CN114102568A - 一种机械手指节、机械手、设备及其指节的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械手指节及其切换方法，涉及机械手技术领域领域，包括指尖，机械指节，四连杆机构，机械手掌：其中机械指节包括滑块套筒，推拉式电磁铁，转接板，指节支臂，绳索，弹簧，转盘，减速电机。指尖通过弹簧与指节支臂固定连接，并通过四条绳索与转盘相连。机械指节安装于四连杆机构顶部，三个装有机械指节的四杆机构安装于机械手掌上形成对抓机构。本发明针对不同任务需求，通过机械指节变形，可以实现刚性抓取状态和柔性抓取状态的灵活切换。

Description

一种机械手指节、机械手、设备及其指节的切换方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种机械手指节及其切换方法。

背景技术

随着机器人操作技术应用日益广阔，任务场景日趋复杂，机械手在机器人操作领域的性能需求不断提升。传统刚性机械手发展较为成熟，在具有一定的定位精度要求，和相应负载能力要求的任务中具有良好表现；但刚性机械手相对笨重，抓取过程需要进行复杂控制才能保证物体抓取的稳定性，且抓取不同刚度物体时易对被抓取物造成损伤。

近年来新兴的柔性机械手不断发展，主要结构形式包括采用柔性材料、气动驱动和液压驱动等。柔性机械手针对不同刚度的被抓取物可以进行安全抓取，并且拥有更多的自由度从而适应复杂的操作空间。但是柔性机械手存在定位精度低，负载时会产生较大变形和运动震荡等缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机械手指节及其切换方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种机械手指节，包括指尖和机械指节，所述机械指节包括指节支臂，所述指节支臂一侧开设有第一凹槽用以安装减速电机，所述指节支臂顶部开设有第二凹槽，第二凹槽内设有转动组件，所述转动组件与指节支臂转动连接，减速电机的输出轴穿插入第二凹槽内与转动组件固定连接；

所述指尖上呈直角梯形状，指尖两侧有凸出的支耳，指尖的底部开设有第一圆槽，所述指节支臂顶端中心处开设有第二圆槽，第一圆槽与第二圆槽同轴且内部设有弹簧，所述弹簧两端分别与指节支臂和指尖固定连接；

所述指节支臂和指尖间设有滑块套筒，所述滑块套筒套接在指节支臂的顶端与其滑动连接，所述指尖底端收纳在滑块套筒内与滑块套筒滑动连接，所述滑块套筒顶端靠近指尖的两侧开设有可容纳支耳的限位槽，所述指节支臂一侧设有伸缩机构，所述伸缩机构顶端与滑块套筒固定连接用以控制指尖的支耳与限位槽的卡合与分离。

可选地，所述伸缩机构包括推拉式电磁铁和推拉杆，推拉式电磁铁与指节支臂固定连接，所述推拉杆与推拉式电磁铁滑动连接，所述推拉杆的顶端与滑块套筒固定连接。

可选地，所述转动组件包括转盘，所述转盘圆周面圆周阵列分布设有有四个安装柱，所述指节支臂顶端开设有四个腰形孔，所述腰型孔沿第二圆槽圆心沿径向放射均匀分布，所述指尖底部设有四个连接孔，所述转盘的四个安装柱上分别设有绳索，绳索一端与转盘的安装柱固定连接，另一端分别穿过指节支臂顶端的四个腰形孔与指尖底端的连接孔固定连接。

可选地，所述绳索采用弹性较小的尼龙绳。

一种机械手，包括上述的机械手指节。

一种设备，包括上述的机械手，用以实现抓取动作。

一种用于上述的械手指节的切换方法，包括以下步骤：

当推拉式电磁铁处在断电状态时，推拉杆处于推出状态，使得滑块套筒固定于其正向最大行程位置，滑块套筒顶端的限位槽与指尖两侧凸出的支耳相互卡合，指尖在绳索和固定滑块套筒的共同作用下，在轴向方向位置相对固定；由于滑块套筒在最大行程位置推拉杆的上死点位置时对指尖四周进行包裹，使得指尖和指节支臂位置相对固定，在手指径向没有自由度，且绕轴向没有旋转，此时机械手整机处于刚性状态；

当推拉式电磁铁处在通电状态时，推拉杆处于回缩状态，使得滑块套筒固定于推拉杆的下死点位置，带动滑块套筒与指尖处于半分离状态：滑块套筒左右两侧的限位槽与指尖两侧凸出的支耳完全分离，此时指尖在弹簧和绳索的共同作用下，在手指轴向方向可形成柔性形变；在半分离状态下，滑块套筒左右两侧和外侧依然存在一段指节与指尖相接触，指尖绕轴向没有旋转；滑块套筒内侧设计有凹槽，在内侧方向与指尖完全分离，通过减速电机带动转盘进行转动，从而带动靠近机械指节内侧安装的两根绳索收缩，靠近机械指节外侧安装的两根绳索释放，在弹簧共同作用下，使指尖向内侧转动，形成偏移角，当机械手对物体进行抓取时，在手指内外侧方向可形成柔性形变；此时机械手整机处于柔性状态。

有益效果：

本发明设计了一种可以通过自身形态改变，在刚-柔两种状态间快速切换的机械手。通过推拉式电磁铁带动滑块套筒改变机械手指刚柔状态；在柔性状态时，通过减速电机和弹簧控制指尖的角度偏移。本发明使得单一机械手同时具有刚性机械手和柔性机械手的技术优点，可以针对不同需求的任务场景，对自身刚柔状态进行快速切换，提高工作效率，降低作业成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的刚性状态机构示意图

图2为本发明的柔性状态机构示意图

图3为机械指节去除滑块套筒的机构示意图

图4为本发明指尖结构示意图

图5为本发明滑块套筒结构示意图

图6为本发明指节支臂结构示意图

图7为本发明转盘结构示意图

图8为本发明绳索绕线方式示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为一种机械手的的刚性状态示意图，机械手主体可采用金属或者硬塑料通过机械加工而成，绳索可采用弹性较小的尼龙绳，机械手由指尖1，机械指节，四连杆机构7，机械手掌8组成。机械指节由滑块套筒2，推拉式电磁铁4，转接板5，指节支臂6，转盘12和减速电机13等组成。机械指节各部件安装方式如图3所示，指尖1通过弹簧11与指节支臂6连接，减速电机13安装于指节支臂6内部，且减速电机13的电机轴连接安装转盘12，推拉式电磁铁4通过转接板5安装于指节支臂6上，滑块套筒2安装于推拉杆3顶端，分别与指尖1和指节支臂6相连。指节支臂6的安装槽轴向空间略长于减速电机13轴向长度，这样设计便于减速电机13从侧面安装。待减速电机13安装后在空隙处卡入后用铝片卡入缝隙进行固定。如图4所示，指尖底部留有4个螺纹孔，这样设计方便旋入螺钉对绳索进行紧固，留有的圆形凹槽便于弹簧安装后用工程塑料对连接处烧结固化。指节支臂6顶端与指尖螺纹孔对应位置留有相应呈放射状的空隙，这样设计方便绳索安装及拉动，同时留有的圆形凹槽也便于弹簧安装后用工程塑料对连接处烧结固化。如图7所示，转盘12四周有4个突出的小圆柱，便于绳索10安装绕线固定，绳索10连接顶端指尖1。绳索10的绕线安装方式如图8所示，图中箭头为减速电机正向旋转方向，这样的绕向方式可以使得当电机正向或反向旋转时，指尖1在绳索10的带动和弹簧11的作用下绕关节向手指内侧或外侧转动，增加指尖柔性。滑块套筒2结构如图5所示，在左右两侧留有对称形状的凹槽，方便在变形过中与上部指尖的突出支耳101相互咬合，从而固定指尖1，将机械手指状态由柔性变为刚性；滑块套筒2外侧有突出的安装支耳101，便于与推拉杆3相连，在推拉式电磁铁4带动下上下滑动；滑块套筒2内侧留有凹槽，这样设计使得指尖1在柔性状态下在凹槽处与指尖1分离，而在另外三个方向与指尖1依旧保持接触，从而指尖1可以向内侧转动，在别的方向保持相对固定。

一种设备，包括机器人以及生产线，采用上述机械手进行物料的夹取，用以控制物料的转移，定位安装等操作。

关于电源与控制：单个机械手指由1个减速电机控制，减速电机与控制模块相连，机械手掌通过四杆机构带动3个机械手指开合。控制系统接入9V直流电，由3个3.7伏微型锂电池串联供电，或者由导线接入12V直流电。

关于变形过程：机械手在初始状态时，3个机械手指处于分开状态，当需要对物体进行夹取时，3个机械手指在机械手掌带动下同时向中间闭合。根据任务场景的不同需求，机械手指通过控制器对推拉式电磁铁和减速电机进行控制，改变刚柔状态。

当推拉式电磁铁处在断电状态时，推拉杆处于推出状态，使得滑块套筒固定于其正向最大行程位置，滑块套筒两侧的凹槽与指尖两侧凸出的支耳相互卡合，指尖在绳索和固定滑块套筒的共同作用下，在轴向方向位置相对固定；由于滑块套筒对指尖四周进行包裹，指尖在手指径向没有位移，且绕轴向没有旋转。此时机械手整机处于刚性状态，可以保证抓取精度。

当推拉式电磁铁处在通电状态时，推拉杆处于拉回状态，使得滑块套筒固定于其反向最大行程位置，带动滑块套筒与指尖处于半分离状态：滑块套筒两侧的凹槽与指尖两侧凸出的支耳完全分离，此时指尖在弹簧和绳索的共同作用下，在手指轴向方向可形成柔性形变；在半分离状态下，滑块套筒两侧和外侧依然存在一段与指尖接触，指尖绕轴向没有旋转；滑块套筒内侧设计有凹槽，在内侧方向与指尖完全分离，通过减速电机带动转盘进行转动，带动靠近机械指节内侧安装的两条绳索收缩，靠近机械指节外侧安装的两条绳索释放，和弹簧共同作用下，使指尖向内转动，形成偏移角，当机械手对物体进行抓取时，在手指内外侧方向可形成柔性形变。此时机械手整机处于柔性状态，可以保护被抓取物，避免刚性碰撞。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机械手指节，其特征在于：包括指尖(1)和机械指节，所述机械指节包括指节支臂(6)，所述指节支臂(6)一侧开设有第一凹槽(601)用以安装减速电机(13)，所述指节支臂(6)顶部开设有第二凹槽(602)，第二凹槽(602)内设有转动组件，所述转动组件与指节支臂(6)转动连接，减速电机(13)的输出轴穿插入第二凹槽(602)内与转动组件固定连接；

所述指尖(1)上呈直角梯形状，指尖(1)两侧有凸出的支耳(101)，指尖(1)的底部开设有第一圆槽(102)，所述指节支臂(6)顶端中心处开设有第二圆槽(603)，第一圆槽(102)与第二圆槽(603)同轴且内部设有弹簧(11)，所述弹簧(11)两端分别与指节支臂(6)和指尖(1)固定连接；

所述指节支臂(6)和指尖(1)间设有滑块套筒(2)，所述滑块套筒(2)套接在指节支臂(6)的顶端与其滑动连接，所述指尖(1)底端收纳在滑块套筒(2)内与滑块套筒(2)滑动连接，所述滑块套筒顶端靠近指尖(1)的两侧开设有可容纳支耳(101)的限位槽(21)，所述指节支臂(6)一侧设有伸缩机构，所述伸缩机构顶端与滑块套筒(2)固定连接用以控制指尖(1)的支耳(101)与限位槽(21)的卡合与分离。

2.根据权利要求1所述的一种机械手指节，其特征在于：所述伸缩机构包括推拉式电磁铁(4)和推拉杆(3)，推拉式电磁铁(4)与指节支臂(6)固定连接，所述推拉杆(3)与推拉式电磁铁(4)滑动连接，所述推拉杆(3)的顶端与滑块套筒(2)固定连接。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种机械手指节，其特征在于：所述转动组件包括转盘(12)，所述转盘(12)圆周面圆周阵列分布设有有四个安装柱(121)，所述指节支臂(6)顶端开设有四个腰形孔(604)，所述腰形孔(604)沿第二圆槽(603)圆心沿径向放射均匀分布，所述指尖(1)底部设有四个连接孔(103)，所述转盘(12)的四个安装柱(121)上分别设有绳索(10)，绳索(10)一端与转盘(12)的安装柱(121)固定连接，另一端分别穿过指节支臂(6)顶端的四个腰形孔(604)与指尖底端的连接孔(103)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种机械手指节，其特征在于：所述绳索(10)采用弹性较小的尼龙绳。

5.一种机械手，其特征在于：包括权利要求1或3任一所述的机械手指节。

6.一种设备，其特征在于：包括权利要求5所述的机械手，用以实现抓取。

7.一种用于权利要求3所述的械手指节的切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

当推拉式电磁铁(4)处在断电状态时，推拉杆(3)处于推出状态，使得滑块套筒(2)固定于其正向最大行程位置，滑块套筒(2)顶端的限位槽(21)与指尖(1)两侧凸出的支耳(101)相互卡合，指尖(1)在绳索(10)和固定滑块套筒(2)的共同作用下，在轴向方向位置相对固定；由于滑块套筒(2)在推拉杆(3)的上死点位置时对指尖(1)四周进行包裹，使得指尖(1)和指节支臂(6)位置相对固定，在手指径向没有自由度，且绕轴向没有旋转，此时机械手整机处于刚性状态；

当推拉式电磁铁(4)处在通电状态时，推拉杆(3)处于回缩状态，使得滑块套筒(2)固定于推拉杆(3)的下死点位置，带动滑块套筒(2)与指尖(1)处于半分离状态：滑块套筒(2)左右两侧的限位槽(21)与指尖(1)两侧凸出的支耳(101)完全分离，此时指尖(1)在弹簧(11)和绳索(10)的共同作用下，在手指轴向方向可形成柔性形变；在半分离状态下，滑块套筒(2)左右两侧和外侧依然存在一段指节与指尖(1)相接触，指尖(1)绕轴向没有旋转；滑块套筒(2)内侧设计有凹槽，在内侧方向与指尖(1)完全分离，通过减速电机(13)带动转盘(12)进行转动，从而带动靠近机械指节内侧安装的两根绳索收缩，靠近机械指节外侧安装的两根绳索释放，在弹簧共同作用下，使指尖(1)向内侧转动，形成偏移角，当机械手对物体进行抓取时，在手指内外侧方向可形成柔性形变；此时机械手整机处于柔性状态。

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