CN111015700B - 感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、四连杆机构、电磁铁、双盘齿机构、簧件和限位块等。该装置实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置从平夹抓取到自适应抓取时传动过程零延时，可以快速抓取物体，提高工作效率；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手指是机器人的重要组成部分，在工业生产及其他领域起着重要作用，现阶段对机器人手指装置的结构设计和改进至关重要。平夹自适应机器人手指装置实现可对物体进行捏持、握持两种抓取。机器人手指，需实现准确、快速、稳定的抓取物体，高效完成抓取任务。自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是部分自适应欠驱动手指无法实施快速抓取，大大降低工作效率。

已有的一种四连杆平夹自适应机器人手指装置(公告号为CN105881565B的中国发明专利)，该装置包括基座、中部指段、末端指段、连杆、凸块拨盘、拨轮和传动齿轮机构等。该装置实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，该装置的不足在于：中部指端触碰到物体时，凸块拨盘不能立即触碰传动凸块，而是存在空程阶段，导致末端指段不能在中部指端触碰到物体时立即发生转动，而是存在一定的延时，从而降低机器人手指的工作效率；

已有的一种腱绳式侧向锁定联动自适应机器人手指装置(公告号为CN105619426B的中国发明专利)，该装置包括基座、电机、减速器、腱绳、N个指段、N-1个关节簧件、第一拉绳件、N-1个关节滑块、N-1个摩擦块、N-1个锁定腱绳、N-1个锁定簧件和第二拉绳件等。该装置实现了自适应抓取和连续同步锁定多个关节的功能，防止手指回弹失稳，可以提供较大的抓取力。该装置的不足在于：该装置意在实现较重物体的快速抓取，当簧件依靠自身弹性使手指弯曲包络抓取物体时，到电机拉动键绳锁定关节存在一定延时，与该装置实现较重物体的快速抓取相互矛盾。

发明内容

为了克服已有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既能平动第二指段夹持物体，也能先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；中部指端触碰到物体时，末端指端立刻开始转动，实现零延时转动。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机、传动机构；所述电机与基座固接；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一转轴、第二转轴、主动盘齿、从动盘齿、键块、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、限位块、接触感应器、转动板、电磁铁、控制模块和驱动模块；所述传动机构的输出端与主动盘齿相连，主动盘齿活动套接在近关节轴上；所述从动盘齿沿近关节轴的轴向滑动套接在近关节轴上，从动盘齿上带有滑槽，键块固接在近关节轴上，所述键块滑动镶嵌在从动盘齿的滑槽中；所述第一连杆的一端套固在近关节轴上、另一端套接在第一转轴上，所述第二连杆的一端套接在第一转轴上、另一端套接在第二转轴上，所述第三连杆的一端套接在第二转轴上、另一端套接在远关节轴上，所述第二指段与第三连杆固接；设近关节轴、远关节轴、第二转轴、第一转轴的中心点分别为A、B、C、D，则线段AB、线段BC、线段CD和线段AD构成了平行四边形；所述第一簧件的两端分别连接主动盘齿和第一指段，所述第二簧件的两端分别连接基座和第一连杆，所述第三簧件的两端分别连接接触感应器的非感应部位和转动板；所述转动板滑动镶嵌在第一指段上并位于第一指段的外部，同时转动板具有在初始状态时与接触感应器的感应部位相接触但不挤压的施力部；所述第四簧件的两端分别连接主动盘齿和从动盘齿；所述主动盘齿上在靠向从动盘齿的一侧具有固定的凹凸轮齿，所述从动盘齿上在靠向主动盘齿的一侧具有固定的凹凸轮齿，在初始状态时主动盘齿与从动盘齿不接触；所述电磁铁固接在近关节轴上，电磁铁的输出件与从动盘齿相连，电磁铁的输出件运动方向与近关节轴的中心线平行；所述限位块与基座固接，在初始状态时第一连杆与限位块接触；所述接触感应器与控制模块相连，所述控制模块与驱动模块相连，所述驱动模块与电磁铁相连，所述控制模块、驱动模块、接触感应器均设在第一指段中。

进一步的，所述第一簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第三簧件采用拉簧或压簧；所述第四簧件采用拉簧或压簧。

进一步的，所述接触感应器采用开关、压力传感器或接近传感器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、四连杆机构、双盘齿机构、电磁铁、簧件和限位块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；从平夹抓取到自适应抓取时传动过程无延时，可以快速抓取物体；抓取范围大，采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明设计的感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的右视图)。

图4是图2所示实施例的一个剖视图(图2的右视图)。

图5是盘齿传动示意图。

图6是图5的立体爆炸图(未画出部分零件)。

图7至图10是图1所示实施例抓取物体的一种方式--平行开合自适应抓取物体的动作过程示意图。

图11至图13是图1所示实施例抓取物体的另一种方式--平行开合用第二指段夹持物体(称为平夹抓取)的动作过程示意图。

【附图标记】

1－基座 10－限位块 11－电机 111－减速器

112－第一锥齿轮 113－第二锥齿轮 114－过渡齿轮轴 115－第一带轮

116-传送带 117－第二带轮 2－第一指段 21－第一连杆

211－第一转轴 22－第二连杆 221－第二转轴 23－第三连杆

3－第二指段 4－近关节轴 41－键块 5－远关节轴

6－主动盘齿 61－第一簧件 62－第二簧件 63－第三簧件

64－第四簧件 7－转动板 71－控制模块 72－驱动模块

73－接触感应器 8－从动盘齿 81－电磁铁 82－物体

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

请参阅图1至图6，为本发明设计的感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置的一种实施例。本实施例包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和电机11、传动机构；所述电机11与基座1固接；所述传动机构设置在基座1中；所述电机11的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2套接在近关节轴4上；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行。本实施例还包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、第一转轴211、第二转轴221、主动盘齿6、从动盘齿8、键块41、第一簧件61、第二簧件62、第三簧件63、第四簧件64、限位块10、接触感应器、转动板7、电磁铁81、控制模块71和驱动模块72；所述传动机构的输出端与主动盘齿6相连；所述主动盘齿6活动套接在近关节轴4上；所述从动盘齿8沿近关节轴4的轴向滑动套接在近关节轴4上，从动盘齿8上带有滑槽，键块41固接在近关节轴4上，所述键块41滑动镶嵌在从动盘齿8的滑槽中，借助键块与滑槽的配合一方面实现从动盘齿沿近关节轴的轴向滑动、另一方面实现从动盘齿带动近关节轴转动；所述第一连杆21的一端套固在近关节轴4上，第一连杆21的另一端套接在第一转轴211上；所述第二连杆22的一端套接在第一转轴211上，第二连杆22的另一端套接在第二转轴221上，所述第一转轴的中心线与第二转轴的中心线平行；所述第三连杆23的一端套接在第二转轴221上，第三连杆23的另一端套接在远关节轴5上；所述第三连杆23与第二指段33固接；请参阅图4，设近关节轴4、远关节轴5、第二转轴221、第一转轴211的中心点分别为A、B、C、D，则线段AB与线段CD的长度相等，线段AD与线段BC的长度相等，即线段AB、线段BC、线段CD、线段AD构成了平行四边形；所述第一簧件61的两端分别连接主动盘齿6和第一指段2，所述第二簧件62的两端分别连接基座1和第一连杆21，所述第三簧件63的两端分别连接接触感应器73的非感应部位和转动板7；所述转动板7滑动镶嵌在第一指段2上并位于第一指段2的外部，同时转动板7具有在初始状态时与接触感应器73的感应部位相接触但不挤压的施力部，在自适应抓取模式下转动板会首先碰触物体82，而后受力向第一指段2内移动，从而驱动施力部瞬时触发接触感应器73上；所述第四簧件64的两端分别连接主动盘齿6和从动盘齿8；所述主动盘齿6上在靠向从动盘齿8的一侧具有固定的凹凸轮齿，所述从动盘齿8上在靠向主动盘齿6的一侧具有固定的凹凸轮齿；在初始状态时，所述主动盘齿6与从动盘齿8不接触且仅相隔一段微小距离；所述电磁铁81固接在近关节轴4上，电磁铁81的输出件与从动盘齿8相连，电磁铁81的输出件运动方向与近关节轴4的中心线平行；所述限位块10与基座1固接，在初始状态时，第一连杆21与限位块10接触；所述接触感应器73与控制模块71相连，所述控制模块71与驱动模块72相连，所述驱动模块72与电磁铁81相连，当转动板7受力向第一指段2内移动时，接触感应器73接收到信号，控制模块71通过驱动模块72使得电磁铁81工作，所述控制模块71、驱动模块72、接触感应器73均设在第一指段2中。

本实施例中，所述传动机构包括减速器111、第一锥齿轮112、第二锥齿轮113、过渡齿轮轴114、第一带轮115、传动带116和第二带轮117；所述电机11的输出轴与减速器111的输入轴相连，所述第一锥齿轮112套固在减速器111的输出轴上，所述第二锥齿轮113套固在过渡齿轮轴114上，所述第一锥齿轮112与第二锥齿轮113啮合；所述过渡齿轮轴114套设在基座1中，所述第一带轮115套固在过渡齿轮轴144上，所述第二带轮117活动套接在近关节轴4上，所述第二带轮117与主动盘齿6固接，所述传动带116连接第一带轮115和第二带轮117，所述传动带116、第一带轮115和第二带轮117形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。在该传动机构的基础上，由于第二带轮与主动盘齿固接，为便于装配本实施例将第一簧件套装在近关节轴的外侧并使其两端分别连接第二带轮和第一指段以在第二带轮和主动盘齿转动时带动第一指段转动。

本实施例中，所述第一簧件61采用扭簧，当然在其他实施例中也可以为压簧或扭簧；所述第二簧件62采用拉簧，当然在其他实施例中也可以为压簧或扭簧；所述第三簧件63采用压簧，当然在其他实施例中也可以为拉簧；所述第四簧件采用压簧，当然在其他实施例中也可以为拉簧。

本实施例中，转动杆7在移动时用于触发接触感应器73的施力部套接在第三簧件63的内部，当然在其他实施例中也可以将第三簧件、施力部分开布置。

本实施例中，所述接触感应器73采用压力传感器，当然在其他实施例中也可以为开关或接近传感器。

本实施例的工作原理，结合附图7至图13，叙述如下：

本实施例中，将初始位置设置为手指伸直的状态。

当本实施例抓取物体82时，电机11转动，通过传动机构的传动，带动主动盘齿6，第一簧件61带动第一指段2绕近关节轴4的中心线转动，由于线段ABCD构成了平行四边形，所以在平行四连杆作用下，第二指段3和固接的第三连杆23会保持初始状态，由于第一连杆21通过第二簧件62与基座1连接，第一连杆21不随第一指段2转动，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转，保持着原有姿态，第二指段3相对于基座1始终是同一姿态，这是平行夹持的阶段，动作过程如图11至图13所示。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体82，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体82。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体82的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体82。

当第一指段2接触物体82而被物体82阻挡不能再转动，将进入自适应包络的第二阶段，这时转动板7先接触物体82并向第一指段2内移动使得第三簧件63发生变形，进而触发接触感应器73，当接触感应器73接收到信号，通过控制模块71、驱动模块72使得电磁铁81工作，从而第一连杆上的电磁铁81的输出件推动从动盘齿8在近关节轴的键块上沿轴向滑动，从动盘齿8与主动盘齿6啮合，使近关节轴4、第一连杆21、键块、从动盘齿8与主动盘齿6同步传动，第一连杆21离开限位块10使得第二簧件62发生变形，由于第三连杆23平行于第一连杆21，则第三连杆23和第二指段3会绕远关节轴5的中心线转动，直到第二指段3接触物体82为止，完成自适应包络抓取物体82的效果，动作过程如图7至图10所示。针对不同形状、大小的物体82，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体82。

释放物体的过程：电机反转，后续过程与上述抓取物体的过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、四连杆机构、双盘齿机构、电磁铁、簧件和限位块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；从平夹抓取到自适应抓取时传动过程无延时，可以快速抓取物体；抓取范围大，采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的设计和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机、传动机构；所述电机与基座固接；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；

其特征在于：该感知触发零延时传动平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一转轴、第二转轴、主动盘齿、从动盘齿、键块、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、限位块、接触感应器、转动板、电磁铁、控制模块和驱动模块；所述传动机构的输出端与主动盘齿相连，主动盘齿活动套接在近关节轴上；所述从动盘齿沿近关节轴的轴向滑动套接在近关节轴上，从动盘齿上带有滑槽，键块固接在近关节轴上，所述键块滑动镶嵌在从动盘齿的滑槽中；所述第一连杆的一端套固在近关节轴上、另一端套接在第一转轴上，所述第二连杆的一端套接在第一转轴上、另一端套接在第二转轴上，所述第三连杆的一端套接在第二转轴上、另一端套接在远关节轴上，所述第二指段与第三连杆固接；设近关节轴、远关节轴、第二转轴、第一转轴的中心点分别为A、B、C、D，则线段AB、线段BC、线段CD和线段AD构成了平行四边形；所述第一簧件的两端分别连接主动盘齿和第一指段，所述第二簧件的两端分别连接基座和第一连杆，所述第三簧件的两端分别连接接触感应器的非感应部位和转动板；所述转动板滑动镶嵌在第一指段上并位于第一指段的外部，同时转动板具有在初始状态时与接触感应器的感应部位相接触但不挤压的施力部；所述第四簧件的两端分别连接主动盘齿和从动盘齿；所述主动盘齿上在靠向从动盘齿的一侧具有固定的凹凸轮齿，所述从动盘齿上在靠向主动盘齿的一侧具有固定的凹凸轮齿，在初始状态时主动盘齿与从动盘齿不接触；所述电磁铁固接在近关节轴上，电磁铁的输出件与从动盘齿相连，电磁铁的输出件运动方向与近关节轴的中心线平行；所述限位块与基座固接，在初始状态时第一连杆与限位块接触；所述接触感应器与控制模块相连，所述控制模块与驱动模块相连，所述驱动模块与电磁铁相连，所述控制模块、驱动模块、接触感应器均设在第一指段中；

所述第一簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第三簧件采用拉簧或压簧；所述第四簧件采用拉簧或压簧；

所述接触感应器采用开关、压力传感器或接近传感器。