连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手的结构设计。

背景技术：

随着社会进步和科技发展，机器人技术在人们日常生活中的应用越来越广泛。机器人手作为机器人的重要组成部分，其性能直接影响到机器人的工作能力。机器人手根据应用场合和使用功能的不同，主要分为3种：工业夹持器、多指灵巧手和欠驱动手。

工业夹持器是指手指中部没有可动关节的二指或多指夹持器，其结构简单，抓取可靠，但是多用于特定的工业环境，只能抓取特性形状尺寸的物体，通用性较差。多指灵巧手仿照人手结构外形，每个关节配备一个驱动器，传感器丰富，功能强大，但其结构复杂，控制困难，降低了机械手的灵活性和可控性，增加了机械手的开发成本。欠驱动机器人手克服工业夹持器和多指灵巧手的一些不足，利用较少的电机驱动较多的自由度关节，减轻了机构整体重量，降低了控制系统的复杂程度，具有结构紧凑、集成度高、制造维修成本低等优点，目前已成为机器人手领域的研究热点。

机器人手抓取物体的方式主要分为捏持和握持，捏持是用末端指尖夹取物体，而握持是用手指的多个指段包络物体。传统的欠驱动手在捏持物体的运动过程中，手指末端的运动轨迹不是线性的，手指末端与工作台面的高度总是在不断变化的，这就使得欠驱动手在没有复杂控制系统的前提下，不能抓取工作台面上较小的物体，这限制了欠驱动手的工作范围。

技术实现要素：

本发明旨在针对现有技术的不足之处，提供一种连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手。该手手指末端可按照直线轨迹平动，利用远指段线性平夹工作台上的物体；也可根据物体的形状、尺寸和位置，自动切换抓取模式，利用近指段和远指段自适应包络不同形状尺寸的物体。该手结构简单，制造和维护成本低，抓取范围大，可用作智能机器人的末端执行器。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手，其特征在于：该手包括一个底座、一个滑动座、两个欠驱动手指(第一手指、第二手指)、四个连杆补偿机构(第一连杆补偿机构、第二连杆补偿机构、第三连杆补偿机构、第四连杆补偿机构)；

进一步，所述底座为欠驱动手外壳，底座左右两侧与滑动座接触，滑动座可在底座中发生竖直方向的移动，底座前后两侧具有两道滑槽，连杆补偿机构可在滑槽内发生水平方向的移动；所述滑动座主要用于安装两个欠驱动手指；

进一步，所述欠驱动手指包括电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一齿轮、第二齿轮、近指段、远指段、第一连杆、第二连杆、第一滑动杆、第二滑动杆、弹簧、传动轴、近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴；所述电机与滑动座固接；所述电机输出轴与主动锥齿轮固接；所述从动锥齿轮套固在传动轴上，并与主动锥齿轮啮合；所述第一齿轮套固在传动轴上；所述第二齿轮套固在近关节轴上，并与第一齿轮啮合；所述传动轴、近关节轴、第一轴套接在滑动座中；所述传动轴、近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴相互平行；设近关节轴、第一轴、第三轴、远关节轴、第二轴的中心点分别为a、b、c、d、e；线段ab等于线段cd；在初始位置时，线段ad等于线段bc；在初始位置时，线段ab、bc、cd、ad构成平行四边形；所述近指段一端套固在近关节轴上，另一端套固在远关节轴上；所述远指段一端套接在远关节轴上，另一端套固在第三轴上；所述第一连杆一端套固在第一轴上，另一端套接在第二轴上；所述第二连杆一端套固在第二轴上，另一端套固在第三轴上；所述第一滑动杆一端套接在第一轴上；所述第二滑动杆一端套接在第三轴上，并可与第一滑动杆产生相对位移；所述弹簧套接在第一滑动杆和第二滑动杆上，一端与第一滑动杆固连，另一端与第二滑动杆固连；

进一步，所述连杆补偿机构包括第一补偿杆、第二补偿杆、第四轴、第五轴、第六轴；所述第四轴、第五轴、第六轴与近关节轴相互平行；设近关节轴、远关节轴、第五轴、第四轴、第六轴的中心点分别为f、g、h、i、j；线段fi等于线段gh；线段fg等于线段hi；线段fi、fg、gh、hi构成平行四边形；所述第一补偿杆一端套接在远关节轴上，中间套接在第五轴上，另一端套接在第六轴上，且可在底座前后滑动槽内发生水平方向位移；所述第二补偿杆一端套接在第四轴上，另一端套接在第五轴上；

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明利用2个欠驱动手指实现机器人手线性平夹自适应的抓取能力，根据目标物体形状尺寸的不同，既可利用远指段线性平夹工作台上的物体，也可利用近指段和远指段自适应包络不同形状尺寸的物体。本发明采用欠驱动的方式，每个手指利用一个驱动器驱动两个关节，通过纯机械式的反馈系统，无需实时电子传感器反馈也可以实现对物体的稳定抓取；本发明结构紧凑，集成度高，制造和维护成本低，抓取范围大，适用于智能机器人的末端执行器。

附图说明

图1是本发明设计的连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手的整体立体外观图；

图2是图1所示实施例的前视图；

图3是图1所示实施例的左视图；

图4是图1所示实施例的前视图(未画出部分零件)；

图5是图1所示实施例的爆炸视图；

图6是图1所示实施例的相对位置示意图，其中，在初始状态下，四边形abcd为平行四边形，四边形fghi为平行四边形，三角形bce在线性平夹阶段保持不变形；

图7是图1所示实施例的机构简图；

图8至图10是图1所示实施例线性平夹物体的动作过程示意图(未画出部分零件)；

图11至图13是图1所示实施例自适应包络物体的动作过程示意图(未画出部分零件)；

图14是图8至图10动作过程叠加示意图(未画出部分零件)，所述远指段末端运动轨迹为直线(顶部水平虚线)；

图15是图11至图13动作过程叠加示意图(未画出部分零件)；

图16是图1所示实施例线性平夹圆柱状物体的外观示意图；

图17是图1所示实施例自适应包络圆柱状物体的外观示意图；

在图1至图17中：

101-电机，111-主动锥齿轮，112-从动锥齿轮，113-第一齿轮，

114-第二齿轮，121-近指段，122-远指段，123-第一连杆，

124-第二连杆，125-第一滑动杆，126-第二滑动杆，127-弹簧，

131-传动轴，132-近关节轴，133-远关节轴，134-第一轴，

135-第二轴，136-第三轴，1001-第一手指，1002-第二手指，

2-滑动座，301-第一补偿杆，302-第二补偿杆，311-第四轴，

312-第五轴，313-第六轴，3001-第一连杆补偿机构，

3002-第二连杆补偿机构，3003-第三连杆补偿机构，

3004-第四连杆补偿机构，4-底座，5-轴承，

61-第一圆柱体，62-第二圆柱体。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图17所示，图1是本发明设计的连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手的整体立体外观图；图2是图1所示实施例的前视图；图3是图1所示实施例的左视图；图4是图1所示实施例的前视图(未画出部分零件)；图5是图1所示实施例的爆炸视图；图6是图1所示实施例的相对位置示意图，其中，在初始状态下，四边形abcd为平行四边形，四边形fghi为平行四边形，三角形bce在线性平夹阶段保持不变形；图7是图1所示实施例的机构简图；图8至图10是图1所示实施例线性平夹物体的动作过程示意图(未画出部分零件)；图11至图13是图1所示实施例自适应包络物体的动作过程示意图(未画出部分零件)；图14是图8至图10动作过程叠加示意图(未画出部分零件)，所述远指段末端运动轨迹为直线(顶部水平虚线)；图15是图11至图13动作过程叠加示意图(未画出部分零件)；图16是图1所示实施例线性平夹圆柱状物体的外观示意图；图17是图1所示实施例自适应包络圆柱状物体的外观示意图；

本实施例提供了一种连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手，参图1～图7所示，该欠驱动手包括两个欠驱动手指(第一手指1001、第二手指1002)、一个滑动座2、四个连杆补偿机构(第一连杆补偿机构3001、第二连杆补偿机构3002、第三连杆补偿机构3003、第四连杆补偿机构3004)、一个底座4；

所述底座4为欠驱动手外壳，底座4左右两侧与滑动座2接触，滑动座2可在底座4中发生竖直方向的移动，底座4前后两侧具有两道滑槽，连杆补偿机构可在滑槽内发生水平方向的移动；所述滑动座2主要用于安装两个欠驱动手指；

所述欠驱动手指包括电机101、主动锥齿轮111、从动锥齿轮112、第一齿轮113、第二齿轮114、近指段121、远指段122、第一连杆123、第二连杆124、第一滑动杆125、第二滑动杆126、弹簧127、传动轴131、近关节轴132、远关节轴133、第一轴134、第二轴135、第三轴136；所述电机101与滑动座2固接；所述电机输出轴与主动锥齿轮111固接；所述从动锥齿轮112套固在传动轴131上，并与主动锥齿轮111啮合；所述第一齿轮113套固在传动轴131上；所述第二齿轮114套固在近关节轴132上，并与第一齿轮113啮合；所述传动轴131、近关节轴132、第一轴134套接在滑动座2中；所述传动轴131、近关节轴132、远关节轴133、第一轴134、第二轴135、第三轴136相互平行；设近关节轴132、第一轴134、第三轴136、远关节轴133、第二轴135的中心点分别为a、b、c、d、e；线段ab等于线段cd；在初始位置时，线段ad等于线段bc；在初始位置时，线段ab、bc、cd、ad构成平行四边形；所述近指段121一端套固在近关节轴132上，另一端套固在远关节轴133上；所述远指段122一端套接在远关节轴133上，另一端套固在第三轴136上；所述第一连杆123一端套固在第一轴134上，另一端套接在第二轴135上；所述第二连杆124一端套固在第二轴135上，另一端套固在第三轴136上；所述第一滑动杆125一端套接在第一轴134上；所述第二滑动杆126一端套接在第三轴136上，并可与第一滑动杆125产生相对位移；所述弹簧127套接在第一滑动杆125和第二滑动杆126上，一端与第一滑动杆125固连，另一端与第二滑动杆126固连；

所述连杆补偿机构包括第一补偿杆301、第二补偿杆302、第四轴311、第五轴312、第六轴313；所述第四轴311、第五轴312、第六轴313与近关节轴132相互平行；设近关节轴132、远关节轴133、第五轴312、第四轴311、第六轴313的中心点分别为f、g、h、i、j；线段fi等于线段gh；线段fg等于线段hi；线段fi、fg、gh、hi构成平行四边形；所述第一补偿杆301一端套接在远关节轴133上，中间套接在第五轴312上，另一端套接在第六轴313上，且可在底座4前后滑动槽内发生水平方向位移；所述第二补偿杆302一端套接在第四轴311上，另一端套接在第五轴312上；

本实施例的具体工作原理，结合图8至图17，叙述如下：

本实施例中，将初始位置设置为第一连杆123水平且第二连杆124竖直的状态，如图2所示。

欠驱动手工作原理为：

(a)线性平夹物体过程

当近指段121和远指段122均未接触到物体前，电机101正转，带动主动锥齿轮111转动，主动锥齿轮111带动从动锥齿轮112转动，从动锥齿轮112和第一齿轮113都固接在传动轴131上，第一齿轮113又与第二齿轮114啮合，于是带动第二齿轮114转动；第二齿轮114与第一连杆123都固连在第一轴134上，于是带动第一连杆123转动；由于弹簧127的存在，第一滑动杆125与第二滑动杆126不能发生位移，于是第一连杆123、第二连杆124、第一滑动杆125、第二滑动杆126、弹簧127仿佛固连在一起，可看作为一个构件；线段ab、bc、cd、ad构成平行四边形，当第一连杆123转动角度α时，近指段121也转动角度α，远指段122相对于滑动座2只是发生了相对位移，未发生相对转动，从而实现对物体的平夹功能；

同时，线段fi、fg、gh、hi构成平行四边形，当近指段121转动角度α时，第二补偿杆302也转动角度α；由于平行四边形的运动特性，点g相对于滑动座2在竖直方向上升的高度等于点h相对于滑动座2在竖直方向上升的高度；而点g、h、j三点共线，所以点j相对于滑动座2在竖直方向上升的高度也等于点g相对于滑动座2在竖直方向上升的高度；由于第一补偿杆301的点j只能在底座4的滑动槽内水平滑动，而不能发生竖直位移，于是带动滑动座2在底座4中整体下降，滑动座2相对于底座4在竖直方向下降的高度等于远关节轴133相对于滑动座2在竖直方向上升的高度，所以点g相对于底座4只发生水平位移，而未发生竖直位移，远指段122末端相对于底座4总是保持相同的高度距离，即远指段122末端按照直线轨迹平动；

当远指段122接触到物体时，远指段122因为物体的阻挡而无法转动，但远指段122在物体的反作用力下，有反转的趋势；电机通过齿轮、连杆传动，约束远指段122的反转，使远指段122一直保持相对于滑动座2竖直的状态，并可平行夹持物体。线性平夹物体的具体运动过程如图8、图9、图10所示；

释放物体时，电机101反转，过程与上述线性平夹物体过程相反，不再赘述。

(b)自适应物体过程

当近指段121和远指段122均未接触到物体前，欠驱动手按照线性平夹模式运动；当近指段121先接触到物体的时候，由于物体的阻碍，近指段121无法发生转动，第一连杆123在电机101的驱动下仍继续转动，此时弹簧127开始发生形变，第一滑动杆125与第二滑动杆126产生相对位移，线段bc变长，第一连杆123推动第二连杆124，第二连杆124推动远指段122绕点d向靠近物体的方向转动，实现对物体的自适应包络功能；在自适应的过程中，近指段121由于物体的阻碍未发生相对转动，所以连杆补偿机构也未发生作用；自适应包络物体的具体运动过程如图11、图12、图13所示；

释放物体时，电机101反转，过程与上述自适应物体过程相反，不再赘述。

上述各种情况下，本发明所提出的该实施例装置均可正常工作。

本发明提供一种连杆滑动座补偿式线性平夹自适应欠驱动手，具有如下有益效果：

1)该机器人手可根据被抓取物体的形状尺寸不同，自动切换抓取模式，实现线性平夹和自适应包络的复合抓取模式；

2)该机器人手结构紧凑，集成度高，制造和维护成本低，采用机械结构降低了控制系统的复杂程度，可用作智能机器人的末端执行器。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。