本發明屬于機器人手技術領域,特別涉及一種平行自適應抓持的機器人靈巧手。

背景技術：

隨著機器人技術的發展，機器人在越來越多的領域得到了運用，越來越多的實際應用中要求機器人的終端能從事穩定抓取和操作物體的能力。機器人靈巧手，一般類似于人手設計為多個手指，采用力封閉和形封閉的抓取原理，是機器人用于抓取和操作物體的重要終端。

常見的工業夾持器一般采用末端平行的抓持方式,稱為平行捏持、平捏，即末端指桿平行，從物體的雙側接觸物體，把物體抓起來，以此達到力封閉抓取的效果。這種平行抓持方式可以對小尺寸物體或具有對立面的較大尺寸物體進行高質量抓取，抓取的范圍可以從尺寸很小到尺寸很大的物體。

常見的另外一種抓持方式是自適應包絡抓持，即利用機器人靈巧手的多個指桿接觸物體，從而達到形封閉抓取的效果。這種自適應包絡抓持方式，可以對不同尺寸大小、形狀的物體進行自適應的包絡抓取，這種抓持方式的特點是抓持更穩定可靠，且可以施加更大的力。

已有的機器人手裝置如中國發明專利cn101234489a等，此裝置能實現手指的自適應包絡抓持，達到形封閉抓取的效果，但不能實現平行抓持。已有的機器人手裝置如中國發明專利cn102528798a等，此裝置能實現平行抓持，但不能實現包絡抓持。已有的一種欠驅動手指裝置如中國專利cn106272502a等，能實現平行抓持和包絡抓持，但機構零件多，冗余復雜，整體手指尺寸體積大，笨重不靈巧。

技術實現要素：

本發明的目的是針對已有技術的不足，提出一種新型平行自適應的機器人靈巧手的結構設計。該新型機器人靈巧手，設計精巧，結構精簡，欠驅動，體積小，抓持能力強、范圍大，制造成本低，穩定可靠，無需復雜的傳感和控制系統就可以穩定實現平行抓持以及實現自適應包絡抓持，同時手指可以繞在垂直于基座的中心軸線旋轉，以產生多種抓持構態。

本發明的技術方案如下：

本發明公開的一種平行自適應抓持的機器人靈巧手，包括基座和手指，所述手指包括第一手指、第二手指及第三手指，所述第一手指固連在所述基座上，所述第二手指及第三手指可以繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉，所述第一手指、第二手指及第三手指結構相同，手指包括遠端指桿和近端指桿，所述遠端指桿和近端指桿通過遠端轉動關節相連，所述近端指桿和所述基座通過近端轉動關節轉動相連；所述手指運動通過絲線傳動，在所述手指上分別繞有動力絲線，背向絲線，被動絲線，所述被動絲線及所述背向絲線一端繞在遠端指桿尾端，另一端繞在基座端，所述動力絲線一端繞在遠端指桿尾端，另一端通過中心孔繞至電機軸端。

其中，所述第二手指及第三手指可以繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉，第一電機輸出軸上固接第一聯軸器，所述第一聯軸器另一端固接第一階梯軸，所述第一階梯軸的另一端通過鍵連接齒輪，所述第一電機提供動力，轉矩傳遞到所述齒輪，再通過所述齒輪傳動帶動所述第二手指及第三手指繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉。

其中，所述第二手指及第三手指可以繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉，結合第一手指，能產生三種常見的抓持構態，兩指正對構態，三指均布構態，三指相間平行構態。

其中，所述手指運動通過絲線傳動，第二電機輸出軸上固接第二聯軸器，所述手指驅動線纏繞在所述第二聯軸器上，所述第二聯軸器固定在第二階梯軸上，所述第二階梯軸另一端通過軸承和基座轉動連接。這種結構避免了懸臂梁的發生，使得所述的機器人靈巧手抓持過程中剛度強，穩定，受力性能好。

其中，所述手指驅動線纏繞在所述聯軸器上，轉動所述第二聯軸器就可以進行所述手指驅動線的預緊，無需其他預緊裝置，預緊操作簡單方便。

其中，所述第二聯軸器分為上中下三個部分，所述第三手指，第二手指及第一手指的驅動線分別纏繞在所述第二聯軸器的上中下三個部分，使得三根手指的驅動線能夠分別預張緊和調整，方便機器人靈巧手初始位姿的標定。

其中，所述基座為類似于人手的手掌表面的結構，手掌表面在抓持過程中可作為接觸受力點，從而提高所述的機器人靈巧手抓持重物體的能力。

其中，在所述手指上繞有被動絲線，所述被動絲線連接在遠端指桿尾端的那一端有可以進行長度調節的結構，所述被動絲長度可以調節，從而使得遠端指桿相對于近端指桿的初始位置可以調節。

其中，在手指上繞有被動絲線，從而保證了抓持過程中所述遠端指桿始終不會相對所述近端指桿向后運動，且所選的所述被動絲線要求蠕變性小，從而保證遠端指桿相對于近端指桿的初始位置始終保證不變。

其中，在所述手指上繞有背向絲線，所述背向絲線通過第一彈簧連接在所述遠端指桿上，且所述第一彈簧剛度要選取適當，此種結構保證了抓持過程中當所述近端指桿未接觸到物體的時候，所述遠端指桿直線平動運動去平行抓持物體，當近端指桿接觸到物體之后，根據物體不同大小形狀自適應包絡抓持物體。

其中，在所述遠端轉動關節和近端轉動關節處分別安裝有第一扭簧和第二扭簧，依靠所述扭簧和所述背向絲保證了所述手指的伸展回復運動，使得所述手指回復到初始位置。

本發明與現有技術相比,具有以下優點和突出性效果：

本發明機器人靈巧手通過機械結構精巧設計，動力絲線、被動絲線、背向絲線在手指上的特殊繞線方式和絲線力學性能的合理選取，以及第一扭簧、第二扭簧、第一彈簧的剛度計算選取，實現了機器人靈巧手直線平行抓持與自適應抓持的功能。同時手指繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉，能產生三種常見的抓持構態，兩指正對構態、三指均布構態、三指相間平行構態，擴大其抓持適應能力。通過合理設計第二聯軸器，第二階梯軸，使得三根手指的驅動絲線能夠非常方便的分別預張緊和調整，從而方便機器人靈巧手初始位姿的調節和標定。被動絲線連接在遠端指桿尾端的那一端有可以進行長度調節的結構，使得被動絲長度可以方便張緊和調整，從而使得遠端指桿相對于近端指桿的初始位置可以調節。通過一個電機實現了三指靈巧手的抓持閉合和伸展張開運動，欠驅動。

總的來說，該新型機器人靈巧手，設計精巧，結構精簡，欠驅動，體積小，抓持能力強、范圍大，調節操作方便，制造成本低，穩定可靠，無需復雜的傳感和控制系統就可以穩定實現平行抓持以及實現自適應包絡抓持，同時手指可以繞在垂直于基座的中心軸線旋轉，以產生多種抓持構態。

附圖說明

圖1是靈巧手動力絲線繞線方式圖；

圖2是靈巧手被動絲線繞線方式圖；

圖3是靈巧手背向絲線繞線方式圖；

圖4是靈巧手平行抓持過程圖；

圖5是靈巧手包絡抓持過程圖；

圖6是靈巧手扭簧連接圖；

圖7是靈巧手手掌動力傳遞結構圖；

圖8靈巧手兩指正對構態圖；

圖9靈巧手三指均布構態圖；

圖10靈巧手三指相間平行構態圖；

圖11靈巧手正面立體外觀圖；

圖12靈巧手桿件代替被動絲線圖。

主要元件說明：

100、基座101、第一手指

102、第二手指103、第三手指，

104、驅動絲線105、被動絲線

106、背向絲線107、第一彈簧

108、第一電機109、第一聯軸器

110、第一階梯軸111、齒輪

112、第二電機113、第二聯軸器

114、第二階梯軸115、手掌表面

116、第一扭簧117、第二扭簧

201、近端指桿202、遠端指桿

203、滑輪204、被抓持物體

301、近端轉動關節302、遠端轉動關節

401、第一桿件402、滑塊

403、彈簧404、第二桿件。

具體實施方式

為了更清楚地表述本發明，下面結合附圖對本發明作進一步地描述。為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

需要說明的是，當元件被稱為“安裝于”或“設置于”另一個元件，它可以直接或間接在另一個元件上。當一個元件被稱為是“相連”另一個元件，它可以是直接或間接連接到另一個元件。

還需要說明的是，本發明實施例中的左右上下等方位用語，僅是互為相對概念或是以產品的正常使用狀態為參考的，而不應該認為是具有限制性的。

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

請參閱圖1至圖2，一種新型平行自適應機器人靈巧手，包括基座100、第一手指101、第二手指102及第三手指103，其中，所述第一手指101固連在所述基座100上，所述第二手指102及第三手指103可以繞著垂直于所述基座100的中心軸線旋轉。所述第一手指101、第二手指102及第三手指103結構相同，以第一手指101的結構為例具體介紹其結構，所述第一手指包括近端指桿201和遠端指桿202，所述遠端指桿202和所述近端指桿201通過遠端轉動關節302相連，所述近端指桿201和所述基座100通過近端轉動關節301轉動相連。所述第一手指101、第二手指102及第三手指103運動通過絲線傳動，以第一手指101為例，請參閱圖3、圖4和圖5，所述第一手指101上分別繞有動力絲線104，被動絲線105，背向絲線106，所述被動絲線105及所述背向絲線106一端繞在所述遠端指桿202尾端，另一端繞在基座100端，所述動力絲線104一端繞在遠端指桿202尾端，另一端通過中心孔繞至電機軸端。

在所述第一手指101上繞有所述被動絲線105，從而保證了抓持過程中所述遠端指桿202始終不會相對所述近端指桿201向后運動，且所述被動絲線105連接在遠端指桿202尾端的那一端有可以進行長度調節的結構，所述被動絲線長度105可以調節，從而使得遠端指桿202相對于近端指桿201的初始位置可以調節。

請參閱圖1至圖8，在所述第一手指上繞有背向絲線106，所述背向絲線106通過第一彈簧107連接在所述遠端指桿202上，且所述第一彈簧107剛度要選取適當，動力絲線104、被動絲線105、背向絲線106在手指上的特殊繞線方式和絲線力學性能的合理選取，當電機驅動絲線向下運動的抓持過程中，當所述近端指桿201未接觸到物體的時候，所述遠端指桿202直線平動運動去平行抓持物體，當近端指桿201接觸到物體之后，根據物體不同大小形狀自適應包絡抓持物體。當需要松開物體的時候，無需另外增加動力，依靠所述遠端轉動關節302和近端轉動關節301處分別安裝的第一扭簧116和第二扭簧117及所述背向絲106保證所述手指的伸展回復運動，使得所述手指回復到初始位置。

請參閱圖1、圖2以及至圖9-圖10，驅動第一電機108，第一電機108帶動固接其上的第一聯軸器109，所述第一聯軸器109帶動固接其一端的第一階梯軸110，所述第一階梯軸110帶動固接其一端的齒輪111，再通過所述齒輪111傳動帶動所述第二手指102及第三手指103繞著垂直于所述基座100的中心軸線旋轉運動，通過控制所述第一電機108轉動的角度，從而控制所述第二手指102及所述第三手指103繞著垂直于所述基座100的中心軸線旋轉的角度，從而使得靈巧手能夠產生多種抓持構態，產生三種常見的抓持構態，兩指正對構態，三指均布構態，三指相間平行構態。變形到兩指正對構態，所述第二手指102及所述第三手指103處于正對的狀態，適合靈巧手的捏、擰等操作，例如擰螺絲；變形到三指均布構態使得手指與物體接觸點分布均勻，提高了靈巧手抓持的質量；變形到三指相間平行構態，適合靈巧手抓取薄板物體或體積較小的物體。

請參閱圖9，基座100有類似于人手的手掌表面115，所述手掌表面在抓持過程中可作為接觸受力點，從而提高所述的機器人靈巧手抓持重物體的能力。

請參閱圖11，第二電機112輸出軸上固接第二聯軸器113，所述第二聯軸器113固定在第二階梯軸114上，所述第二階梯軸114另一端通過軸承和基座100轉動連接。這種結構避免了懸臂梁的發生，使得所述的機器人靈巧手抓持過程中剛度強，穩定，受力性能好。

請參閱圖11，所述第二聯軸器113分為上中下三個部分，所述第三手指103，第二手指102及第一手指101的驅動絲線分別纏繞在所述第二聯軸器113的上中下三個部分，分別轉動第二聯軸器113的上中下三個部分，使得上中下三部分轉動相同或是不同的角度，再使三個部分分別固緊在第二階梯軸114上，就可以對手指驅動絲線進行分別預緊和調整，無需其他預緊及位置調整裝置，操作簡單方便。

請參閱圖12，被動絲線105可以用桿件代替，第一桿件401依次連接滑塊402，彈簧403，另一第二桿件404，可以保證抓持過程中所述遠端指桿202始終不會相對所述近端指桿201向后運動，穩定可靠。

本發明的有益效果為：

1）本發明機器人靈巧手通過機械結構精巧設計，動力絲線、被動絲線、背向絲線在手指上的特殊繞線方式和絲線力學性能的合理選取，以及第一扭簧、第二扭簧、第一彈簧的剛度計算選取，實現了機器人靈巧手直線平行抓持與自適應抓持的功能；

2）多個手指繞著垂直于所述基座的中心軸線旋轉，能產生三種常見的抓持構態，兩指正對構態、三指均布構態、三指相間平行構態，擴大其抓持適應能力；

3）通過合理設計第二聯軸器，第二階梯軸，使得三根手指的驅動絲線能夠非常方便的分別預張緊和調整，從而方便機器人靈巧手初始位姿的調節和標定；

4）被動絲線連接在遠端指桿尾端的那一端有可以進行長度調節的結構，使得被動絲長度可以方便張緊和調整，從而使得遠端指桿相對于近端指桿的初始位置可以調節；

5）通過一個電機實現了三指靈巧手，每根手指的抓持閉合和伸展張開運動，欠驅動；

6）該新型機器人靈巧手，設計精巧，結構精簡，欠驅動，體積小，抓持能力強、范圍大，調節操作方便，制造成本低，穩定可靠，無需復雜的傳感和控制系統就可以穩定實現平行抓持以及實現自適應包絡抓持，同時手指可以繞在垂直于基座的中心軸線旋轉，以產生多種抓持構態。

以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但是本發明并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發明的保護范圍。