曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置的製作方法
2023-10-26 09:48:47
本發明屬於機器人手技術領域，特別涉及一種曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置的結構設計。
背景技術：
欠驅動機器人手是指電機數量少於關節數量的機器人手，它能夠實現對不同物體的自適應抓取，也能夠適應多種物體的抓取。應用在不同的場合下，均可以滿足減少複雜傳感與實時控制的需求，提高抓取的穩定性和精確性，同時該裝置簡便、成本低廉，質量小、體積小，可以被廣泛應用在農業、工業以及服務業機器人中，也可以用於醫療，例如為殘疾人提供假手。
具有兩自由度的欠驅動機器人手主要包括兩個基本類別：一類是耦合抓取模式，另一類是自適應抓取模式。其中耦合抓取模式是指兩個關節按一定的比例或者變化的比例同時轉動，具體可以分為正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式，正向耦合抓取常常簡稱為耦合抓取，反向耦合抓取模式中按相同比例的抓取模式應用比較廣泛，常稱為平行夾持耦合抓取模式，常常簡稱為平夾抓取。正向耦合抓取適合用末端指段去捏持小的物體，而自適應抓取適合包絡物體抓取，常稱為力量抓取。
在基本類別的組合中，主要有兩種複合抓取模式：一種是先耦合而後自適應的抓取模式，稱為耦合自適應抓取模式，或耦自抓取模式；另一種是先平行夾持而後自適應的抓取模式，稱為平夾自適應抓取模式，或平自抓取模式。其中，耦自抓取模式具有更加擬人性的特點，同時末端的捏持效果也是比較容易實現。平自抓取模式能夠具有兩個平行開合的末端指段，在工業上適合平行捏持薄片狀物體或者具有兩個相平行面的物體。
已有的一種連杆欠驅動三指機械手裝置，如加拿大laval大學專利us5762390，包括多個連杆、三個簧件和機械約束等。該裝置實現了平夾自適應抓取模式。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，之後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。其不足之處在於，該裝置僅能實現平夾自適應抓取模式，無法實現耦合自適應抓取模式，不適用於快速抓取的工況，效率比較低；它採用複雜的多連杆機構，機構體積大，摩擦副多，能量利用率低；由於連杆數量多，缺乏柔順性，製造成本高，運動存在較大的死區，抓取範圍較小。
已有的一種柔性件平夾耦合切換自適應機器人手指裝置(中國專利cn105835083a)，包括基座、兩個指段、兩個關節軸、驅動器、柔性傳動件、腱繩、多個傳動輪、半輪、半輪連接件、轉軸、半輪凸塊、兩個簧件和限位凸塊等。該裝置實現了機器人手指平夾自適應抓取模式與耦合自適應抓取模式可以簡單切換的功能。其不足之處在於，該裝置採用腱繩帶動傳動輪轉動，工作時間過長後，腱繩的彈性會下降，機構的運動精確性隨之下降；此外，採用多個傳動輪，機構比較複雜，安裝維修困難，製造成本較高；
已有的一種精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置(中國專利cn106799742a)，包括基座、兩個指段、兩個關節軸、電機、腱繩、從動滑輪、連接件、轉軸、扇形輪、球缺件、齒輪、齒條和彈簧等。該裝置實現了機器人手指平夾抓取、耦合抓取和自適應抓取多種抓取模式。該裝置利用球缺件的球面實現了平夾與耦合的平穩切換，並且球缺件的設置提高了平夾與耦合階段的傳動精度；其不足之處在於，該裝置採用腱繩和彈簧的張緊程度的配合實現相應功能，長時間工作後，腱繩和彈簧會發生疲勞失效，其彈性會下降，機構的運動精確性隨之下降；此外，採用多個傳動輪，機構比較複雜；採用齒輪和齒條，安裝維修困難，製造成本較高。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服已有技術的缺陷，提供一種曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置。該裝置可以實現平夾自適應抓取模式，在簡單手動切換後，又可以實現耦合自適應抓取模式；該裝置既能平動第二指段平行夾持物體，也能兩個關節同時正向彎曲耦合捏持物體，還可以先後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；抓取範圍大；無需複雜的傳感和控制系統。
本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現。依據本發明提出的曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置，包括基座1、第一指段2、第二指端3、近關節軸4、電機12、傳動機構，該近關節軸4活動套設在基座1中，該遠關節軸5活動套設在第一指段2中，所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行；該第一指段2套接在近關節軸4上，該第二指段3套接在遠關節軸5上；該電機12與基座1固接，該傳動機構設置在基座1中，所述電機12的輸出軸與傳動機構的輸入端相連；
該曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置還包括第一連杆61、第二連杆62、第三連杆63、第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69、轉軸41、連接件42、第一限位塊91、第二限位塊92、連杆凸塊10和簧件11，前述傳動機構的輸出端與第一連杆61固接，該第一連杆61套接在近關節軸4上；該第二連杆62通過第一銷軸71套接在第一連杆61上；該第三連杆63一端通過第二銷軸72套接在第二連杆62上，另一端套接在遠關節軸5上；所述第一連杆61的長度大於第三連杆63的長度；所述第二指端3與第三連杆63固接；
該連接件42套接在近關節軸4上；該轉軸41套設在連接件42上，其中心線與近關節軸4的中心線相交且垂直；該第四連杆64套接在轉軸41上；該第六連杆66的下端通過第三銷軸73套接在第四連杆64上，其上端與套筒68固接；該第七連杆67的上端通過第四銷軸74套接在第五連杆65上，其下端與中間軸69固接；該中間軸69套設在所述套筒68中，其中心線位於近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線構成的平面u上且與近關節軸4的中心線垂直；該第五連杆65套接在遠關節軸5上，所述第二指端3與第五連杆65固接；所述第四連杆64的長度與第五連杆65的長度相等；
該第一限位塊91、第二限位塊92分別與基座1固接；該連杆凸塊10與第四連杆64固接，該簧件11的兩端分別連接連杆凸塊10、基座1；在該曲軸杆件平夾耦合切換自適應機器人手裝置處於平夾初始狀態時，所述連杆凸塊10與第一限位塊91接觸，第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、轉軸41和套筒68之間配合形成連杆傳動關係，且為平行四邊形機構；在該曲軸杆件平夾耦合切換自適應機器人手裝置處於耦合初始狀態時，連杆凸塊10與第二限位塊92接觸，第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、轉軸41和套筒68之間配合形成連杆傳動關係，且為「8」字形機構。
本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術措施來進一步實現。
前述的曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置，所述簧件11採用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
本發明裝置利用電機、傳動機構、兩個指段、兩個關節軸、七個連杆、四個銷軸、連接件、轉軸、套筒、中間軸、簧件、連杆凸塊和兩個限位塊等構件，綜合實現了機器人手裝置平夾自適應抓取模式與耦合自適應抓取模式之間簡單切換的功能：該裝置可以實現平夾自適應抓取模式，在簡單手動切換後，又可以實現耦合自適應抓取模式；在平夾自適應抓取模式中，該裝置既能平動第二指段捏持物體，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；在耦合自適應抓取模式中，該裝置可以同時聯動兩個關節轉動，並在第一指段接觸物體受阻擋後自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；抓取範圍廣；採用欠驅動的方式，利用一個電機驅動兩個關節，無需複雜的傳感和控制系統；該裝置結構緊湊、簡單、體積小，製造和維護成本低，適用於農業、工業和服務業等各個領域的機器人手。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
附圖說明
圖1是本發明設計的曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置的一種實施例的立體外觀圖。
圖2是圖1所示實施例的正面外觀圖。
圖3是圖1所示實施例的一個側面外觀圖(圖2的右視圖)。
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)。
圖5是圖2的a-a剖視圖。
圖6是圖2的b-b剖視圖。
圖7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)。
圖8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)。
圖9是圖1所示實施例的從第三個角度觀察的內部立體視圖(未畫出部分零件)。
圖10至圖14是圖1所示實施例在平夾自適應模式下以包絡握持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
圖15至圖17是圖1所示實施例在平夾自適應模式下平行開合第二指段夾持物體的動作過程示意圖。
圖18至圖21是圖1所示實施例在耦合自適應模式下以包絡握持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
圖22至圖24是圖1所示實施例在耦合自適應模式下耦合彎曲用第二指段夾持物體的動作過程示意圖。
【主要元件符號說明】
1-基座，111-基座前板，112-基座後板，113-基座左側板，
114-基座右側板，115-基座表面板，116-基座底板，117-基座側罩板，
2-第一指段，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，25-第一指段前板，26-第一指段後板，3-第二指段，
4-近關節軸，41-轉軸，42-連接件，5-遠關節軸，
61-第一連杆，62-第二連杆，63-第三連杆，64-第四連杆，
65-第五連杆，66-第六連杆，67-第七連杆，68-套筒，
69-中間軸，71-第一銷軸，72-第二銷軸，73-第三銷軸，
74-第四銷軸，81-軸承，82-軸承端蓋，83-套筒，
84-銷釘，85-螺釘91-第一限位塊，92-第二限位塊
10-連杆凸塊，11-簧件，12-電機，121-減速器，
122-第一錐齒輪，123-第二錐齒輪，124-過渡齒輪軸，125-第一帶輪，
126-第二帶輪，127-傳動帶，17-物體
具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置其具體實施方式、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。
請參閱圖1至圖9，為本發明設計的曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置的一種實施例，包括基座1、第一指段2、第二指端3、近關節軸4、電機12、傳動機構，該近關節軸4活動套設在基座1中，該遠關節軸5活動套設在第一指段2中，所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行；該第一指段2套接在近關節軸4上，該第二指段3套接在遠關節軸5上；該電機12與基座1固接，該傳動機構設置在基座1中，所述電機12的輸出軸與傳動機構的輸入端相連。
該曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置還包括第一連杆61、第二連杆62、第三連杆63、第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69、轉軸41、連接件42、第一限位塊91、第二限位塊92、連杆凸塊10和簧件11，前述傳動機構的輸出端與第一連杆61固接，該第一連杆61套接在近關節軸4上；該第二連杆62通過第一銷軸71套接在第一連杆61上；該第三連杆63一端通過第二銷軸72套接在第二連杆62上，另一端套接在遠關節軸5上；所述第一連杆61的長度大於第三連杆63的長度；所述第二指端3與第三連杆63固接；
該連接件42套接在近關節軸4上；該轉軸41套設在連接件42上，其中心線與近關節軸4的中心線相交且垂直；該第四連杆64套接在轉軸41上；該第六連杆66的下端通過第三銷軸73套接在第四連杆64上，其上端與套筒68固接；該第七連杆67的上端通過第四銷軸74套接在第五連杆65上，其下端與中間軸69固接；該中間軸69套設在所述套筒68中，其中心線位於近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線構成的平面u上且與近關節軸4的中心線垂直；該第五連杆65套接在遠關節軸5上，所述第二指端3與第五連杆65固接；所述第四連杆64的長度與第五連杆65的長度相等；
定義抓取物體的一側為該曲軸杆件平夾耦合切換自適應機器人手裝置的前方，相對的另一側即遠離抓取物體的那一側為該裝置的後方；該第一限位塊91、第二限位塊92分別與基座1固接；該連杆凸塊10與第四連杆64固接，該簧件11的兩端分別連接連杆凸塊10、基座1；設第一指段2靠向物體的轉動方向為近關節正方向，第一指段2遠離物體的轉動方向為近關節反方向；在該曲軸杆件平夾耦合切換自適應機器人手裝置處於平夾初始狀態時，所述連杆凸塊10與第一限位塊91接觸，第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、轉軸41和套筒68之間配合形成連杆傳動關係，且為平行四邊形機構；在該曲軸杆件平夾耦合切換自適應機器人手裝置處於耦合初始狀態時，連杆凸塊10與第二限位塊92接觸，第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、轉軸41和套筒68之間配合形成連杆傳動關係，且為「8」字形機構。
優選的，所述簧件11採用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述簧件11採用拉簧。
本實施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座後板112、基座左側板113、基座右側板114、基座表面板115、基座底板116和基座側罩板117。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和第一指段後板26。
本實施例中，所述傳動機構包括減速器121、第一錐齒輪122、第二錐齒輪123、過渡齒輪軸124、第一帶輪125、第二帶輪126和傳動帶127，該電機12的輸出軸與減速器121的輸入軸相連，該第一錐齒輪122套固在減速器121的輸出軸上，該第二錐齒輪123套固在過渡齒輪軸124上，所述第一錐齒輪122與第二錐齒輪123嚙合；所述過渡齒輪軸124套設在基座1中，該第一帶輪125套固在過渡齒輪軸124上，該第二帶輪126活動套固在近關節軸4上，所述第二帶輪126與第一連杆61固接；該傳動帶127呈「o」字形，用於連接第一帶輪125和第二帶輪126，三者形成帶輪傳動關係。
本實施例還採用了若干軸承81、若干套筒83、若干銷釘84和若干螺釘85等零件，屬於公知常用技術，不贅述。
本實施例的工作原理，結合圖10至圖24，敘述如下：
該裝置具有兩種抓取模式：一種是耦合自適應抓取模式，另一種是平夾自適應抓取模式，兩種模式的切換可以由第四連杆繞轉軸的轉動以及第六連杆繞中間軸的轉動來實現。
平夾自適應抓取模式和耦合自適應抓取模式的手動切換方法為：
將該裝置運行調整到伸直的狀態，然後將第四連杆64繞轉軸41以及第六連杆66繞中間軸69同時旋轉180度。
1)平夾自適應抓取模式的實現
將第四連杆64轉動到與第一限位塊91接觸的位置，第四連杆64、第五連杆65、第六連杆66、第七連杆67、轉軸41和套筒68之間配合形成連杆傳動關係，且為平行四邊形機構，此時該曲軸連杆平夾耦合切換自適應機器人手裝置處於平夾初始狀態。下面針對平夾自適應抓取模式進行詳細說明：
初始位置為手指伸直狀態。
a)當第四連杆64的旋轉角度為0度時，第四連杆64相對基座1的位置不變；由於第四連杆64與第五連杆65的長度相等(即兩者轉角相同，傳動比為1)，在第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69的作用下，無論第一指段2處於何位置，第五連杆65始終與第四連杆64保持同一角度，第五連杆65相對基座1隻進行平移運動而不會旋轉，由於第五連杆65與第二指段3固接，所以第二指段3相對基座1隻進行平移運動而不會旋轉。
b)當第四連杆的旋轉角度為正時，在第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69的作用下，第五連杆65的旋轉角度等於第四連杆64的轉角。
當本實施例抓取物體17時，電機12通過傳動機構的傳動，使得第一連杆61正轉，第一連杆61相對基座1的轉角為α。在第二連杆62的作用下，第一連杆61相對第一指段2的轉角與第三連杆63相對第一指段2的轉角有一定比例的關係。設從第一連杆61通過第二連杆62傳動到第三連杆63的傳動比為i，該傳動比是第一連杆61的轉速(相對於第一指段2)與第三連杆63的轉速(相對於第一指段2)之比，它等於第三連杆63的長度與第一連杆61的長度之比。由於第一連杆61的長度大於第三連杆63的長度，因此是增速傳動，輸出速度大於輸入速度，故傳動比i小於1。設第一指段2繞近關節軸4的轉角為δ。由於第三連杆63與第二指段3固接，而第二指段3相對於基座1沒有發生轉動，因此此時第三連杆63也就相對於基座1沒有發生轉動，於是可以推導得出本實施例裝置將平衡於滿足如下(公式1)的位置：
α＝δ(1-i)(公式1)
由於i小於1，可以求出一個α和δ分別為正的不同角度(其中α小於δ)。因此當電機12通過傳動機構的傳動，第一連杆61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δ，第二指段3相對於基座1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(如圖10、圖11、圖12、圖18)。這一階段適合以第二指段3去夾持物體17，或者通過外張的方式用第二指段3去從內向外打開的方式外張撐取物體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。
當第一指段2接觸物體17而被物體17阻擋不能再轉動，將進入自適應包絡的第二階段(如圖13、圖14、圖19、圖20、圖21所示)，這時電機12通過傳動機構的傳動，帶動第一連杆61，使固接在一起的第二指段3、第三連杆63和第五連杆65同時繞遠關節軸5轉動，通過第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69帶動第四連杆64繞近關節軸4轉動，簧件11發生變形(如圖13、圖19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17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。
釋放物體17的過程：電機12反轉，後續過程與上述抓取物體17的過程剛好相反，不贅述。
2)耦合自適應抓取模式的實現
將第四連杆64撥動到靠向抓取物體17的一側(前方)，第四連杆64帶動第六連杆66、套筒68繞中間軸69旋轉到前方，第四連杆64，第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69、第四連杆64與第五連杆65構成「8」字形機構，實現反向等速傳動。
下面針對耦合自適應抓取模式進行介紹。
當電機12通過第一連杆61、第二連杆62和第三連杆63帶動第一指段2正向轉動靠向物體17時，由於第四連杆64始終靠向第二限位塊92而沒有發生轉動，此時第一指段2相對於第四連杆64的轉動會使得第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69帶動第四連杆64，此時簧件11將第二指段3拉向抓取物體17一側，第六連杆66、第七連杆67、套筒68、中間軸69便會帶動第五連杆65，第五連杆會帶動第二指段3靠向物體17的方向轉動。此時會有：
α＝δ(1+i)(公式2)
釋放物體17的過程與上述過程相反，不贅述。
本發明裝置利用電機、傳動機構、兩個指段、兩個關節軸、七個連杆、四個銷軸、連接件、轉軸、套筒、中間軸、簧件、連杆凸塊和兩個限位塊等構件，綜合實現了機器人手裝置平夾自適應抓取模式與耦合自適應抓取模式之間簡單切換的功能：該裝置可以實現平夾自適應抓取模式，在簡單手動切換後，又可以實現耦合自適應抓取模式；在平夾自適應抓取模式中，該裝置既能平動第二指段捏持物體，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；在耦合自適應抓取模式中，該裝置可以同時聯動兩個關節轉動，並在第一指段接觸物體受阻擋後自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；抓取範圍廣；採用欠驅動的方式，利用一個電機驅動兩個關節，無需複雜的傳感和控制系統；該裝置結構緊湊、簡單、體積小，製造和維護成本低，適用於農業、工業和服務業等各個領域的機器人手。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，任何熟悉本專業的技術人員在不脫離本發明技術方案範圍內，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。