伸缩软管流体欠驱动多关节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，特别涉及一种伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置的结构设计。

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，它具有自适应抓取功能，能够适应多种物体的抓取，在不同的场合下使用达到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，同时装置简便、成本低廉，质量小、体积小，可以被广泛应用在工业、农业与服务业机器人中或者作为假手给残疾人使用。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利us8973958b2，包括五个连杆、第一簧件和机械约束等。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，该装置采用非常复杂的多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。

已有的一种气动的软体抓持装置，如中国专利cn104959992a，包括气动软体机械手、导气支撑组件、导气基座、盖板和气体分流器。该装置实现了对复杂形状物体的抓取。其不足之处在于，该装置受到柔性材料的限制，抓持力小，难以对较重物体进行稳定抓持；抓持抗干扰能力弱，气动响应慢，抓持过程存在较大延时，抓持过程噪音大，同时空气压缩机体积较大、较重，不适合用于移动型的服务机器人上。

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，提供一种伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置。该装置实现了机器人手指自适应抓取的功能，可以实现自适应抓取模式。在自适应抓取模式中，该装置既能适应圆形物体的抓取，也能适应凹凸异形物体的抓取，采用欠驱动的方式，仅用一个驱动器驱动多个关节，无需复杂的传感和控制系统，关节数量多，适应能力强，抓取稳定，抓取范围大，多关节联动抓取，抓取效率高；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置，其特征在于：包括基座、m个关节轴、m-1个中间骨节、m个簧件、m个软管、m个导管、末端骨节、流体、驱动器和传动机构；第1个关节轴套设在基座中，第1个中间骨节套接在第1个关节轴上，第1个簧件的两端分别连接基座、第1个中间骨节，第1个导管与基座固接，第2个关节轴套设在第1个中间骨节中，第2个中间骨节套接在第2个关节轴上，第2个簧件的两端分别连接第1个中间骨节、第2个中间骨节,第2个导管与第1个中间骨节固接，第1个软管的两端分别连接第1个导管、第2个导管……第i个关节轴套设在第i-1个中间骨节中，第i个中间骨节套接在第i个关节轴上，第i个簧件的两端分别连接第i-1个中间骨节、第i个中间骨节，第i个导管与第i-1个中间骨节固接，第i个软管的两端分别连接第i个导管、第i+1个导管……第m个关节轴套设在第m-1个中间骨节中，所述末端骨节套接在第m个关节轴上，第m个簧件的两端分别连接第m个中间骨节、末端骨节，第m个导管与第m-1个中间骨节固接，第m个软管的两端分别连接第m个导管、末端骨节；所有关节轴相互平行；所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与流体相连，所述流体密封在所有的软管和导管的内腔中；所述软管采用弹性材料且可沿着通道方向轴向伸缩；m为大于1的自然数，i为1、2……m。

本发明所述的伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置，其特征在于：所述导管的轴线与关节轴垂直，所述软管的轴线与关节轴垂直。

本发明所述的伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧。

本发明所述的伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置，其特征在于：还包括变抓力簧件；所述变抓力簧件设置在传动机构的传动链之中。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用驱动器、传动机构、多个骨节、多个关节轴、多个簧件、多个导管、多个软管和流体等综合实现了机器人手指自适应抓取的功能：该装置可以实现自适应抓取模式。在自适应抓取模式中，该装置既能适应圆形物体的抓取，也能适应凹凸异形物体的抓取，采用欠驱动的方式，仅用一个驱动器驱动多个关节，无需复杂的传感和控制系统，关节数量多，适应能力强，抓取稳定，抓取范围大，多关节联动抓取，抓取效率高；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置的一种实施例的侧面部分剖视图。

图2是图1所示实施例的侧面外观图(其中软管和弹簧给出了局部剖视图)。

图3是图1所示实施例的背面外观图(图1的左视图，未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的正面外观图(图1的右视图)。

图5至图8是图1所示实施例抓取圆形物体的动作过程。

图9至图12是图1所示实施例抓取凹凸异形物体的动作过程。

在图1至图12中：

1－基座，2－关节轴，3－中间骨节，4－簧件，

5－软管，6－导管，7－末端骨节，8－流体，

11－驱动器，12－螺杆，13－螺母板，14－变抓力簧件，

15－活塞，

21－第一关节轴，22－第二关节轴，23－第三关节轴，24－第四关节轴，

25－第五关节轴，26－第六关节轴，27－第七关节轴，28－第八关节轴，

31－第一中间骨节，32－第二中间骨节，33－第三中间骨节，34－第四中间骨节，

35－第五中间骨节，36－第六中间骨节，37－第七中间骨节，38－第八中间骨节，

41－第一簧件，42－第二簧件，43－第三簧件，44－第四簧件，

45－第五簧件，46－第六簧件，47－第七簧件，48－第八簧件，

51－第一软管，52－第二软管，53－第三软管，54－第四软管，

55－第五软管，56－第六软管，57－第七软管，58－第八软管，

61－第一导管，62－第二导管，63－第三导管，64－第四导管，

65－第五导管，66－第六导管，67－第七导管，68－第八导管，

91－圆形物体，92－凹凸异形物体。

101－基座体，102－基座板，

301－连杆，302－横板，303－限位凸块，304－表面板，

701－末端连杆，702－末端横板，703－末端限位凸块，704－末端表面板。

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。

本发明设计的一种伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置，其特征在于：包括基座、m个关节轴、m-1个中间骨节、m个簧件、m个软管、m个导管、末端骨节、流体、驱动器和传动机构；第1个关节轴套设在基座中，第1个中间骨节套接在第1个关节轴上，第1个簧件的两端分别连接基座、第1个中间骨节，第1个导管与基座固接，第2个关节轴套设在第1个中间骨节中，第2个中间骨节套接在第2个关节轴上，第2个簧件的两端分别连接第1个中间骨节、第2个中间骨节,第2个导管与第1个中间骨节固接，第1个软管的两端分别连接第1个导管、第2个导管……第i个关节轴套设在第i-1个中间骨节中，第i个中间骨节套接在第i个关节轴上，第i个簧件的两端分别连接第i-1个中间骨节、第i个中间骨节，第i个导管与第i-1个中间骨节固接，第i个软管的两端分别连接第i个导管、第i+1个导管……第m个关节轴套设在第m-1个中间骨节中，所述末端骨节套接在第m个关节轴上，第m个簧件的两端分别连接第m个中间骨节、末端骨节，第m个导管与第m-1个中间骨节固接，第m个软管的两端分别连接第m个导管、末端骨节；所有关节轴相互平行；所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与流体相连，所述流体密封在所有的软管和导管的内腔中；所述软管采用弹性材料且可沿着通道方向轴向伸缩；m为大于1的自然数，i为1、2……m。

本实施例中，m＝8。

本发明设计的伸缩软管流体欠驱动多关节机器人手指装置的一种实施例，如图1至图5所示，包括基座1、8个关节轴2、7个中间骨节3、8个簧件4、8个软管5、8个导管6、末端骨节7、流体8、驱动器11和传动机构。

本实施例中，所述关节轴2有8个，分别是第一关节轴21、第二关节轴22、第三关节轴23、第四关节轴24、第五关节轴25、第六关节轴26、第七关节轴27、第八关节轴28。

本实施例中，所述中间骨节3有8个，分别是第一中间骨节31、第二中间骨节32、第三中间骨节33、第四中间骨节34、第五中间骨节35、第六中间骨节36、第七中间骨节37、第八中间骨节38。

本实施例中，所述簧件4有8个，分别是第一簧件41、第二簧件42、第三簧件43、第四簧件44、第五簧件45、第六簧件46、第七簧件47、第八簧件48。

本实施例中，所述软管5有8个，分别是第一软管51、第二软管52、第三软管53、第四软管54、第五软管55、第六软管56、第七软管57、第八软管58。

本实施例中，所述导管6有8个，分别是第一导管61、第二导管62、第三导管63、第四导管64、第五导管65、第六导管66、第七导管67、第八导管68。

本实施例中，所述第一关节轴21套设在基座1中，所述第一中间骨节31套接在第一关节轴21上，所述第一簧件41的两端分别连接基座1、第一中间骨节31，所述第一导管61与基座1固接；所述第二关节轴22套设在第一中间骨节31中，所述第二中间骨节32套接在第二关节轴22上，所述第二簧件42的两端分别连接第一中间骨节31、第二中间骨节32,所述第二导管62与第一中间骨节31固接，所述第一软管51的两端分别连接第一导管61、第二导管62……所述第八关节轴28套设在第七中间骨节37中，所述末端骨节7套接在第八关节轴28上，所述第八簧件48的两端分别连接第七中间骨节37、末端骨节7，所述第八导管68与第七中间骨节37固接，所述第八软管58的两端分别连接第八导管68、末端骨节7；所有所述关节轴2相互平行；所述驱动器11的输出端与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与流体8相连，所述流体8密封在所有的软管5和导管6的内腔中；所述软管5采用弹性材料且可沿着通道方向轴向伸缩；i为1、2…8。

本实施例中，所述导管6的轴线与关节轴2垂直，所述软管5的轴线与关节轴2垂直。

本实施例中，所述簧件4采用拉簧。

本实施例中，所述8个簧件4的弹性系数不同，第一簧件41的弹性系数小于第二簧件42的弹性系数，第二簧件42的弹性系数小于第三簧件43的弹性系数，第三簧件43的弹性系数小于第四簧件44的弹性系数，第四簧件44的弹性系数小于第五簧件45的弹性系数，第五簧件45的弹性系数小于第六簧件46的弹性系数，第六簧件46的弹性系数小于第七簧件47的弹性系数，第七簧件47的弹性系数小于第八簧件48的弹性系数；所述8个簧件4中，第一簧件41的长度最长，第二簧件42、第三簧件43、第四簧件44、第五簧件45、第六簧件46、第七簧件47和第八簧件48的长度相等。

本实施例还包括变抓力簧件14，所述变抓力簧件14的两端分别连接传动机构和流体8，当驱动器11通过传动机构推动流体8时，会先使得变抓力簧件14变形，再通过变抓力簧件14将力量传递给流体8，当流体8不能再运动时，变抓力簧件14会产生变形，变形的大小影响着该装置抓取物体的抓持力，驱动器11停止运动后，抓持力会因为变抓力簧件14的变形保留下来，从而获得持续的抓持力。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起基座体101和基座板102，。

本实施例中，所述传动机构包括螺杆12、螺母板13、变抓力簧件14和活塞15；所述螺母板13滑动镶嵌在基座体101中；所述螺杆12与驱动器11的输出端相连，螺杆12与螺母板13配合形成螺纹传动关系；所述活塞15滑动镶嵌在基座体101中，活塞15与螺母板13相互平行；所述变抓力簧件14(可以有多个)的两端分别与螺母板13、活塞15相连。

本实施例中，所述中间骨节3包括连杆301、横板302、限位凸块303和表面板304；所述表面板304采用具有摩擦系数大的弹性材料，所述连杆301、横板302和限位凸块303固接，所述表面板304位于连杆301的表面(接触物体一侧)，所述横板302上有孔，导管6穿过横板302上的孔，导管6与横板302固接；连杆301的两端有孔，连杆301的两端分别套接在不同的相应关节轴2上；在初始状态时，相邻中间骨节3的限位凸块303相互接触并限制中间骨节3的初始位置，当抓取物体时，相邻限位凸块303才会分离。

本实施例中，所述末端骨节7包括末端连杆701、末端横板702、末端限位凸块703和末端表面板704；所述末端表面板704采用具有摩擦系数大的弹性材料，所述末端连杆701、末端横板702和末端限位凸块703固接，所述末端表面板704位于末端连杆701的表面(接触物体一侧)，所述末端横板702与软管5固接；末端连杆701的一端有孔，末端连杆701的一端套接在最后一个关节轴2上；在初始状态时，末端骨节7的末端限位凸块703与最后一个中间骨节的限位凸块303接触并限制末端骨节7的初始位置，当抓取物体时，末端限位凸块703才会离开最后一个中间骨节3的限位凸块303。

本实施例的工作原理，结合附图5至图12，叙述如下：

如图5、图9所示，驱动器11正转，带动螺杆12正转，螺杆12的正转带动螺母板13向上运动，变抓力簧件14发生变形从而推动活塞15向上运动，流体8被推入软管5和导管6中，流体8施加力于末端骨节7上，并通过簧件4的作用传递到其他中间骨节3上。因为第一簧件41的弹性系数小于第二簧件42的弹性系数，第二簧件42的弹性系数小于第三簧件43的弹性系数，第三簧件43的弹性系数小于第四簧件44的弹性系数，第四簧件44的弹性系数小于第五簧件45的弹性系数，第五簧件45的弹性系数小于第六簧件46的弹性系数，第六簧件46的弹性系数小于第七簧件47的弹性系数，第七簧件47的弹性系数小于第八簧件48的弹性系数，所以第一簧件41首先变形，第一中间骨节31绕第一关节轴21转动，第一软管51伸长，当第一簧件41的变形抗力大于第二簧件42的变形抗力时，第二簧件42发生变形，第二中间骨节32绕第二关节轴22转动，第二软管52伸长……当第七簧件47的变形抗力大于第八簧件48的变形抗力时，第八簧件48发生变形，末端骨节7绕第八关节轴28转动，第八软管58伸长，过程如图6、图10所示。驱动器11持续转动，变抓力簧件14继续变形，流体8不断被推入软管5和导管6中，各个簧件4和软管5不断变形，各个骨节不断转动，当某个骨节碰到物体时，该骨节不能转动，但不影响其他骨节绕关节轴的转动，其他骨节继续转动，直到所有的骨节都碰到物体时，各骨节停止转动，完成对凸形物体或者凹凸异形物体的自适应抓取，如图7、图8、图11、图12所示。驱动器11继续转动，变抓力簧件14发生更大变形，变抓力簧件14的变形弹力通过流体8的传递施加到对物体的抓持力中，使抓持力增强，变抓力14的变形程度影响对物体的抓持力的大小，可以根据抓取物体的不同选择不同的变形程度以实现不同的抓持力，保证对物体的稳定抓取。当实现稳定抓取后，驱动器11停止转动，螺杆12停止转动，螺母板13和活塞15的位置保持不变，变抓力簧件14保持变形状态不变，其变形弹力也因此保留下来并通过流体8的传递持续施加到对物体的抓持力中，保证对物体的持续稳定抓取。

针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体。

释放物体的过程：驱动器反转，后续过程与上述抓取物体的过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用驱动器、传动机构、多个骨节、多个关节轴、多个簧件、多个导管、多个软管和流体等综合实现了机器人手指自适应抓取的功能：该装置可以实现自适应抓取模式。在自适应抓取模式中，该装置既能适应圆形物体的抓取，也能适应凹凸异形物体的抓取，采用欠驱动的方式，仅用一个驱动器驱动多个关节，无需复杂的传感和控制系统，关节数量多，适应能力强，抓取稳定，抓取范围大，多关节联动抓取，抓取效率高；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。