本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
机器人手是机器人系统实现抓取功能的重要装置。抓取物体的方法是从相对的两个方向限制住物体在该方向上的运动可能性。物体在空间中的运动存在多个方向，为了限制所抓物体的各种运动可能性，需要机器人手针对不同的抓取对象展现不同的抓取模式，从而限制物体各个方向的运动。平行夹持抓取(简称平夹抓取)是一种常见的抓取方式，末端指段在运动过程中始终保持相对手掌基座相对固定的姿态，在抓取过程中，相对的两个手指或者多个手指在物体的两个或多个侧面接触物体并施加抓持力，并且通过手指表面的弹性变形材料来获得软指面从来改善抓取的稳定性，这种平行夹持的机器人手装置已经被广泛应用，称之为工业夹持器。工业夹持器是指具有两个或多个手指，手指上没有关节或多个耦合运动的关节的装置，在抓取物体时使用平行夹持的方式，或末端对物体进行捏持，这种抓取方式针对日常物品是有效的，能够达到最多种类的物体抓取。
具有直线平动夹持功能的机器人手已经被发明出来，如专利wo2016063314a1，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、八个连杆、多个转轴等。该装置能够实现第二指段的直线平动，利用第二指段的直线平行移动对物体实现直线平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置仅能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取的功能。
欠驱动机器人手是一类利用较少电机驱动较多关节自由度来达到较好抓取物体目的的多指机器人手。欠驱动手目前已经开发出具有耦合抓取、平夹抓取和复合抓取模式的几类机器人手，其中平夹与自适应复合抓取欠驱动机器人手具有广泛应用的前景，得到了较多的研究。为了保持常用的平夹抓取，同时增加对物体包络抓取效果以提高抓取范围和抓取稳定性，具有平行夹持和自适应包络两种抓取模式的平夹自适应欠驱动机器人手已被开发出来。
已有的一种欠驱动机器人手指装置，如加拿大laval大学的专利us5762390a，包括基座、驱动器、传动机构、六个连杆、三个指段、限位机构和多个弹簧等。该装置实现了平夹及自适应包络物体的效果：最初阶段该装置转动整体绕根部近关节转动，同时末端指段相对于基座保持竖直的初始姿态不变，直到近指段接触物体，中部关节转动，中部指段接触物体，末端关节转动，末端指段才最终转动扣向物体，最后达到多个指段均包络抓取物体的特效。该装置的不足之处在于：该装置在平夹抓取的阶段中，手指末端呈圆弧运动——末端圆弧平动，无法实现末端指段直线平动的效果，在抓取桌面物体时，需要机械臂的精准直线平动控制配合，因而增大了对机械臂协同控制编程的依赖。
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，提供一种滑杆延时变位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：既能直线平动第二指段夹持物体，也能先转动第一指段碰触物体后经过延时变位再转动第二指段包络不同形状、大小的物体；在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持直线的轨迹运动，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的滑杆延时变位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、远关节轴和电机；所述电机与基座固接；所述第一指段套接在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置还包括滑槽件、滑块、滑杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第一簧件、第二簧件、第一限位块、第二限位块、主动拨块、凸块、从动凸块和传动机构；所述滑槽件与基座固接；所述滑块滑动镶嵌在滑槽件上；所述近关节轴套设在滑块中；所述电机的输出轴与滑杆的一端相连，滑杆的另一端套接在第一轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，所述第一连杆的另一端有槽孔，所述槽孔为直线槽孔，所述第一轴滑动镶嵌在槽孔中；所述第二连杆的一端套接在近关节轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第三连杆的一端套接在第二轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二指段套接在第三轴上；所述第一簧件的两端分别连接第一指段和第一连杆；所述第二簧件的两端分别连接第二连杆和滑块；所述第一限位块固接在第一连杆上，在初始位置时所述第一限位块与凸块相接触；所述凸块固接在第一指段上；所述第二限位块固接在滑块上，在初始位置时所述第二连杆与第二限位块相接触；所述主动拨块固接在第一连杆上，在初始位置时所述主动拨块与从动凸块之间存在一段角度距离β；所述从动凸块与传动机构的输入端固接；所述传动机构设置在滑块上；所述传动机构的输出端与第二连杆相连；所述传动机构为增速传动机构，增速比设为i,i>1；设近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴的中心点分别为a、b、e、d、c，线段ab、线段bc、线段cd和线段da构成平行四边形；在初始位置时线段ae与线段ab相互垂直；所述滑块在滑槽件中的滑动方向与滑杆在基座中的滑动方向之间的夹角为α，α为锐角；所述线段ab与线段ae之比为tan(π/2-α)；所述第一连杆上的槽孔的中心线与线段ae共线；所述近关节轴、第一轴、第二轴、第三轴相互平行；所述第一轴的中心线与滑杆在基座中的滑动方向相互垂直。
本发明设计的滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构或绳轮传动机构中的一种或几种的组合。
本发明设计的滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构采用齿轮传动机构，所述传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和传动轴；所述从动凸块与第一齿轮固接，所述第一齿轮活动套接在近关节轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮、第三齿轮分别套固在传动轴上，所述传动轴套设在滑块中，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第四齿轮活动套接在近关节轴上，所述第四齿轮与第二连杆固接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置利用电机、滑槽件、滑块、连杆、限位块、主动拨块和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；该装置既能直线平动第二指段夹持物体，也能先转动第一指段，第一指段碰触物体后经过延时变位转动第二指段包络不同形状、大小的物体，设第一指段接触到物体时，主动拨块与从动凸块的夹角为γ，0＜γ＜β,主动拨块绕着近关节轴转动的平均角速度为ω，则第一指段碰到物体后，第二指段需要经过延时时间t＝γ/ω后开始靠近物体实现自适应包络抓取，在平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持直线的轨迹运动，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，结构简单紧凑，成本低，无需复杂的传感和控制系统，适用在机器人需要抓取和操作不同尺寸物体的场合，降低人工编程、调试和维修等工作需求，提高生产效率，改善加工、制造领域的智能水平。
附图说明
图1是本发明设计的滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。
图2是图1所示实施例的一个正视图。
图3是图1所示实施例的侧视图(图2的右视图)。
图4是图1所示实施例的俯视图的剖面图，显示了凸块、从动凸块、主动拨块、传动机构、第一簧件、第二限位块等之间的初始位置关系。
图5是图1所示实施例的从一个角度观察的立体视图(未画出部分零件)。
图6是图1所示实施例的爆炸视图。
图7至图9是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向内收缩抓取物体(内抓)的动作过程示意图。
图10至图11是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向外张开撑取物体(外抓)的动作过程示意图。
图12至图14是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向右抓取工作台物体表面的动作过程示意图。
图15至图16是图1所示实施例构成的机器人手以直线平行夹持的方式向内收缩抓取(内抓)工作台表面物体的动作过程示意图。
图17至图18是图1所示实施例以直线平行夹持的方式向左抓取工作台表面物体的动作过程示意图。
图19至图20是图1所示实施例构成的机器人手以直线平行夹持的方式向外张开撑取(外抓)工作台表面物体的动作过程示意图。
图21至图23是图1所示实施例以自适应包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。
图24至图26是图1所示实施例构成的机器人手以自适应包络握持方式抓取物体的动作过程示意图。
图27至图29是图1所示实施例的局部剖视图，显示出滑块、第二连杆、第一限位块、主动拨块、第二限位块、凸块、第一簧件和第二簧件在不同运动时刻的位置关系(未画出部分零件)。
图30是图1所示实施例的局部视图(未画出部分零件)，显示出a、b、c、d、e点的位置，以及初始位置时，各个连杆的位置关系。
图31是图30所示的滑杆、第一连杆、滑块、滑槽件及第一指段构成的多连杆机构简图，显示出在第一指段未接触物体时第一指段末端的移动轨迹，该直线轨迹就是本实施例的第二指段直线平行夹持的移动轨迹，即实施例末端直线平行运动的原理图。
在图1至图31中：
1－基座，21－第一指段，22－第二指段，31－近关节轴，
32－远关节轴，11－电机，12－传动机构，41－滑槽件，
42－滑块，5－滑杆，51－第一连杆，52－第二连杆，
53－第三连杆，61－第一轴，62－第二轴，63－第三轴，
71－第一簧件，72－第二簧件，81－第一限位块，82－第二限位块，
91－凸块，92－从动凸块，93－主动拨块，100－物体。
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。
本发明设计的滑杆延时变位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21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32和电机11；所述电机11与基座1固接；所述第一指段21套接在近关节轴31上；所述远关节轴32套设在第一指段21中；所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线相互平行；其特征在于：该滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置还包括滑槽件41、滑块42、滑杆5、第一连杆51、第二连杆52、第三连杆53、第一轴61、第二轴62、第三轴63、第一簧件71、第二簧件72、第一限位块81、第二限位块82、凸块91、从动凸块92、主动拨块93和传动机构12；所述滑槽件41与基座1固接；所述滑块42滑动镶嵌在滑槽件41上；所述近关节轴31套设在滑块42中；所述电机11的输出轴与滑杆5的一端相连，滑杆5的另一端套接在第一轴61上；所述第一连杆51的一端套接在近关节轴31上，所述第一连杆51的另一端有槽孔，所述槽孔为直线槽孔；所述第一轴61滑动镶嵌在槽孔中；所述第二连杆52的一端套接在近关节轴31上，第二连杆52的另一端套接在第二轴62上；所述第三连杆53的一端套接在第二轴62上，第三连杆53的另一端套接在第三轴63上；所述第二指段22套接在第三轴63上；所述第一簧件71的两端分别连接第一指段21和第一连杆51；所述第二簧件72的两端分别连接第二连杆52和滑块42；所述第一限位块81固接在第一连杆51上，在初始位置时所述第一限位块81与凸块91相接触；所述凸块91固接在第一指段21上；所述第二限位块82固接在滑块42上，在初始位置时所述第二连杆52与第二限位块82相接触；所述主动拨块93固接在第一连杆51上，在初始位置时所述主动拨块93与从动凸块92之间存在一段角度距离β；所述从动凸块92与传动机构12的输入端固接；所述传动机构12设置在滑块42上；所述传动机构12的输出端与第二连杆52相连；所述传动机构12为增速传动机构，增速比设为i,i>1；设近关节轴31、远关节轴32、第一轴61、第二轴62、第三轴63的中心点分别为a、b、e、d、c，线段ab、线段bc、线段cd和线段da构成平行四边形；在初始位置时线段ae与线段ab相互垂直；所述滑块42在滑槽件41中的滑动方向与滑杆5在基座1中的滑动方向之间的夹角为α，α为锐角；所述线段ab与线段ae之比为tan(π/2-α)；所述第一连杆51上的槽孔的中心线与线段ae共线；所述近关节轴31、第一轴61、第二轴62、第三轴63相互平行；所述第一轴61的中心线与滑杆5在基座1中的滑动方向相互垂直。
本发明设计的滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构12采用齿轮传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构或绳轮传动机构中的一种或几种的组合。
本发明设计的滑杆延时变位直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构12采用齿轮传动机构，所述传动机构12包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和传动轴；所述从动凸块92与第一齿轮固接，所述第一齿轮活动套接在近关节轴31上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮、第三齿轮分别套固在传动轴上，所述传动轴套设在滑块42中，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第四齿轮活动套接在近关节轴31上，所述第四齿轮与第二连杆52固接。
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27所示。第一簧件71处于初始状态时被扭转，第一限位块81与凸块91接触，保证第一连杆51的中心线与第一指段21中心线垂直。电机11转动，带动滑杆5平动，第一连杆51绕着近关节轴31转动，当第一连杆51绕着近关节轴31旋转角度小于主动拨块93与从动凸块92的初始夹角β时，因为主动拨块93固定在第一连杆51上，所以主动拨块93的旋转角度也小于β，此时主动拨块93与从动凸块92之间无接触，此时，因为第二簧件72初始状态时受拉，弹力作用下第二连杆52紧贴着第二限位块82，第二连杆52不会发生相对转动；第二连杆52仅做平移，带动平行四边形abcd中的线段ad沿着滑槽件移动；此时三角形eab为直角三角形，线段ab和be的夹角为α，满足图31所示的直线平动原理，使得第二指段22直线平动。下面给出图31所示机构原理的证明。
已知：∠eoa＝α，ab/ae＝tan(π/2-α)，ea⊥ab，在某一时刻，点e1、a1、b1分别为点e、a、b运动后的当前点，点e1在直线eo上平动，对应的，a1在直线oa上相应平动，下面证明点b1在直线bo上平动，且直线bo垂直与直线eo。
qea⊥ab.
∴线段eb为经过点e、a、b三点的圆的直径.
qab/ae＝tan(π/2-α).
∴∠eba＝α.(1)
又q∠eoa＝α.(2)
由(1)、(2)得：∠eoa＝∠eba＝α.
根据“同一个弦对应的两个圆周角相等，则四个点共圆”,
∴点o、e、a、b四点共圆.
记∠aeb＝β，有：β＝π/2-α.
根据“相同弦长的圆周角相等”,
则在点o、e、a、b四点的共圆中对应弦长ab的∠aob＝∠aeb＝β，
而β的一条边为固定的直线ao,
故β的另一条边为直线bo，bo是固定的，
即b1点始终在直线bo上.
qα+β＝π/2,
∴bo⊥eo.
证明结束。
当本实施例抓取物体时，会呈现两种抓取模式，即直线平夹模式(第一阶段)和自适应包络抓取模式(第二阶段)，介绍如下:
(1)直线平夹模式
当第一指段21和第二指段22均未碰到物体100或者第二指段22先于第一指段21接触物体100时，该装置将采用直线平夹的抓取模式；电机11继续转动，当第一连杆51绕着近关节轴31旋转角度小于主动拨块93与从动凸块92的初始夹角β时，因为主动拨块93固定在第一连杆51上，所以主动拨块93的旋转角度也小于β，此时主动拨块93与从动凸块92之间无接触，因为第二簧件72受拉，弹力作用下第二连杆52紧贴着第二限位块82，第二连杆52不会发生相对转动；同时第一簧件71因为预应力作用被扭转，第一限位块81与凸块91接触，保证第一连杆51的中心线与第一指段21中心线保持垂直；满足图31所示的直线平动原理，使得第二指段22直线平动直到接触到物体100，此时电机11停止工作，从而实现该装置的直线平夹功能。如图7到图18所示。
(2)自适应包络抓取模式
当第一指段21先于第二指段22碰触到物体100时，该装置将采用自适应包络抓取模式；电机11继续转动，当第一指段21碰触到物体100之后，第一指段21将无法再发生转动，电机11继续转动，滑杆5一边在电机11的带动下平动，一边沿着第一连杆51一端的槽孔滑动，带动第一连杆51继续转动，使得第一簧件71继续变形，凸块91和第一限位块81分离，第一连杆51的中心线和第一指段21的中心线的垂直关系被破坏；设第一指段21接触到物体100时，主动拨块93与从动凸块92的夹角为γ，0＜γ＜β,主动拨块93绕着近关节轴31转动的平均角速度为ω，则第一指段21碰到物体后，经过延时时间t＝γ/ω后，主动拨块93接触到从动凸块92，如图28所示，电机11继续转动，第一指段21仍然无法转动，使得第二簧件72继续被拉伸变形，主动拨块93推动从动凸块92转动，带动传动机构12转动，因第二连杆52与传动机构12的输出端固接，第二连杆52绕着近关节轴31转动，带动第三连杆53绕着第二轴62转动，使得第二指段22绕着远关节轴32转动，第二指段开始向物体100靠近，直至第二指段22与物体100接触，电机11停止工作，抓取结束。如图21至图23所示。针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取不同形状和尺寸的物体。
释放物体时，电机反转，与上述过程刚好相反，不再赘述。
本发明装置利用电机、传动机构、限位块、主动拨块和簧件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；既能直线平动第二指段夹持物体，也能先转动第一指段，碰触物体后经过延时变位再转动第二指段包络不同形状、大小的物体；在直线平动第二指段夹持物体阶段，第二指段末端始终保持直线的轨迹运动，适合在工作台上抓取薄板物体，减少机械臂编程需求；仅用一个电机驱动两个关节，结构简单紧凑，成本低，无需复杂的传感和控制系统，适用在机器人需要抓取和操作不同尺寸物体的场合，降低人工编程、调试和维修等工作需求，提高生产效率，改善加工、制造领域的智能水平。