串并混联连杆直线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
，特别涉及一种串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。背景技术
机器人技术的发展与应用是当下的研究热点。研究人员对于工业机器人的研究成果在工业生产中发挥着巨大的作用，通过控制机器人执行重复、危险的操作，促进了智慧工厂与无人工厂的形成，大大提高了生产效率。与工业机器人相似，走进千家万户及各种场合的服务型机器人将成为下一个标准化产品类别，它需要机器人手协助执行抓取操作。因此对于机器人手的研究成为研究热点。
由于人手是人类在自然进化过程中产生出来的灵巧终端部件。人手部的运动具有多种抓取模式，包括精确型的末端夹持(捏持)以及多指段力量型的握持，抓取力大。模仿人手的多指机器人手在设计方面难度很大。
现有的多指机器人手研究领域，主要有两种基于不同概念的机器人手。第一种是通过多个电机分别控制多个自由度的灵巧手，另一种是通过较少电机驱动较多自由度的欠驱动手。
灵巧手一般具有3～5个手指，每个手指2～4个关节自由度，其多数关节为电机、气缸或液压缸等驱动的主动关节。灵巧手具有较高的抓取精度。如美国宇航局研制的Robonaut手，它有5个手指和14个关节自由度，通过14个电机和12个独立的控制电路板来实现驱动控制功能，已经被应用在太空近地轨道的危险环境和行星探索任务中。灵巧手在抓取过程中需要预先判断被抓取物体的位置，进行路径规划，通过多个电机构成的实时控制系统进行控制，控制难度大，成本高。
欠驱动手减少了电机的使用数量，使机器人手在保证拟人化动作的同时，大大地降低了对于手部实时控制和传感系统的要求。现有的欠驱动手指包括平夹手指、耦合手指和自适应手指。平夹手指的末端在抓取过程中保持相对于基座不变的姿态，适合抓取台面上的物体；耦合手指的近指段转动时，远指段会相对近指段同时转动，抓取动作更加拟人，同时抓取更加迅速；自适应手指近关节先转动，近指段接触物体后才触发下一个关节转动，依次类推，直至末端指段接触物体，实现多个指段均接触物体的包络抓取效果，适应不同形状，尺寸物体。这种自适应抓取特点在传统的平夹手指或耦合手指中不能实现。
平夹自适应手指是将平行夹持与自适应抓取功能在一前一后两个时间阶段进行结合产生的复合抓取类型手指。耦合自适应手指则是将耦合抓取与自适应抓取相结合的另一种复合抓取手指。
传统的平夹自适应手指为一种末端呈圆弧轨迹的平夹自适应手指，无法实现末端呈直线轨迹的平夹自适应复合抓取模式，在抓取桌面物体时，需要机械臂配合控制协同作业才能实现比较精准的物体抓取，给机械臂控制带来麻烦，同时抓取不同大小物体时，该装置需要在不同的高度进行作业，否则容易发生该装置的末端手指与桌面相碰撞的危险。
多连杆并联式欠驱动机器人手指(专利US5762390A)被设计出来，采用电机和传动机构驱动双梯形四连杆机构，并利用双平行四边形连杆机构和簧件作为约束，实现了平夹与自适应复合抓取功能。手指在抓取物体时的第一阶段是平行夹持模式，即先后转动第一指段、第二指段和第三指段，末端的第三指段始终保持相对于基座固定不变的姿态，指导第一、二指段接触物体后才会自适应弯曲的末端关节，达到自适应包括抓取的目的。其不足之处在于：该装置没有直线平夹功能——该装置的末端指段在平动过程中是呈现圆弧运动，因而在抓取工作台上的不同尺寸物体时，需要机械臂配合控制才能实现，加大了控制难度。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有三个关节，具有末端指段直线轨迹平行夹持功能，能实现中指段和远指段的双指段自适应抓取模式，对不同形状、尺寸物体具有自适应性。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机、传动机构、近指段、中指段、远指段、近关节轴、中关节轴和远关节轴；所述电机与基座固接，所述电机与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中，所述近指段套接在近关节轴上，所述中关节轴套设在近指段中，所述中指段套接在中关节轴上，所述远关节轴套设在中指段中，所述远指段套接在远关节轴上；所述近关节轴、中关节轴、远关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该串并混联连杆直线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、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第一限位块和第二限位块；所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第八轴、第九轴、第十轴和近关节轴的中心线相互平行；所述第一连杆套接在近关节轴上，所述第一轴套设在第一连杆中，所述第二连杆套接在第一轴上，所述第二轴套设在第二连杆中，所述中指段套接在第二轴上；所述第三连杆套接在近关节轴上，所述第三轴套设在第三连杆中；所述第四连杆套接在第三轴上，所述第四轴套设在第四连杆中；所述第五连杆的一端套接在中关节轴上，第五连杆的另一端套接在第四轴上；所述第五轴套设在第五连杆中，所述第六连杆套接在第五轴上，所述第六轴套设在第六连杆中；所述第七连杆的一端连接在第六轴上，第七连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第八连杆套接在近关节轴上，所述传动机构的输出端与第八连杆相连，所述第七轴套设在第八连杆中；所述第九连杆套接在第七轴上，所述第八轴套设在第九连杆中；所述第十连杆的一端套接在第八轴上，第十连杆的另一端套接在中关节轴上，所述第九轴套设在第十连杆中；所述第十一连杆套接在第九轴上，所述第十轴套设在第十一连杆中，所述远指段套接在第十轴上；所述第一簧件的两端分别连接第一连杆和基座；所述第二簧件的两端分别连接第三连杆和基座；所述第三簧件的两端分别连接远指段和第七连杆；所述第一限位块、第二限位块分别与基座固接；在初始状态时，所述第一连杆与第一限位块接触，所述第三连杆与第二限位块接触，所述远指段和第七连杆接触；设近关节轴、中关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴和第六轴的中心点为A、B、C、D、E、F、G、H、I；线段AF的长度等于线段BG的长度；线段BH的长度等于线段CI的长度；线段AB的长度等于线段FG的长度；线段BC的长度等于线段HI的长度；线段AD、线段DE、线段BE、线段BC、线段EC和线段AB的长度关系满足：AD:DE:BE:BC:CE:AB＝68:51:49:68:110:100。
本发明所述的串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮、过渡轴、第一齿轮和第二齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述蜗杆套固在减速器的输出轴上，所述蜗杆与蜗轮啮合；所述过渡轴套设在基座中，所述蜗轮套固在过渡轴上，所述第一齿轮套固在过渡轴上；所述第二齿轮套接在近关节轴上，所述第二齿轮与第一齿轮啮合。
本发明所述的串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：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、压簧或扭簧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
该装置采用基座、电机、传动机构、三个指段、三个关节轴、十一个连杆、三个簧件和两个限位块等综合实现了三关节直线平夹和双指段自适应抓取模式。在在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：远指段平动且轨迹为直线，适合夹持平面上的物体；当近指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：中指段、远指段分别绕中关节轴、远关节轴转动；当中指段接触物体，远指段会继续转动，直到近、中、远三个指段均接触物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用一个电机驱动三个关节，抓取稳定，控制简单，制造和维护成本低。
附图说明
图1是本发明设计的串并混联连杆直线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2-3是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。
图4是图1所示实施例的正视图。
图5是图1所示实施例的正视图(未画出部分零件)。
图6是图1所示实施例的后视图(未画出部分零件)。
图7是图1所示实施例的左视图。
图8-9是图1所示实施例的左视图(未画出部分零件)。
图10是图1所示实施例中部分机构的原理简图。
图11是图1所示实施例的机构原理简图。
图12是图1所示实施例直线平行夹持动作过程。
图13-14是图1所示实施例双指段自适应动作过程。
在图1至图14中：
10－基座， 11－电机， 12－减速器， 13－蜗杆，
14－蜗轮， 15－过渡轴， 16－第一齿轮， 17－第二齿轮，
21－近指段， 22－中指段， 23－远指段， 301－近关节轴，
302－中关节轴， 303－远关节轴， 304－第一轴， 305－第二轴，
306－第三轴， 307－第四轴， 308－第五轴， 309－第六轴，
310－第七轴， 311－第八轴， 312－第九轴， 313－第十轴，
401－第一连杆， 402－第二连杆， 403－第三连杆， 404－第四连杆，
405－第五连杆， 406－第六连杆， 407－第七连杆， 408－第八连杆，
409－第九连杆， 410－第十连杆， 411－第十一连杆， 51－第一簧件，
52－第二簧件， 53－第三簧件， 54－第四簧件， 61－第一限位块，
62－第二限位块，7－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。
本发明设计的串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图9所示，包括基座10、电机11、传动机构、近指段21、中指段22、远指段23、近关节轴301、中关节轴302和远关节轴303；所述电机11与基座10固接，所述电机11与传动机构的输入端相连；所述近关节轴301套设在基座10中，所述近指段21套接在近关节轴301上，所述中关节轴302套设在近指段21中，所述中指段22套接在中关节轴302上，所述远关节轴303套设在中指段22中，所述远指段23套接在远关节轴303上；所述近关节轴301、中关节轴302、远关节轴303的中心线相互平行；其特征在于：该串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一连杆401、第二连杆402、第三连杆403、第四连杆404、第五连杆405、第六连杆406、第七连杆407、第八连杆408、第九连杆409、第十连杆410、第十一连杆411、第一轴304、第二轴305、第三轴306、第四轴307、第五轴308、第六轴309、第七轴310、第八轴311、第九轴312、第十轴313、第一簧件51、第二簧件52、第三簧件53、第一限位块61和第二限位块62；所述第一轴304、第二轴305、第三轴306、第四轴307、第五轴308、第六轴309、第七轴310、第八轴311、第九轴312、第十轴313和近关节轴301的中心线相互平行；所述第一连杆401套接在近关节轴301上，所述第一轴304套设在第一连杆401中，所述第二连杆402套接在第一轴304上，所述第二轴305套设在第二连杆402中，所述中指段22套接在第二轴305上；所述第三连杆403套接在近关节轴301上，所述第三轴306套设在第三连杆403中；所述第四连杆404套接在第三轴306上，所述第四轴307套设在第四连杆404中；所述第五连杆405的一端套接在中关节轴302上，第五连杆405的另一端套接在第四轴307上；所述第五轴308套设在第五连杆405中，所述第六连杆406套接在第五轴308上，所述第六轴309套设在第六连杆406中；所述第七连杆407的一端连接在第六轴309上，第七连杆407的另一端套接在远关节轴303上；所述第八连杆408套接在近关节轴301上，所述传动机构的输出端与第八连杆408相连，所述第七轴310套设在第八连杆408中；所述第九连杆409套接在第七轴310上，所述第八轴311套设在第九连杆409中；所述第十连杆410的一端套接在第八轴311上，第十连杆410的另一端套接在中关节轴302上，所述第九轴312套设在第十连杆410中；所述第十一连杆411套接在第九轴312上，所述第十轴313套设在第十一连杆411中，所述远指段23套接在第十轴313上；所述第一簧件51的两端分别连接第一连杆401和基座10；所述第二簧件52的两端分别连接第三连杆403和基座10；所述第三簧件53的两端分别连接远指段23和第七连杆407；所述第一限位块61、第二限位块62分别与基座10固接；在初始状态时，所述第一连杆401与第一限位块61接触，所述第三连杆403与第二限位块62接触，所述远指段23和第七连杆407接触；设近关节轴301、中关节轴302、远关节轴303、第一轴304、第二轴305、第三轴306、第四轴307、第五轴308和第六轴309的中心点为A、B、C、D、E、F、G、H、I；线段AF的长度等于线段BG的长度；线段BH的长度等于线段CI的长度；线段AB的长度等于线段FG的长度；线段BC的长度等于线段HI的长度；线段AD、线段DE、线段BE、线段BC、线段EC和线段AB的长度关系满足：AD:DE:BE:BC:CE:AB＝68:51:49:68:110:100。
在本实施例中，所述传动机构包括减速器12、蜗杆13、蜗轮14、过渡轴15、第一齿轮16和第二齿轮17；所述电机11的输出轴与减速器12的输入轴相连；所述蜗杆13套固在减速器12的输出轴上；所述蜗轮14套固在过渡轴15上，所述蜗杆13与蜗轮14啮合；所述第一齿轮16套固在过渡轴15上，所述第二齿轮17套接在近关节轴301上，所述第一齿轮16与第二齿轮17啮合，所述第二齿轮17与第八连杆408固接。
本发明所述的连杆式三路并联串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件51采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件52采用拉簧、压簧或扭簧；所述第三簧件53采用拉簧、压簧或扭簧。在本实施例中，所述第一簧件51采用拉簧，所述第二簧件52采用拉簧，所述第三簧件53采用拉簧。
在本实施例中，所述传动机构还包括第四簧件54，所述第四簧件54的两端分别连接第二齿轮17和第八连杆408；所述第四簧件54采用扭簧。
本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：
本实施例的初始状态如图1所示。
本实施例中的近指段21、中指段22、第一连杆401、第二连杆402、近关节轴301、中关节轴302、远关节轴303、第一轴304、第二轴305等零件使得点E沿直线轨迹运动的原理如图10所示。当线段AB以A为圆心转动时，可以带动线段DE绕D点转动，点C沿直线S轨迹运动。远关节轴的中心点C在C1与C2之间运动呈现近似直线的轨迹。
在本实施例初始状态时，在第一簧件51、第二簧件52、第三簧件53的作用下，所述第一连杆401与第一限位块61接触，所述第三连杆403与第二限位块62接触，所述远指段与第七连杆407接触。
在本实施例进行抓取操作时，有两种抓取模式：直线平夹模式、自适应包络抓取模式。工作原理介绍如下。
(1)直线平夹抓取模式
电机11转动，通过减速器12和第一齿轮16带动第二齿轮17转动，通过第四簧件54使得第八连杆408转动，通过第九连杆409，第十连杆410推动中指段22转动；通过第九连杆409，第十连杆410，第十一连杆411推动远指段23转动。由于近指段21、中指段22、第一连杆401和第二连杆402构成的机构末端沿近似直线运动，因此远关节轴303会相对于基座10沿直线运动；由于近指段21、第三连杆403、第四连杆404和第五连杆405构成平行四连杆机构，因此图11中的线段AF与线段BG平行；中指段22、第五连杆405、第六连杆406和第七连杆407也构成平行四连杆机构，因此图11中的线段BH与线段CI平行，线段BC与线段HI平行。从初始状态开始运动的过程，第一连杆401在第一簧件51的作用下保持接触第一限位块61，第三连杆403在第二簧件52的作用下保持接触第二限位块62，远指段23在第三簧件53的作用下保持接触第七连杆407，因此第一连杆401和第三连杆403相对于基座10保持固定，远指段23相对于第七连杆407保持固定，使得远指段23在此过程中始相对于基座10保持不变姿态，因此远指段23在运动过程中沿近似直线轨迹的平动。
上述过程称为直线平行夹持运动过程。在此过程中，当远指段23接触物体7，抓取结束，从而实现了直线平夹物体的功能，如图12所示。
(2)自适应抓取模式
根据不同的抓取情形，存在两种自适应抓取模式：中指段自适应抓取模式和远指段自适应抓取模式。
在上述的直线平行夹持运动过程中，当近指段21率先接触物体7时，近指段21被阻挡而无法进一步转动，此时执行中、远双指段自适应抓取模式。电机11继续转动，带动第八连杆408转动，通过第九连杆409、第十连杆410和第十一连杆411推动远指段23转动绕远关节轴303转动，远指段23离开第七连杆407，第三簧件53被拉伸，第七连杆407绕远关节轴303转动。中指段22、第五连杆405、第六连杆406和第七连杆407构成平行四连杆机构，第五连杆405会绕中关节轴302转动相应的角度；近指段21、第三连杆403、第四连杆404和第五连杆405构成平行四连杆机构，第三连杆403会离开第二限位块62并绕近关节轴301转动相应的角度，第二簧件52被拉伸。在第三簧件53的作用下，远指段23转动绕远关节轴303的转动被抑制，因此第十一连杆411的推力主要作用于中指段22，使得中指段22绕中关节轴302转动，第一连杆401和第二连杆402的夹角增大，第一连杆401离开第一限位块61，第一簧件51被拉伸，直至中指段22接触物体7，实现中指段自适应抓取模式。
中指段22接触物体7后被固定，电机11转动，第四簧件54被拉伸，带动第八连杆408继续转动，通过第九连杆409、第十连杆410和第十一连杆411推动远指段23转动绕远关节轴303转动，第三簧件53被拉伸，第七连杆407绕远关节轴303转动，第五连杆405绕中关节轴302转动，第三连杆403绕近关节轴301转动，第二簧件52被拉伸，直至远指段23接触物体7，实现远指段自适应抓取模式。
上述过程综合实现了近、中双指段自适应抓取模式，该过程对不同形状、尺寸物体具有自适应性，如图13和图14所示。
在上述的直线平行夹持运动过程中，当中指段22率先接触物体7时，近指段21和中指段22均被固定，此时仅执行远指段自适应抓取模式，抓取原理与上述近、中双指段自适应抓取模式中的远指段自适应抓取模式一致，不再赘述。
释放物体7的过程与上述过程相反，不再赘述。
该装置采用基座、电机、传动机构、三个指段、三个关节轴、十一个连杆、三个簧件和两个限位块等综合实现了三关节直线平夹和双指段自适应抓取模式。在在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：远指段平动且轨迹为直线，适合夹持平面上的物体；当近指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：中指段、远指段分别绕中关节轴、远关节轴转动；当中指段接触物体，远指段会继续转动，直到近、中、远三个指段均接触物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用一个电机驱动三个关节，抓取稳定，控制简单，制造和维护成本低。
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