四連桿平夾自適應機器人手指裝置的制造方法
【專利摘要】四連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、第一連桿、第二連桿、第三連桿、第一桿軸、第二桿軸、凸塊撥盤、撥輪、傳動機構、第一簧件、第二簧件和限位凸塊。該裝置綜合實現了平行夾持與自適應抓取手指功能，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自適應包絡不同形狀、大小的物體；抓取范圍大，抓取穩定可靠；僅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；結構簡單、體積小、重量輕，加工、裝配和維修成本低，適用于機器人手。
【專利說明】
四連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，特別涉及一種四連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末端平行的夾持方式，難以具有包絡握持功能，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，但是無法實施末端平行夾持抓取，例如，已有的一種欠驅動兩關節機器人手指裝置(中國發明專利CN101234489A)，包括基座、電機、中部指段、末端指段和平帶輪式傳動機構等。該裝置實現了雙關節欠驅動手指彎曲抓取物體的特殊效果，具有自適應性。該欠驅動機械手指裝置的不足之處為:手指在未碰觸物體前始終呈現伸直狀態，抓取方式主要為握持方式，難實現較好的末端平行夾持抓取效果。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種四連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，也能先后轉動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。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]本發明設計的一種四連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:該四連桿平夾自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、撥輪、第一連桿、第二連桿、第三連桿、第一桿軸、第二桿軸、凸塊撥盤、第一簧件、第二簧件和限位凸塊;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；所述第一指段活動套接在近關節軸上;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撥輪相連;所述撥輪活動套接在近關節軸上;所述第一連桿的一端活動套接在近關節軸上，第一連桿的另一端活動套接在第一桿軸上;所述第二連桿的一端套接在遠關節軸上，第二連桿的另一端活動套接在第二桿軸上，第二連桿與第二指段固接;所述第三連桿的兩端分別套接在第一桿軸、第二桿軸上;第一連桿的長度與第二連桿的長度相等，所述第一連桿、第二連桿、第三連桿和第一指段四者構成平行四連桿機構;所述凸塊撥盤活動套接在近關節軸上，所述凸塊撥盤與第一連桿固接;所述凸塊撥盤包括撥盤、第一凸塊和第二凸塊;所述第一凸塊、第二凸塊分別與撥盤固接;所述限位凸塊與基座固接;所述第一凸塊與限位凸塊相接觸或離開一段距離;所述撥輪包括固接的傳動凸塊;所述第二凸塊與傳動凸塊相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；在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，第一凸塊與限位凸塊接觸，設此時凸塊撥盤相對基座的旋轉角度為O度，從該位置開始，凸塊撥盤朝近關節正方向旋轉時的轉動角度為正，凸塊撥盤朝近關節反方向旋轉時的轉動角度為負；所述限位凸塊限制凸塊撥盤的轉動角度只能為正;所述第一簧件的兩端分別連接凸塊撥盤和基座;在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，所述第二凸塊與傳動凸塊離開一段距離;在撥輪轉動范圍內，傳動凸塊會接觸到第二凸塊;所述第二簧件的兩端分別連接撥輪和第一指段。
[0007]本發明所述的四連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。
[0008]本發明所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
[0009]本發明所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、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、平行四連桿傳動機構、第一簧件、第二簧件、凸塊撥盤、限位凸塊和撥輪等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持與自適應抓取的功能，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自適應包絡不同形狀、大小的物體;該裝置抓取范圍大，抓取穩定可靠;僅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;該裝置結構簡單、體積小、重量輕，加工、裝配和維修成本低，適用于機器人手。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明設計的四連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。
[0013]圖2是圖1所示實施例的正視圖。
[0014]圖3是圖1所示實施例的側視圖(圖2的左視圖)。
[0015]圖4是圖1所示實施例的正視圖(未畫出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。
[0016]圖5是圖1所示實施例中部分零件位置圖。
[0017]圖6是圖1所示實施例中部分零件位置圖。
[0018]圖7是圖1所示實施例中部分零件位置圖。
[0019]圖8是圖1所示實施例的爆炸視圖。
[0020]圖9至圖13是圖1所示實施例在以自適應包絡握持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
[0021]圖14至圖16是圖1所示實施例在以平行夾持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
[0022]圖17、圖18是圖1所示實施例在自適應包絡握持方式抓取物體動作過程中幾個關鍵位置時，凸塊撥盤、第一簧件與限位凸塊的相對位置的變化情況。
[0023]圖19至圖22是圖1所示實施例在自適應包絡握持方式抓取物體動作過程中幾個關鍵位置時，撥輪、凸塊撥盤的相對位置的變化情況。
[0024]在圖1至圖22中:
[0025]I—基座，111一基座前板， 112—基座后板， 113—基座左側板，
[0026]114—基座右側板，115—基座表面板，116—基座底板， 2—第一指段，
[0027]2卜第一指段表面板，22—第一指段左側板，23—第一指段右側板，24—第一指段前板，
[0028]25—第一指段后板，3 —第二指段， 4—近關節軸，5—遠關節軸，
[0029]83 —軸承，84—套筒，85 —螺釘，86 —銷釘，
[0030]9 一第一連桿， 91 一第一桿軸， 92 一第二桿軸， 10 一第二連桿，
[0031]11—第三連桿， 12—凸塊撥盤， 121—第一凸塊， 122—第二凸塊，
[0032]13—第一簧件， 14 一驅動器(電機)，141 一減速器，142—第一錐齒輪，
[0033]143 —第二錐齒輪，144 一過渡齒輪軸，145—過渡帶輪， 147—傳動帶，
[0034]15—撥輪，151—傳動凸塊， 16—第二簧件， 17—物體，
[0035]18 —限位凸塊。
【具體實施方式】
[0036]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。
[0037]本發明設計的四連桿平夾自適應機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖8所示，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。本實施例還包括傳動機構、撥輪152、第一連桿9、第二連桿10、第三連桿11、第一桿軸91、第二桿軸92、凸塊撥盤12、第一簧件13、第二簧件53和限位凸塊18;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活動套接在近關節軸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14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撥輪相連;所述撥輪活動套接在近關節軸4上。
[0038]本實施例中，所述第一連桿的一端活動套接在近關節軸上，第一連桿的另一端活動套接在第一桿軸上;所述第二連桿的一端套接在遠關節軸上，第二連桿的另一端活動套接在第二桿軸上，第二連桿與第二指段固接;所述第三連桿的兩端分別套接在第一桿軸、第二桿軸上;第一連桿的長度與第二連桿的長度相等，所述第一連桿、第二連桿、第三連桿和第一指段四者構成平行四連桿機構；如圖5所示;這樣設置，使得:通過第三連桿11的傳動，從第一連桿9到第二連桿10的傳動是同向傳動且傳動比等于I。
[0039]本實施例中，所述凸塊撥盤12活動套接在近關節軸4上，所述凸塊撥盤12與第一連桿9固接。所述凸塊撥盤包括撥盤、第一凸塊和第二凸塊;所述第一凸塊、第二凸塊分別與撥盤固接;所述限位凸塊18與基座I固接;所述第一凸塊與限位凸塊18相接觸或離開一段距離，如圖6、圖17和圖18所示;所述撥輪包括固接的傳動凸塊。所述第二凸塊與傳動凸塊相接觸或離開一段距離，如圖7、圖19、圖20、圖21和圖22所示;設第一指段2靠向物體17的轉動方向為近關節正方向(如圖9中的順時針的箭頭方向)，第一指段2遠離物體17的轉動方向為近關節反方向；在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態(如圖9、圖14所示的伸直狀態)時，第一凸塊與限位凸塊18接觸，設此時凸塊撥盤12相對基座I的旋轉角度為O度(如圖6所示)，從該位置開始，凸塊撥盤12朝近關節正方向旋轉時的轉動角度為正，凸塊撥盤12朝近關節反方向旋轉時的轉動角度為負;所述限位凸塊18限制凸塊撥盤12的轉動角度只能為正，即凸塊撥盤12只能沿著如圖17所示的箭頭指示方向轉動。所述第一簧件13的兩端分別連接凸塊撥盤12和基座I，第一簧件13使凸塊撥盤12靠向限位凸塊18;在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，所述第二凸塊與傳動凸塊離開一段距離，如圖7所示;在撥輪轉動范圍內，傳動凸塊會接觸到第二凸塊，如圖19至圖22所示;所述第二簧件的兩端分別連接撥輪和第一指段，如圖4所示。
[0040]本發明所述的四連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。本實施例中，所述驅動器14采用電機。
[0041 ]本發明所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述第一簧件13采用拉簧。
[0042]本發明所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述第二簧件16采用扭簧。
[0043]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表面板21、第一指段左側板22、第一指段右側板23、第一指段前板24和第一指段后板25。
[0044]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、過渡齒輪軸144、過渡帶輪145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套固在過渡齒輪軸144上，所述第一錐齒輪142與第二錐齒輪143嚙合;所述過渡齒輪軸144套設在基座I中，所述過渡帶輪145套固在過渡齒輪軸144上，所述傳動帶147連接過渡帶輪145和撥輪15，所述傳動帶147、過渡帶輪145和撥輪15形成帶輪傳動關系。
[0045]本實施例中，所述傳動機構可以是其他的很多種常規的傳動機構，例如齒輪傳動機構、帶輪傳動機構等等，還可以是一級傳動機構或二級以上的傳動機構，只要將驅動器(電機)的動力傳遞給撥輪即可。
[0046]本實施例還包括若干軸承83、若干套筒84、若干螺釘85和若干銷釘86等，屬公知技術，不贅述。
[0047]本實施例的工作原理，結合附圖敘述如下:
[0048]本實施例處于初始狀態時，如圖1、圖5、圖6和圖7所示。
[0049]電機14轉動，通過減速機141帶動第一錐齒輪142，帶動第二錐齒輪143，帶動過渡齒輪軸144，帶動過渡帶輪145，通過傳動帶147驅動撥輪15轉動，通過第二簧件16拉動第一指段2繞關節軸4轉動，實現第一關節轉動;此時，傳動凸塊151還沒有接觸第二凸塊122，第一簧件13拉著凸塊撥盤12使其緊靠在限位凸塊18上，由于凸塊撥盤12與第一連桿9固接，所以第一連桿9保持初始姿態不變;此時，在平行四連桿機構(第一連桿9、第二連桿10、第三連桿11和第一指段2)的作用下，第二連桿10和第二指段3仍然保持初始姿態，原因是:通過第三連桿11的傳動，從第一連桿9到第二連桿10的傳動是同向傳動且傳動比等于I，所以當第一指段2繞近關節軸4轉動且第一連桿9不動時，第二連桿10相對基座I只進行平移運動而不會旋轉，由于第二連桿10與第二指段3固接，所以第二指段3相對基座I只進行平移運動而不會旋轉，始終保持著原有的姿態。
[0050]a)第二指段2接觸物體17的平行夾持(也稱平行開合或平夾)抓取模式:
[0051]如果此時第二指段2接觸物體17，則是平行夾持抓取模式。動作過程如圖14至圖16所示。
[0052]電機14繼續轉動，撥輪15繼續轉動但傳動凸塊151還沒有接觸第二凸塊122時，第二簧件16發生較大變形，第二簧件16的變形彈力(該力稱為F1),通過第一指段2、遠關節軸5等施加到了第二指段3對物體17的抓持力中，如果抓持力足夠，電機14停轉，抓取結束。
[0053]在上述過程之后，如果抓持力不夠，撥輪15繼續轉動一個角度，此時第二簧件16發生了更大變形,F1更大；同時，傳動凸塊151接觸第二凸塊122并施加一個力(該力稱為F2)給第二凸塊122，F2通過第一連桿9、第三連桿11和第二連桿10施加到了第二指段3對物體17的抓持力中(需要扣除第一簧件的變形彈力對抓持力的影響)，電機14停轉，抓取結束。
[0054]平行夾持抓取模式適合以第二指段3去夾持物體17，或者通過外張的方式用第二指段3去從內向外撐取物體17。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。
[0055]b)第一指段2接觸物體17的自適應抓取模式:
[0056]第一階段的平夾抓取與第二階段的自適應抓取合稱為平夾自適應(或平耦自適應)抓取模式。
[0057]當第一指段2接觸物體17而被物體17阻擋不能再轉動，將自動進入自適應抓取階段。電機14繼續轉動，撥輪15繼續轉動，但傳動凸塊151還沒有接觸第二凸塊122時，第二簧件16發生較大變形，第二簧件16的變形彈力(該力稱為F1),施加到第一指段2對物體17的抓持力中。
[0058]電機14繼續轉動，撥輪15繼續轉動一個角度，此時第二簧件16發生了更大變形，F1更大；同時，傳動凸塊16接觸第二凸塊122并推動第二凸塊122，凸塊撥盤12和第一連桿9在克服第一簧件13變形彈力發生轉動，通過第三連桿11帶動第二連桿10和第二指段3繞遠關節軸5轉動，直到第二指段3接觸物體17并施加抓持力，電機14停轉，抓取結束，完成自適應包絡抓取物體的效果。動作過程如圖9至13所示。
[0059]針對不同形狀、大小的物體，本實施例具有自適應性，能夠抓取多種物體。
[0060]在上述過程中，當凸塊撥盤12的旋轉角度為正時，在第三連桿11的作用下，第二連桿10和第二指段3相對于第一指段2的旋轉角度等于第一連桿9和凸塊撥盤12相對于第一指段2的旋轉角度。
[0061]圖6是圖9、圖10和圖11的凸塊撥盤12、限位凸塊18和第一簧件的情況。此時本實施例處在初始位置或者僅彎曲了第一指段，第一簧件13使凸塊撥盤12與限位凸塊18相接觸，第二指段3處于相對于基座I的固定初始姿態，這種情況一直持續到圖11的包絡抓取開始，或者圖16的夾持抓取結束。
[0062]圖17是圖12的凸塊撥盤12、限位凸塊18和第一簧件的相對位置變化情況。此時本實施例的第一指段2已經接觸到物體17被阻擋而不能運動，在驅動器14的驅動作用下，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轉動)，第二指段3已經不再保持原來豎直的初始姿態，凸塊撥盤12離開了原來一直接觸的限位凸塊18。
[0063]圖18是圖13的凸塊撥盤12、限位凸塊18和第一簧件的相對位置變化情況。此時本實施例完成對物體的兩個指段的接觸——實現自適應包絡抓取，對不同形狀尺寸的物體能夠自動包絡抓取，抓取穩定;與圖17的情況相比，凸塊撥盤12轉動到了更大的角度，離開限位凸塊18更遠的距離，第二指段3也轉動了與凸塊撥盤12的轉角相同的角度。
[0064]圖19、圖20是圖11的傳動凸塊和第二凸塊的位置情況。圖21是圖12的傳動凸塊和第二凸塊的位置情況。圖22是圖13的傳動凸塊和第二凸塊的位置情況。
[0065]釋放物體17的過程:電機14反轉，后續過程與上述抓取物體17的過程剛好相反，不再贅述。
[0066]本發明裝置利用驅動器、平行四連桿傳動機構、第一簧件、第二簧件、凸塊撥盤、限位凸塊和撥輪等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持與自適應抓取的功能，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自適應包絡不同形狀、大小的物體;該裝置抓取范圍大，抓取穩定可靠;僅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;該裝置結構簡單、體積小、重量輕，加工、裝配和維修成本低，適用于機器人手。
【主權項】
1.一種四連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:該四連桿平夾自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、撥輪、第一連桿、第二連桿、第三連桿、第一桿軸、第二桿軸、凸塊撥盤、第一簧件、第二簧件和限位凸塊;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；所述第一指段活動套接在近關節軸上;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撥輪相連;所述撥輪活動套接在近關節軸上;所述第一連桿的一端活動套接在近關節軸上，第一連桿的另一端活動套接在第一桿軸上;所述第二連桿的一端套接在遠關節軸上，第二連桿的另一端活動套接在第二桿軸上，第二連桿與第二指段固接;所述第三連桿的兩端分別套接在第一桿軸、第二桿軸上;第一連桿的長度與第二連桿的長度相等，所述第一連桿、第二連桿、第三連桿和第一指段四者構成平行四連桿機構;所述凸塊撥盤活動套接在近關節軸上，所述凸塊撥盤與第一連桿固接;所述凸塊撥盤包括撥盤、第一凸塊和第二凸塊;所述第一凸塊、第二凸塊分別與撥盤固接;所述限位凸塊與基座固接;所述第一凸塊與限位凸塊相接觸或離開一段距離;所述撥輪包括固接的傳動凸塊;所述第二凸塊與傳動凸塊相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；在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，第一凸塊與限位凸塊接觸，設此時凸塊撥盤相對基座的旋轉角度為O度，從該位置開始，凸塊撥盤朝近關節正方向旋轉時的轉動角度為正，凸塊撥盤朝近關節反方向旋轉時的轉動角度為負；所述限位凸塊限制凸塊撥盤的轉動角度只能為正;所述第一簧件的兩端分別連接凸塊撥盤和基座;在該四連桿平夾自適應機器人手指裝置處于初始狀態時，所述第二凸塊與傳動凸塊離開一段距離;在撥輪轉動范圍內，傳動凸塊會接觸到第二凸塊;所述第二簧件的兩端分別連接撥輪和第一指段。2.如權利要求1所述的四連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O3.如權利要求1所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。4.如權利要求1所述的四連桿平夾自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
【文檔編號】B25J15/00GK105881565SQ201610345242
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】張文增, 黎帆
【申請人】清華大學