欠驱动连杆绳索机械抓手

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欠驱动连杆绳索机械抓手
申请号	CN202022963013.2	申请日	2020-12-10	公开(公告)号	CN214081506U	公开(公告)日	2021-08-31
申请人	四川大学华西医院;			发明人	李祥云; 高雷; 许春燕; 李康; 孙勇;
摘要	本实用新型公开了欠驱动连杆绳索机械抓手，包括连接法兰、下底座、上端盖、二关节手指机构、丝杆螺母、主轴、连接盘、主连杆、上底座和丝杆电机，二关节手指机构包括第一指节和第二指节，第一指节包括第一右连杆、第一左连杆、第二轴和第一轴，第二指节包括第二左连杆、第二右连杆、第四轴、左旋扭簧、右旋扭簧、第三轴和绳索，通过丝杆电机带动丝杆转动，使得丝杆螺母和连接盘一起上下移动，连接盘通过主连杆带动第一指节，同时连接盘拉动绳索，从而使得第一指节相对于上底座转动，第二指节相对于第二指节转动；该结构具有体积小、质量轻、适应能力强、易于加工及维护的特点，能够应用于工业生产、太空、海洋探索、医疗护理等多个领域。
权利要求	1.欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，包括上底座、下底座、二关节手指机构、丝杆螺母、主轴、连接盘、主连杆和丝杆电机，所述二关节手指机构包括相互连接的第一指节和第二指节，所述上底座固定在下底座的顶部，所述第一指节铰接至上底座，所述丝杆电机固定在下底座，所述丝杆电机的丝杆穿过下底座延伸至下底座的上方，所述丝杆螺母和丝杆匹配连接，所述连接盘固定在丝杆螺母底部，所述主连杆的一端通过主轴连接至连接盘，所述主连杆的另一端连接至第一指节，所述第二指节设置有绳索，所述绳索的两端分别连接第二指节和连接盘；通过丝杆电机带动丝杆转动，使得丝杆螺母和连接盘一起上下移动，所述连接盘通过主连杆带动第一指节，同时连接盘拉动绳索，从而使得第一指节相对于上底座转动，所述第二指节相对于第二指节转动，以实现对物体的抓取和抓放。 2.根据权利要求1所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述连接盘的外侧设置有至少三个弯曲杆，所述主连杆的一端设置呈U状，所述连接盘的弯曲杆卡在主连杆的U状结构内侧并通过主轴铰接，所述连接盘的弯曲杆的端部与绳索连接。 3.根据权利要求2所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述上底座设置有至少三个，使得所述第一指节和第二指节呈辐射状分布在上底座的上方。 4.根据权利要求1所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述第一指节包括第一右连杆、第一左连杆、第一轴和第二轴，所述第一左连杆和第一右连杆为对称结构且连接后对称结构的两端分别呈U型，所述第一轴的两端分别连接至第一左连杆和第一右连杆一端的U型内，所述第一轴的中部与主连杆铰接，所述第二轴贯穿第一左连杆和第一右连杆的U型内，所述第一轴和第二轴之间具有间隔。 5.根据权利要求4所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述第二指节包括第二左连杆、第二右连杆、第三轴和第四轴，所述第二左连杆和第二右连杆为对称结构且连接后对称结构的一端呈U型，该U型端卡入第一左连杆和第一右连杆的U型结构内，所述第三轴分别依次穿过第一左连杆、第二左连杆、第二右连杆和第一右连杆，进而将第一指节和第二指节连接。 6.根据权利要求5所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述第二指节还包括左旋扭簧和右旋扭簧，所述左旋扭簧和右旋扭簧分别设置在第三轴上，所述左旋扭簧位于第一右连杆和第二右连杆之间，所述右旋扭簧位于第一左连杆和第二左连杆之间，以起到复位第二指节的作用。 7.根据权利要求6所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述绳索的一端固定在第三轴上，所述绳索的另一端缠绕第二轴一周后再连接连接盘。 8.根据权利要求1所述的欠驱动连杆绳索机械抓手，其特征在于，所述欠驱动连杆绳索机械抓手还包括连接法兰和上端盖，所述上端盖连接在下底座的顶部并将上底座封闭在内，所述上端盖设置有至少三个卡口，所述上底座位于卡口内。
说明书全文	欠驱动连杆绳索机械抓手技术领域 [0001] 本实用新型涉及机械手技术领域，具体而言，涉及欠驱动连杆绳索机械抓手。背景技术 [0002] 随着社会的发展与科技的进步，当今世界机器人技术不断的创新与发展，并应用于各个领域。机器人技术在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民生活等许多领域得到了巨大的发展和越来越广泛的应用。机器人作业环境复杂度及作业精密度要求也越来越高，传统的机器人末端执行器也越来越不能满足各种复杂环境的作业条件及要求。在这种趋势下，机器人末端执行器开始了向拟人化的方向发展，多关节多手指的灵巧机械抓手成为机器人末端执行器的发展趋势。但是，在多指机械手的研究和应用中，一般都采用串联若干关节的办法来构造机械手的手指，并为每个自由度都设置一个电机驱动和传感器，同时为了精确控制机械抓手的关节，必然需要复杂的电气系统和复杂的算法支撑，导致其控制难度大、灵活性低且研发及制造成本高。因此，如何解决机械手自由度数、驱动方式、重量、灵活性、抓取能力、可靠性之间的矛盾问题，成为了新型机械手研制与开发中的关键问题。因此，研究一款基于欠驱动原理设计的结构简单、制造容易的机械手是很有必要的。实用新型内容 [0003] 本实用新型针对上述现有技术中的不足，提供一种基于欠驱动原理的机械抓手，其具有体积小、质量轻、适应能力强、易于加工及维护的特点，能够应用于工业生产、太空、海洋探索、医疗护理等多个领域。 [0004] 本实用新型的实施例是这样实现的： [0005] 欠驱动连杆绳索机械抓手，其包括上底座、下底座、二关节手指机构、丝杆螺母、主轴、连接盘、主连杆和丝杆电机，二关节手指机构包括相互连接的第一指节和第二指节，上底座固定在下底座的顶部，第一指节铰接至上底座，丝杆电机固定在下底座，丝杆电机的丝杆穿过下底座延伸至下底座的上方，丝杆螺母和丝杆匹配连接，连接盘固定在丝杆螺母底部，主连杆的一端通过主轴连接至连接盘，主连杆的另一端连接至第一指节，第二指节设置有绳索，绳索的两端分别连接第二指节和连接盘；通过丝杆电机带动丝杆转动，使得丝杆螺母和连接盘一起上下移动，连接盘通过主连杆带动第一指节，同时连接盘拉动绳索，从而使得第一指节相对于上底座转动，第二指节相对于第二指节转动，以实现对物体的抓取和抓放。 [0006] 在本实用新型较佳的实施例中，上述连接盘的外侧设置有至少三个弯曲杆，主连杆的一端设置呈U状，连接盘的弯曲杆卡在主连杆的U状结构内侧并通过主轴铰接，连接盘的弯曲杆的端部与绳索连接。 [0007] 在本实用新型较佳的实施例中，上述上底座设置有至少三个，使得第一指节和第二指节呈辐射状分布在上底座的上方。 [0008] 在本实用新型较佳的实施例中，上述第一指节包括第一右连杆、第一左连杆、第一轴和第二轴，第一左连杆和第一右连杆为对称结构且连接后对称结构的两端分别呈U型，第一轴的两端分别连接至第一左连杆和第一右连杆一端的U型内，第一轴的中部与主连杆铰接，第二轴贯穿第一左连杆和第一右连杆的U型内，第一轴和第二轴之间具有间隔。 [0009] 在本实用新型较佳的实施例中，上述第二指节包括第二左连杆、第二右连杆、第三轴和第四轴，第二左连杆和第二右连杆为对称结构且连接后对称结构的一端呈U型，该U型端卡入第一左连杆和第一右连杆的U型结构内，第三轴分别依次穿过第一左连杆、第二左连杆、第二右连杆和第一右连杆，进而将第一指节和第二指节连接。 [0010] 在本实用新型较佳的实施例中，上述第二指节还包括左旋扭簧和右旋扭簧，左旋扭簧和右旋扭簧分别设置在第三轴上，左旋扭簧位于第一右连杆和第二右连杆之间，右旋扭簧位于第一左连杆和第二左连杆之间，以起到复位第二指节的作用。 [0011] 在本实用新型较佳的实施例中，上述绳索的一端固定在第三轴上，绳索的另一端缠绕第二轴一周后再连接连接盘。 [0012] 在本实用新型较佳的实施例中，上述欠驱动连杆绳索机械抓手还包括连接法兰和上端盖，上端盖连接在下底座的顶部并将上底座封闭在内，上端盖设置有至少三个卡口，上底座位于卡口内。 [0013] 本实用新型的有益效果是： [0014] 本实用新型通过丝杆电机带动丝杆转动，使得丝杆螺母和连接盘一起上下移动，从而通过连接盘带动主连杆和绳索，连接盘通过主连杆带动第一指节，同时连接盘拉动绳索，绳索带动第三轴转动，主连杆推动或拉动第一指节相对于上底座转动，同时第二指节相对于第二指节转动，进而第二指节和第一指节相互靠近进行抓取，相互展开进行抓放；该结构整体结构简化、体积较小，适用于更小负载的机械臂，通过连杆传动减小了控制难度，减小了制造成本及设计难度，通过自锁性与恢复形变，减少了抓取过程的能量损耗，基于杠杆原理，可轻柔的将物体抓取且不破化物体，实现了对物体的抓取和抓放。 [0015] 1、以绳索传动作为欠驱动机构，整个结构设计紧凑，合理使用一丝杆带动三根连杆及三绳索的方式，并作为三手指的动力输入端；连杆及绳索混合作为驱动结构使得抓手整体结构简化，体积减少，质量变轻，可适用于更小负载得机械臂。 [0016] 2、通过一个电机即可做到控制多个手指协同作用，与多电机控制的机械抓手相比，减小了控制难度，减小了制造成本及设计难度。 [0017] 3、由于机械手的指节设置有一定的转动范围，为了能够更好地抓取物体，给机械手抓取的物体形状尺寸的限制，更好地适应机械手的结构，合理利用机械手。 [0018] 4、通过丝杆电机作为动力输出，丝杆与丝杆螺母具有自锁性，即抓手在抓取物体后，电机可以停止输出动力，通过丝杆与螺母的自锁性使得整个机构保持抓取姿态，到达指定位置后再通过电机输出动力松开物体，以减少能量损耗。 [0019] 5、该机械抓手的电机控制方法是基于阻抗控制的方法，即对机械抓手的手指进行位置控制，还对手指的抓取力进行控制，这样在抓取物体时，可以轻柔的将物体抓取且不破化物体。 [0020] 6、在抓取光滑的物体时，可在本发明的手指上覆盖一层乳胶薄膜，以增加抓取时的摩擦力。附图说明 [0021] 为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。 [0022] 图1是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的整体结构示意图； [0023] 图2是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的内部结构立体示意图； [0024] 图3是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的内部结构俯视示意图； [0025] 图4是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的二关节手指结构示意图； [0026] 图5是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的二关节手指结构展开简图； [0027] 图6是本实用新型欠驱动连杆机械抓手的二关节手指结构弯曲简图； [0028] 图标：1、连接法兰；2、下底座；3、上端盖；4、二关节手指机构；5、丝杆螺母；6、主轴；7、连接盘；8、主连杆；9、上底座；10、丝杆电机；4‑1、第一指节；4‑10、第一右连杆；4‑11、第一左连杆；4‑12、第二轴；4‑13、第一轴；4‑2、第二指节；4‑20、第二左连杆；4‑21、第二右连杆； 4‑22、第四轴；4‑23、左旋扭簧；4‑24、右旋扭簧；4‑25、第三轴；4‑26、绳索。具体实施方式 [0029] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。 [0030] 因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 [0031] 第一实施例 [0032] 请参照图1，本实施例提供欠驱动连杆绳索机械抓手，其包括连接法兰1、下底座2、上端盖3、二关节手指机构4、丝杆螺母5、主轴6、连接盘7、主连杆8、上底座9和丝杆电机10，二关节手指机构4包括第一指节4‑1和第二指节4‑2，第一指节4‑1和第二指节4‑2互相连接为抓取的主要结构，第一指节4‑1包括第一右连杆4‑10、第一左连杆4‑11、第二轴4‑12和第一轴4‑13，第二指节4‑2包括第二左连杆4‑20、第二右连杆4‑21、第四轴4‑22、左旋扭簧4‑ 23、右旋扭簧4‑24、第三轴4‑25和绳索4‑26，丝杆电机10位于下底座2内，下底座2固定在连接法兰1，上底座9固定在下底座2，上端盖3连接在下底座2，二节手指机构连接在上底座9，二节手指机构与主连杆8连接，主连杆8通过主轴6连接在连接盘7，连接盘7固定在丝杆螺母 5底部，丝杆螺母5与丝杆电机10的丝杆匹配连接，通过丝杆电机10带动丝杆转动，使得丝杆螺母5和连接盘7一起上下移动，连接盘7通过主连杆8带动第一指节4‑1，同时连接盘7拉动绳索4‑26，从而使得第一指节4‑1相对于上底座9转动，第二指节4‑2相对于第二指节4‑2转动，以实现对物体的抓取和抓放。 [0033] 请参照图2和图3，上底座9通过螺钉固定在下底座2的顶部，上底座9设置有三个，上底座9具有用于安装二关节手指机构4的凹口，上端盖3通过螺钉连接在下底座2的顶部并将上底座9封闭在内，上端盖3设置有三个卡口，上底座9位于卡口内，二关节手指机构4从卡口伸出，二关节手指机构4连接在上底座9内，使得第一指节4‑1和第二指节4‑2呈辐射状分布在上底座9的上方，丝杆电机10通过螺钉固定在下底座2内，丝杆电机10的丝杆穿过下底座2中部设置的通孔而延伸至下底座2的上方，丝杆螺母5和丝杆螺纹匹配连接，连接盘7固定在丝杆螺母5底部，连接盘7的顶部设置有与丝杆螺母5的底端螺纹匹配连接，连接盘7的外侧设置有三个弯曲杆，该弯曲杆呈向下弯曲状，弯曲杆的一端设置有连接孔，其另一端设置有绳孔，主连杆8的一端设置呈U状且设置有位置相对的通孔，连接盘7的弯曲杆卡在主连杆8的U状结构内侧，通过主轴6穿过连接孔和通孔而将主连杆8铰接至弯曲杆，绳孔位于弯曲杆的端部，绳索4‑26固定连接至该绳孔，主连杆8的一端与连接盘7连接，其另一端连接至第一指节4‑1。 [0034] 请参照图4，第一指节4‑1包括第一右连杆4‑10、第一左连杆4‑11、第一轴4‑13和第二轴4‑12，第二指节4‑2包括第二左连杆4‑20、第二右连杆4‑21、第三轴4‑25、第四轴4‑22、左旋扭簧4‑23、右旋扭簧4‑24和绳索4‑26；主连杆8的一端设置有铰接孔，第一轴4‑13穿过该铰接孔而与主连杆8铰接，第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10为对称结构且连接后对称结构的两端分别呈U型，在该对称结构一端的U型结构处设置有第一轴4‑13和第二轴4‑12，第一轴4‑13的两端分别连接至第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10一端的U型内侧，由于第一轴4‑13的中部与主连杆8铰接，使得第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10一起相对于主连杆8可转动，第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10的该处设置有位置相对的通孔，第二轴4‑12 贯穿第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10的通孔并位于U型结构内，第一轴4‑13和第二轴4‑ 12之间具有间隔，在上底座9的卡口位置相对处设置有铰接孔，第二轴4‑12的两端分别连接至该两个铰接孔，使得第一指节4‑1与上底座9铰接；第二指节4‑2通过第三轴4‑25与第一指节4‑1一端连接，第二左连杆4‑20和第二右连杆4‑21为对称结构且连接后对称结构的一端呈U型，该U型端卡入第一左连杆4‑11和第一右连杆4‑10的U型结构内，且在该处的第一左连杆4‑11、第二左连杆4‑20、第一右连杆4‑10和第二右连杆4‑21分别设置有通孔，第三轴4‑25 分别依次穿过通孔而将第一左连杆4‑11、第二左连杆4‑20、第二右连杆4‑21和第一右连杆 4‑10连接，进而将第一指节4‑1和第二指节4‑2连接，连接后，第二指节4‑2相对于第一指节 4‑1可转动，左旋扭簧4‑23和右旋扭簧4‑24分别设置在第三轴4‑25上，左旋扭簧4‑23和右旋扭簧4‑24分别具有两个支撑端，两个支撑端分别连接至第一左连杆4‑11和第二左连杆4‑ 20、第一右连杆4‑10和第二右连杆4‑21，使得第二指节4‑2相对于第一指节4‑1转动时，左旋扭簧4‑23和右旋扭簧4‑24产生形变，左旋扭簧4‑23位于第一右连杆4‑10和第二右连杆4‑21 之间，右旋扭簧4‑24位于第一左连杆4‑11和第二左连杆4‑20之间，以起到复位第二指节4‑2 的作用，第三轴4‑25设置有绳孔，绳索4‑26的一端固定连接在第三轴4‑25的绳孔，绳索4‑26 的另一端缠绕第二轴4‑12一周后再连接连接盘7的弯曲杆端部的绳孔。 [0035] 请参照图5和图6，本实用新型的工作过程为： [0036] 抓取过程：丝杆电机10工作，丝杆转动，与丝杆配合的丝杆螺母5向下移动，连接盘7与丝杆螺母5固连，从而连接盘7也向下移动，从而带动主连杆8运动，主连杆8推动第一轴 4‑13运动，第一轴4‑13则带动第一指节4‑1‑绕第二轴4‑12向内转动；同时，连接盘7向下移动，拉动绳索4‑26，从而带动第三轴4‑25转动，第三轴4‑25分别与第二左连杆4‑20与第二右连杆4‑21固连，进而带动第二指节4‑2转动，第一指节4‑1和第二指节4‑2整体向内靠近，以实现抓取。 [0037] 张开过程：丝杆电机10工作，丝杆转动，与丝杆配合的丝杆螺母5向上移动，连接盘7与丝杆螺母5固连，从而连接盘7也向上移动，从而带动主连杆8运动，主连杆8拉动第一轴 4‑13运动，第一轴4‑13则带动第一指节4‑1绕第二轴4‑12逆时针转动；同时，连接盘7向上移动，松开绳索4‑26，此时左旋扭簧4‑23和右旋扭簧4‑24同时进行复位动作，此时第二指节4‑ 2欠驱动，进而带动第二指节4‑2转动，第一指节4‑1和第二指节4‑2整体向外展开，回复到原来的状态。 [0038] 综上所述，本实用新型实例通过丝杆电机带动丝杆转动，使得丝杆螺母和连接盘一起上下移动，从而通过连接盘带动主连杆和绳索，连接盘通过主连杆带动第一指节，同时连接盘拉动绳索，绳索带动第三轴转动，主连杆推动或拉动第一指节相对于上底座转动，同时第二指节相对于第二指节转动，进而第二指节和第一指节相互靠近进行抓取，相互展开进行抓放；该结构整体结构简化、体积较小，适用于更小负载的机械臂，通过连杆传动减小了控制难度，减小了制造成本及设计难度，通过自锁性与恢复形变，减少了抓取过程的能量损耗，基于杠杆原理，可轻柔的将物体抓取且不破化物体，实现了对物体的抓取和抓放。 [0039] 本说明书描述了本实用新型的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本实用新型的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。