一种平行自适应抓持的机器人灵巧手的制作方法

本发明属于机器人手技术领域,特别涉及一种平行自适应抓持的机器人灵巧手。

背景技术：

随着机器人技术的发展，机器人在越来越多的领域得到了运用，越来越多的实际应用中要求机器人的终端能从事稳定抓取和操作物体的能力。机器人灵巧手，一般类似于人手设计为多个手指，采用力封闭和形封闭的抓取原理，是机器人用于抓取和操作物体的重要终端。

常见的工业夹持器一般采用末端平行的抓持方式,称为平行捏持、平捏，即末端指杆平行，从物体的双侧接触物体，把物体抓起来，以此达到力封闭抓取的效果。这种平行抓持方式可以对小尺寸物体或具有对立面的较大尺寸物体进行高质量抓取，抓取的范围可以从尺寸很小到尺寸很大的物体。

常见的另外一种抓持方式是自适应包络抓持，即利用机器人灵巧手的多个指杆接触物体，从而达到形封闭抓取的效果。这种自适应包络抓持方式，可以对不同尺寸大小、形状的物体进行自适应的包络抓取，这种抓持方式的特点是抓持更稳定可靠，且可以施加更大的力。

已有的机器人手装置如中国发明专利cn101234489a等，此装置能实现手指的自适应包络抓持，达到形封闭抓取的效果，但不能实现平行抓持。已有的机器人手装置如中国发明专利cn102528798a等，此装置能实现平行抓持，但不能实现包络抓持。已有的一种欠驱动手指装置如中国专利cn106272502a等，能实现平行抓持和包络抓持，但机构零件多，冗余复杂，整体手指尺寸体积大，笨重不灵巧。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术的不足，提出一种新型平行自适应的机器人灵巧手的结构设计。该新型机器人灵巧手，设计精巧，结构精简，欠驱动，体积小，抓持能力强、范围大，制造成本低，稳定可靠，无需复杂的传感和控制系统就可以稳定实现平行抓持以及实现自适应包络抓持，同时手指可以绕在垂直于基座的中心轴线旋转，以产生多种抓持构态。

本发明的技术方案如下：

本发明公开的一种平行自适应抓持的机器人灵巧手，包括基座和手指，所述手指包括第一手指、第二手指及第三手指，所述第一手指固连在所述基座上，所述第二手指及第三手指可以绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转，所述第一手指、第二手指及第三手指结构相同，手指包括远端指杆和近端指杆，所述远端指杆和近端指杆通过远端转动关节相连，所述近端指杆和所述基座通过近端转动关节转动相连；所述手指运动通过丝线传动，在所述手指上分别绕有动力丝线，背向丝线，被动丝线，所述被动丝线及所述背向丝线一端绕在远端指杆尾端，另一端绕在基座端，所述动力丝线一端绕在远端指杆尾端，另一端通过中心孔绕至电机轴端。

其中，所述第二手指及第三手指可以绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转，第一电机输出轴上固接第一联轴器，所述第一联轴器另一端固接第一阶梯轴，所述第一阶梯轴的另一端通过键连接齿轮，所述第一电机提供动力，转矩传递到所述齿轮，再通过所述齿轮传动带动所述第二手指及第三手指绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转。

其中，所述第二手指及第三手指可以绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转，结合第一手指，能产生三种常见的抓持构态，两指正对构态，三指均布构态，三指相间平行构态。

其中，所述手指运动通过丝线传动，第二电机输出轴上固接第二联轴器，所述手指驱动线缠绕在所述第二联轴器上，所述第二联轴器固定在第二阶梯轴上，所述第二阶梯轴另一端通过轴承和基座转动连接。这种结构避免了悬臂梁的发生，使得所述的机器人灵巧手抓持过程中刚度强，稳定，受力性能好。

其中，所述手指驱动线缠绕在所述联轴器上，转动所述第二联轴器就可以进行所述手指驱动线的预紧，无需其他预紧装置，预紧操作简单方便。

其中，所述第二联轴器分为上中下三个部分，所述第三手指，第二手指及第一手指的驱动线分别缠绕在所述第二联轴器的上中下三个部分，使得三根手指的驱动线能够分别预张紧和调整，方便机器人灵巧手初始位姿的标定。

其中，所述基座为类似于人手的手掌表面的结构，手掌表面在抓持过程中可作为接触受力点，从而提高所述的机器人灵巧手抓持重物体的能力。

其中，在所述手指上绕有被动丝线，所述被动丝线连接在远端指杆尾端的那一端有可以进行长度调节的结构，所述被动丝长度可以调节，从而使得远端指杆相对于近端指杆的初始位置可以调节。

其中，在手指上绕有被动丝线，从而保证了抓持过程中所述远端指杆始终不会相对所述近端指杆向后运动，且所选的所述被动丝线要求蠕变性小，从而保证远端指杆相对于近端指杆的初始位置始终保证不变。

其中，在所述手指上绕有背向丝线，所述背向丝线通过第一弹簧连接在所述远端指杆上，且所述第一弹簧刚度要选取适当，此种结构保证了抓持过程中当所述近端指杆未接触到物体的时候，所述远端指杆直线平动运动去平行抓持物体，当近端指杆接触到物体之后，根据物体不同大小形状自适应包络抓持物体。

其中，在所述远端转动关节和近端转动关节处分别安装有第一扭簧和第二扭簧，依靠所述扭簧和所述背向丝保证了所述手指的伸展回复运动，使得所述手指回复到初始位置。

本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果：

本发明机器人灵巧手通过机械结构精巧设计，动力丝线、被动丝线、背向丝线在手指上的特殊绕线方式和丝线力学性能的合理选取，以及第一扭簧、第二扭簧、第一弹簧的刚度计算选取，实现了机器人灵巧手直线平行抓持与自适应抓持的功能。同时手指绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转，能产生三种常见的抓持构态，两指正对构态、三指均布构态、三指相间平行构态，扩大其抓持适应能力。通过合理设计第二联轴器，第二阶梯轴，使得三根手指的驱动丝线能够非常方便的分别预张紧和调整，从而方便机器人灵巧手初始位姿的调节和标定。被动丝线连接在远端指杆尾端的那一端有可以进行长度调节的结构，使得被动丝长度可以方便张紧和调整，从而使得远端指杆相对于近端指杆的初始位置可以调节。通过一个电机实现了三指灵巧手的抓持闭合和伸展张开运动，欠驱动。

总的来说，该新型机器人灵巧手，设计精巧，结构精简，欠驱动，体积小，抓持能力强、范围大，调节操作方便，制造成本低，稳定可靠，无需复杂的传感和控制系统就可以稳定实现平行抓持以及实现自适应包络抓持，同时手指可以绕在垂直于基座的中心轴线旋转，以产生多种抓持构态。

附图说明

图1是灵巧手动力丝线绕线方式图；

图2是灵巧手被动丝线绕线方式图；

图3是灵巧手背向丝线绕线方式图；

图4是灵巧手平行抓持过程图；

图5是灵巧手包络抓持过程图；

图6是灵巧手扭簧连接图；

图7是灵巧手手掌动力传递结构图；

图8灵巧手两指正对构态图；

图9灵巧手三指均布构态图；

图10灵巧手三指相间平行构态图；

图11灵巧手正面立体外观图；

图12灵巧手杆件代替被动丝线图。

主要元件说明：

100、基座101、第一手指

102、第二手指103、第三手指，

104、驱动丝线105、被动丝线

106、背向丝线107、第一弹簧

108、第一电机109、第一联轴器

110、第一阶梯轴111、齿轮

112、第二电机113、第二联轴器

114、第二阶梯轴115、手掌表面

116、第一扭簧117、第二扭簧

201、近端指杆202、远端指杆

203、滑轮204、被抓持物体

301、近端转动关节302、远端转动关节

401、第一杆件402、滑块

403、弹簧404、第二杆件。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“安装于”或“设置于”另一个元件，它可以直接或间接在另一个元件上。当一个元件被称为是“相连”另一个元件，它可以是直接或间接连接到另一个元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左右上下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图2，一种新型平行自适应机器人灵巧手，包括基座100、第一手指101、第二手指102及第三手指103，其中，所述第一手指101固连在所述基座100上，所述第二手指102及第三手指103可以绕着垂直于所述基座100的中心轴线旋转。所述第一手指101、第二手指102及第三手指103结构相同，以第一手指101的结构为例具体介绍其结构，所述第一手指包括近端指杆201和远端指杆202，所述远端指杆202和所述近端指杆201通过远端转动关节302相连，所述近端指杆201和所述基座100通过近端转动关节301转动相连。所述第一手指101、第二手指102及第三手指103运动通过丝线传动，以第一手指101为例，请参阅图3、图4和图5，所述第一手指101上分别绕有动力丝线104，被动丝线105，背向丝线106，所述被动丝线105及所述背向丝线106一端绕在所述远端指杆202尾端，另一端绕在基座100端，所述动力丝线104一端绕在远端指杆202尾端，另一端通过中心孔绕至电机轴端。

在所述第一手指101上绕有所述被动丝线105，从而保证了抓持过程中所述远端指杆202始终不会相对所述近端指杆201向后运动，且所述被动丝线105连接在远端指杆202尾端的那一端有可以进行长度调节的结构，所述被动丝线长度105可以调节，从而使得远端指杆202相对于近端指杆201的初始位置可以调节。

请参阅图1至图8，在所述第一手指上绕有背向丝线106，所述背向丝线106通过第一弹簧107连接在所述远端指杆202上，且所述第一弹簧107刚度要选取适当，动力丝线104、被动丝线105、背向丝线106在手指上的特殊绕线方式和丝线力学性能的合理选取，当电机驱动丝线向下运动的抓持过程中，当所述近端指杆201未接触到物体的时候，所述远端指杆202直线平动运动去平行抓持物体，当近端指杆201接触到物体之后，根据物体不同大小形状自适应包络抓持物体。当需要松开物体的时候，无需另外增加动力，依靠所述远端转动关节302和近端转动关节301处分别安装的第一扭簧116和第二扭簧117及所述背向丝106保证所述手指的伸展回复运动，使得所述手指回复到初始位置。

请参阅图1、图2以及至图9-图10，驱动第一电机108，第一电机108带动固接其上的第一联轴器109，所述第一联轴器109带动固接其一端的第一阶梯轴110，所述第一阶梯轴110带动固接其一端的齿轮111，再通过所述齿轮111传动带动所述第二手指102及第三手指103绕着垂直于所述基座100的中心轴线旋转运动，通过控制所述第一电机108转动的角度，从而控制所述第二手指102及所述第三手指103绕着垂直于所述基座100的中心轴线旋转的角度，从而使得灵巧手能够产生多种抓持构态，产生三种常见的抓持构态，两指正对构态，三指均布构态，三指相间平行构态。变形到两指正对构态，所述第二手指102及所述第三手指103处于正对的状态，适合灵巧手的捏、拧等操作，例如拧螺丝；变形到三指均布构态使得手指与物体接触点分布均匀，提高了灵巧手抓持的质量；变形到三指相间平行构态，适合灵巧手抓取薄板物体或体积较小的物体。

请参阅图9，基座100有类似于人手的手掌表面115，所述手掌表面在抓持过程中可作为接触受力点，从而提高所述的机器人灵巧手抓持重物体的能力。

请参阅图11，第二电机112输出轴上固接第二联轴器113，所述第二联轴器113固定在第二阶梯轴114上，所述第二阶梯轴114另一端通过轴承和基座100转动连接。这种结构避免了悬臂梁的发生，使得所述的机器人灵巧手抓持过程中刚度强，稳定，受力性能好。

请参阅图11，所述第二联轴器113分为上中下三个部分，所述第三手指103，第二手指102及第一手指101的驱动丝线分别缠绕在所述第二联轴器113的上中下三个部分，分别转动第二联轴器113的上中下三个部分，使得上中下三部分转动相同或是不同的角度，再使三个部分分别固紧在第二阶梯轴114上，就可以对手指驱动丝线进行分别预紧和调整，无需其他预紧及位置调整装置，操作简单方便。

请参阅图12，被动丝线105可以用杆件代替，第一杆件401依次连接滑块402，弹簧403，另一第二杆件404，可以保证抓持过程中所述远端指杆202始终不会相对所述近端指杆201向后运动，稳定可靠。

本发明的有益效果为：

1）本发明机器人灵巧手通过机械结构精巧设计，动力丝线、被动丝线、背向丝线在手指上的特殊绕线方式和丝线力学性能的合理选取，以及第一扭簧、第二扭簧、第一弹簧的刚度计算选取，实现了机器人灵巧手直线平行抓持与自适应抓持的功能；

2）多个手指绕着垂直于所述基座的中心轴线旋转，能产生三种常见的抓持构态，两指正对构态、三指均布构态、三指相间平行构态，扩大其抓持适应能力；

3）通过合理设计第二联轴器，第二阶梯轴，使得三根手指的驱动丝线能够非常方便的分别预张紧和调整，从而方便机器人灵巧手初始位姿的调节和标定；

4）被动丝线连接在远端指杆尾端的那一端有可以进行长度调节的结构，使得被动丝长度可以方便张紧和调整，从而使得远端指杆相对于近端指杆的初始位置可以调节；

5）通过一个电机实现了三指灵巧手，每根手指的抓持闭合和伸展张开运动，欠驱动；

6）该新型机器人灵巧手，设计精巧，结构精简，欠驱动，体积小，抓持能力强、范围大，调节操作方便，制造成本低，稳定可靠，无需复杂的传感和控制系统就可以稳定实现平行抓持以及实现自适应包络抓持，同时手指可以绕在垂直于基座的中心轴线旋转，以产生多种抓持构态。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。