腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术：

机器人手在机器人领域中有广泛的用途，用于将机器人与物体临时的连接和固定起来，并能够在适当的时候进行释放。一般的机器人手为了降低成本被制作成具有两个相对运动的部分，以便于最简单的实现抓取和释放功能。也有许多模仿人手的结构，设计为具有更多的手指和手指上具有若干关节，但是那样会带来机械系统、传感系统、控制系统和控制算法的复杂度和高昂的成本。部分机器人手具有适应性，即在抓取前并未知晓要抓取的物体是何种形状与大小，在抓取中也未对抓取的物体进行传感检测，但是却可以自适应地抓取，这种对于物体形状、大小的自动适应性能使得机器人手在不增加传感与控制条件下实现更为广泛抓取不同物体。

peterb.scott在文献(peterb.scott,“the’omnigripper’:aformofrobotuniversalgripper”,robotica,vol.3:pp153-158,1985)中介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用抓取器omnigripper。该抓取器具有两组杆簇集合，每组杆簇集合有多个相互平行的可上下滑动的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组杆簇靠拢或离开，实现对物体的抓持。举例来说，当机器人的末端靠向放置在某个支持面(如桌面)上的物体时，物体推动长杆使其向基座内滑动，由于物体形状不同，各长杆向手掌内的滑动距离不同，以此来实现对物体的自适应效果；之后，一左一右的两组杆簇集合再合拢抓取住物体，利用长杆从侧面挤压抓取住物体，达到抓取目的。

该装置的不足之处在于：

(1)无法做到多向抓持。该装置对目标物体施加抓取力时，该抓取力只能沿着两组杆簇集合合拢的方向，相当于二指抓取器，产生的仅仅是一维抓取模式，抓取效果差。

(2)对于特定方向放置的长条状物体抓持失效。当目标物体与该方向平行并且目标物体在该方向上长于该装置，则目标物体不会因两组伸缩杆合拢而受到抓持力，如抓取一个长条状的物体。

(3)抓持稳定性有待提高。该装置对目标物体的抓持力仅由两组杆簇集合合拢而产生，仅能采用抓持力的力封闭抓取物体，而缺少较好的包络式形封闭抓取效果，因为，力封闭抓取物体未必一定会产生形封闭抓取，但是形封闭抓取一定包括了力封闭抓取，因此抓取稳定性达到形封闭为最好。

唐洪等人在专利(发明人：唐洪、杜奕、王毅，专利申请公布号：cn106393146a)中介绍了一种抓吊适应性机器手。该机器手利用电机驱动来抓取物体，利用多个夹持杆获得对物体大小和形状的自适应效果，驱动蜗杆通过吊钩拉紧牵引绳，实现多个夹持杆向中心聚拢的挤压力，达到对物体的多向抓持效果，也可以直接使用吊钩对物体进行提升。举例来说，该机器手的末端靠近放在某个支持面(如桌子)上的物体，通过电机工作驱动蜗杆，端口盖拉动牵引绳，牵引绳绕过定滑轮拉动夹持杆，夹持杆压迫弹簧ⅰ和弹簧ⅲ向中间移动，因为夹持杆顶部设有弹簧ⅱ，夹持杆受力往上移动，以适应物体上面的形状，将待抓取物体抓住。

该装置的不足之处在于：

(1)对物体侧面的适应性较差。该装置仅靠圆柱形的夹持杆来适应物体的侧面，如果物体为不规则物体，则该装置不能有效适应物体的形状。

(2)对物体提供的抓取力较小，抓取结构不太稳定。如果被抓取物体形状不规则，夹持杆与物体仅为线接触，不能提供足够的抓取力，所以抓取结构不太稳定。

(3)该装置抓取时下端杆组只能向中心进行弯曲，该装置只能将待抓取物体对准于装置中心才能实现抓取的效果，对抓取的要求大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置。该装置用于抓取物体，对物体大小和形状具有自适应性；达到对物体的多向抓持效果；能够在多个方向对物体提供挤压抓持力；可在装置下与物体接触任意位置(物体位置可以不在装置中心)产生一个稳定形封闭抓取；对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；能耗低、抓持迅速、使用寿命长；抓持稳定性高。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置，包括基座、电机、中板、滑槽板、减速器、传动机构、k个簧件和k个滑动推杆；所述电机固接在基座上；所述中板固接在基座上；所述滑槽板固接在中板上；所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连；所述减速器的输出轴和传动机构的输入端相连；滑槽板与中板上分别设有一一对应的k个通孔；第i个滑动推杆滑动镶嵌在滑槽板中对应的第i个通孔里，k个滑动推杆构成圆周阵列；第i个簧件的两端分别连接在中板和第i个滑动推杆上，第i个簧件使得第i个滑动推杆倾向于离开滑槽板；该腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置还包括k个腱绳、k个上滑动环、k个下滑动环、k个滑动件、nk个上连杆、nk下连杆、nk个连接元件、nk个夹板、k个指节端、nk个弹性元件和k个连接销；k个腱绳的一端均连接在传动机构的输出端上；第i个腱绳穿过第i个滑动推杆中心，另一端与第i个连接销相连；第i个上滑动环固接在第i个滑动推杆上；第i个下滑动环固接在第i个滑动件上；第i个连接销穿过第i个滑动推杆并与第i个滑动件固接；第i个滑动件套接在第i个滑动推杆上；第ni个上连杆两端分别与第i个上滑动环和第ni个连接元件套接；第ni个下连杆两端分别与第i个下滑动环和第ni个连接元件套接；第ni个夹板和第ni个连接元件套接；第ni个弹性元件两端分别与第ni个夹板上端和第i个滑动推杆固接，第ni个弹性元件使得第ni个夹板张开时处于倾斜状态；第i个指节端与第i个滑动推杆的下端固接；k为大于1的自然数；i＝1,2,…,k；n为大于2的自然数。

进一步的，所述滑动推杆为供腱绳穿过的空心杆。

进一步的，所述弹性元件为弹性绳或弹簧。

进一步的，所述滑动推杆中包括至少两块夹板。

进一步的，所述夹板由硬质材料制成，所述硬质材料包括但不限于金属、塑料。

本发明装置与现有技术相比，具有以下突出特点：

1、部分滑动推杆在装置接触被抓取物体时向上运动，实现对物体大小和形状的自适应功能，对不同方向放置的各种形状(包括圆柱状)物体均可有效抓持。

2、电机通过传动机构驱动腱绳缩短，使得夹板可向四周张开适应物体的侧面形状并达到对物体的多向抓取效果，抓取效果好。

3、由于夹板上端通过弹性元件与滑动推杆连接，夹板张开时会产生一定的倾斜，倾斜的角度可防止物体滑落，产生形封闭抓取效果，抓取稳定性更好。

4、由于每个滑动推杆的结构及夹板膨胀方式都相同，即在装置抓取范围内的任意位置都可以进行稳定的膨胀抓取(不需要物体位于装置中心左右)，对抓取位置要求小。

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是本发明提供的腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置的一种实施例的一种立体图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的一种仰视图。

图4是图1所示实施例的一种膨胀张开立体图。

图5是图1所示实施例的剖视图。

图6是图1所示实施例抓取球形物体的局部正视图。

图7是图1所示实施例中一个杆簇的立体图。

图8是图1所示实施例中一个杆簇的剖视图。

图9是图8所示实施例中a处的放大图。

图10是图1所示实施例中一个杆簇的俯视图。

图11、图12和图13是图6所示实施例抓取球形目标物体的过程示意图。

图14是图6所示实施例抓取球形目标物体的三维示意图。

【附图标记】

1-基座，2-电机，22-传动机构，3-腱绳，4-中板，5-滑槽板，

6-簧件，7-滑动推杆，8-弹性元件，9-夹板，10-上滑动环，

11-上连杆，12-连接元件，13-下连杆，14-下滑动环，

15-滑动件，16-连接销，17-指节端，18-球形目标物体，19-支撑面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

一种腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置，包括基座、电机、中板、滑槽板、减速器、传动机构、k个簧件和k个滑动推杆；所述电机固接在基座上；所述中板固接在基座上；所述滑槽板固接在中板上；所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连；所述减速器的输出轴和传动机构的输入端相连；滑槽板与中板上分别设有一一对应的k个通孔；第i个滑动推杆滑动镶嵌在滑槽板中对应的第i个通孔里，k个滑动推杆构成圆周阵列；第i个簧件的两端分别连接在中板和第i个滑动推杆上，第i个簧件使得第i个滑动推杆倾向于离开滑槽板。该腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置还包括k个腱绳、k个上滑动环、k个下滑动环、k个滑动件、nk个上连杆、nk下连杆、nk个连接元件、nk个夹板、k个指节端、nk个弹性元件和k个连接销；k个腱绳的一端均连接在传动机构的输出端上；第i个腱绳穿过第i个滑动推杆中心，另一端与第i个连接销相连；第i个上滑动环固接在第i个滑动推杆上；第i个下滑动环固接在第i个滑动件上；第i个连接销穿过第i个滑动推杆并与第i个滑动件固接；第i个滑动件套接在第i个滑动推杆上；第ni个上连杆两端分别与第i个上滑动环和第ni个连接元件套接；第ni个下连杆两端分别与第i个下滑动环和第ni个连接元件套接；第ni个夹板和第ni个连接元件套接；第ni个弹性元件两端分别与第ni个夹板上端和第i个滑动推杆固接，第ni个弹性元件使得第ni个夹板张开时处于倾斜状态；第i个指节端与第i个滑动推杆的下端固接；k为大于1的自然数；i＝1,2,…,k；n为大于2的自然数。

取k＝21，n＝3，则本发明所述的腱绳驱动膨胀抓取滑杆自适应机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例将基座所在的位置定义为“上”、指节端所在的位置定义为“下”。该实施例包括基座1、电机2、中板4、滑槽板5、减速器、传动机构22、21个腱绳、21个滑动推杆7、21个簧件6、21个上滑动环10、21个下滑动环14、21个滑动件15、63个上连杆11、63个下连杆13、63个连接元件12、63个夹板9、21个指节端17、63个弹性元件8和21个连接销16；所述电机2固接在基座1上；所述中板4套固在基座1下端的内部；所述滑槽板5与基座1、中板4通过台阶定位后滑槽板与中板固接；所述电机2的输出轴和减速器的输入轴相连；所述减速器的输出轴和传动机构22的输入端相连；所述滑槽板5上设有中心线平行于滑槽板轴线的21个通孔，所述中板上也设有21个通孔，并且所述滑槽板上的通孔与所述中板上的通孔呈对应设置；第i个滑动推杆7滑动镶嵌在滑槽板5中对应的第i个通孔里；第i个簧件6安装在对应的第i个通孔里且两端分别连接在中板4和滑动推杆7上；21个腱绳3的一端均连接在传动机构的输出端上，第i个腱绳3穿过滑动推杆中心，第i个腱绳3的另一端与第i个连接销16相连；第i个上滑动环10固接在第i个滑动推杆7上；第i个下滑动环14固接在第i个滑动件15上；第i个连接销16穿过第i个滑动推杆7并与第i个滑动件15固接；第i个滑动件15套接在第i个滑动推杆7上；同一个滑动推杆7上设置沿周向均匀分布的3个上连杆11、3个下连杆13、3个夹板9及3个连接元件12、3个弹性元件8，第m个上连杆11的两端分别与第i个上滑动环10和第m个连接元件12套接，第m个下连杆13的两端分别与第i个下滑动环14和第m个连接元件12套接，第m个夹板9和第m个连接元件12套接，第m个弹性元件8两端分别与第m个夹板9上端和第i个滑动推杆7固接，在夹板张开时第m个弹性元件使得第m个夹板处于倾斜状态；第i个指节端17与第i个滑动推杆7的下端固接；其中，i＝1,2,···,21；m＝1,2,3。

本实施例中，所述传动机构22为绞盘，绞盘包括转轴、套固在转轴上的卷筒，所述转轴与减速器的输出轴连接，21个腱绳3的一端均连接在卷筒上，当电机启动时，通过转轴带动卷筒转动，收缩腱绳。当然在本发明的其他实施例中，也可以去掉传动机构，直接将减速器的输出轴与所有腱绳的一端连接。

本实施例中，所述簧件6均为压簧，第i个簧件使得第i个滑动推杆向下滑动。

本实施例中，所述滑动推杆7为由塑料制成并能供腱绳穿过的空心变径杆，包括均为空心的大径杆及小径杆，大径杆滑动镶嵌在滑槽板5中对应的通孔里且其上端设有限位台阶，初始状态时在簧件6的弹力下限位台阶与对应通孔中的台阶接触，从而限制滑动推杆7滑动到下方的极限位置；第i个上滑动环10固接在第i个滑动推杆7的大径杆的下端；小径杆的两侧对称设有沿滑动推杆中心线方向延伸的滑槽，第i个滑动件15套接在第i个滑动推杆7的小径杆(为便于说明，以下简称第i个小径杆)上，第i个连接销16穿过第i个小径杆两侧的滑槽并与套接在滑动推杆上的第i个滑动件15固接；第i个指节端17固接在第i个小径杆的下端。

本实施例中，所述弹性元件8为弹性绳或弹簧。当然在本发明的其他实施例中，所述弹性元件也可由其它任意一种弹性材料制成。

本实施例中，所述夹板9由塑料制成，与目标物体接触面的摩擦性能好。当然在本发明的其他实施例中，所述夹板也可由金属或其他任意硬质材料制成。

本实施例中，所述连接元件12可以采用销轴。

本实施例中，所述连接销16由金属铁制成。

本实施例中，所述21个滑动推杆呈圆周阵列地分布在滑槽板上，且21个滑动推杆的中心线相互平行。

下面结合附图介绍图1所示实施例的工作原理。

本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图5所示，每个滑动推杆在每个簧件的作用下，每个滑动推杆的大部分伸出滑槽板并套接在滑槽板上，此时夹板为未膨胀状态。

在该实施例对目标物体实施抓取时，该装置由机械臂带动靠近放在支撑面上的物体并对物体产生挤压，挤压力使部分滑动推杆向上滑动以适应物体的形状，电机工作，腱绳开始收缩，通过腱绳收缩，连接销带动滑动件向上滑动使上连杆与下连杆撑开，此时夹板膨胀张开，当其中一个夹板碰到被抓物体被卡住时，此夹板对应的腱绳开始受拉力伸长，电机继续转动让其他夹板可以继续膨胀张开与被抓物体全方位接触，以此适应被抓取物体侧面的形状，并通过弹性元件与夹板上端的连接使夹板保持一定角度，防止物体下滑，产生一个形封闭抓取，达到一个稳定的抓取效果。

在释放物体时，电机反向转动，腱绳伸长，连接销及滑动件失去拉力后受重力向下运动，上连杆与下连杆复原，夹板的膨胀状态取消，恢复到了原始状态，进而对目标物体的挤压力消失，实现了对目标物体的释放。而后上滑的部分滑动推杆在簧件的弹力下向下运动，装置恢复至初始状态。

本发明装置采用多个滑动推杆，可倾斜膨胀张开的夹板与弹性元件等综合实现对物体大小和形状的自适应可靠抓取功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置的位置；利用电机及传动机构工作时腱绳收缩，使多个滑动推杆下端的滑动件向上移动，上连杆与下连杆撑开让夹板膨胀张开，适应物体形状，对物体进行挤压夹取；弹性元件让夹板倾斜一定角度，以产生一个形封闭抓取，达到对物体的多向可靠抓持效果，因此抓持适应性稳定性高；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；仅需驱动电机工作，使腱绳缩短，就可以使滑动件向上移动，通过上连杆与下连杆的撑开使夹板向四周膨胀张开就可以使装置有效的自适应物体的形状，因此能耗低。

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。