助驱动机构包括辅直流伺服电机以及柔性轴；所述主直流伺服电机通过主直流伺服电机与丝杆副配接，所述丝杆副包括滚珠丝杠螺母以及滚珠丝杠，滚珠丝杠与滚珠丝杠螺母配合运动，一端为自由端，一端通过主电机联轴器和主直流伺服电机的轴连接；手指安装基座与滚珠丝杠螺母通过螺钉螺母固定在一起；柔性轴穿过手指支撑旋转平台贯穿弹性手指模块与其尖端固定。

在上述的一种基于柔性轴的仿生手爪模块，配接件包括2个深沟球轴承，手指支撑旋转平台通过2个深沟球轴承与手指安装基座的竖向突台装配；复位机构包括复位弹簧，复位弹簧固定在旋转平台上的横向突台和手指安装基座的横向突台之间。

在上述的一种基于柔性轴的仿生手爪模块，还包括圆柱限位滑轨，主直流伺服电机通过螺钉固定在电机安装基座上；电机安装基座与圆柱限位滑轨相对应的位置开圆孔，可让圆柱限位滑轨自由滑动；辅直流伺服电机通过螺钉固定在电机安装基座上，电机轴通过辅电机联轴器与柔性轴固定连接。

在上述的一种基于柔性轴的仿生手爪模块，弹性手指模块为三个，周向均匀设置在手指支撑旋转平台上并和手指支撑旋转平台粘合，弹性手指模块形状为弧形，弹性手指模块和旋转平台均为内部中空。

本实用新型具有以下优点：1. 整体结构简单紧凑，没有连带多余机构，节省了空间；2. 每个手指由单根柔性轴传动，可实现屈伸和旋转两种运动形式；3. 三个手指组合运动可实现整个仿生手爪抓取和扭转两种功能；4. 主电机通过滚珠丝杠传动实现仿生手爪的抓取功能，3个手指运动同步，安全性和可靠性容易得到保证。

附图说明

图1是本实用新型的基于柔性轴仿生手爪模块的立体结构示意图。

图2是本实用新型的弹性手指和被动复位机构的立体结构示意图。

图3是本实用新型的辅电机带动柔性轴旋转运动机构的主视结构示意图。

图4是本实用新型的主电机带动滚珠丝杠实现两安装基座平行运动的主视结构示意图。

图5是本实用新型的实现抓取物品功能的主视结构示意图。

图6是本实用新型的撤销抓取功能、恢复原位的主视结构示意图。

图7是本实用新型柔性轴的立体结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。图中，弹性手指模块1、手指支撑旋转平台2、复位弹簧3、滚珠丝杠螺母4、滚珠丝杠5、主电机联轴器6、主直流伺服电机7、辅直流伺服电机8、辅电机联轴器9、柔性轴10、圆柱限位滑轨11、手指安装基座12和电机安装基座13。

实施例：

如图1所示，整体机构为本实用新型基于柔性轴仿生手爪模块示意图。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，是组成该仿生手爪的各个部分以及实现功能的外观效果图。3个弹性手指模块1呈正三角形的布置方式，能够更方便快速适应被夹持物体的不同的外形。弹性手指模块1是直接与被夹持物接触的部分，因此手指是最终控制的对象，它的设计至关重要。本实用新型的弹性手指模块1采用可变性可恢复的橡胶材料，一方面可以防止损伤被加持物品的表面，另一方面当撤销弹性手指模块1功能时，其能够快速恢复初始位置，以便再一次执行其功能。弹性手指模块1与手指支撑旋转平台2之间用强力胶粘合，弹性手指模块1和手指支撑旋转平台2内部均为中空，柔性轴10能够从手指安装基座12的小孔穿过手指支撑旋转平台2并贯穿弹性手指模块1与其尖端固定；手指支撑旋转平台2的旋转轴通过2个深沟球轴承与手指安装基座12的竖向突台上轴承孔装配，同时每个手指支撑旋转平台2背向突台和手指安装基座12的外向突台之间固定1个被动复位弹簧3，复位弹簧3两端通过销轴分别固定在两侧突台上；手指安装基座12与滚珠丝杠螺母4通过螺钉螺母固定在一起，同时与圆柱限位滑轨11垂直焊接，3根圆柱限位滑轨11呈正三角形布置；滚珠丝杠5与滚珠丝杠螺母4配合将主电机7的转动转换为滚珠丝杠螺母4的平动，滚珠丝杠5一端为自由端，可以穿过手指安装基座12往复运动，另一端通过主电机联轴器6和主直流伺服电机7的轴连接；主电机7通过螺钉固定在电机安装基座13上，电机安装基座13与3根圆柱限位滑轨11相对应的位置开圆孔，可让圆柱限位滑轨11自由往复滑动；辅直流伺服电机8通过螺钉固定在电机安装基座11上，电机轴通过辅电机联轴器9与柔性轴10固定连接。

下面具体阐述该仿生手爪如何实现抓取和扭转被夹持物体的功能。

如图5所示，当主电机7逆时针旋转，辅电机8不旋转时，滚珠丝杠5将会逐渐旋出滚珠丝杠螺母4，手指安装基座12和电机安装基座13之间的垂直距离增大，辅电机联轴器9拉动柔性轴10沿圆柱限位滑轨11运动。由于弹性手指模块1的初始状态是向内侧弯曲，柔性轴10在弹性手指模块1尖端施加拉力，使得弹性手指模块1进一步向内侧弯曲。3根柔性轴10拉动3个弹性手指模块1的运动是同步的，因此会让仿生手爪产生夹持的动作，实现抓取物体的功能。如图6所示，当主电机7顺时针旋转，辅电机8不旋转时，滚珠丝杠5将会逐渐旋入滚珠丝杠螺母4，手指安装基座12和电机安装基座13之间的垂直距离减小。由于柔性轴10沿轴向只能产生拉力不能产生压力，此时弹性手指模块1本身弹性材料会让其逐渐恢复原状，同时，被动复位弹簧3会逐渐从拉长状态恢复为原长，即拉动手指支撑旋转平台2恢复为初始状态，因此会让仿生手爪产生松开的动作。

当辅电机8逆时针旋转，主电机7不旋转时，辅电机8轴通过辅电机联轴器9带动柔性轴10逆时针旋转，柔性轴10带动弹性手指模块1尖端逆时针旋转，由于3个辅电机8分别控制3根弹性手指模块1，当3根弹性手指模块1尖端分别逆时针旋转时，组合在一起能实现仿生手爪顺时针的扭转功能；同理，当3个辅电机8顺时针旋转，主电机7不旋转时，能实现仿生手爪逆时针的扭转功能。

有上述仿生手爪的抓取和扭转功能分析，当主电机7逆时针旋转，3个辅电机8也逆时针旋转时，能够实现仿生手爪抓取和顺时针扭转两种功能的组合；当主电机7逆时针旋转，3个辅电机8顺时针旋转时，能够实现仿生手爪抓取和逆时针扭转两种功能的组合。

在本实施例中，柔性轴10采用钢丝软轴，由3层素丝组成，每层7根高强度钢丝，具有左旋和右旋的功能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。