双驱动异形超柔弹性骨架的机械手的制作方法

本发明涉及机器人、机电一体化的应用技术领域，与机器人本体联接，尤其是一种双驱动异形超柔弹性骨架的机械手。

背景技术

针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取的末端抓持器。就抓取的复杂对象的种类：①形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③易变形的软性物体(面包、软包装物品)；④异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。传统工业机械手(末端抓持器为夹钳式或平行移动式结构)，只能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空间位置和形状，需要精确控制运动和抓取力，否则会损坏复杂对象或不能可靠抓取，但目前仿人灵巧手尚处在实验室研究阶段。

目前，欠驱动机械手的手指部分为刚性变约束结构，每根手指共三个自由度。在单电机驱动下，未接触被抓取物体时手指任意点的运动轨迹是固定不变的、会对小的被抓取物体的支撑面(如输送带产生干涉)。接触被抓取物体时需要克服异形超柔板弹簧4a的弹性，其作用点、作用力的大小方向不可改变。既不能适应前述被抓持复杂对象的形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂对象的特殊性要求，同时还会对被抓持复杂对象产生较大冲击。因此，刚性结构的欠驱动机械手适应性不好，不能有效地抓持前述的复杂对象。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，着重针对上述复杂抓持对象，提供一种结构合理的双驱动异形超柔弹性骨架的机械手，可靠地以包络方式抓持物体以适应物体尺寸的变化，或者直接驱动异形超柔弹性骨架使末端弹性变形、从而可靠地捏取方式抓持物体；也通过改变手指的安装位置，适应垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平抓取圆柱形、方形物体；通过带角位移反馈编码器的电机角位移控制，抓取姿态可调、接触力的作用点可调，因此抓取复杂对象时，抓取范围更广；具有柔性自适应的抓取效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双驱动异形超柔弹性骨架的机械手，包括上座板和底座板，上座板上间隔安装有两个丝杠轴伺服电机，两个丝杠轴伺服电机的丝杠分别通过丝杠螺母座连接中空指前段驱动板和指根部驱动板，两根丝杠的末端分别通过两个带座轴承支撑于所述底座板上，所述上座板和底座板之间通过两组导向联结杆固定成一个整体，每组导向联结杆包括两根导向联结杆，所述中空指前段驱动板和指根部驱动板上分别安装有两个直线轴承，其中一组导向联结杆分别穿过位于中空指前段驱动板上的两个直线轴承，另一组导向联结杆分别穿过位于指根部驱动板上的两个直线轴承；还包括柔性手指，柔性手指的安装结构为：包括t型槽板，t型槽板上间隔开有两个t型槽，两个t型槽内分别连接上杆的下端和下杆的上端，上杆上端通过螺母与所述中空指前段驱动板固定连接，下杆下端与异形超柔板弹簧铰接，异形超柔板弹簧由竖直段和弯曲段构成，位于竖直段首端和末端外壁两侧均固定安装有连接件，末端的连接件与下杆的下端铰接，首端的连接件与异形板及指根铰链座连接，指根铰链座与所述底座板连接，异形板通过弯杆与指根部驱动板铰接；两个丝杠轴伺服电机分别通过各自的丝杠带动指根部驱动板和中空指前段驱动板，并在各自连接的两组导向联结杆的导向下做上下直线运动。

作为上述技术方案的进一步改进：

异形超柔板弹簧竖直段的截面成双曲抛物线形，弯曲段的截面成椭圆形并在末端以垂直于椭圆轴线的截面收尾，竖直段末端的连接件成扇形结构，在扇形结构的圆心处与所述下杆下端铰接，在铰接处的异形超柔板弹簧竖直段末端连接件与下杆之间安装有两个厚垫圈；竖直段首端的连接件与异形板(5a之间在连接处安装有厚垫圈和薄垫圈，其中，在薄垫圈与异形板之间铰接有指根铰链座的一端。

所述异形板成三角形结构，三角形结构的一边成内凹圆弧状，三角形结构两个顶点处分别与所述异形超柔板弹簧竖直段首端的连接件通过两根销钉固定连接；三角形结构的另一个顶点与弯杆的一端铰接，弯杆成折弯状，并在其另一端与安装在指根部驱动板上的弯杆铰链座铰接。

所述弯杆铰链座在指根部驱动板上开设的t型槽内定位移动、靠螺钉固定。

上杆的下端、下杆的上端分别沿t型槽板的t型槽滑动以调节长度，并通过螺母锁紧。

所述柔性手指设有三个，三个柔性手指在空间位置沿圆周均布或者分布在等腰三角形的三个顶点上，其中一个柔性手指位于等腰三角形的顶角上，另两个柔性手指分别位于等腰三角形的两个底角上；过等腰三角形顶点且与其底边相切的圆与沿圆周均布的圆同心，保证用来垂直抓取圆形物体或方形物体时坐标原点不变。

所述中空指前段驱动板中部成镂空结构，镂空处供所述弯杆的上部和指根部驱动板通过。

所述上座板呈t形结构，沿t形结构的对称轴间隔开有两个定位孔，所述对称轴两侧的t形结构对称两端各开有一个定位孔，四个定位孔中分别固定所述四根导向联结杆的上端，底座板上相应位置处开有与所述四个定位孔同轴的定位孔，用于固定所述导向联结杆的下端，四根导向联结杆上下两端分别通过圆柱面与八个定位孔间隙配合，并用螺母将上座板和底座板固定成一体；两个带座轴承分别在两个丝杠轴伺服电机的丝杠末端提供支撑。

中空指前段驱动板和指根部驱动板上各开有两个同轴的通孔，分别通过四根导向联结杆中的相应的两根，中空指前段驱动板和指根部驱动板各自由两根导向联结杆导向和一个丝杠轴伺服电机驱动；四个通孔分别与四个直线轴承的相配合。

所述异形超柔板弹簧采用弹簧钢材料。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，二个伺服电机通过丝杆螺母机构将旋转运动转化为直线运动，驱动三个手指工作。一个伺服电机直接驱动三个手指部件的异形超柔弹性骨架的根部转动、从而适应物体尺寸的变化，另一个伺服电机直接驱动三个手指部件的异形超柔弹性骨架中间段弹性变形、从而可靠地包络方式抓持物体，或者直接驱动异形超柔弹性骨架使末端弹性变形、从而可靠地捏取方式抓持物体；也通过改变手指的安装位置，适应垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平抓取圆柱形、方形物体。通过带角位移反馈编码器的电机角位移控制，抓取姿态可调、接触力的作用点可调，因此抓取复杂对象时，抓取范围更广；双伺服电机直接驱动异形超柔弹性骨架，结构柔性产生了柔性自适应的抓取效果。同时，本发明还具有如下优点：

(1)通过伺服电机的控制，可以调整异形超柔板弹簧与指根铰链座的转动角度和被抓物体的角度，实现了接触点位置的调整，对被抓物体接触点位置的调整，可以根据情况选择接触力的作用点，以及作用力的方向，使抓取过程不对物体造成形变以及损伤，抓取更精确可靠；同时，调整异形超柔板弹簧与弯杆的转动角度和被抓物体的角度，可以适应抓取物体尺寸的较大变化，适应垂直抓取圆柱形、球形、方形物体，或水平抓取圆柱形、方形物体。

(2)通过另一个伺服电机的驱动控制，克服异形超柔板弹簧中间段(竖直段)弹性变形，从而可靠地包络方式抓持物体，在异形超柔板弹簧中间段和末端(弯曲段)抓取力作用点和大小有柔性自适应性。

(3)或者通过另一个伺服电机的驱动控制，克服异形超柔板弹簧中间段(竖直段)弹性变形，并使异形超柔板弹簧使末端(弯曲段)弹性变形、从而可靠地捏取方式抓持物体，在异形超柔弹性骨架末端的抓取力作用点和大小有柔性自适应性。

附图说明

图1为图2中a-a剖仰视图。

图2为本发明的b-b剖主视图(本发明的全剖视图)。

图3为图2中c-c剖俯视图。

图4为图2中d-d剖俯视图。

图5为本发明的柔性手指的主视图。

图6为图5中e-e局部剖视图。

图7为图5中f-f局部剖视图。

图8为图5中g-g局部剖视图。

图9为图10中h-h剖视图。

图10为本发明的上座板零件俯视图。

图11为图12中i-i剖视图。

图12为本发明的中空指前段驱动板俯视图。

图13为图14中j-j剖视图。

图14为本发明的指根部驱动板俯视图。

图15为图16中k-k剖视图。

图16为本发明的底座板零件俯视图。

图17为本发明上杆的主视图。

图18为本发明上杆的左视图。

图19为图20中l-l剖视图。

图20为本发明异形超柔板弹簧的左视图。

图21为本发明t型槽板的主视图。

图22为图21中j-j剖视图。

图23为本发明异形板的主视图。

图24为本发明异形板的左视图。

图25为本发明弯杆的主视图。

图26为本发明弯杆的左视图。

其中：1、丝杠轴伺服电机；2、上座板；3、导向联结杆；4、中空指前段驱动板；5、丝杠螺母座；6、弯杆铰链座；7、指根部驱动板；8、直线轴承；9、指根铰链座；10、底座板；11、带座轴承；12、柔性手指；1a、上杆；2a、t型槽板；3a、下杆；4a、异形超柔板弹簧；5a、异形板；6a、弯杆；7a、厚垫圈；8a、薄垫圈。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图4、图5-图8及图9-图26所示，本实施例的双驱动异形超柔弹性骨架的机械手，包括上座板2和底座板10，上座板2上间隔安装有两个丝杠轴伺服电机1，两个丝杠轴伺服电机1的丝杠分别通过丝杠螺母座5连接中空指前段驱动板4和指根部驱动板7，两根丝杠的末端分别通过两个带座轴承11支撑于底座板10上，上座板2和底座板10之间通过两组导向联结杆3固定成一个整体，每组导向联结杆3包括两根导向联结杆3，中空指前段驱动板4和指根部驱动板7上分别安装有两个直线轴承8，其中一组导向联结杆3分别穿过位于中空指前段驱动板4上的两个直线轴承8，另一组导向联结杆3分别穿过位于指根部驱动板7上的两个直线轴承8；还包括柔性手指12，柔性手指12的安装结构为：包括t型槽板2a，t型槽板2a上间隔开有两个t型槽，两个t型槽内分别连接上杆1a的下端和下杆3a的上端，上杆1a上端通过螺母与中空指前段驱动板4固定连接，下杆3a下端与异形超柔板弹簧4a铰接，异形超柔板弹簧4a由竖直段和弯曲段构成，位于竖直段首端和末端外壁两侧均固定安装有连接件，末端的连接件与下杆3a的下端铰接，首端的连接件与异形板5a及指根铰链座9连接，指根铰链座9与底座板10连接，异形板5a通过弯杆6a与指根部驱动板7铰接；两个丝杠轴伺服电机1分别通过各自的丝杠带动指根部驱动板7和中空指前段驱动板4，并在各自连接的两组导向联结杆3的导向下做上下直线运动。

如图19、图20所示，异形超柔板弹簧4a竖直段的截面成双曲抛物线形，弯曲段的截面成椭圆形并在末端以垂直于椭圆轴线的截面收尾，竖直段末端的连接件成扇形结构，在扇形结构的圆心处与下杆3a下端铰接，在铰接处的异形超柔板弹簧4a竖直段末端连接件与下杆3a之间安装有两个厚垫圈7a；竖直段首端的连接件与异形板5a之间在连接处安装有厚垫圈7a和薄垫圈8a，其中，在薄垫圈8a与异形板5a之间铰接有指根铰链座9的一端。

如图23、图24所示，异形板5a成三角形结构，三角形结构的一边成内凹圆弧状，三角形结构两个顶点处分别与异形超柔板弹簧4a竖直段首端的连接件通过两根销钉固定连接；三角形结构的另一个顶点与弯杆6a的一端铰接，弯杆6a成折弯状，并在其另一端与安装在指根部驱动板7上的弯杆铰链座6铰接。

如图2、图13和图14所示，弯杆铰链座6在指根部驱动板7上开设的t型槽内定位移动、靠螺钉固定。

如图2、图17、图18、图21和图22所示，上杆1a的下端、下杆3a的上端分别沿t型槽板2a的t型槽滑动以调节长度，并通过螺母锁紧。

如图2、图3、图4和图12所示，柔性手指12设有三个，三个柔性手指12在空间位置沿圆周均布或者分布在等腰三角形的三个顶点上，其中一个柔性手指12位于等腰三角形的顶角上，另两个柔性手指12分别位于等腰三角形的两个底角上；过等腰三角形顶点且与其底边相切的圆与沿圆周均布的圆同心，保证用来垂直抓取圆形物体或方形物体时坐标原点不变。

如图2、图11、图12、图13和图14所示，中空指前段驱动板4中部成镂空结构，镂空处供弯杆6a的上部和指根部驱动板7通过。

中空指前段驱动板4和指根部驱动板7上各开有两个同轴的通孔，分别通过四根导向联结杆3中的相应的两根，中空指前段驱动板4和指根部驱动板7各自由两根导向联结杆3导向和一个丝杠轴伺服电机1驱动；四个通孔分别与四个直线轴承8的相配合。

如图1和图4所示，上座板2呈t形结构，沿t形结构的对称轴间隔开有两个定位孔，对称轴两侧的t形结构对称两端各开有一个定位孔，四个定位孔中分别固定四根导向联结杆3的上端，底座板10上相应位置处开有与四个定位孔同轴的定位孔，用于固定导向联结杆3的下端，四根导向联结杆3上下两端分别通过圆柱面与八个定位孔间隙配合，并用螺母将上座板2和底座板10固定成一体；两个带座轴承11分别在两个丝杠轴伺服电机1的丝杠末端提供支撑。

异形超柔板弹簧4a采用弹簧钢材料。

本实施例的安装原理如下：

如附图1-4所示，两个丝杠轴伺服电机1固定在上座板2上，中空指前段驱动板4和指根部驱动板7上各安装了一个丝杠螺母座5和二个直线轴承8，一个丝杠轴伺服电机1驱动中空指前段驱动板4，另一个丝杠轴伺服电机1驱动指根部驱动板7，中空指前段驱动板4和指根部驱动板7各自靠二个直线轴承8在导向联结杆3的导向下直线运动；由于中空指前段驱动板4的中部是镂空的，指根部驱动板7既可以在中空指前段驱动板4的上方、也可以在中空指前段驱动板4的下方；两个带座轴承11分别安装在底座板10上，用来支撑两个丝杠轴伺服电机1的丝杠；上座板2上一个丝杠轴伺服电机1定位孔、中空指前段驱动板4上那个丝杠螺母座5定位孔和底座板10上一个带座轴承11定位孔保证同轴，上座板2上另一个丝杠轴伺服电机1定位孔、指根部驱动板7上那个丝杠螺母座5定位孔和底座板10上另一个带座轴承11定位孔保证同轴；上座板2和底座板10上的四根导向联结杆3定位孔保证同轴，四根导向联结杆3上下两端各有圆柱面与这八个定位孔间隙配合，四根导向联结杆3将上座板2和底座板10固定成一个整体；

三个柔性手指12的安装可以是圆形均布安装，也可以是一个柔性手指12和另一平行平面上的二个柔性手指12中间对称安装；柔性手指12上的上杆1a靠螺母固定在中空指前段驱动板4，柔性手指12上的弯杆6a的一端与弯杆铰链座6铰链连接，弯杆铰链座6可以在指根部驱动板7上的t型槽内有定位移动、靠螺钉固定；如附图7所示，从外到内分别是异形超柔板弹簧4a、薄垫圈8a、指根铰链座9和异形板5a，这四种零件靠圆柱销形成铰链连接。

如附图5-8所示，柔性手指12部件中，上杆1a、t型槽板2a、下杆3a这三个零件螺纹连接，上杆1a、下杆3a分别以t型槽板2a的t型槽导向，再用螺母锁紧，可以调节长度；如附图6所示，下杆3a的下端与异形超柔板弹簧4a和二个厚垫圈7a形成铰链连接；如附图8所示，从外到内分别是异形超柔板弹簧4a、薄垫圈8a、指根铰链座9和异形板5a，这四种零件靠圆柱销形成铰链连接，异形超柔板弹簧4a和异形板5a之间有厚垫圈7a，用销钉将这三种零件固定，使异形超柔板弹簧4a和异形板5a成为整体结构；异形板5a和弯杆6a铰链连接，弯杆6a推动异形板5a从而使异形超柔板弹簧4a弹性变形；柔性手指12部件中起关键作用的异形超柔板弹簧4a作为弹性变形零件，是选用弹簧钢材料。

本实施例中，一个丝杠轴伺服电机1驱动中空指前段驱动板4上下直线运动，使异形超柔板弹簧4a弹性变形，起抓取作用。

本实施例中，另一个丝杠轴伺服电机1驱动指根部驱动板7上下直线运动，带动弯杆6a，调节异形超柔板弹簧4a与底座板10间的夹角。

本实施例中，弯杆铰链座6可以在指根部驱动板7上的t型槽内有定位移动、靠螺钉固定，可以调节弯杆铰链座6在指根部驱动板7上的位置，从而调整柔性手指12的初始状态。

本实施例中，上杆1a、下杆3a分别以t型槽板2a的t型槽导向，再用螺母锁紧，可以调节长度，从而调整柔性手指12的初始状态。

本实施例中，三个柔性手指12的安装可以是圆形均布安装，用来垂直抓取也可竖列圆柱体、或球体；一个柔性手指12和另一平行平面上的二个柔性手指12中间对称安装，用来垂直抓取长方体、或轴心线水平的圆柱体。

本发明的工作原理及使用流程：针对具体被抓取对象进行优化计算后，设计出异形超柔板弹簧4a，可以计算出所需抓取力所对应的抓取姿态和接触点位置，抓取姿态和接触点位置由二个丝杠轴伺服电机1转动角度精确协同控制。具体是：(1)、抓取同种类的(如苹果)、形状尺寸不一致的复杂对象时，能够通过选择适当的异形超柔板弹簧4a参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持此种类的复杂对象；(2)、抓取同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形，或大小方盒等四方体)、形状尺寸变化大的同形状复杂对象时，能够通过选择适当的异形超柔板弹簧4a参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持同形状的复杂对象；(3)、抓取不同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形和小方盒等四方体)、形状尺寸不相同的复杂对象时，能够通过改变二个柔性手指12的安装位置，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持不同形状的复杂对象。

由于柔性手指结构，机械手状态有：(1)、未接触情况下手指的空载运动；(2)、接触后接触力为零状态；(3)、接触后物体未运动，但接触力增大，接触力的作用点位置、接触力方向变化；(4)、接触后物体未运动，接触力最大状态；(5)、物体与机械手同时加速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；(6)、物体与机械手同时匀速位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；(7)、物体与机械手同时减速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；(8)、物体与机械手静止的悬停状态。

如附图19所示，柔性手指12的异形超柔板弹簧4a是本发明机械手的核心技术，是弹簧钢材料。其结构特点是异形与超柔，异形体现为：①异形超柔板弹簧4a的指根固定安装结构、②与下杆3a铰链连接的驱动安装结构、③弹性变形板两段的弹簧，这三者设计成一体化和轻量化的柔性骨架；超柔体现为：指尖和指根两段的板弹簧易于弹性变形，易实现指尖段的“捏取方式”抓取和指根段的“包络方式”抓取。异形超柔板弹簧4a的设计方法不是机械手、机器人领域技术人员所了解的，力学特征是：在驱动力和抓持接触力的大小、方向都不断变化状态下，既考虑要弹性超大变形、又要满足材料强度要求。其技术效果是：根据多种抓取对象的特征，半定制设计的异形超柔板弹簧4a，其指尖段的“捏取方式”抓取和指根段的“包络方式”抓取的范围大、接触力柔性自适应。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。