一种变刚度仿人机器人手爪制造技术

一种变刚度仿人机器人手爪，它包括手指和连接手指的手掌；所述手指包含有N指，N指中至少具有拇指；除拇指外的N‑1指结构相同；除拇指外的每个指由变刚度直线驱动装置驱动作屈曲运动，变刚度直线驱动装置安装在手掌上，用于调节每个指刚度以适应抓握目标；拇指由安装在手掌上的对掌驱动器驱动而旋转，拇指由拇指驱动器驱动作屈曲和偏摆运动，拇指和其余手指的相对运动实现抓握姿态变化。本发明专利技术通过变刚度直线驱动装置实现手指关节刚性改变，配合拇指的相对运动，提高了机器人手爪抓取目标的适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度仿人机器人手爪
本专利技术属于机器人领域，涉及一种变刚度仿人机器人手爪，可以调节指节刚度以适应更多的抓取作业，可以仿照人手的抓取动作完成作业。
技术介绍
随着科学技术的发展、新兴学科的涌现，工业生产、医疗器械、太空探索等众多领域都对机器人领域提出了更高要求，一种功能更强、适应性更好的机器人手爪对其有着不可替代的作用。CN201910084183.2，一种基于变胞原理的可变刚度的欠驱动生机械手，采用变刚度手掌机架和手掌机架缓冲层变刚度，拇指不能周向转动和侧摆，CN201711448741.6，一种结构解耦驱动的变刚度软体手，通过控制SMA合金的杨氏模量改变手指和控制SMA合金的形变，实现驱动解耦的特性，具有变刚度功能的机器人手爪，可以在高刚度状态下实现物品的精确抓取，也可以在低刚度的状态下抓取鸡蛋、水果等易损坏的物品；而关节布置仿人的机器人手爪，可以实现横向捏取、圆盘抓取、圆柱抓取、三指捏取等绝大多数人手常用的抓取姿态，有利于抓取能力的提升。传统的机械手爪通常采用刚度恒定的方式，且关节布置与人手差异较大，可用场景和抓取姿态受限。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术不足，提供一种变刚度仿人机器人手爪。该机器人手爪可以实现手指关节刚性改变，提高机器人手爪抓取目标的适应性。本专利技术的技术方案是：一种变刚度仿人机器人手爪，包括手指和连接手指的手掌；所述手指包含有N指，N指中至少具有拇指；其中N取3、4或5；除拇指外的N-1指结构相同；除拇指外的每个指由变刚度直线驱动装置驱动作屈曲运动，变刚度直线驱动装置安装在手掌上，用于调节每个指刚度以适应抓握目标；拇指由安装在手掌上的对掌驱动器驱动而旋转，拇指由拇指驱动器驱动作屈曲和偏摆运动，拇指和N-1指的相对运动实现手指抓握姿态变化。本专利技术相比现有技术的有益效果是：1、本专利技术所研制的机器人手爪与人手关节布置相似，可以仿照人手进行更复杂的抓取规划与抓握作业，大幅提高机器人手爪抓取能力。2、本专利技术可实现指关节的刚度调节，刚性状态下抓握精确，柔性状态下可以抓取易碎脆弱的物品，大幅提高机器人手爪的适应性。3、本专利技术手指部分采用多自由度多连杆机构，其变刚度驱动装置均位于手掌部位，变刚度驱动装置布置更合理，实现刚度调节功能，相比指节内置驱动器手爪，使指节小型化，手指体积更小，有更大的传感器布置空间。下面结合附图和实施方式对本专利技术的技术方案作进一步地说明：附图说明图1是机器人手爪整体结构图；图2是去掉外壳后的机器人手爪整体结构图；图3是拇指和其他指的布置结构图；图4是食指和变刚度驱动装置的连接结构图；图5是拇指和拇指驱动器的连接结构图；图6是变刚度驱动装置的结构示意图；图7是变刚度驱动装置的主视图；图8是图7的仰视图；图9是沿图8中K-K线的剖视图；图10是机架和弹簧布置关系图；图11是触舌的结构示意图；图12是驱动螺母的结构示意图；图13是正常驱动模式下的工作状态图；图14是变刚度模式触发前的状态图；图15是触发变刚度模式的状态图；图16是变刚度过程的示意图；图17是变刚度示意图；图18是刚度变化曲线图；图19是横向捏取姿态示意图；图20是圆柱抓握姿态示意图；图21是圆盘抓握姿态示意图；图22是三指捏取姿态示意图；图23是任意一个指运动原理图；图24是任意一个指微调时的运动原理图；图25是拇指原理图。具体实施方式参见图1-图2所示，一种变刚度仿人机器人手爪包括手指100和连接手指100的手掌200；所述手指100包含有N指，N指中至少具有拇指101；其中N取3、4或5；除拇指101外的N-1指结构相同；除拇指101外的每个指由变刚度直线驱动装置E驱动作屈曲运动，变刚度直线驱动装置E安装在手掌200上，用于调节每个指刚度以适应抓握目标；拇指101由安装在手掌200上的对掌驱动器F驱动而旋转，拇指101由拇指驱动器D驱动作屈曲和偏摆运动，拇指101和N-1指的相对运动实现抓握姿态变化。该变刚度仿人机器人手爪总体外形如图1所示。依据人手的抓握姿态分类，仿照人手的关节布置、尺寸进行设计，手指数量可以在此基础上依据作业需求增减。拇指与手掌间形成对掌关节，有助于拓展抓握姿态。手掌基部可设置法兰盘400，可以与通用机械臂相连。除去机器人手爪外壳等覆盖件后，其结构如图2所示。作为手指的食指、中指、小指模块化设计，结构基本相同，其之间通过螺钉连接，手指数量可以在此基础上依据作业需求增减，手指可由拇指、食指和中指或者拇指、食指、中指和小指或者拇指、食指、中指、无名指和小指构成。食指、拇指101及对掌驱动器F结构如图3所示。对掌驱动器F通过螺钉安装在手掌200上，对掌驱动器C驱动转动可带动整个拇指101摆动。如图19-图22所示，改变对掌关节角度可以改变拇指101运动平面与其他手指运动平面的交叉角度，从而实现常用的人手抓握姿态，采用变刚度直线驱动装置E，使手指实现变刚度功能；分析人手的关节配置及抓握分类，设计出单指自由度2和3个、具备对掌自由度的机器人手爪结构，使机器人手爪可以完成绝大多数人手的抓握姿态。如图19-图22所示的横向捏取、圆柱抓取、圆盘抓取和三指捏取。基于上述具体实施方式，下面更进一步地限定、扩展或延伸说明：如图3和图4所示，N-1指中的每个指包含近节指骨102、中节指骨103和远节指骨104；近节指骨102和中节指骨103转动连接，中节指骨103和远节指骨104转动连接；近节指骨102与指骨主传动架301转动连接，变刚度直线驱动装置E可驱动指骨主传动架301转动，近节指骨102与变刚度直线驱动装置E转动连接，变刚度直线驱动装置E可带动指骨副传动架302转动，指骨副传动架302与中节指骨103转动连接，中远节传动架303分别与近节指骨102和远节指骨104转动连接。如图6-图8所示，进一步限定的每个所述变刚度直线驱动装置E包含第一直线驱动器1、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和支架2；支架2安装在手掌200上，第一直线驱动器1布置在支架2的一侧，第一直线驱动器1驱动滑块4在支架2上移动；支架2上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌31和弹簧32；弹簧32的两端抵靠在触舌31和支架2上，触舌31可由滑块4驱动移动；第二直线驱动器包括由第二电机51驱动的第二丝杆52，第二电机51固定在支架2的另一侧，变刚度模块包括模块座61、轴向止推转动件62、两个驱动螺母63和两个非线性弹簧64，第二丝杆52上套有可滑动的模块座61、轴向止推转动件62和两个非线性弹簧64，轴向止推转动件62、两个驱动螺母63和呈拮抗布置的两个非线性弹簧64布置于模块座61内，两个驱动螺母63旋向相同并旋拧于第二丝杆52上，轴向止推转动件62本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度仿人机器人手爪，包括手指(100)和连接手指(100)的手掌(200)；/n其特征在于：所述手指(100)包含有N指，N指中至少具有拇指(101)；其中N取3、4或5；/n除拇指(101)外的N-1指结构相同；/n除拇指(101)外的每个指由变刚度直线驱动装置(E)驱动作屈曲运动，变刚度直线驱动装置(E)安装在手掌(200)上，用于调节每个指刚度以适应抓握目标；/n拇指(101)由安装在手掌(200)上的对掌驱动器(F)驱动而旋转，拇指(101)由拇指驱动器(D)驱动作屈曲和偏摆运动，拇指(101)和N-1指的相对运动实现抓握姿态变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种变刚度仿人机器人手爪，包括手指(100)和连接手指(100)的手掌(200)；
其特征在于：所述手指(100)包含有N指，N指中至少具有拇指(101)；其中N取3、4或5；
除拇指(101)外的N-1指结构相同；
除拇指(101)外的每个指由变刚度直线驱动装置(E)驱动作屈曲运动，变刚度直线驱动装置(E)安装在手掌(200)上，用于调节每个指刚度以适应抓握目标；
拇指(101)由安装在手掌(200)上的对掌驱动器(F)驱动而旋转，拇指(101)由拇指驱动器(D)驱动作屈曲和偏摆运动，拇指(101)和N-1指的相对运动实现抓握姿态变化。


2.根据权利要求1所述一种变刚度仿人机器人手爪，其特征在于：N-1指中的每个指包含近节指骨(102)、中节指骨(103)和远节指骨(104)；
近节指骨(102)和中节指骨(103)转动连接，中节指骨(103)和远节指骨(104)转动连接；
近节指骨(102)与指骨主传动架(301)转动连接，变刚度直线驱动装置(E)可驱动指骨主传动架(301)转动，近节指骨(102)与变刚度直线驱动装置(E)转动连接，变刚度直线驱动装置(E)可带动指骨副传动架(302)转动，指骨副传动架(302)与中节指骨(103)转动连接，中远节传动架(303)分别与近节指骨(102)和远节指骨(104)转动连接。


3.根据权利要求2所述一种变刚度仿人机器人手爪，其特征在于：每个所述变刚度直线驱动装置(E)包含第一直线驱动器(1)、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和支架(2)；
支架(2)安装在手掌(200)上，第一直线驱动器(1)布置在支架(2)的一侧，第一直线驱动器(1)驱动滑块(4)在支架(2)上移动；
支架(2)上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌(31)和弹簧(32)；弹簧(32)的两端抵靠在触舌(31)和支架(2)上，触舌(31)可由滑块(4)驱动移动；
第二直线驱动器包括由第二电机(51)驱动的第二丝杆(52)，第二电机(51)固定在支架(2)的另一侧，变刚度模块包括模块座(61)、轴向止推转动件(62)、两个驱动螺母(63)和两个非线性弹簧(64)，第二丝杆(52)上套有可滑动的模块座(61)、轴向止推转动件(62)和两个非线性弹簧(64)，轴向止推转动件(62)、两个驱动螺母(63)和呈拮抗布置的两个非线性弹簧(64)布置于模块座(61)内，两个驱动螺母(63)旋向相同并旋拧于第二丝杆(52)上，轴向止推转动件(62)一侧贴靠在模块座(61)上，轴向止推转动件(62)邻近第二电机(51)设置，其中一个非线性弹簧(64)两端抵靠在轴向止推转动件(62)与其中一个驱动螺母(63)之间，另一个非线性弹簧(64)两端抵靠在另一个驱动螺母(63)与模块座(61)之间，近节指骨(102)与支架(2)转动连接，模块座(61)与指骨副传动架(302)转动连接；
正常驱动模式下，所述两个驱动螺母(63)与触舌(31)相干涉而被触舌(31)限制转动，变刚度模式下，其中一个驱动螺母(63)与第二丝杆(52)同步转动，而另一个驱动螺母(63)与触舌(31)相干涉，滑块(4)与驱动螺母(63)的移动方向平行。


4.根据权利要求3所述一种变刚度仿人机器人手爪，其特征在于：所述第一直线驱动器(1)包括第一电机(11)、第一丝杆(12)和第一螺母(13)；第一电机(11)安装在支架(...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧希喆，张璞，刘玉斌，刘刚峰，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23