一种模态切换装置

1.本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种模态切换装置。


背景技术：

2.机器人在工业领域已经得到了广泛的应用，但目前机器人的末端执行器一般需要根据特定任务进行更换。机器人灵巧手作为机器人的通用末端执行器，其设计目标是为了接近甚至复制人手的功能，让机器人在复杂的环境中具有执行不同任务的能力。
3.内置式机器人灵巧手是机器人灵巧手的一种技术路线，特点在于其驱动机构放置在手掌或手指内而非前臂。现有的内置式机器人灵巧手因为空间尺寸和电机功率密度的限制，其末端两关节(中指节和指尖)基本都是通过耦合机构来实现耦合运动。
4.将这些耦合机构用于实现指尖的运动虽然在很大程度上节省了空间，并且能够保证指尖较大的输出力，但是这种耦合的特性也使得其无法模拟人手手指的一些动作。比如在抓握物体时，人手手指的中指节和指尖虽然在没有触碰物体时进行耦合运动，但当中指节因为碰到物体无法继续运动时，指尖仍然可以继续弯曲，直到对物体形成包络。而上述的耦合机构在同样的情况下其指尖则无法继续运动，进而无法完全包络目标物体，这种特性极大的影响了抓取的稳定性。耦合自适应机构的运动特性可以很好地弥补这种缺陷。
5.耦合自适应机构在假肢手中比较常见，依靠其自适应性可以很好的实现对物体的抓握。但是对于机器人灵巧手而言，其需要执行的任务除了抓握物体外，还需要用能靠指尖对物体实现精确的抓取和操作，这就要求指尖能够被精确控制。现有的耦合自适应机构受限于机构原理，当指尖受力方向不理想时会表现出一种被称为弹射现象的不良特性。具体地，当指尖对物体施加作用力时，物体对指尖产生一个反作用力，会导致指尖相对中指节产生转动，从而无法保证机器人灵巧手以固定姿态对物体进行抓握，这种特性会导致机器人灵巧手在接触物体时无法保持预期的姿态或出力，进而导致机器人灵巧手无法依靠指尖完成精确的抓取和操作任务。


技术实现要素：

6.本发明解决的问题是如何保证应用耦合自适应机构的机器人灵巧手以固定姿态对物体进行抓握。
7.为解决上述问题，本发明提供一种模态切换装置，应用于机器人灵巧手，所述机器人灵巧手包括中指节、指尖、耦合自适应机构，所述中指节和所述指尖通过所述耦合自适应机构传动连接，包括驱动机构、第一限位机构以及第二限位机构，所述驱动机构设置在所述中指节上，且所述驱动机构与所述第一限位机构传动连接，所述第二限位机构与所述指尖连接，所述第一限位机构用于与所述第二限位机构连接。
8.本发明的技术效果：第一限位机构和第二限位机构分离时，中指节和指尖同时作用于物体时，由于中指节和指尖之间仅通过耦合自适应机构进行传动连接，指尖和中指节之间会产生相对转动，即应用耦合自适应机构的机器人灵巧手不能以固定姿态对物体进行
抓握。通过启动驱动机构可以带动带动第一限位机构靠近第二限位机构，直至第一限位机构和第二限位机构连接。由于第一限位机构通过驱动机构和中指节连接，而第二限位机构和指尖连接，当第一限位机构和第二限位机构连接时，会对中指节和指尖进行限位，防止指尖继续转动，从而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握，进而保证机器人灵巧手可以依靠指尖完成精确的抓取和操作任务。
9.可选地，所述第一限位机构和所述第二限位机构均设置为扇形齿轮结构，且所述第一限位机构用于与所述第二限位机构啮合。
10.可选地，所述第一限位机构的半径沿逆时针方向逐渐增大。
11.可选地，模态切换装置还包括传动机构，所述传动机构位于所述驱动机构和所述第一限位机构之间，且所述传动机构设置在所述中指节上，所述传动机构的输入端和所述驱动机构传动连接，所述传动机构的输出端和所述第一限位机构连接。
12.可选地，所述驱动机构设置为直线电机，所述传动机构包括滑块、第一连杆以及第二连杆，所述滑块滑动连接于所述中指节，所述直线电机的输出轴与所述滑块连接，所述第一连杆的一端与所述滑块滑动连接，且所述第一连杆的另一端与所述第二连杆的一端铰接，所述第二连杆的另一端与所述第一限位机构连接。
13.可选地，所述传动机构还包括支架，所述支架设置在所述中指节上，所述第二连杆位于所述支架和所述中指节之间，且所述第二连杆设置在所述支架上。
14.可选地，所述传动机构还包括弹簧，所述第二连杆和所述第一限位机构铰接，所述弹簧位于所述第二连杆和所述第一限位机构铰接处下侧，所述弹簧的一端和所述第二连杆连接，所述弹簧的另一端和所述第一限位机构连接。
15.可选地，所述传动机构还包括限位块，所述限位块设置在所述第一限位机构上，且用于与所述第一限位机构的上端面抵接。
16.可选地，所述第二连杆上开设有第一安装槽，所述第一限位机构上开设有第二安装槽，所述弹簧的一端位于所述第一安装槽内，且所述弹簧的另一端位于所述第二安装槽内。
17.可选地，所述传动机构还包括第一卡簧和第二卡簧，所述第一卡簧设置在所述第一连杆和所述第二连杆连接处，所述第二卡簧设置在所述第二连杆和所述第一限位机构连接处。
附图说明
18.图1为本发明实施例的模态切换装置的结构示意图；
19.图2为本发明实施例的模态切换装置的部分结构示意图；
20.图3为本发明实施例的传动机构的结构示意图；
21.图4为本发明实施例的支架的结构示意图；
22.图5为本发明实施例的第二连杆和第一限位机构的剖视图；
23.图6为本发明实施例的第二连杆的结构示意图。
24.附图标记：
25.1、中指节；2、驱动机构；3、第一限位机构；31、第二安装槽；4、第二限位机构；5、传动机构；51、滑块；511、滑槽；52、第一连杆；53、第二连杆；531、第一安装槽；54、支架；541、盖
板；542、连接柱；55、弹簧；56、限位块；561、限位槽；571、第一卡簧；572、第二卡簧。
具体实施方式
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
27.本实施例建立xyz轴坐标系，x轴正向为前方，x轴反向为后方，y轴正向为左方，y轴反向为右方，z轴正向为上方，z轴反向为下方。
28.为解决上述问题，如图1所示，本发明实施例的一种模态切换装置，应用于机器人灵巧手，机器人灵巧手包括中指节1、指尖、耦合自适应机构，中指节1和指尖通过耦合自适应机构传动连接，而模态切换装置包括驱动机构2、第一限位机构3以及第二限位机构4，驱动机构2设置在中指节1上，且驱动机构2与第一限位机构3传动连接，第二限位机构4与指尖连接，第一限位机构3用于与第二限位机构4连接。
29.其中，中指节1和指尖之间使用耦合自适应机构传动连接，具体可以设置为，中指节1上转动连接有第一转轴和第二转轴，且第一转轴和第二转轴适于同向传动连接，指尖与第二转轴固定连接；在中指节1和第一转轴之间设置弹性连接件，并将弹性连接件的两端和中指节1、第一转轴连接；设置驱动件，与第一转轴驱动连接，驱动件通过第一转轴和弹性连接件驱动中指节1转到，同时通过第一转轴和第二转轴驱动指尖转动；当中指节1碰到物体位置固定时，驱动件驱动第一转轴转动的过程中，弹性连接件发生弹性形变，以维持第一转轴转动。
30.在本实施例中，第一限位机构3和第二限位机构4分离时，中指节1和指尖之间仅通过耦合自适应机构传动连接，根据耦合自适应机构的传动特性，当中指节1因为碰到物体无法继续转动时，指尖仍然可以继续转动，此时，中指节1和指尖指尖无法保持固定连接关系，指尖无法准确作用在物体上。而在中指节1和指尖之间设置机器人灵巧手的模态转换装置，启动驱动机构2，可以带动传动机构5，传动机构5运转时，可以带动第一限位机构3靠近第二限位机构4，直至第一限位机构3和第二限位机构4连接，此时，中指节1和指尖之间既通过耦合自适应机构进行传动连接，也通过第一限位机构3和第二限位机构4进行传动连接。
31.综上，第一限位机构3和第二限位机构4分离时，中指节1和指尖同时作用于物体时，由于中指节1和指尖之间仅通过耦合自适应机构进行传动连接，指尖和中指节1之间会产生相对转动，即应用耦合自适应机构的机器人灵巧手不能以固定姿态对物体进行抓握。通过启动驱动机构2可以带动带动第一限位机构3靠近第二限位机构4，直至第一限位机构3和第二限位机构4连接。由于第一限位机构3通过驱动机构2和中指节1连接，而第二限位机构4和指尖连接，当第一限位机构3和第二限位机构4连接时，会对中指节1和指尖进行限位，防止指尖继续转动，从而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握，进而保证机器人灵巧手可以依靠指尖完成精确的抓取和操作任务。
32.可选地，如图1、图2、图3以及图5所示，第一限位机构3和第二限位机构4均设置为扇形齿轮结构，且第一限位机构3用于与第二限位机构4啮合。
33.在本实施例中，将第一限位机构3和第二限位机构4均设置为扇形齿轮结构，驱动第一限位机构3靠近第二限位机构4，当第一限位机构3和第二限位机构4啮合时，第一限位机构3和第二限位机构4连接，指尖和中指节1之间相对固定，从而机器人灵巧手可以保持固
定姿态。同时，当第一限位机构3上的其中一个锯齿位于第二限位机构4上的一个锯齿槽内时，第一限位机构3和第二限位机构4实现连接。由此，将第一限位机构3和第二限位机构4均设置为扇形齿轮结构时，可以较为方便地将第一限位机构3和第二限位机构4进行连接，有利于对中指节1和指尖进行限位，防止指尖继续转动，从而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握。
34.可选地，如图1、图2、图3以及图5所示，第一限位机构3的半径沿逆时针方向逐渐增大。
35.其中，第一限位机构3的半径呈对数螺旋线分布。
36.在本实施例中，第一齿轮的中心和第二齿轮的中心之间的距离不变，要让第一齿轮对第二齿轮进行限位，需要第一齿轮中的锯齿尖端抵接在第二齿轮上的一个锯齿槽的底部。将第一限位机构3设置为半径逐渐增大的结构，可以通过调节第一限位机构3和第二限位机构4连接的位置，确保第一限位机构3可以恰好和第二限位机构4连接。由此，可以保证第一限位机构3对第二限位机构4的限位作用，以防止第二限位机构4沿逆时针转动，从而保证机器人灵巧手可以以固定姿态作用于物体。同时，由于第一齿轮沿逆时针方向，半径逐渐增大，当第二齿轮逆时针转动时，则会与第一齿轮上半径更大的区域连接，由此第一齿轮对第二齿轮的限位作用会更加明显。此外，第一限位机构3的半径呈对数螺旋结构，即第一齿轮的半径呈现逐渐变化的趋势，第一齿轮和第二齿轮之间的连接可以更加稳定。
37.可选地，如图1和图2所示，模态切换装置还包括传动机构5，传动机构5位于驱动机构2和第一限位机构3之间，且传动机构5设置在中指节1上，传动机构5的输入端和驱动机构2传动连接，传动机构5的输出端和第一限位机构3连接。
38.当驱动机构2的输出端直接和第一限位机构3连接时，由驱动机构2的输出端承受第一限位机构3的承重，此种情况下，驱动机构2的输出端受力较大，可能会造成驱动机构2的输出端损坏，导致驱动机构2和第一限位机构3的传动效果不佳。
39.在本实施例中，在驱动机构2和第一限位机构3之间设置传动机构5，并将第一限位机构3和传动机构5连接，其可以由传动机构5承受第一限位机构3的承重；同时将传动机构5设置在中指节1上，相当于最终由中指节1承受传动机构5的承重。由此，通过设置传动机构5，可以利用传动机构5对第一限位机构3进行承重，同时将传动机构5设置在中指节1上，可以利用中指节1承受传动机构5的承重，从而减小了驱动机构2的输出端的受力，有益于保护驱动机构2的输出端的结构，驱动机构2和第一限位机构3之间的传动效果可以更为显著。综上，通过提高驱动机构2和第一限位机构3之间的传动效果，保证驱动机构2可以带动第一限位机构3和第二限位机构4连接，从而有效防止指尖转动，进而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握。
40.可选地，如图3、图5以及图6所示，驱动机构2设置为直线电机，传动机构5包括滑块51、第一连杆52以及第二连杆53，滑块51滑动连接于中指节1，直线电机的输出轴与滑块51连接，第一连杆52竖直设置，第一连杆52的一端与滑块51滑动连接，且第一连杆52的另一端与第二连杆53的一端铰接，第二连杆53的另一端与第一限位机构3连接。
41.其中，滑块51上沿竖直方向开设滑槽511，第一连杆52竖直设置，第一连杆52的上端位于滑槽511内，且沿竖直方向滑动连接于滑块51。
42.在本实施例中，直线电机的输出轴和滑块51连接，启动直线电机，可以驱动滑块51
沿水平方向向右运动，由于第一连杆52的上端滑动连接于滑块51，滑动向右运动时带动第一连杆52以第一连杆52的下端为轴进行顺时针转动，由于第一连杆52的下端和第二连杆53的上端铰接，第一连杆52顺时针转动时，可以带动第二连杆53以第二连杆53的上端为轴进行顺时针转动，直至驱动与第二连杆53下端连接的第一限位机构3与第二限位机构4连接。由此，通过将驱动机构2设置为直线电机，并将传动机构5设置为滑块51、第一连杆52以及第二连杆53，启动直线电机时，依次带动滑块51、第一连杆52以及第二连杆53运动，直至驱动第一限位机构3和第二限位机构4连接，进一步保证了驱动机构2和第一限位机构3之间传动的有效性。此外，将驱动机构2设置为直线电机，直线电机断电时，可以实现自锁，即直线电机的输出轴无法进行左右运动，由于直线电机、滑块51、第一连杆52、第二连杆53以及第一限位机构3依次连接，当直线电机自锁时，第一限位机构3也无法运动，从而保证了第一限位机构3对第二限位机构4的限制作用。
43.综上，通过将传动机构5设置为滑块51、第一连杆52以及第二连杆53，可以进一步保证驱动机构2和第一限位机构3之间传动效果，保证驱动机构2可以带动第一限位机构3和第二限位机构4连接，同时，将驱动机构2设置为直线电机，直线电机可以实现自锁，以防止第一限位机构3和第二限位机构4转动，从而有效防止指尖转动，进而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握。
44.可选地，如图3和图4所示，传动机构5还包括支架54，支架54设置在中指节1上，第二连杆53位于支架54和中指节1之间，且第二连杆53设置在支架54上。
45.其中，支架54包括盖板541和连接柱542，且连接柱542设置有三个。将第二连杆53的中部套设在其中一个连接柱542上，第二连杆53可以以该连接柱542为轴进行转动，同时，第二连杆53位于盖板541和中指节1之间，且有利于对第二连杆53进行限位。
46.在本实施例中，设置支架54，一方面，可以较为方便地将第二连杆53和中指节1进行连接，另一方面，将第二连杆53设置为支架54和中指节1之间，可以对第二连杆53进行限位，防止其沿前后方向运动位置产生偏移，保证第二连杆53与中指节1之间连接的稳定，从而保证第二连杆53和第一限位机构3之间传动的稳定性，以防止第一限位机构3和第二限位机构4转动，从而有效防止指尖转动，进而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握。
47.此外，根据实际需要将第二连杆53设置为拱形结构，由于第一连杆52和第一限位机构3之间设置有长轴，而第一连杆52和第一限位机构3之间又需要设置第二连杆53进行连接。当第二连杆53设置为长条形时，长轴会对第二连杆53的运动造成干扰，而通过将第二连杆53设置为拱形结构，第二连杆53运动时可以以长轴为轴进行转动，从而可以防止长轴对第二连杆53造成阻碍，进一步保证第二连杆53和第一限位机构3之间传动的稳定性。
48.可选地，如图3和图5所示，传动机构5还包括弹簧55，第一限位机构3设置为扇形齿轮结构，第二连杆53和第一限位机构3铰接，弹簧55位于第二连杆53和第一限位机构3铰接处下侧，弹簧55的一端和第二连杆53连接，弹簧55的另一端和第一限位机构3连接。
49.其中，弹簧55位于第二连杆53和第一限位机构3之间，在弹簧55的弹力作用下，推动第一限位机构3逆时针向上运动。
50.在本实施例中，第一限位机构3和第二连杆53的下端铰接，由于第一限位机构3设置为扇形齿轮结构，在重力的作用下，第一限位机构3的锯齿一侧会位于下方，而第二限位
机构4位于第一限位机构3的右侧。由此，第一限位机构3难以和第二限位机构4进行连接，从而会导致第一限位机构3难以合第二限位机构4进行连接，而在第二连杆53和第一限位机构3之间设置弹簧55，则会驱动第一限位机构3逆时针向上转动，直至第一限位机构3的锯齿朝向右侧，由此可以令第一限位机构3和第二限位机构4连接，以对第二限位机构4进行限位，防止第一限位机构3和第二限位机构4转动，从而有效防止指尖转动，进而保证机器人灵巧手可以以固定姿态对物体进行抓握。
51.可选地，如图3和图6所示，传动机构5还包括限位块56，限位块56设置在第一限位机构3上靠近第二限位机构4一侧的端部，限位块56用于与第一限位机构3的上端面抵接。
52.其中，限位块56上开设有限位槽561，限位槽561的截面为扇形，即限位槽561包括上端面和下端面，同时，限位槽561开口朝向右侧。
53.只有当第一限位机构3上的锯齿朝向右侧时，第一限位机构3上的才能更有效地和第二限位机构4进行啮合。在弹簧55的作用下，第一限位机构3逆时针转动，带动第一限位机构3的锯齿逆时针转动，当弹簧55的弹力较大时，会带动第一限位机构3的锯齿运动到上方或背向第二限位机构4的锯齿，反而不能将第一限位机构3和第二限位机构4进行连接。
54.在本实施例中，在弹簧55的作用下，第一限位机构3逆时针转动，带动第一限位机构3的锯齿逆时针转动，由于第一限位机构3设置为扇形齿轮结果，利用第一限位机构3的上端面和限位槽561的上端面抵接，可以对第一限位机构3进行限位，保证第一限位机构3的锯齿朝向右侧。同时，第一限位机构3受重力影响，会带动第一限位机构3的锯齿向下，此时第一限位机构3不能和第二限位机构4抵接，通过设置限位槽561，当第二限位机构4向下运动时，第二限位机构4的下端面与限位槽561的下端面抵接，可以防止第一限位机构3的锯齿向下，进一步保证第一限位机构3和第二限位机构4啮合，从而保证第一限位机构3对第二限位机构4的限位作用。
55.可选地，如图5所示，第二连杆53上开设有第一安装槽531，第一限位机构3上开设有第二安装槽31，第一安装槽531和第二安装槽31相对分布，弹簧55的一端位于第一安装槽531内，且弹簧55的另一端位于第二安装槽31内。
56.在本实施例中，将弹簧55的左右两端分别设置到第一安装槽531和第二安装槽31内，弹簧55的右端和第一安装槽531的底面抵接，弹簧55的左端和第二安装槽31的底面抵接，从而可以将弹簧55限制在第二连杆53和第一限位机构3之间，一方面，确保弹簧55对第一限位机构3的推动作用，另一方面，可以快速对弹簧55进行拆装。
57.可选地，如图3所示，传动机构5还包括第一卡簧571和第二卡簧572，第一卡簧571设置在第一连杆52和第二连杆53连接处，第二卡簧572设置在第二连杆53和第一限位机构3连接处。
58.在本实施例中，在第一连杆52和第二连杆53上开设安装孔，第一连杆52和第二连杆53连接，并使用第一连接螺钉穿过第一连杆52和第二连杆53上的安装孔，之后，在第一连接螺钉的前端设置第一卡簧571，可以防止第一连接柱542从第一连杆52和第二连杆53上的安装孔脱离。同时，在第二连杆53和第一限位机构3上开设安装孔，第一连杆52和第二连杆53连接，并使用第二连接螺钉穿过第二连杆53和第二连杆53上的安装孔，之后，在第二连接螺钉的前端设置第二卡簧572，可以防止第二连接柱542从第二连杆53和第一限位机构3上的安装孔脱离。由此，可以保证第一连杆52和第二连杆53之间传动的稳定性，和第二连杆53
和第一限位机构3之间传动的稳定性。
59.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。