流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置的製作方法

2023-06-13 07:13:36 2

本發明屬於機器人手技術領域，特別涉及一種流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置的結構設計。

背景技術：

自適應欠驅動機器人手是指採用少量電機驅動多個自由度關節，由於電機數量少，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，成本低廉，重量輕、體積小，可以被廣泛應用在工業、農業與服務業機器人中或者作為義肢給殘疾人使用。

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，採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。工業夾持器一般採用捏持方式，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採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。

已有的一種具有雙自由度欠驅動手指的五連杆夾持裝置，如美國專利us8973958b2，包括五個連杆、彈簧、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，該裝置採用非常複雜的多連杆機構，運動存在較大的死區，抓取範圍較小，機構體積大，缺乏柔順性，製造成本過高。

已有的一種雙關節並聯欠驅動機器人手指裝置，如中國專利cn101633171b，包括基座、電機、兩個關節軸、兩個指段、耦合傳動機構、欠驅動傳動機構和多個簧件。該裝置實現了耦合自適應抓取模式，當手指碰觸物體前就呈現多關節耦合轉動的效果，非常擬人化，同時也有助於捏持方式抓取物體；當手指碰觸物體後就採用一種多關節欠驅動方式轉動的效果，具有對所抓取物體的大小尺寸自動適應的好處。其不足之處在於，該裝置僅能實現耦合自適應抓取模式，無法實現平夾自適應抓取模式；此外，機構複雜，安裝維修困難；簧件數目過多，利用簧件解耦調和耦合傳動機構與自適應傳動機構之間的矛盾，常常使得多個簧件形變較大，導致過大且不必要的能量損耗。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置。該裝置具有多種抓取模式，既可以實現平夾自適應抓取模式，在簡單切換後，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去耦合捏持物體，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。

本發明的技術方案如下：

本發明設計的一種流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸和電機；所述近關節軸活動套設在基座中，所述第一指段活動套接近關節軸上，所述遠關節軸活動套設在第一指段中，所述第二指段套接在遠關節軸上；所述電機與基座固接；所述近關節軸的中心線與遠關節軸的中心線平行；其特徵在於：該流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置還包括傳動機構、第一波紋管、第二波紋管、第三波紋管、第四波紋管、第一管夾、第二管夾、第一軟管、第二軟管、第一流體、第二流體、第一限位凸塊、第二限位凸塊、主動板、切換板、切換板連接件、轉軸和簧件；所述傳動機構設置在基座中；所述電機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指段相連；所述第一軟管、第二軟管均為不可伸縮的膠管，所述第一軟管、第二軟管均位於第一指段中；所述第一波紋管、第二波紋管、第三波紋管、第四波紋管均為可伸縮和彎曲的空心管，所述第一波紋管的下部與主動板固接，第一波紋管的上部固定安裝在第一指段的下部，第一波紋管的上部與第一軟管的下部密封連通；所述第二波紋管的上部與第一連接塊固接，第二波紋管的下部固定安裝在第一指段的上部，第二波紋管的下部與第一軟管的上部密封連通；所述第三波紋管的下部與切換板固接，第三波紋管的上部固定安裝在第一指段的下部，第三波紋管與第二軟管密封連通；所述第四波紋管的上部與第二連接塊固接，第四波紋管的下部與第二軟管密封連通，第四波紋管的下部固定安裝在第一指段的上部；；所述第一流體8密封在第一波紋管、第一軟管和第二波紋管中；所述第二流體密封在第三波紋管、第二軟管和第四波紋管中；所述管夾與切換板固接；所述第一管夾和第二管夾分別與第一指段固接；所述切換板連接件固接在近關節軸上；所述轉軸套設在切換板連接件上，所述切換板套接在轉軸上；所述第一限位凸塊、第二限位凸塊分別與基座固接；平夾抓取模式時，所述切換板位於遠離抓取物體的一側，所述第三波紋管的上部嵌入第一管夾中，切換板與第一限位凸塊接觸；耦合抓取模式時，所述切換板位於靠近抓取物體的一側，所述第三波紋管的上部嵌入第二管夾中，切換板與第二限位凸塊接觸；所述第三波紋管的中心線與近關節軸的中心線的距離為a，第四波紋管的中心線與遠關節軸的中心線的距離為b，a與b相等；所述第三波紋管的內徑與第四波紋管的內徑相等；所述第三波紋管的長度與第四波紋管的長度相等；所述簧件的兩端分別連接基座和切換板；所述第一波紋管的中心線與近關節軸的中心線的距離為c，第二波紋管的中心線與遠關節軸的中心線的距離為d，c大於d；所述第一波紋管的內徑與第二波紋管的內徑相等。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果：

本發明裝置利用電機、密閉柔性件傳動機構、波紋管、流體、簧件、主動板、切換板和限位凸塊等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持與耦合捏持切換同時具有自適應抓取的功能，在平夾自適應抓取模式中，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；在耦合自適應抓取模式中，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被阻擋後自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；該裝置抓取範圍大；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、體積小，製造和維護成本低，適用於機器人手。

附圖說明

圖1是本發明設計的流體自適應平夾耦合切換機器人手指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的左視圖)。

圖4是圖1所示實施例的另一個側面外觀圖(圖2的右視圖)。

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)。

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)。

圖7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8是圖1所示實施例的正面外觀圖(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)。

圖9是圖1所示實施例的爆炸視圖。

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。

圖25是第三波紋管的中心線與近關節軸的中心線的距離示意圖。

圖26是第四波紋管的中心線與遠關節軸的中心線的距離示意圖。

圖27是第一波紋管的中心線與近關節軸的中心線的距離示意圖。

圖28是第二波紋管的中心線與遠關節軸的中心線的距離示意圖。

在圖1至圖28中：

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，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，

5－遠關節軸，6－第一波紋管，61－主動板，62－第二波紋管，

63－第三波紋管，631－切換板，632－第一管夾，633－第二管夾，

64－第四波紋管，7－第一軟管，71－第二軟管，8－第一流體，

81－第二流體，82－套筒，83－軸承，84－螺釘，

85－銷釘，9－簧件，10－切換板連接件，11－轉軸，

12－第一限位凸塊，13－第二限位凸塊，14－電機，141－減速器，

142－第一錐齒輪，143－第二錐齒輪，144－過渡齒輪軸，145－第一帶輪，

146－第二帶輪，147－傳動帶，15－第一連接件，16－第二連接件，

17－物體。

具體實施方式

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。

本發明設計的流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖9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和電機14；所述近關節軸4活動套設在基座1中，所述第一指段3活動套設在近關節軸上，所述遠關節軸5活動套設在第一指段2中，所述第二指段3套接在遠關節軸5上；所述電機14與基座1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；本實施例中還包括傳動機構、第一波紋管61、主動板61、第二波紋管62、第三波紋管63、切換板631、第一管夾632、第二管夾633、第四波紋管64、第一軟管7、第二軟管71、第一流體8、第二流體81、簧件9、切換板連接件10、轉軸11、第一限位凸塊12和第二限位凸塊13；所述傳動機構設置在基座1中；所述電機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第一指段2相連；所述第一軟管7、第二軟管71均為不可伸縮的膠管，所述第一軟管7、第二軟管71均位於第一指段2中；所述第一波紋管61、第二波紋管62、第三波紋管62、第四波紋管64均為可伸縮和彎曲的空心管，所述第一波紋管6的下部與主動板61固接，第一波紋管6的上部固定安裝在第一指段2的下部，第一波紋管6的上部與第一軟管7的下部密封連通；所述第二波紋管62的上部與第一連接塊13固接，第二波紋管62的下部固定安裝在第一指段2的上部，第二波紋管62的下部與第一軟管7的上部密封連通；所述第三波紋管63的下部與切換板631固接，第三波紋管63的上部固定安裝在第一指段2的下部，第三波紋管63與第二軟管71密封連通；所述第四波紋管64的上部與第二連接塊131固接，第四波紋管的下部與第二軟管71密封連通，第四波紋管64的下部固定安裝在第一指段2的上部；所述第一流體8密封在第一波紋管6、第一軟管7和第二波紋管62中；所述第二流體81密封在第三波紋管63、第二軟管71和第四波紋管64中；所述管夾632與切換板631固接；所述第一管夾632和第二管夾633分別與第一指段2固接；所述切換板連接件10固接在近關節軸4上；所述轉軸11套設在切換板連接件10上，所述切換板631套接在轉軸11上；所述第一限位凸塊12、第二限位凸塊13分別與基座1固接；設所述第三波紋管63的中心線與近關節軸4的中心線的距離為a，第四波紋管64的中心線與遠關節軸5的中心線的距離為b，a與b相等；所述第三波紋管63的內徑與第四波紋管64的內徑相等；設所述第三波紋管63的長度與第四波紋管64的長度相等；所述簧件9的兩端分別連接基座1和切換板631；所述第一波紋管61的中心線與近關節軸4的中心線的距離為c，第二波紋管62的中心線與遠關節軸5的中心線的距離為d，c大於d；所述第一波紋管61的內徑與第二波紋管62的內徑相等。

本發明所述的流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置，其特徵在於：所述彈簧採用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述彈簧9採用拉簧。

本實施例中，所述第一流體、第二流體採用液體或氣體，優選壓縮性不高的液體。本實施例中，所述第一流體8、第二流體81均為水。

本實施例中，設所述第三波紋管63的中心線與近關節軸4的中心線的距離為a，第四波紋管64的中心線與遠關節軸5的中心線的距離為b，a與b相等；所述第三波紋管63的內徑與第四波紋管64的內徑相等；設所述第三波紋管63的長度與第四波紋管64的長度相等。這樣設置達到了從第三波紋管63到第四波紋管64的等速傳動效果：定義所述切換板631相對於第一指段2的轉動速度為ω1，定義所述第二指段3相對於第一指段2的轉動速度為ω2，通過第三波紋管63、第二流體81和第四波紋管64三者的傳動，ω1＝ω2，即傳動比為1。

本實施例中，所述切換板631活動套接在近關節軸4上；所述第一限位凸塊12與基座1固接；在平夾自適應抓取模式時，所述切換板631位於遠離抓取物體的一側，所述第三波紋管63的上部嵌入第一管夾632中；所述切換板631與第一限位凸塊12相接觸或離開一段距離；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11中的順時針方向)，第一指段2遠離物體17的轉動方向為近關節反方向；在該流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置處於初始狀態(如圖10、圖15所示的伸直狀態)時，切換板631與第一限位凸塊12接觸，設此時切換板631相對基座1的旋轉角度為0度(如圖19所示)，從該位置開始，切換板631朝近關節正方向旋轉時(小於180度)的轉動角度為正，切換板631朝近關節反方向旋轉時(小於180度)的轉動角度為負；所述第一限位凸塊12限制切換板631的轉動角度只能為正，即切換板631隻能沿著順時針方向轉動。所述簧件9的兩端分別連接切換板631和基座1，簧件9使切換板631靠向第一限位凸塊12。所述第一限位凸塊12與基座1固接；在耦合自適應抓取模式時，所述切換板631位於靠近抓取物體的一側，所述第三波紋管63的上部嵌入第二管夾633中；所述切換板631與第二限位凸塊13相接觸或離開一段距離；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11中的順時針方向)，第一指段2遠離物體17的轉動方向為近關節反方向；在該流體自適應平夾耦合切換機器人手指裝置處於初始狀態(如圖10、圖15所示的伸直狀態)時，切換板631與第二限位凸塊13接觸，設此時切換板631相對基座1的旋轉角度為0度(如圖19所示)，從該位置開始，切換板631朝近關節正方向旋轉時(小於180度)的轉動角度為正，切換板631朝近關節反方向旋轉時(小於180度)的轉動角度為負；所述第二限位凸塊13限制切換板631的轉動角度只能為正，即切換板631隻能沿著逆時針方向轉動。所述簧件9的兩端分別連接切換板631和基座1，簧件9使切換板631靠向第二限位凸塊13。

本實施例還包括第一連接件15，所述第一連接件15套接在遠關節軸5上，所述第二指段3與第一連接件15固接。.

本實施例還包括第二連接件16，所述第二連接件16套接在遠關節軸5上，所述第二指段3與第二連接件16固接。

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和基座底板116和基座側罩板117。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和第一指段後板26。

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、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1中，所述第一帶輪145套固在過渡齒輪軸144上，所述第二帶輪146活動套接在近關節軸4上。

本實施例還採用了若干套筒82、若干軸承83、若干螺釘84和若干銷釘85等零件，屬於公知常用技術，不再贅述。

本實施例的工作原理，結合附圖10至圖28，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切換板631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，然後將切換板631繞轉軸11旋轉180度。

1)平夾自適應抓取模式的實現

將切換板撥動到靠向後方的一側，這時切換板、第三波紋管、第二軟管、第二流體、第四波紋管和第二連接件構成了同向等速傳動。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)當切換板631的旋轉角度為0度時(如圖19所示)，此時簧件9拉著切換板631使其緊靠在第一限位凸塊12上，當第一指段2繞近關節軸4的中心線轉動時，在第二流體81作用下，第二指段3仍然會保持在初始的姿態，原因是：由於切換板631與第三波紋管63固接，由於第三波紋管63、第二軟管71、第二流體81和第四波紋管64四者構成的傳動系統的傳動比為1，且第二流體81不可壓縮，因而在第二流體81的作用下，第三波紋管63的伸長會推動相同弧長變化的第四波紋管64的縮短，所以第二連接件132相對基座1隻進行平移運動而不會旋轉，由於第二連接件16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，始終保持著原有的姿態。

b)當切換板631的旋轉角度為正時，在第二流體81的作用下，第二連接件16旋轉角度(即第二指段的旋轉角度)等於切換板631的旋轉角度。

當本實施例抓取物體17時，電機14通過密閉波紋件傳動機構，使得主動板61轉動，主動板61相對基座1的轉角為α。在第一流體8的作用下，主動板61相對第一指段2的轉角與第一連接件15相對第一指段2的轉角有一定比例的關係。設從主動板61通過第一流體8傳動到第一連接件的傳動比為i，該傳動比是主動板61的轉速(相對於第一指段2)與第一連接件15的轉速(相對於第一指段2)之比。由於傳動比i小於1，因此是增速傳動，輸出速度大於輸入速度。設第一指段2繞近關節軸4的轉角為δ。由於第一連接件15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，因此此時第一連接件15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14通過密閉波紋件傳動機構的傳動，主動板轉動了一個角度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15、圖16、圖17、圖21)。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和圖22所示)第二指段3繞近關節軸4轉動，簧件9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。

圖10至圖14是圖1所示實施例以包絡握持的方式抓取物體17的動作過程示意圖，其中，圖10為初始狀態，圖10至圖12為第一指段2接觸到物體17之前的動作過程——平行開合方式動作，圖12為第一指段2剛接觸到物體的情況，圖12至圖14為第一指段2接觸到物體17之後的動作過程——自適應包絡物體，直到第二指段3接觸物體，如圖14所示，抓取結束。

圖15至圖17是圖1所示實施例抓取物體17的另一種可能方式——平行捏持物體的典型動作過程，直到第二指段3接觸物體17，如圖17所示，抓取結束。

2)耦合自適應抓取模式的實現

將切換板631撥動到靠向後方的一側，這時切換板、第三波紋管、第二軟管、第二流體、第四波紋管和第二連接件構成了反向等速傳動。

下面針對平夾自適應抓取模式進行詳細說明：

當電機14通過主動板6、第一軟管7、第一流體8和第一連接件15帶動第一指段2正向轉動靠向物體17時，由於切換板631始終靠向第二限位凸塊13而沒有發生轉動，第一波紋管壓縮，第二波紋管相應伸長，使得第二指段3靠向物體17方向轉動，此時會有：

α＝δ(1+i)

釋放物體15的過程：電機14反轉，後續過程與上述抓取物體15的過程剛好相反，不再贅述。

本發明裝置利用電機、密閉波紋件傳動機構、波紋管、流體、簧件、切換板連接件、轉軸、切換板和限位凸塊等綜合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。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被阻擋後自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；抓取範圍大；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、體積小，製造和維護成本低，適用於機器人手。