本發(fā)明屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

背景技術(shù)：

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)迎來了新的高峰，機器人手作為機器人的一種末端執(zhí)行器，也引起更多的關(guān)注，在機器人手方面的研究也越來越多。為了協(xié)助機器人在特殊情況下完成更多的任務(wù)，人們開發(fā)了多種多樣的機器人手，例如靈巧手、特種手、鉗狀手(工業(yè)夾持器)等?？臻g中的物體具有六個自由度，機器人手在抓住物體的同時需要限制物體的六個自由度才能穩(wěn)定的抓住物體，鉗狀手一般采用平行夾持的方式，僅能限制不超過四個自由度，為了保持夾持的穩(wěn)定性，需要施加較大的夾緊力，利用物體與機器人手間的摩擦力來保證穩(wěn)定的抓取物體，然而巨大的夾緊力會使物體表面產(chǎn)生較大的應(yīng)變，甚至使物體產(chǎn)生塑性變形或物體破壞，特別對于薄壁物體和硬度較低的物體，鉗狀手不能直接夾取。

具有直線平動夾持的機器人手已經(jīng)被發(fā)明出來，例如專利WO2016063314A1，包括若干連桿，一個夾持指段，驅(qū)動器組成。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)夾持指段的直線平動，利用夾持指段的平行移動對不同大小的物體實現(xiàn)平行夾持的功能。其不足之處在于：該裝置只能實現(xiàn)直線平行夾持功能，無法實現(xiàn)自適應(yīng)包絡(luò)抓取物體的功能。

自適應(yīng)包絡(luò)物體抓取是利用微分的思想，讓機器人手抓取物體時能夠自適應(yīng)物體的表面，讓更多的表面與物體接觸，在抓取物體時能夠限制物體更多的自由度，從而達到不需要太大的夾持力就能穩(wěn)定的抓取物體，這樣能較大的減少抓取物體時機器人手對物體的損壞，對于形狀不規(guī)則的物體的抓取，自適應(yīng)機器人手具有明顯的優(yōu)勢。靈巧手也可實現(xiàn)適應(yīng)物體表面的抓取，但由于靈巧手需要多個驅(qū)動器分別控制，其控制系統(tǒng)復(fù)雜、精度要求高、維護成本高，使得靈巧手的成本較高，不利于普遍的生產(chǎn)使用。于是自適應(yīng)欠驅(qū)動手被研發(fā)出來，自適應(yīng)欠驅(qū)動機器人手只需較少的驅(qū)動器就能夠驅(qū)動比驅(qū)動器數(shù)目更多的關(guān)節(jié)，來實現(xiàn)機器人手自適應(yīng)包絡(luò)的抓取物體。欠驅(qū)動機器人手的成本相對于靈巧手的成本大大降低，結(jié)構(gòu)緊湊，無需復(fù)雜的控制系統(tǒng)。例如，已有的一種欠驅(qū)動兩關(guān)節(jié)機器人手指裝置(中國發(fā)明專利CN101234489A)，包括基座、電機、中部指段、末端指段和平行帶輪式傳動機構(gòu)等。該裝置實現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指彎曲抓取物體的特殊效果，具有自適應(yīng)性。該欠驅(qū)動機械手指裝置的不足之處在于：手指在未碰觸物體前始終呈現(xiàn)伸直狀態(tài)，抓取方式主要為握持方式，難以實現(xiàn)較好的末端平行夾持抓取效果。但對于體積小的物體，由于物體表面小，而欠驅(qū)動機器人手指的每個指段的長度相對于物體表面來說又過長，難以自適應(yīng)物體的表面，此時平行夾持就取得了明顯的優(yōu)勢。因此具有平行夾持和自適應(yīng)抓取功能的機器人手非常必要，擴大了機器人手的抓取對象的范圍，對工業(yè)生產(chǎn)和日常生活有較大的益處。

具有兩種抓取模式的傳統(tǒng)欠驅(qū)動手已經(jīng)被開發(fā)出來，已有的一種欠驅(qū)動手指，如美國專利US8973958B2，包括五個連桿、彈簧、機械約束和驅(qū)動器等。該裝置實現(xiàn)了圓弧平行夾持與自適應(yīng)抓取模式。在工作時，開始階段相對于基座保持末端指段的姿態(tài)進行近關(guān)節(jié)彎曲動作，之后根據(jù)物體的位置可以實現(xiàn)平行夾持或自適應(yīng)包絡(luò)握持的功能。其不足之處在于，(1)該裝置僅能實現(xiàn)圓弧平行夾持功能，無法實現(xiàn)直線平行夾持功能，在工作臺上夾持不同尺寸的薄板物體時需要機器人臂部運動才能配合實現(xiàn)抓取，因此抓取存在嚴重不足；(2)該裝置采用多連桿機構(gòu)，運動存在較大的死區(qū)，抓取范圍小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置。該裝置具有直線平行夾持和自適應(yīng)抓取兩種抓取模式，無需對物體環(huán)境進行復(fù)雜的實時檢測、規(guī)劃，既能沿著直線平動末端的第二指段去夾持物體，也能先后運動第一指段和第二指段自適應(yīng)包絡(luò)不同形狀、大小的物體；抓取范圍大。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明設(shè)計的一種肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關(guān)節(jié)軸、遠關(guān)節(jié)軸；所述近關(guān)節(jié)軸的中心線與遠關(guān)節(jié)軸的中心線平行；所述第一指段套接在近關(guān)節(jié)軸上，所述遠關(guān)節(jié)軸套設(shè)在第一指段中，所述第二指段套接在遠關(guān)節(jié)軸上；其特征在于：該肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置還包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、導(dǎo)桿、第一軸、第二軸、第三軸和簧件；所述導(dǎo)桿與基座固接，所述導(dǎo)桿滑動鑲嵌在第一指段中，所述第一軸套設(shè)在第二指段中；所述第一連桿的一端活動套接在第一軸上，所述第一連桿的另一端活動套接在第二軸上；所述第二連桿的一端套接在第二軸上，所述第二連桿的另一端套接在第三軸上；所述第三連桿的一端套接在第二軸上，第三連桿的另一端套接在近關(guān)節(jié)軸上；所述第三軸套設(shè)在基座中，所述第一軸、第二軸、第三軸和近關(guān)節(jié)軸的中心線相互平行；所述導(dǎo)桿中心線與第一軸的中心線垂直；設(shè)第一軸的中心為點M，第二軸的中心為點N，第三軸的中心為點Q，近關(guān)節(jié)軸的中心為點S，遠關(guān)節(jié)軸的中心為點T，線段SN的長度與線段NQ的長度之和大于線段SQ的長度，且點N在直線SQ的上方；所述簧件的兩端分別連接第一指段和基座。

本發(fā)明所述的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：還包括機架、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、第四連桿、第五連桿、第六連桿、第七連桿、第八連桿、第九連桿、第十連桿、第十一連桿、第四軸、第五軸、第六軸、第七軸、第八軸、第九軸、第十軸、第十一軸、第十二軸和第十三軸；所述驅(qū)動器固接在機架上，所述驅(qū)動器的輸出端與傳動機構(gòu)的輸入端相連；所述傳動機構(gòu)的輸出端與第十軸相連；所述第十軸套設(shè)在機架上；所述第九連桿的一端套接在第十軸上，第九連桿的另一端套接在第八軸上；所述第五連桿的一端套接在第八軸上，第五連桿的另一端套接在第四軸上；所述第六軸套設(shè)在第五連桿的中部；所述第七連桿的一端套接在第六軸上，第七連桿的另一端套接在第十二軸上；所述第十二軸套設(shè)在機架上；所述第十一軸套設(shè)在機架上；所述第十連桿的一端套接在第十一軸上，第十連桿的另一端套接在第九軸上；所述第六連桿的一端套接在第九軸上，第六連桿的另一端套接在第五軸上；所述第七軸套設(shè)在第六連桿的中部；所述第八連桿的一端套接在第七軸上，第八連桿的另一端套接在第十三軸上；所述第十三軸套設(shè)在機架上；所述第十一連桿的一端套接在第八軸上，第十一連桿的另一端套接在第九軸上；所述基座與第四連桿固接，所述第四連桿的兩端分別套接在第四軸、第五軸上；設(shè)第十一軸的中心為點A，第九軸的中心為點B，第七軸的中心為點C，第五軸的中心為點D，第十三軸的中心為點E，第十軸的中心為點A’，第八軸的中心為點B’，第六軸的中心為點C’，第四軸的中心為點D’，第十二軸的中心為點E’，線段BC的長度、線段CD的長度和線段CE的長度三者相等，線段AE的長度等于線段AB的長度的2倍，線段CE的長度是線段AB的長度的2.5倍，線段B’C’的長度、線段C’D’的長度和線段C’E’的長度三者相等，線段A’E’的長度等于線段A’B’的長度的2倍，線段C’E’的長度是線段A’B’的長度的2.5倍，線段AA’的長度、線段BB’的長度、線段DD’的長度和線段EE’的長度四者相等，線段AB的長度等于線段A’B’的長度；點A、點A’、點E、點E’四點共線，設(shè)直線AA’為K。

本發(fā)明所述的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：直線K與導(dǎo)桿中心線平行。

本發(fā)明所述的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。

本發(fā)明所述的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述簧件采用壓簧。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果：

本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)和簧件等綜合實現(xiàn)了機器人手指直線平行夾持與自適應(yīng)抓取的功能；采用滿足一定條件的連桿機構(gòu)實現(xiàn)了遠關(guān)節(jié)軸的直線運動，采用簧件配合曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)第二指段在第一抓取階段保持相對基座固定的姿態(tài)；采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)當物體接觸第一指段時，第二指段繞遠關(guān)節(jié)軸的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動。該裝置根據(jù)物體形狀和位置的不同，能直線平動第一指段和第二指段去夾持物體，尤其是針對薄壁或外形復(fù)雜的物體的夾持，還能在第一指段接觸物體之后，自動轉(zhuǎn)動第二指段去接觸物體，達到自適應(yīng)包絡(luò)不同形狀、大小物體的目的；抓取范圍大，抓取穩(wěn)定可靠；利用一個驅(qū)動器同時驅(qū)動手指的平動和第二指段繞遠關(guān)節(jié)軸的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工、裝配和維修成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明設(shè)計的連桿滑塊式直線平夾自適應(yīng)機器人手指裝置的一種實施例的正視局部剖視圖(未畫出部分零件)。

圖2是圖1所示實施例的爆炸圖。

圖3是圖1所示實施例的立體外觀圖(未畫出部分零件)。

圖4是圖1所示實施例的正視圖(未畫出部分零件)。

圖5是圖1所示實施例的側(cè)面外觀(未畫出部分零件)，顯示出點A、B、C、D、E、A’、B’、C’、D’和E’的位置。

圖6是圖1所示實施例的機構(gòu)簡圖。

圖7至圖10是圖1所示實施例在直線平行夾持階段的動作過程圖。

圖11至圖15是圖1所示實施例在自適應(yīng)包絡(luò)階段的動作過程圖。

在圖1至圖15中：

100-基座， 101-導(dǎo)桿， 1-機架， 2-第一指段，

3-第二指段， 4-近關(guān)節(jié)軸， 5-遠關(guān)節(jié)軸， 6-第一連桿，

7-第二連桿， 8-第三連桿， 9-第四連桿， 10-第五連桿，

11-第六連桿， 12-第七連桿， 13-第八連桿， 14-第九連桿，

15-第十連桿， 16-第十一連桿， 17-第一軸， 18-第二軸，

19-第三軸， 20-第四軸， 21-第五軸， 22-第六軸，

23-第七軸， 24-第八軸， 25-第九軸， 26-第十軸，

27-第十一軸， 28-第十二軸， 29-第十三軸， 30-驅(qū)動器，

31-傳動機構(gòu)， 38-簧件， 50-物體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳細介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。

本發(fā)明設(shè)計的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖6所示，包括基座100、第一指段2、第二指段3、近關(guān)節(jié)軸4、遠關(guān)節(jié)軸5；所述近關(guān)節(jié)軸4的中心線與遠關(guān)節(jié)軸5的中心線平行；所述第一指段2套接在近關(guān)節(jié)軸4上，所述遠關(guān)節(jié)軸5套設(shè)在第一指段2中，所述第二指段3套接在遠關(guān)節(jié)軸5上；該肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置還包括第一連桿6、第二連桿7、第三連桿8、導(dǎo)桿101、第一軸17、第二軸18、第三軸19和簧件38；所述導(dǎo)桿101與基座100固接，所述導(dǎo)桿101滑動鑲嵌在第一指段2中，所述第一軸17套設(shè)在第二指段3中；所述第一連桿6的一端活動套接在第一軸17上，所述第一連桿6的另一端活動套接在第二軸18上；所述第二連桿7的一端套接在第二軸18上，所述第二連桿7的另一端套接在第三軸19上；所述第三連桿8的一端套接在第二軸18上，第三連桿8的另一端套接在近關(guān)節(jié)軸4上；所述第三軸19套設(shè)在基座100中，所述第一軸17、第二軸18、第三軸19和近關(guān)節(jié)軸4的中心線相互平行；所述導(dǎo)桿101中心線與第一軸17的中心線垂直；設(shè)第一軸17的中心為點M，第二軸18的中心為點N，第三軸19的中心為點Q，近關(guān)節(jié)軸4的中心為點S，遠關(guān)節(jié)軸5的中心為點T，線段SN的長度與線段NQ的長度之和大于線段SQ的長度，且點N在直線SQ的上方；所述簧件38的兩端分別連接第一指段2和基座100。

本實施例還包括機架1、驅(qū)動器30、傳動機構(gòu)31、第四連桿9、第五連桿10、第六連桿11、第七連桿12、第八連桿13、第九連桿14、第十連桿15、第十一連桿16、第四軸20、第五軸21、第六軸22、第七軸23、第八軸24、第九軸25、第十軸26、第十一軸27、第十二軸28和第十三軸29；所述驅(qū)動器30固接在機架1上，所述驅(qū)動器30的輸出端與傳動機構(gòu)31的輸入端相連；所述傳動機構(gòu)31的輸出端與第十軸26相連；所述第十軸26套設(shè)在機架1上；所述第九連桿14的一端套接在第十軸26上，第九連桿14的另一端套接在第八軸24上；所述第五連桿10的一端套接在第八軸24上，第五連桿10的另一端套接在第四軸20上；所述第六軸22套設(shè)在第五連桿10的中部；所述第七連桿12的一端套接在第六軸22上，第七連桿12的另一端套接在第十二軸28上；所述第十二軸28套設(shè)在機架1上；所述第十一軸27套設(shè)在機架1上；所述第十連桿15的一端套接在第十一軸27上，第十連桿15的另一端套接在第九軸25上；所述第六連桿11的一端套接在第九軸25上，第六連桿11的另一端套接在第五軸21上；所述第七軸23套設(shè)在第六連桿11的中部；所述第八連桿13的一端套接在第七軸23上，第八連桿13的另一端套接在第十三軸29上；所述第十三軸29套設(shè)在機架1上；所述第十一連桿16的一端套接在第八軸24上，第十一連桿16的另一端套接在第九軸25上；所述基座100與第四連桿9固接，所述第四連桿9的兩端分別套接在第四軸20、第五軸21上；設(shè)第十一軸27的中心為點A，第九軸25的中心為點B，第七軸23的中心為點C，第五軸21的中心為點D，第十三軸29的中心為點E，第十軸26的中心為點A’，第八軸24的中心為點B’，第六軸22的中心為點C’，第四軸20的中心為點D’，第十二軸28的中心為點E’，線段BC的長度、線段CD的長度和線段CE的長度三者相等，線段AE的長度等于線段AB的長度的2倍，線段CE的長度是線段AB的長度的2.5倍，線段B’C’的長度、線段C’D’的長度和線段C’E’的長度三者相等，線段A’E’的長度等于線段A’B’的長度的2倍，線段C’E’的長度是線段A’B’的長度的2.5倍，線段AA’的長度、線段BB’的長度、線段DD’的長度和線段EE’的長度四者相等，線段AB的長度等于線段A’B’的長度；點A、點A’、點E、點E’四點共線，設(shè)直線AA’為K。

本實施例中，直線K與導(dǎo)桿101中心線平行。

本發(fā)明所述的肘節(jié)滑桿自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述驅(qū)動器30采用電機、氣缸或液壓缸。本實施例中，所述驅(qū)動器30采用電機。

本實施例中，所述簧件38采用壓簧。

本實施例的工作原理，結(jié)合附圖敘述如下：

本實施例處于初始狀態(tài)時，如圖1所示。

驅(qū)動器30轉(zhuǎn)動，通過傳動機構(gòu)31帶動第九連桿14繞著第十軸26的中心線轉(zhuǎn)動；因為第六連桿11、第八連桿13、第十連桿15和機架1構(gòu)成了四連桿機構(gòu)，第五連桿10、第七連桿12、第九連桿14和機架1構(gòu)成了四連桿機構(gòu)，，并且滿足以下條件：

a)線段BC的長度、線段CD的長度和線段CE的長度三者相等，

b)線段AE的長度等于線段AB的長度的2倍，

c)線段CE的長度是線段AB的長度的2.5倍，

d)線段AA’的長度、線段BB’的長度、線段DD’的長度和線段EE’的長度四者相等，

e)線段AB的長度等于線段A’B’的長度，

f)點A、點A’、點E、點E’四點共線。

如圖7至圖15所示，該四連桿機構(gòu)將因為第九連桿14的轉(zhuǎn)動帶動第一指段2末端(遠關(guān)節(jié)軸5)直線運動，于是遠關(guān)節(jié)軸5將沿著直線平動，如圖7至圖10所示。

當?shù)谝恢付?碰到物體時，第一指段2停止運動，驅(qū)動器30繼續(xù)正轉(zhuǎn)，簧件38受壓變短，第四連桿9相對第一指段2滑動，第二指段3繞遠關(guān)節(jié)軸5轉(zhuǎn)動；當?shù)诙付?接觸物體50時，第二指段3停止運動，驅(qū)動器30繼續(xù)施加夾緊力夾緊物體50，形成自適應(yīng)包絡(luò)物體50，如圖11至圖15所示。

釋放物體50時，驅(qū)動器30反轉(zhuǎn)，釋放物體50的過程與抓取過程相反，不再贅述。

本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)和簧件等綜合實現(xiàn)了機器人手指直線平行夾持與自適應(yīng)抓取的功能；采用滿足一定條件的連桿機構(gòu)實現(xiàn)了遠關(guān)節(jié)軸的直線運動，采用簧件配合曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)第二指段在第一抓取階段保持相對基座固定的姿態(tài)；采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)當物體接觸第一指段時，第二指段繞遠關(guān)節(jié)軸的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動。該裝置根據(jù)物體形狀和位置的不同，能直線平動第一指段和第二指段去夾持物體，尤其是針對薄壁或外形復(fù)雜的物體的夾持，還能在第一指段接觸物體之后，自動轉(zhuǎn)動第二指段去接觸物體，達到自適應(yīng)包絡(luò)不同形狀、大小物體的目的；抓取范圍大，抓取穩(wěn)定可靠；利用一個驅(qū)動器同時驅(qū)動手指的平動和第二指段繞遠關(guān)節(jié)軸的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工、裝配和維修成本低。