齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置的结构设计。

背景技术：

随着智能技术的发展，机器人技术成为当今的研究热点，机器人手也引起越来越多的关注，在此方面的研究成果也越来越多。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。空间的物体多种多样、大小不一，有薄的纸张、形状不规则的石头、较大的球体等，物体具有六个自由度，机器人手在抓住物体的同时需要限制物体的六个自由度才能稳定的抓住物体。为了协助机器人完成更多的任务，机器人手需要能够最大限度的适应抓取多种不同形状尺寸的物体。

为此，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。研制能像人手一样灵活，能够抓取多种多样的物体，完成各种任务的机器人手一直是科学工作者的共同目标。机器人手的研究开始以灵巧手为主，每个手指关节各设置驱动器，但控制复杂，且抓持力较小，灵巧手的应用受到极大地限制。

适应物体表面抓取主要采用各手指表面对物体表面的作用力与物体受到的外力达到力学平衡，进而物体达到静力平衡状态的方式，使得物体静止，从而实现对物体的抓取。其对物体的作用力大小取决于物体与手指接触表面作用力和物体所受的外力等。由于不需要较大的摩擦力与物体受到的外力平衡的过程，适应物体表面抓取模式下各手指表面对物体表面的作用力远小于工业夹持器对物体表面的作用力，适应物体表面抓取也被称为强力抓取。

自适应抓取模式是指采用柔性关节或弹簧等部件使得机器人手指在抓取物体时各指段能够根据物体表面发生相对运动，达到自适应物体表面包络抓取物体效果的抓取模式，例如SARAH手和Southampton手就是采用自适应抓取模式。

现有的灵巧手和欠驱动手能够实现适应物体表面抓取模式。灵巧手虽然在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取，但其成本较高，控制复杂，需要经常进行维护。现有的灵巧手关节驱动器(如电机、空气肌肉等)产生的驱动力较小，而灵巧手各指段的运动由灵巧手关节驱动器直接驱动，使得灵巧手负载能力较弱，这些使得灵巧手不能广泛的投入生产实践和日常生活中。

为此，欠驱动拟人机器人手应运而生，欠驱动手是驱动器数目少于关节自由度的机器人手，加拿大Laval大学较早的提出了欠驱动机器人手理论和一种经典的四连杆-弹簧结构的欠驱动机器人手。理论和实践证明，欠驱动机器人手由于驱动器较少控制简单，抓取力大，结构紧凑，具有很高的应用价值。此后，涌现了大量关于欠驱动手的研究成果，欠驱动手也被大量投入生产实践。

例如，已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平行带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处在于：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式主要为握持方式，难以实现较好的末端平行夹持抓取效果。但对于体积小的物体，由于物体表面小，而欠驱动机器人手指的每个指段的长度相对于物体表面来说又过长，难以自适应物体的表面，此时平行夹持就取得了明显的优势。

具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，例如专利WO2016063314A1，包括若干连杆，一个夹持指段，驱动器组成。该装置能够实现夹持指段的直线平动，利用夹持指段的平行移动对不同大小的物体实现平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置只能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取物体的功能。

具有两种抓取模式的传统欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座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夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，(1)该装置仅能实现圆弧平行夹持功能，无法实现直线平行夹持功能，在工作台上夹持不同尺寸的薄板物体时需要机器人臂部运动才能配合实现抓取，因此抓取存在严重不足；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

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，提供一种齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置。该装置能够实现直线平夹与自适应复合抓取模式，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再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、簧件、限位块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、驱动器和传动机构；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中，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平行；所述传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第二连杆的一端套接在第一轴上，第二连杆的另一端套接在第三轴上；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；所述第四连杆的一端套接在近关节轴上，第四连杆的另一端套接在第二轴上；所述第三轴套设在第二指段中；所述簧件的两端分别连接基座和第四连杆；所述限位块固接在基座上；在初始状态时限位块与第四连杆相接触；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第三轴的中心点为C，第二轴的中心点为D，线段AB的长度和线段CD的长度相等，线段BC的长度和线段AD的长度相等；所述第一轴的中心点为F，线段AF的长度大于线段BC的长度；其特征在于：该齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置还包括第四轴、正交滑槽件、第一齿条、第二齿条、第一齿轮、第二齿轮、中间传动机构、第一传动轴、第二传动轴和第二指段表面罩；所述第四轴套设在第三连杆上，所述正交滑槽件设有滑槽，所述第四轴滑动镶嵌在滑槽中；所述正交滑槽件滑动镶嵌第二指段中，所述正交滑槽件在第二指段中的滑动方向与第四轴在正交滑槽件中的滑动方向垂直；设所述第四轴的中心点为E，点C、点E和点D三者共线，线段CD的长度与线段CE的长度的比值为k，k>1；所述第一齿条固接在正交滑槽件上；所述第一齿轮与第一齿条啮合，所述第一传动轴套设在第二指段上；所述第二传动轴套设在第二指段上；第一齿轮套接在第一传动轴上；所述第二齿轮套接在第二传动轴上，第二齿轮与第二齿条啮合，所述第二齿条滑动镶嵌在第二指段上；第二指段表面罩固接在第二齿条上；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段上；所述第一齿轮与中间传动机构的输入端相连，所述中间传动机构的输出端与第二齿轮相连，中间传动机构、第一齿轮和第二齿轮三者构成传动关系，经过第一齿轮、中间传动机构和第二齿轮的传动，使得第二齿条相对于第二指段的移动速度与第一齿条相对于第二指段的移动速度的比值为k；所述第二指段表面罩、第一齿条、第二齿条和正交滑槽件四者分别相对第二指段的运动方向相互平行。

本发明所述的齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述中间传动机构采用齿轮、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合。

本发明所述的齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用多个连杆、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、传动机构和一个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；采用曲柄摇杆机构实现了第一指段和第二指段的抓取运动；采用平行四边形机构和簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用满足一定条件的正弦机构和双齿条传动线性增速机构等实现了第二指段表面罩相对于基座沿着直线运动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的机构原理图(未画出部分零件)，图中显示出A、B、C、D、E、F点和直线K的位置。

图4是图1所示实施例的正视图(剖视部分零件)。

图5是图1所示实施例的立体剖视图(剖视基座和第一指段)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的在直线平夹抓取阶段第二指段接触物体的平夹抓取物体的示意图，双点划线代表运动过程中的三个状态。

图8至图10是图1所示实施例的直线自适应抓取的动作过程图，该抓取过程中，远关节轴直线平行移动，同时第二指段保持原来姿态。

图11和图13是图1所示实施例自适应抓取物体的动作过程图，该抓取过程中，第一指段被物体阻挡不能再运动，第二指段在电机作用下继续绕远关节轴转动，从而达到自适应抓取物体的目的。

图14至图16是图1所示实施例的抓取过程中第四连杆44、限位块8和簧件9(剖视基座)。

在图1至图16中：

1－基座， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 6－第二指段表面罩，7－正交滑槽件， 8－限位块，

9－簧件， 21第一轴， 22－第二轴， 23－第三轴，

24－第四轴， 31－第一齿轮， 32－第二齿轮， 33－中间传动机构，

34－第一传动轴， 34－第二传动轴， 41－第一连杆， 42－第二连杆，

43－第三连杆， 44－第四连杆， 51－第一齿条， 52－第二齿条，

200－驱动器， 201－传动机构， 300－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。

本发明设计的一种齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、第一轴21、第二轴22、第三轴23、簧件9、限位块8、第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、驱动器200和传动机构201；所述驱动器200与基座1固接，所述驱动器200的输出端与传动机构201的输入端相连；所述近关节轴4套设在基座1中，所述第一指段2套接在近关节轴4上，所述远关节轴5套设在第一指段2中，所述第二指段3套接在远关节轴5上，所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；所述传动机构201的输出端与第一连杆41相连；所述第一连杆41的一端套接在近关节轴4上，第一连杆41的另一端套接在第一轴21上；所述第二连杆42的一端套接在第一轴21上，第二连杆42的另一端套接在第三轴23上；所述第三连杆43的一端套接在第二轴22上，第三连杆43的另一端套接在第三轴23上；所述第四连杆44的一端套接在近关节轴4上，第四连杆44的另一端套接在第二轴22上；所述第三轴23套设在第二指段3中；所述簧件9的两端分别连接基座1和第四连杆44；所述限位块8固接在基座1上；在初始状态时限位块8与第四连杆44相接触；设近关节轴4的中心点为A，远关节轴5的中心点为B，第三轴23的中心点为C，第二轴22的中心点为D，线段AB的长度和线段CD的长度相等，线段BC的长度和线段AD的长度相等；所述第一轴21的中心点为F，线段AF的长度大于线段BC的长度；其特征在于：该齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置还包括第四轴24、正交滑槽件7、第一齿条51、第二齿条52、第一齿轮31、第二齿轮32、中间传动机构33、第一传动轴34、第二传动轴35和第二指段表面罩；所述第四轴24套设在第三连杆43上，所述正交滑槽件7设有滑槽，所述第四轴24滑动镶嵌在滑槽中；所述正交滑槽件7滑动镶嵌第二指段3中，所述正交滑槽件7在第二指段3中的滑动方向与第四轴24在正交滑槽件7中的滑动方向垂直；设所述第四轴24的中心点为E，点C、点E和点D三者共线，线段CD的长度与线段CE的长度的比值为k，k>1；所述第一齿条51固接在正交滑槽件7上；所述第一齿轮31与第一齿条51啮合，所述第一传动轴34套设在第二指段3上；所述第二传动轴35套设在第二指段3上；第一齿轮31套接在第一传动轴34上；所述第二齿轮32套接在第二传动轴35上，第二齿轮32与第二齿条52啮合，所述第二齿条52滑动镶嵌在第二指段3上；第二指段表面罩固接在第二齿条52上；所述第二指段表面罩滑动镶嵌在第二指段3上；所述第一齿轮31与中间传动机构33的输入端相连，所述中间传动机构33的输出端与第二齿轮32相连，中间传动机构33、第一齿轮31和第二齿轮32三者构成传动关系，经过第一齿轮31、中间传动机构33和第二齿轮32的传动，使得第二齿条52相对于第二指段3的移动速度与第一齿条51相对于第二指段3的移动速度的比值为k；所述第二指段表面罩、第一齿条51、第二齿条52和正交滑槽件7四者分别相对第二指段3的运动方向相互平行。

本发明所述的齿条余弦伸缩直线平夹自适应手指装置，其特征在于：所述中间传动机构33采用齿轮、连杆、传动带、链条、绳中的一种或多种的组合。

本实施例中所述驱动器200采用电机，所述簧件9采用拉簧。

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，第四连杆44在簧件9的拉力作用下紧靠限位块8与基座1保持相对静止，由于第一指段2、第二指段3、第三连杆43和第四连杆44构成的平行四边形机构的作用和限位块8的位置的设定，使得第二指段3与竖直方向保持平行。电机200转动，通过传动机构201(减速器和带轮等)带动第一连杆41逆时针(该顺时针指在图3上的顺时针，下同)转动，通过第二连杆42给第三轴23施加一个推力。该推力在水平方向上有向左的分力，由于第一指段2、第二指段3、第三连杆43和第四连杆44构成的平行四边形机构的作用，使得第二指段3向左作圆弧运动，同时第一指段2绕近关节轴4逆时针转动。该机器人手指具有两种抓取模式，即直线平夹抓取模式和自适应包络抓取模式。

(1)直线平夹抓取模式

电机通过传动机构201驱动机器人手指运动的过程中，当第一指段2未接触物体300时，进入直线平夹抓取模式：第二指段3相对于基座1保持固定的姿态平行运动，第二指段表面罩6可以被特殊的机构驱动相对于第二指段3沿着竖直方向运动从而实现第二活动指段相对于基座1沿着直线运动同时在水平方向上相对于第二指段3同步运动。当第二指段表面罩6接触物体300并施加足够的抓取力时，抓取过程结束。该模式使得在夹取工作台上薄片物体300时不需要机械臂末端配合运动一段位移，简化了传感控制系统。下面结合该机器人手指的机构的几何关系(如图3所示)，证明第二指段表面罩6在直线平夹模式下的直线运动过程。

已知s2＝k·s1，L＝kd，

设θ为第三连杆43相对于竖直方向的转角，单位：rad；线段AB、CD的长度为L，单位：mm；线段CE的长度为d，单位：mm；第一齿条51在第二指段3中的滑动距离为s1，单位：mm；第二齿条52在第二指段3中的滑动距离为s2，单位：mm；点E相对于第二指段3在竖直方向上的位移为t，点D在转动过程中相对于基座1在竖直方向上下降的距离为q，单位：mm。

则有：

联立解得：

s2＝L·(1-cosθ)＝q.

即第二齿条52在竖直方向上相对于点D上升的距离s2等于点D在竖直方向上相对于基座1下降的距离q，即第二齿条52相对于基座1在在竖直方向上的位移为0，又由于第二指段表面罩6与第二齿条52固接，因此第二指段表面罩6在竖直方向上相对于基座1无位移，即第二指段表面罩6相对于基座1沿着直线运动。

在上述过程中，当第二指段表面罩6接触物体300，则抓取结束，此抓取过程如图7所示，其中双点划线代表了另外三个平夹抓取状态这种抓取是直线平行夹持抓取模式。

(2)自适应抓取模式

当上述过程中，如果第二指段表面罩6未接触物体300，而第一指段2接触了物体300被阻挡，第一指段2不能再进一步转动，此时，第一连杆41、第二连杆42、第二指段3和第一指段2构成了曲柄摇杆机构电机继续转动，通过传动机构201带动第一连杆41继续逆时针转动，带动第二指段3绕着远关节轴5有逆时针转动的趋势。由于第一指段2、第二指段3、第三连杆43和第四连杆44构成的平行四边形机构的作用，第二指段3的转矩传递到第四连杆44使得第四连杆44克服簧件9的作用绕着近关节轴4逆时针转动，从而带动第二指段3绕着远关节轴5逆时针转动。直到活第二指段3接触物体300，抓取结束。这种抓取可以适应不同形状、尺寸的物体300——即达到了自适应抓取效果，此过程如图8至图13所示，其中图8至图11为远关节轴5沿直线向右靠近物体300，同时第二指段3耦合转动，图12和图13为第一指段2已经接触物体300被阻挡不能运动，第二指段3继续绕远关节轴5自适应转动的过程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用多个连杆、两个指段、两个关节轴、驱动器、多个连杆、传动机构和一个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；采用曲柄摇杆机构实现了第一指段和第二指段的抓取运动；采用平行四边形机构和簧件配合实现第二指段保持固定姿态的平动；采用满足一定条件的正弦机构和双齿条传动线性增速机构等实现了第二指段表面罩相对于基座沿着直线运动；采用第一簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段保持固定姿态去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。