一种基于可重构关节的刚柔可变机械手及其变形方法

1.本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种基于可重构关节的刚柔可变机械手及其变形方法。


背景技术：

2.随着机器人技术的不断发展，面临的任务的复杂度不断提升，对机器手的操作能力要求进一步提升。传统的机械手主要为刚性机械手，具有精度高，负载能力强等特点，但控制相对复杂，容易对被抓取物体产生破坏。近年来，柔性机械手技术迅速发展，可以针对不同刚度的物体进行安全抓取，但也存在着精度较低，负载性能较差缺陷，而且整体的制造成本较高。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于可重构关节的刚柔可变机械手及其变形方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种基于可重构关节的刚柔可变机械手，刚柔可变机械手包括机械手指、连杆机构、手掌底座，所述机械手指包括指尖、指节机构，指节机构包括滑块套筒，丝杠减速电机，微型舵机，电机支架，筒形支撑件；
6.所述指尖上端呈半球形，下端呈圆柱形，指尖和筒形支撑件之间安装有滑块套筒，指尖两侧设有支耳，指尖底部设有指尖圆槽和轴向分布的接线孔，指尖圆槽内设有固定连接的弹簧，滑块套筒两侧设有定位槽，支耳可插入定位槽内进行限位；
7.所述筒形支撑件一侧开有电机安装槽，筒形支撑件内部设有走线孔，电机安装槽外侧设有电机支架，丝杠减速电机安装在电机安装槽内，固定在电机支架上，所述筒形支撑件另一侧开有内部凹槽和舵机安装槽，第一微型舵机和第二微型舵机安装于舵机安装槽中，第一微型舵机和第二微型舵机的输出轴安装有舵机转盘在内部凹槽中转动，筒形支撑件下端设有安装杆，弹簧下端固定在顶端指节圆槽内。
8.优选地，所述丝杠减速电机转轴上设有固定连接的丝杠，滑块套筒侧边有螺纹孔，丝杠与螺纹孔螺纹配合。
9.优选地，所述指尖四周设有4个指尖螺纹孔，带有三角形标记两条细线连接于第一微型舵机的转盘上，带有方形标记两条细线连接于第二微型舵机的转盘上，当机械手指处在柔性状态时，指尖绕连接点转动。
10.优选地，所述筒形支撑件侧面还设有可拆卸的盖板。
11.优选地，所述手掌底座内设有轴向分布的底座支撑件，手掌底座上下两端均设有底座盖板，驱动舵机安装于底座支撑件的一侧，驱动舵机摇臂与安装杆转动连接，底座支撑件另一侧设有转动连接的连杆机构，连杆机构一端也与安装杆转动连接。
12.优选地，三个所述机械手指绕手掌底座轴心180
°
均匀分布形成对抓结构。
13.优选地，所述机械手指垂直于手掌底座。
14.一种基于可重构关节的刚柔可变机械手的变形方法，所述变形方法如下：
15.当丝杠减速电机正转时，滑块套筒在丝杠和螺纹孔的作用下向指尖方向移动，当滑块套筒移动到正向最大位移时，支耳和定位槽相互卡合，指尖在滑块套筒和细线的共同作用下和指节机构保持位置固定，此时机械手指处于刚性状态；
16.当丝杠减速电机反转时，滑块套筒在丝杠和螺纹孔的作用下向筒形支撑件方向移动，当滑块套筒移动到反向最大位移时，支耳和定位槽相互分离，指尖在弹簧和细线的共同作用下可以绕连接处绕行摆动，此时机械手指处于柔性状态；
17.当机械手指处于柔性状态时，第一微型舵机或第二微型舵机转动，对应的两条细线中一条收缩，另外一条释放，在弹簧的支撑作用下，指尖向两条细线分布方向转动，当第一微型舵机和第二微型舵机同时转动时，对应的四条细线中相邻的两条收缩，另外一条释放，在弹簧的支撑作用下，指尖可以向任意方向转动，当第一微型舵机和第二微型舵机转动角度变化时，细线收缩量变化，弹簧形变量变化，从而改变指关节刚度。
18.本发明的有益效果：
19.1、本发明刚柔可变机械手通过丝杠减速电机转动带动滑块套筒上下移动，改变刚柔状态；
20.2、本发明刚柔可变机械手在柔性状态时，通过两个微型舵机的不同转动控制指尖转动方向和角度，同时控制指关节刚度；
21.3、本发明的刚柔可变机械手结合了刚性机械手和柔性机械手的优点，具有制造成本低，任务适应性强的特点。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明刚柔可变机械手刚性状态时的结构示意图；
24.图2是本发明刚柔可变机械手柔性状态时的结构示意图；
25.图3是本发明刚柔可变机械手的部分结构示意图；
26.图4是本发明中指尖的结构示意图；
27.图5是本发明中滑块套筒的结构示意图；
28.图6是本发明中筒形支撑件的结构示意图；
29.图7是本发明中细线绕线方式的示意图；
30.图8是本发明刚柔可变机械手的安装方式示意图；
31.图中：1、指尖；101、指尖螺纹孔；102、支耳；103、指尖圆槽；104、接线孔；2、滑块套筒；201、定位槽；202、螺纹孔；3、丝杠减速电机；4、微型舵机；第一微型舵机401、；第二微型舵机402、；5、电机支架；6、筒形支撑件；601、顶端指节圆槽；602、走线孔；603、电机安装槽；604、内部凹槽；605、舵机安装槽；606、安装杆；7、连杆机构；8、驱动舵机；9、盖板；10、底座盖板；11、底座支撑件；12、舵机转盘；13、细线；14、弹簧。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.请参阅图1至图8所示，一种基于可重构关节的刚柔可变机械手，刚柔可变机械手包括机械手指、连杆机构7、手掌底座，机械手指包括指尖1、指节机构，指节机构包括滑块套筒2，丝杠减速电机3，微型舵机4，电机支架5，筒形支撑件6。
34.指尖1上端呈半球形，下端呈圆柱形，指尖1和筒形支撑件6之间安装有滑块套筒2，滑块套筒侧边有螺纹孔202，使螺纹孔202与丝杠减速电机3的丝杠相互配合，当丝杠转动时可以带动滑块套筒2上下滑动，指尖1两侧设有支耳102，滑块套筒2两侧设有定位槽201，二者相互配合，使指尖1和滑块套筒2相互配合时防止套筒绕轴向滑移。
35.筒形支撑件6一侧开有电机安装槽603，用以安装丝杠减速电机3，所述筒形支撑件6另一侧开有内部凹槽604和舵机安装槽605，第一微型舵机401和第二微型舵机402安装于舵机安装槽605中，第一微型舵机401和第二微型舵机402的输出轴安装有舵机转盘12可在内部凹槽604中转动，筒形支撑件6下端设有安装杆606，指尖1通过其指尖圆槽103和弹簧14连接固定进而和筒形支撑件6顶端指节圆槽601连接固定。
36.电机安装槽603外侧设有电机支架5，丝杠减速电机3通过电机支架5固定，指尖1四周设有4个指尖螺纹孔101，分别用来固定4条细线13，细线13通过接线孔104及筒形支撑件6内部的走线孔602分别和两个舵机转盘12相连，舵机转盘12安装于两个微型舵机4上，微型舵机4安装于筒形支撑件6的舵机安装槽605中，细线的走线方式如图7所示，带有三角形标记两条细线连接于第一微型舵机401的转盘上，带有方形标记两条细线连接于第二微型舵机402的转盘上，当机械手指处在柔性状态时，通过两个微型舵机4的协同转动，使指尖绕连接点转动，筒形支撑件6侧面设有可拆卸的盖板9，方便机械手指的安装与调试，三个机械手指绕手掌底座轴心180
°
均匀分布安装形成对抓机构。
37.如图8所示，机械手指通过安装杆606与连杆机构7相连，机械手指始终垂直于手掌底座，驱动舵机8安装于底座支撑件11背部，驱动机械手指往复摆动，上下装有底座盖板10起保护作用。
38.整个机械手由3个丝杠减速电机，6个微型舵机以及3个驱动舵机控制，控制系统接入6v直流电，由2个3.7伏微型锂电池串联供电。
39.一种基于可重构关节的刚柔可变机械手的变形方法，变形方法如下：
40.当丝杠减速电机正转，滑块套筒2在丝杠和螺纹孔202的作用下向指尖1方向移动，当滑块套筒2移动到正向最大位移时，支耳102和定位槽201相互卡合，指尖1在滑块套筒2和细线13的共同作用下和指节机构保持位置固定，此时机械手指处于刚性状态；
41.当丝杠减速电机反转，滑块套筒2在丝杠和螺纹孔202的作用下向筒形支撑件6方向移动，当滑块套筒2移动到反向最大位移时，支耳102和定位槽201相互分离，指尖1在弹簧14和细线13的共同作用下可以绕连接处绕行摆动，此时机械手指处于柔性状态；
42.当机械手指处于柔性状态时，此时第一微型舵机401或第二微型舵机402转动，对应的两条细线13中一条收缩，另外一条释放，在弹簧14的支撑作用下，指尖1向两条细线13
分布方向转动；当第一微型舵机401和第二微型舵机402同时转动时，对应的四条细线13中相邻的两条收缩，另外一条释放，在弹簧14的支撑作用下，指尖1可以向任意方向转动；当第一微型舵机401和第二微型舵机402转动角度变化时，细线13收缩量变化，弹簧14形变量变化，从而改变指关节刚度。所述机械手根据不同任务需求，改变刚柔状态及柔性状态下的指关节刚度。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。