閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置的制造方法
【專利摘要】閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，屬于機器人手技術領域，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸、驅動器、傳動機構、柔性傳動件、第一傳動輪、第二傳動輪、導軌件、連桿、轉軸、簧件和限位凸塊。該裝置實現了平行夾持及自適應抓取的功能，根據目標物體形狀和位置的不同，既能平動第二指段捏持物體或外張撐住，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體；該裝置抓取范圍大；采用欠驅動的方式，利用一個驅動器驅動兩個關節，無需復雜的傳感和控制系統；該裝置結構緊湊、體積小，制造和維護成本低，適用于機器人手。
【專利說明】
閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置
技術領域
[0001]本發明屬于機器人手技術領域，特別涉及一種閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置的結構設計。
【背景技術】
[0002]自適應欠驅動機器人手采用少量電機驅動多個自由度關節，由于電機數量少，藏入手掌的電機可以選擇更大的功率和體積，出力大，同時純機械式的反饋系統無需對環境敏感的傳感器也可以實現穩定抓取，自動適應不同形狀尺寸的物體，沒有實時電子傳感和閉環反饋控制的需求，控制簡單方便，降低了制造成本。
[0003]在抓取物體時主要有兩種抓取方法，一種是捏持，一種是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夾取物體，采用相對的兩個點或兩個軟指面去接觸物體，主要針對小尺寸物體或具有對立面的較大物體;握持是用手指的多個指段包絡環繞物體來實現多個點的接觸，達到更穩定的形狀包絡抓取。工業夾持器一般采用捏持方式，難以具有穩定握持功能，不能適應多種形狀物體的穩定包絡抓取；自適應欠驅動手指可以采用自適應包絡物體的方式握持，但是無法實施捏持抓取;耦合的多關節手可以實現多關節同時轉動，能夠實現捏持，不能實現針對多種形狀物體的穩定的多點包絡握持。上述三種手均有很大的提升空間。現實中很需要一種既具有捏持功能，又能夠實現穩定自適應包絡抓持的機器人手。
[0004]已有的一種具有雙自由度欠驅動手指的五連桿夾持裝置，如美國專利US8973958B2，包括五個連桿、簧件、機械約束。該裝置在工作時，開始階段保持末端指段的姿態進行近關節彎曲動作，之后根據物體的位置可以實現平行捏持或自適應包絡握持的功能。其不足之處在于，該裝置采用非常復雜的多連桿機構，運動存在較大的死區，抓取范圍較小，機構體積大，缺乏柔順性，制造成本過高。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置。該裝置具有多種抓取模式，既能平動第二指段夾持物體，也能先后合上第一指段和第二指段自適應包絡不同形狀、大小的物體;抓取范圍大;無需復雜的傳感和控制系統。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]本發明設計的一種閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸和驅動器;所述驅動器與基座固接;所述近關節軸的中心線與遠關節軸的中心線平行;其特征在于:該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、第一傳動輪、第二傳動輪、柔性傳動件、導軌件、連桿、轉軸、簧件和限位凸塊;所述近關節軸活動套設在基座中；所述遠關節軸活動套設在第一指段中；所述第一指段套接在近關節軸上;所述第二指段套接在遠關節軸上;所述傳動機構設置在基座中；所述驅動器的輸出軸與傳動機構的輸入端相連，所述傳動機構的輸出端與第一傳動輪相連;所述第一傳動輪活動套接在近關節軸上，所述第二傳動輪套接在遠關節軸上，第二傳動輪與第二指段固接;所述柔性傳動件采用傳動帶、腱繩或鏈條，所述第一傳動輪采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述第二傳動輪采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述柔性傳動件連接第一傳動輪和第二傳動輪，所述柔性傳動件、第一傳動輪和第二傳動輪三者之間配合形成帶輪傳動關系、繩輪傳動關系或鏈輪傳動關系;所述柔性傳動件形成“O”字形;所述導軌件套接在近關節軸上，所述導軌件固接在基座上;所述導軌件上設有圓弧導軌，設近關節軸的中心為A點，遠關節軸的中心為B點，轉軸的中心為C點，圓弧導軌的圓心為D點，線段AB的長度與CD的長度相等，線段BC的長度與DA的長度相等，所述圓弧導軌的圓心為D點，圓弧導軌的半徑等于CD的長度，ABCD構成平行四邊形;所述轉軸滑動鑲嵌在導軌中；所述連桿的一端套接在遠關節軸上，連桿的另一端套接在轉軸上;所述限位凸塊固接在第二指段上;所述連桿與限位凸塊接觸或離開一段距離;設第一指段靠向物體的轉動方向為近關節正方向，第一指段遠離物體的轉動方向為近關節反方向；在該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，限位凸塊與連桿接觸，設此時限位凸塊相對于遠關節軸的旋轉角度為O度，從該位置開始，限位凸塊朝遠關節軸正方向旋轉時的轉動角度為正，限位凸塊朝遠關節軸反方向旋轉時轉動角度為負;所述連桿限制限位凸塊的轉動角度只能為正;所述簧件的兩端分別連接轉軸和第二指段;第一傳動輪的傳動半徑大于第二傳動輪的傳動半徑。
[0008]本發明所述的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述驅動器米用電機、氣缸或液壓缸。
[0009]本發明所述的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
[0010]本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果:
[0011]本發明裝置利用驅動器、閉環柔性件傳動機構、導軌連桿傳動機構、簧件、限位凸塊等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持及自適應抓取的功能，根據目標物體形狀和位置的不同，既能平動第二指段捏持物體或外張撐取物體，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體;該裝置抓取范圍大;采用欠驅動的方式，利用一個驅動器驅動兩個關節，無需復雜的傳感和控制系統;該裝置結構緊湊、體積小，制造和維護成本低，適用于機器人手。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明設計的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置的一種實施例的立體外觀圖。
[0013I圖2是圖1所示實施例的正面外觀圖。
[0014]圖3是圖1所示實施例的一個側面外觀圖(圖2的右視圖)。
[0015]圖4是圖1所示實施例的另一個側面外觀圖(圖2的左視圖)。
[0016]圖5是圖1所示實施例的從一個角度觀察的內部立體視圖(未畫出部分零件)。
[0017]圖6是圖1所示實施例的從另一個角度觀察的內部立體視圖(未畫出部分零件)。
[0018]圖7是圖1所示實施例的爆炸視圖。
[0019]圖8至圖12是圖1所示實施例在以包絡握持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
[0020]圖13至圖15是圖1所示實施例抓取物體的另一種方式一一平行開合用第二指段夾持物體(稱為平夾抓取)的動作過程示意圖。
[0021 ]圖16至圖18是圖1所示實施例依次以平行開合及自適應包絡抓取物體的動作過程中幾個關鍵位置時，第二指段、轉軸、連桿、限位凸塊與簧件的相對位置的變化情況。
[0022]在圖1至圖18中:
[0023]I —基座，111 一基座前板，112—基座后板，113 —基座左側板，
[0024]114一基座右側板，115 —基座表面板，116—基座底板，2—第一指段，
[0025]21—第一指段骨架，22—第一指段左側板，23—第一指段右側板，24 —第一指段表面板，
[0026]25—第一指段前板，26—第一指段后板，3—第二指段，4一近關節軸，
[0027]5—遠關節軸，6 —第一傳動輪，7 —第二傳動輪，8 —柔性傳動件，
[0028]81 —軸承，82 —套筒，81 —螺釘，82 —銷釘，
[0029]9—導軌件，10—連桿，11一轉軸，12—限位凸塊，
[0030]13 —簧件，14 一驅動器(電機)，141 一減速器，142 —第一錐齒輪，
[0031]143 —第二錐齒輪，144 一過渡軸，145—第一帶輪，146—第二帶輪，
[0032]147—傳動帶，15 —物體。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖及實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構、工作原理的內容。
[0034]本發明設計的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖7所示，一種閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近關節軸4、遠關節軸5和驅動器14;所述驅動器14與基座I固接;所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行;其特征在于:該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、第一傳動輪6、第二傳動輪7、柔性傳動件8、導軌件9、連桿1、轉軸11、限位凸塊12和簧件13;所述近關節軸4活動套設在基座I中；所述遠關節軸5活動套設在第一指段2中；所述第一指段2套接在近關節軸4上;所述第二指段3套接在遠關節軸5上;所述傳動機構設置在基座I中；所述驅動器的輸出軸與傳動機構的輸入端相連，所述傳動機構的輸出端與第一傳動輪6相連;所述第一傳動輪6活動套接在近關節軸4上，所述第二傳動輪7套接在遠關節軸5上，第二傳動輪7與第二指段3固接;所述柔性傳動件8采用傳動帶、腱繩或鏈條，所述第一傳動輪6采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述第二傳動輪7采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述柔性傳動件8連接第一傳動輪6和第二傳動輪7，所述柔性傳動件8、第一傳動輪6和第二傳動輪7三者之間配合形成帶輪傳動關系、繩輪傳動關系或鏈輪傳動關系;所述柔性傳動件8形成“O”字形;所述導軌件9套接在近關節軸4上，所述導軌件9固接在基座I上;所述導軌件9上設有圓弧導軌，設近關節軸4的中心為A點，遠關節軸5的中心為B點，轉軸11的中心為C點，圓弧導軌9的圓心為D點，線段AB的長度與CD的長度相等，線段BC的長度與DA的長度相等，所述圓弧導軌9的圓心為D點，圓弧導軌9的半徑等于CD的長度，ABCD構成平行四邊形;所述轉軸11滑動鑲嵌在導軌9中；所述連桿10的一端套接在遠關節軸5上，連桿的另一端套接在轉軸11上;所述限位凸塊12固接在第二指段3上；所述連桿10與限位凸塊12接觸或離開一段距離;設第一指段2靠向物體15的轉動方向為近關節正方向，第一指段2遠離物體15的轉動方向為近關節反方向；在該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，限位凸塊12與連桿10接觸，設此時限位凸塊12相對于遠關節軸5的旋轉角度為O度，從該位置開始，限位凸塊12朝遠關節軸5正方向旋轉時的轉動角度為正，限位凸塊12朝遠關節軸5反方向旋轉時轉動角度為負;所述連桿10限制限位凸塊12的轉動角度只能為正;所述簧件13的兩端分別連接轉軸11和第二指段3;第一傳動輪6的傳動半徑大于第二傳動輪7的傳動半徑。
[0035]本發明所述的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述驅動器14采用電機、氣缸或液壓缸。所述簧件13采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述驅動器14采用電機;所述簧件13采用拉簧。
[0036]本實施例中，所述基座I包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左側板113、基座右側板114、基座表面板115和基座底板116。本實施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左側板22、第一指段右側板23、第一指段表面板24、第一指段前板25和第一指段后板26。
[0037]本實施例中，所述傳動機構包括減速器141、第一錐齒輪142、第二錐齒輪143、過渡軸144、第一帶輪145、第二帶輪146和傳動帶147;所述電機14的輸出軸與減速器141的輸入軸相連，所述第一錐齒輪142套固在減速器141的輸出軸上，所述第二錐齒輪143套固在過渡軸144上，所述第一錐齒輪142與第二錐齒輪143嚙合;所述過渡軸144套設在基座I中，所述第一帶輪145套固在過渡軸144上，所述第二帶輪146活動套接在近關節軸4上，所述第二帶輪146與第一傳動輪6固接，所述傳動帶147連接第一帶輪145和第二帶輪146，所述傳動帶147、第一帶輪145和第二帶輪146形成帶輪傳動關系，所述傳動帶呈“O”字形。
[0038]本實施例還采用了若干軸承81、若干套筒82、若干螺釘83和若干銷釘84等零件，屬于公知常用技術，不贅述。
[0039]本實施例的工作原理，結合附圖8至圖18，敘述如下:
[0040]本實施例中，將初始位置設置為手指伸直的狀態(如圖8所示)。
[0041]a)當限位凸塊12的旋轉角度為O度時，連桿10與限位凸塊12的表面相接觸，由于導軌件9與基座I固接在一起，無論第二指段處于何位置，連桿即BC始終平行于AD，在導軌件的作用下，連桿10相對于基座I只進行平移運動而不會旋轉，由于簧件13的兩端分別連接在第二指段3和轉軸11上，且轉軸11套設在連桿10—端的軸孔中，由于簧件13的拉力，第二指段3相對于連桿10是固定的，所以第二指段3相對于基座I只進行平移運動而不會旋轉。
[0042]b)限位凸塊12與連桿10的夾角為正時，限位凸塊12與連桿10就會分開，此時簧件13就將被拉長，所以第二指段3就將繞著遠關節軸5旋轉。
[0043]當本實施例抓取物體15時，驅動器14通過傳動機構的傳動，使得第一傳動輪6正轉，第一傳動輪6相對基座I的轉角為α。在柔性傳動件8的作用下，第一傳動輪6相對第一指段2的轉角與第二傳動輪7相對第一指段2的轉角有一定比例的關系。設從第一傳動輪6通過柔性傳動件8傳動到第二傳動輪7的傳動比為i，該傳動比是相對于第一指段2，第一傳動輪6轉速與第二傳動輪7轉速之比，它等于第二傳動輪7的傳動半徑與第一傳動輪6的傳動半徑之比。由于第一傳動輪6的傳動半徑大于第二傳動輪7的傳動半徑，因此是增速傳動，輸出速度大于輸入速度，故傳動比i小于I。設第一指段2繞近關節軸4的轉角為δ。由于第二傳動輪7與第二指段3固接，而第二指段3相對于基座I沒有發生轉動，因此此時第二傳動輪7也就相對于基座I沒有發生轉動，于是可以推導得出本實施例裝置將平衡于滿足如下(公式I)的位置:
[0044]α = δ(1-?)(公式 I)
[0045]由于i小于I，可以求出一個α和δ分別為正的不同角度(其中α小于δ)。因此當驅動器14通過傳動機構的傳動，第一傳動輪6轉動了一個角度α，此時，第一指段2繞近關節軸4轉過了一個角度I第二指段3相對于基座I始終是同一個姿態，只是位置發生了變化。這是平行夾持的階段。這一階段適合以第二指段3去夾持物體15，或者通過外張的方式用第二指段3去從內向外打開的方式外張撐取物體15 ο例如一個空心圓柱筒的拿取，從該物體的內側向外張開撐住筒壁，從而拿取物體。
[0046]當第一指段2接觸物體15而被物體15阻擋不能再轉動，將進入自適應包絡的第二階段(如圖11、圖12所示)，這時驅動器14通過傳動機構的傳動，帶動第一傳動輪6，使固接在一起的第二指段3和第二傳動輪7同時繞遠關節軸5轉動，通過第二指段3和限位凸塊12繞遠關節軸5轉動，簧件13發生變形(如圖12、圖18所示)，此時第二指段3會繞遠關節軸5的中心線繼續轉動，直到第二指段3接觸物體15為止，完成自適應包絡抓取物體的效果。針對不同形狀、大小的物體，本實施例具有自適應性，能夠通用抓取多種物體。
[0047]圖8至圖12是圖1所示實施例以包絡握持的方式抓取物體15的動作過程示意圖，其中，圖8為初始狀態，圖8至圖10為第一指段2接觸到物體15之前的動作過程一一平行開合方式動作，圖10為第一指段2剛接觸到物體15的情況，圖10至圖12為第一指段2接觸到物體15之后的動作過程一一自適應包絡物體，直到第二指段3接觸物體15，如圖12所示，抓取結束。
[0048]圖13至圖15是圖1所示實施例抓取物體15的另一種可能方式一一平行捏持物體的典型動作過程，直到第二指段3接觸物體15，如圖15所示，抓取結束。
[0049]圖16至圖18是圖1所示實施例依次以平行開合及自適應包絡抓取物體的動作過程中的幾個關鍵位置，展示出第二指段3、轉軸11、連桿10、限位凸塊12與簧件13的相對位置的變化情況:I)圖16所示的情況是圖8、圖9和圖10的相同限位凸塊12位置情況，此時實施例處在初始位置或者僅彎曲了第一指段2，簧件13使限位凸塊12與連桿10相接觸，第二指段3處于相對于基座I的固定姿態(例如本實施例中的豎直的初始姿態)，這種情況一直持續到圖13;2)圖17與圖11情況相似，此時實施例的第一指段2已經接觸到物體15被阻擋而不能運動，在驅動器14的驅動作用下，通過傳動機構、第一傳動輪6、柔性傳動件8和第二傳動輪7的傳動，第二指段3已經繞遠關節軸5轉動一個角度(相對于基座I就發生轉動)，第二指段3已經不再保持原來豎直的初始姿態，通過連桿10、導軌件9和第二指段，，拉動簧件13發生了變形，連桿10離開了原來一直接觸的限位凸塊12;3)直到圖18的情況，圖18與圖12的情況相同，此時實施例完成對物體15的兩個指段2、3的接觸——實現包絡抓取，與圖17的情況相比，圖18中的限位凸塊12轉動到了更大的角度，離開連桿10更遠的距離了，第二指段3也轉動了與限位凸塊12的轉角相同的角度。
[0050]釋放物體的過程與上述過程剛好相反，不再贅述。
[0051]本發明裝置利用驅動器、傳動機構、柔性傳動件、第一傳動輪、第二傳動輪、導軌件、連桿、轉軸、簧件和限位凸塊。該裝置實現了平行夾持及自適應抓取的功能，根據目標物體形狀和位置的不同，既能平動第二指段捏持物體或外張撐住，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體;該裝置抓取范圍大;采用欠驅動的方式，利用一個驅動器驅動兩個關節，無需復雜的傳感和控制系統;該裝置結構緊湊、體積小，制造和維護成本低，適用于機器人手。
【主權項】
1.一種閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸和驅動器;所述驅動器與基座固接;所述近關節軸的中心線與遠關節軸的中心線平行;其特征在于:該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、第一傳動輪、第二傳動輪、柔性傳動件、導軌件、連桿、轉軸、簧件和限位凸塊;所述近關節軸活動套設在基座中；所述遠關節軸活動套設在第一指段中；所述第一指段套接在近關節軸上;所述第二指段套接在遠關節軸上;所述傳動機構設置在基座中；所述驅動器的輸出軸與傳動機構的輸入端相連，所述傳動機構的輸出端與第一傳動輪相連;所述第一傳動輪活動套接在近關節軸上，所述第二傳動輪套接在遠關節軸上，第二傳動輪與第二指段固接；所述柔性傳動件采用傳動帶、腱繩或鏈條，所述第一傳動輪采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述第二傳動輪采用帶輪、繩輪或鏈輪，所述柔性傳動件連接第一傳動輪和第二傳動輪，所述柔性傳動件、第一傳動輪和第二傳動輪三者之間配合形成帶輪傳動關系、繩輪傳動關系或鏈輪傳動關系;所述柔性傳動件形成“O”字形;所述導軌件套接在近關節軸上，所述導軌件固接在基座上;所述導軌件上設有圓弧導軌，設近關節軸的中心為A點，遠關節軸的中心為B點，轉軸的中心為C點，圓弧導軌的圓心為D點，線段AB的長度與CD的長度相等，線段BC的長度與DA的長度相等，所述圓弧導軌的圓心為D點，圓弧導軌的半徑等于CD的長度，ABCD構成平行四邊形;所述轉軸滑動鑲嵌在導軌中；所述連桿的一端套接在遠關節軸上，連桿的另一端套接在轉軸上;所述限位凸塊固接在第二指段上;所述連桿與限位凸塊接觸或離開一段距離；設第一指段靠向物體的轉動方向為近關節正方向，第一指段遠離物體的轉動方向為近關節反方向；在該閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，限位凸塊與連桿接觸，設此時限位凸塊相對于遠關節軸的旋轉角度為O度，從該位置開始，限位凸塊朝遠關節軸正方向旋轉時的轉動角度為正，限位凸塊朝遠關節軸反方向旋轉時轉動角度為負；所述連桿限制限位凸塊的轉動角度只能為正;所述簧件的兩端分別連接轉軸和第二指段；第一傳動輪的傳動半徑大于第二傳動輪的傳動半徑。2.如權利要求1所述的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述驅動器采用電機、氣缸或液壓缸。3.如權利要求1所述的閉環柔性件導桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
【文檔編號】B25J9/00GK105835077SQ201610335085
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】楊陽, 張文增, 徐向榮, 冷護基
【申請人】清華大學