复合球壳关节装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种复合球壳关节装置及其控制方法的设计。
【背景技术】
[0002]人手具有自由度多、体积小等特点，在抓取物体时指关节能实现弯曲和侧摆两种运动方式:弯曲能够把持住物体，侧摆能够适应物体各种大小和形状。普通的机器人手指不具备侧摆功能，手指不能张开，只能抓取形状和大小一定的物体，抓取模式少，缺乏人手的灵活性和抓取物体的广泛适应性。现有的灵巧手能够实现弯曲和侧摆两种运动方式，但是由于电机体积的限制，灵巧手体积较大且机构复杂，阻碍了灵巧手朝微型化方向发展。
[0003]已有的一种兼具弯曲和侧摆功能的机器人手指装置，如中国专利CN104070530A，具有多个指段，指段间分别具有两个驱动件，驱动件在电压的作用下产生椭圆运动，分别驱动指段弯曲和侧摆运动。其不足之处在于，该装置采用椭圆运动驱动指段运动，驱动件与被驱动件间接触面积很小，有时甚至处于分离状态，抓取力小，关节运动角度小，制作精度要求高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提出一种具有复合球壳关节装置的机器人手指装置。该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构紧凑、零件少，体积小、驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，可实现弯曲和侧摆两个方向的单独或综合运动，适用于机器人手。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]本发明设计的复合球壳关节装置，其特征在于:包括外壳、中球壳和内部组件，所述的内部组件包括中心球、第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件、内球壳和支承件;所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件的两端分别与中心球和内球壳固接;所述的内球壳上设有通孔;所述的中球壳上设有滑槽;所述的支承件的一端与中心球固接，另一端与外壳固接;支承件穿过通孔和滑槽;所述的中球壳设置在内球壳和外壳之间，中球壳的外表面与外壳的内表面为同心的球面，中球壳与外壳构成一对球副；内球壳的外表面为球面，所述的中球壳的内表面和外表面为同心的球面；中球壳的内表面与内球壳的外表面直径不同；中球壳的内表面的直径大于内球壳的外表面的直径;所述的中心球的中心位于中球壳的内表面的中心。
[0007]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的内球壳的外表面与中球壳的内表面在工作中相接触。
[0008]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件以中心球的球心呈空间放射状对称分布。
[0009]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球的球心。
[0010]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件为含有压电材料的振动体或记忆合金。
[0011]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的支承件为圆柱体，第二驱动件伸缩运动的方向与支承件的轴线平行。
[0012]本发明设计的采用复合球壳关节装置的机器人手指装置，包括基座、至少一个指段、至少一个关节，所述的基座与指段之间由关节相连;其特征在于:所述的关节采用复合球壳关节装置;所述的基座与第一关节的外壳固接，所述的各关节的中球壳分别与相应指段的下部固接;位于中部的指段的上部与相应关节的外壳固接。
[0013]本发明设计的复合球壳关节装置的控制方法，其特征在于:所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件中的至少三个驱动件分别按照规律伸缩。
[0014]本发明所述的复合球壳关节装置的控制方法，其特征在于:所述的第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件中的至少三个驱动件分别按照正弦规律伸缩，各正弦规律具有不同的初始相位。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果:
[0016]该装置利用了压电材料这种可伸缩驱动件实现了球面两自由度运动的效果，支承件和滑槽约束了不必要的第三自由度的运动，驱动模块位于最内层球壳，多层球壳的结构减小了驱动装置的体积;该装置在正常抓取过程中无运动死区，结构简洁，体积小，驱动力大，外形和自由度与人手指根部关节类似，既可实现弯曲和侧摆两个方向的综合运动，也可锁定其中一个自由度而仅实现弯曲或侧摆的单独运动，适用于机器人手。
【附图说明】
[0017]图1是本发明提供的复合球壳关节装置的一种实施例的正视图。
[0018]图2是图1实施例的正视图。
[0019]图3是图1实施例的侧视图。
[0020]图4是图1实施例的侧视图。
[0021]图5是图1实施例的立体图。
[0022]图6是图1实施例的外壳和内部组件的正视图。
[0023]图7是图1实施例的驱动原理说明图。
[0024]图8是本发明提供的采用图1实施例的机器人手指装置的一种实施例的侧剖视图。
[0025]图9是图8实施例的正剖视图。
[0026]图10是图8实施例的正视图。
[0027]图11是图8实施例的立体图。
[0028]图12是图8实施例的弯曲动作的说明图。
[0029 ]图13是图8实施例的侧摆动作的说明图。
[0030]图14是图8实施例的侧摆动作的说明图。
[0031 ]在图1至图14中:
[0032]I —基座，2—第一指段，3—第二指段，
[0033]4 一第三指段，5—复合球壳关节，52—内部组件，
[0034]511 —第一驱动件，512 —第二驱动件，513 —第三驱动件，
[0035]514 —第四驱动件，515 —外壳，516—支承件，
[0036]517—中心球，518—内球壳，520 —通孔，
[0037]521— 中球壳，522 — 滑槽。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图及实施例说明本发明的结构和工作原理。
[0039]本发明设计的复合球壳关节装置的一种实施例，如图1到图7所示，其特征在于:包括外壳515、中球壳521和内部组件52，所述的内部组件52包括中心球517、第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514、内球壳518和支承件516;所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514的两端分别与中心球517和内球壳518固接;所述的内球壳上518设有通孔520;所述的中球壳521上设有滑槽522;所述的支承件516的一端与中心球517固接，另一端与外壳515固接;支承件516穿过通孔520和滑槽522;所述的中球壳521设置在内球壳518和外壳515之间，中球壳521的外表面与外壳515的内表面为同心的球面，中球壳521与外壳515构成一对球副；内球壳518的外表面为球面，所述的中球壳521的内表面和外表面为同心的球面；中球壳521的内表面与内球壳518的外表面直径不同；中球壳521的内表面的直径大于内球壳518的外表面的直径;所述的中心球517的中心位于中球壳521的内表面的中心。
[0040]在本实施例中，所述的内球壳518的外表面与中球壳521的内表面在工作中相接触。
[0041]在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513、第四驱动件514以中心球的球心呈空间放射状对称分布。
[0042]在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514为伸缩运动的驱动部件，伸缩运动的方向指向中心球517的球心。
[0043]本发明所述的复合球壳关节装置，其特征在于:所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514为含有压电材料的振动体或记忆合金;在本实施例中，所述的第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件513和第四驱动件514采用含压电材料的振动体。
[0044]在本实施例中，所述的支承件516为圆柱体，第二驱动件512伸缩运动的方向与支承件516的轴线平行。
[0045]在本实施例中，所述的通孔520足够大而不会跟支承件516接触。
[0046]在本实施例中，所述的内球壳518、中球壳521、外壳515和支承件516由伸缩性极小的材料做成，相比起第一驱动件511、第二驱动件512、第三驱动件