流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置 |
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| 申请号 | CN201610152873.3 | 申请日 | 2016-03-17 | 公开(公告)号 | CN105583838A | 公开(公告)日 | 2016-05-18 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 吝杰; 张文增; 孙睿; 程麒龙; | ||||
| 摘要 | 流体 式 接触 抓取联动自适应 机器人 手指 装置，属于 机器人手 技术领域，包括 基座 、两个指段、两个关节轴、三个滑 块 、多个簧件、多个柔性件和流体等。该装置利用流体传动实现了先耦合转动而后自适应抓取相结合的“耦合自适应复合抓取”功能，耦合转动达到了拟人化转动效果，自适应抓取使得手指适应握持不同形状和尺寸物体；该装置采用单向电磁 阀 获得了自动保持手指弯曲构型的特性，可以配合 机械臂 的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置结构简单，外形与人手的手指相似；该装置可实现物体接触手指时才实施抓取，保证了抓取物体的精确性以及达到了多次抓取同一物体时获得较好的 位置 一致性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置，包括基座(1)、第一指段(2)、第二指段(3)、近关节轴(41)、远关节轴(51)、第一滑块(11)、第二滑块(21)和第三滑块(22)；所述近关节轴(41)套设在基座(1)中，第一指段(2)套固在近关节轴(41)上，所述远关节轴(51)套设在第一指段(2)中，所述第二指段(3)套固在远关节轴(51)上；所述的第一滑块(11)镶嵌在基座(1)的第一滑槽中，第二滑块(21)镶嵌在第一指段(2)的第二滑槽中，第三滑块(22)镶嵌在第一指段(2)的第三滑槽中；所述的第二滑槽和第三滑槽平行，第二滑块(21)与第三滑块(22)相接触；其特征在于：该流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置还包括第一簧件(12)、第二簧件(26)、第一柔性件(61)、第二柔性件(62)、第三柔性件(63)、第四柔性件(64)、第五柔性件(65)、第六柔性件(66)、第一流体(71)、第二流体(72)、第三流体(73)、第一单向电磁阀(14)和第二单向电磁阀(25)；所述的基座(1)中设置有第一通孔(13)；所述第一指段(2)中设置有第二通孔(23)和第三通孔(24)；所述第一柔性件(61)、第二柔性件(62)通过第一通孔(13)相通，所述第一流体(71)被密封在第一柔性件(61)、第一通孔(13)和第二柔性件(62)中；所述第三柔性件(63)、第四柔性件(64)通过第二通孔(23)相通，所述第二流体(72)被密封在第三柔性件(63)、第二通孔(23)和第四柔性件(64)中；所述第五柔性件(65)、第六柔性件(66)通过第三通孔(24)相通，所述第三流体(73)被密封在第五柔性件(65)、第三通孔(24)和第六柔性件(66)中；所述第一簧件(12)两端分别连接第一滑块(11)和基座(1)；所述第二簧件(26)两端分别连接第三滑块(22)和第一指段(2)；所述第一单向电磁阀(14)设置在第一通孔(13)处；所述第二单向电磁阀(25)设置在第三通孔(24)处；所述第一单向电磁阀(14)采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第一流体(71)从第一通孔(13)流向第二柔性件(62)时第一单向电磁阀(14)自然打开，反向则第一单向电磁阀(14)关闭；所述第二单向电磁阀(25)采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第三流体(73)从第三通孔(24)流向第六柔性件(66)时第二单向电磁阀(25)自然打开，反向则第二单向电磁阀(25)关闭。 |
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| 说明书全文 | 流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置技术领域背景技术[0002] 人手对于人来说非常重要，与人一样，机器人手对于拟人机器人来说同样重要。机器人通过手部抓取工具开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移操作。机器人手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视。在机器人学领域有两大类机器人手：灵巧手和欠驱动手，它们分别基于主动控制和欠驱动两种不同的驱动方式。灵巧手外形和动作极似人手，可以在复杂控制算法和机构的综合作用下，灵活地完成人手所能完成的多数动作，但是灵巧手价格昂贵，制造控制难度大，维护难度大。欠驱动手可以自适应抓取物体，控制难度小、维护简单、装置稳定。 [0003] 已有的一种气动式主动驱动的拟人机器人多指手装置(发明专利CN 101402200A)，其中每个关节采用气动柔性驱动器实现手指的弯曲。该装置的不足之处为： 该装置由于采用气力主动驱动各手指各关节的转动，使得该手体积大、质量大、制造成本高、控制难度大，不能自适应抓取物体，必须依赖很复杂的控制才能实现对不同尺寸形状物体的抓取。 [0004] 已有一种气动式欠驱动机器人手指装置(发明专利CN101733758B)，包括第一、二指段和欠驱动关节。欠驱动关节包括主动滑块、关节轴、两个气动柔性件和簧件；主动滑块镶嵌在第一指段中；关节轴套接在第一指段中，第二指段套固在关节轴上；第一气动柔性件设置在第一指段与主动滑块之间；第二气动柔性件设置在第一与第二指段之间；第一、第二气动柔性件通过第一指段通孔相通。 [0005] 该装置能够在物体挤压主动滑块的过程中，利用物体挤压力通过气动方式驱动第二指段绕关节轴转动，但是，该装置在物体不挤压主动滑块时，第二指段将回复伸直的初始状态。由于该手指在抓取物体时需要支承面(如桌面)、其他手指、手掌或其他手配合才能实现手指弯曲，因此该装置无法实施在抓取过程中反作用面撤销的物体抓取，例如，该装置不能实施对放在支承面上的物体的抓取：一个物体放置在桌面上，当安装在机械臂上的手指靠向物体，物体会挤压主动滑块导致手指弯曲，但是当机械臂离开桌面时，手指的弯曲不能保持，于是物体脱落，抓取失败。 [0006] 已有一种弯曲自锁气动欠驱动机器人手指装置(发明专利CN103659825A)，该装置采用气动方式实现自适应欠驱动效果；采用棘轮棘爪实现单向弯曲，防止在反作用面撤离或振动干扰时物体松脱；采用电机解除棘爪对棘轮的约束，释放物体。该装置的不足之处在于，棘轮棘爪的锁定是一种量化的锁定，不能做到无级锁定，锁定的角度有限，为了降低最小的锁定角度，需要制作模数很小的棘轮，棘轮的制造成本高，锁定效果不理想。 [0007] 上述两种装置仅实现了自适应抓取，没有耦合抓取效果，即：当串联两个关节做成双关节的手指时，缺少耦合联动的过程，导致抓取物体的动作拟人性不高。手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化不够，因为耦合抓取效果在人手的多数抓取过程中是很常见的；此外，这两种装置的抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。 [0008] 上述三种装置都是采用气体作为传动介质，存在不足：气体容易被压缩，动作迟滞现象显著，对关节的力锁紧得不够，手指在抓取、移动物体时可能会出现因振动干扰而导致抓取失稳现象。 [0009] 此外，抓取物体时如果机器人手指的位置不准确可能造成损害物体的现象，或者抓取不到物体，或早或晚抓取物体都是不合适的，最好能够在物体接触手指的表面时能够触发抓取行为，这样获得更好的抓取效果。 发明内容[0010] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置。该装置实现了耦合转动和自适应转动相结合的功能，既可以自适应包络握持，并具有保持抓持力的功能；该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致失稳现象；该装置结构简单，动作灵活可靠，便于串联形成多关节手指；此外，该装置可以实现物体接触手指根部表面时实施抓取行为，这样保证了抓取物体的精确性和每次抓取同一物体的一致性更高。 [0011] 本发明采用如下技术方案： [0012] 本发明所述一种流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、第一滑块、第二滑块和第三滑块；所述近关节轴套设在基座中，第一指段套固在近关节轴上，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套固在远关节轴上；所述的第一滑块镶嵌在基座的第一滑槽中，第二滑块镶嵌在第一指段的第二滑槽中，第三滑块镶嵌在第一指段的第三滑槽中；所述的第二滑槽和第三滑槽平行，第二滑块与第三滑块相接触；其特征在于：该流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置还包括第一簧件、第二簧件、第一柔性件、第二柔性件、第三柔性件、第四柔性件、第五柔性件、第六柔性件、第一流体、第二流体、第三流体、第一单向电磁阀和第二单向电磁阀；所述的基座中设置有第一通孔；所述第一指段中设置有第二通孔和第三通孔；所述第一柔性件、第二柔性件通过第一通孔相通，所述第一流体被密封在第一柔性件、第一通孔和第二柔性件中；所述第三柔性件、第四柔性件通过第二通孔相通，所述第二流体被密封在第三柔性件、第二通孔和第四柔性件中；所述第五柔性件、第六柔性件通过第三通孔相通，所述第三流体被密封在第五柔性件、第三通孔和第六柔性件中；所述第一簧件两端分别连接第一滑块和基座；所述第二簧件两端分别连接第三滑块和第一指段；所述第一单向电磁阀设置在第一通孔处；所述第二单向电磁阀设置在第三通孔处；所述第一单向电磁阀采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第一流体从第一通孔流向第二柔性件时第一单向电磁阀自然打开，反向则第一单向电磁阀关闭；所述第二单向电磁阀采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第三流体从第三通孔流向第六柔性件时第二单向电磁阀自然打开，反向则第二单向电磁阀关闭。 [0013] 本发明所述流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一柔性件、第二柔性件、第三柔性件、第四柔性件、第五柔性件和第六柔性件采用嵌簧丝波纹管。 [0014] 本发明所述流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一流体采用液体；第二流体采用液体；第三流体采用液体。 [0015] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果： [0016] 该装置利用流体传动实现了耦合转动和自适应抓取相结合的“耦合自适应”复合抓取功能。当手指基座开始接触物体时，手指呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化；当第一指段触碰物体后，手指就采用单关节自适应转动的方式，直到第二指段也触碰到物体为止。该装置具有对所抓持物体的形状尺寸自动适应的好处，同时有助于握持方式抓取物体；该装置采用单向电磁阀获得了自动保持手指弯曲构型的特性，即“自锁”功能，具有保持抓持力的功能，该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置外形与人手的手指相似，可以作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，且便于串联形成多关节手指，达到拟人机器人手高关节自由度、高自适应性的优良效果；此外，该装置可以实现物体接触手指根部表面时实施抓取行为，这样保证了抓取物体的精确性和每次抓取同一物体的一致性更高。附图说明 [0017] 图1是本发明提供的流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置的一种实施例的侧剖视图。 [0018] 图2是图1所示实施例的正面剖视图。 [0019] 图3是图1所示实施例的正面外观图。 [0020] 图4是图1所示实施例的侧面外观图。 [0021] 图5是图1所示实施例拆去基座右挡板和第一指段右挡板的正等轴侧图。 [0022] 图6是图1所示实施例的爆炸视图。 [0023] 图7、图8、图9、图10是图1所示实施例手指抓握物体过程的侧面剖视图。 [0024] 图11是图7的外观图。 [0025] 图12是图8的外观图。 [0026] 图13是图9的外观图。 [0027] 图14是图10的外观图。 [0028] 在图1至图14中： [0029] 1–基座， 11–第一滑块， 12–第一簧件， 13–第一通孔，[0030] 14–第一单向电磁阀， 15–基座右挡板， 2–第一指段， 21–第一滑块，[0031] 22–第二滑块， 23–第二通孔， 24–第三通孔， 25–第二单向电磁阀，[0032] 26–第二簧件， 27–第一指段右挡板， 3–第二指段， 41–近关节轴，[0033] 51–远关节轴， 61–第一柔性件， 62–第二柔性件， 63–第三柔性件，[0034] 64–第四柔性件， 65–第五柔性件， 66–第六柔性件， 71–第一流体，[0035] 72–第二流体， 73–第三流体， 8–物体。 具体实施方式[0036] 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。 [0037] 本发明设计的流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4所示。本实施例一种流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴41、远关节轴51、第一滑块11、第二滑块21和第三滑块22；所述近关节轴41套设在基座1中，第一指段2套固在近关节轴41上，所述远关节轴51套设在第一指段2中，所述第二指段3套固在远关节轴51上；所述的第一滑块11镶嵌在基座1的第一滑槽中，第二滑块21镶嵌在第一指段2的第二滑槽中，第三滑块22镶嵌在第一指段2的第三滑槽中；所述的第二滑槽和第三滑槽平行，第二滑块21与第三滑块22相接触；其特征在于： 该流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置还包括第一簧件12、第二簧件26、第一柔性件61、第二柔性件62、第三柔性件63、第四柔性件64、第五柔性件65、第六柔性件66、第一流体71、第二流体72、第三流体73、第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀25；所述的基座1中设置有第一通孔13；所述第一指段2中设置有第二通孔23和第三通孔24；所述第一柔性件61、第二柔性件62通过第一通孔13相通，所述第一流体71被密封在第一柔性件61、第一通孔13和第二柔性件62中；所述第三柔性件63、第四柔性件64通过第二通孔23相通，所述第二流体 72被密封在第三柔性件63、第二通孔23和第四柔性件64中；所述第五柔性件65、第六柔性件 66通过第三通孔24相通，所述第三流体73被密封在第五柔性件65、第三通孔24和第六柔性件66中；所述第一簧件12两端分别连接第一滑块11和基座1；所述第二簧件26两端分别连接第三滑块22和第一指段2；所述第一单向电磁阀14设置在第一通孔13处；所述第二单向电磁阀25设置在第三通孔24处；所述第一单向电磁阀14采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第一流体71从第一通孔13流向第二柔性件62时第一单向电磁阀14自然打开，反向则第一单向电磁阀14关闭；所述第二单向电磁阀25采用带有复位簧件的、可电磁控制的常闭单向电磁阀，当第三流体73从第三通孔24流向第六柔性件66时第二单向电磁阀25自然打开，反向则第二单向电磁阀25关闭。 [0038] 本实施例中，所述第一柔性件61、第二柔性件62、第三柔性件63、第四柔性件64、第五柔性件65和第六柔性件66采用嵌簧丝波纹管。 [0039] 本实施例中，所述第一流体71采用液体；第二流体72采用液体；第三流体73采用液体。 [0040] 下面结合附图介绍所述流体式接触抓取联动自适应机器人手指装置的工作原理。 [0041] 机器人手指的初始状态如图7所示，此时手指未接触物体9时，基座1、第一指段2和第二指段3都处于伸直状态，第一簧件12和第二簧件26处于被适度压缩状态；第一滑块11在第一流体71和第一簧件12的作用下处于其所能达到的最靠外的位置，第二滑块21和第三滑块22在第二流体72、第三流体73和第二簧件26的作用下处于其所能达到的最靠外的位置。 [0042] 当机器人手指抓取物体8时，安装在机械臂上的手指在机械臂作用下靠向物体8，物体8会挤压第一滑块11，此时，挤压力推动第一滑块11向基座1内部运动，第一柔性件61被压缩，第一流体71向第二柔性件62流动，第一单向电磁阀14自动打开，第一流体71推动第一指段2绕近关节轴41的中心线转动。同时，第一指段2的转动使第三柔性件63伸长，第二流体72流向第三柔性件63，使得第四柔性件64被压缩，带动第二滑块21向第一指段2内部运动。 由于第二滑块21与第三滑块22相接触，所以第二滑块21将推动第三滑块22同时向第一指段 2内部运动，使得第三滑块22压缩第五柔性件65，从而使第三流体73向第六柔性件66流动，第二单向电磁阀25自动打开，第三流体73推动第二指段3绕远关节轴51的中心线转动，最终实现了第一指段2和第二指段3耦合转动的目的。此时状态如图8所示。 [0043] 当该装置第一指段2的第三滑块22接触物体8之后(如图9)，若基座1与物体8接触的第一滑块11继续被推动，将使得第三滑块22被物体8挤压，从而向第一指段2的内部运动，与第二滑块21分离，实现了自然解耦。第三滑块22压缩第五柔性件65，推动第三流体73向第六柔性件66运动，第二单向电磁阀25自动打开，使得第二指段3继续绕远关节轴51的中心线转动，直到第二指段3也接触物体表面为止，最终实现了手指对物体的自适应抓取。此时状态如图10所示。 [0044] 该装置释放过程可逆，即打开第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀25后，释放过程顺序与抓取过程相反。 [0045] 由于第一单向电磁阀14和第二单向电磁阀25的单向导通性，即便此时第一滑块11、第三滑块22所受的挤压力减小或消失，手指也能保持弯曲构型，形成对物体8的稳定的包络抓取。该装置实现了一种先耦合后自适应的“耦合自适应”抓取模式，具有保持抓持力的自锁效果。 [0046] 该装置对开始被限制在桌面、墙面或其他类似能提供反作用力的支承面上的物体进行抓取，无需其他手指的辅助，抓持过程稳定可靠。 [0047] 该装置还可以继续串联成更多关节数量的机器人手指。 [0048] 该装置利用流体传动实现了先耦合转动而后自适应抓取的“耦合自适应”复合抓取功能。当手指基座开始接触物体时，手指呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化；当第一指段触碰物体后，手指就采用单关节自适应转动的方式，直到第二指段也触碰到物体为止。该装置具有对所抓持物体的形状尺寸自动适应的好处，同时有助于握持方式抓取物体；该装置采用单向电磁阀获得了自动保持手指弯曲构型的特性，即“自锁”功能，具有保持抓持力的功能，该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，也可防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳；该装置外形与人手的手指相似，可以作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，且便于串联形成多关节手指，达到拟人机器人手高关节自由度、高自适应性的优良效果；此外，该装置可以实现物体接触手指根部表面时实施抓取行为，这样保证了抓取物体的精确性和每次抓取同一物体的一致性更高。 |
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