CN209190807U - 模块化可重构的三段式机器末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化可重构的三段式机器末端执行器，包括三段式手指和驱动机构，其中，三段式手指由驱动臂，第一传动臂，第二传动臂，第三传动臂，第一指节，第二指节和第三指节构成，驱动臂的一端与驱动机构连接，通过基座，支持将两个或多个手指安装在一起。本实用新型的三段式手指无夹持状态下，可形成一个平行四边形，进而在驱动机构的控制下，实现平行抓取和包络抓取。本实用新型提供的三段式手指进一步提高了对物体的包络功能和抓握能力，且本实用新型的手指为模块化结构，基座可更换变型，便于自适应组装，满足不同需求。

Description

模块化可重构的三段式机器末端执行器

技术领域

本实用新型涉及一种模块化可重构的三段式机器末端执行器，属于智能机器人末端执行器技术领域。

背景技术

目前现有的末端执行器自适应结构可通过执行器手指本身材料的弹性变形夹持物体，但其抓取力略小；而刚性的末端执行器一般都是简单的两只刚性手指实现平行开和，功能单一，具有自适应功能的末端执行器非常少。自适应执行器结构中，两段指自适应结构比较容易实现。但通常情况下指段越多，手指对物体的包络功能越好、抓握能力越强、越容易进行规则及不规则物体的抓握。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模块化可重构的三段式机器末端执行器，提高了对物体的包络功能和抓握能力，且模块化的手指结构便于自适应组装。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

模块化可重构的三段式机器末端执行器，包括三段式手指和驱动机构；所述三段式手指由驱动臂，第一传动臂，第二传动臂，第三传动臂，第一指节，第二指节和第三指节构成；

所述驱动臂的一端与驱动机构连接；所述驱动臂的另一端与第一传动臂连接；所述第一传动臂的另一端与第二传动臂的下端连接；

所述第二传动臂的上端与第三传动臂的上端连接，所述第二传动臂的中下端与第一指节的上端连接；所述第三传动臂的下端与第三指节的中端连接；

所述第一指节的下端与驱动机构连接；所述第一指节的中上端与第二指节的下端连接；

所述第二指节的上端与第三指节的下端连接；

所述第二指节与第三指节连接处安装第二扭簧，所述第二指节与第三指节相连接的端部设有限位机构；

无夹持状态下，所述第二传动臂的中下端，第三传动臂的两端，第二指节的下端，四端中心位置依次连成线形成一个平行四边形。

前述的驱动机构为电机，所述驱动臂与电机连接，构成模块化三段式手指结构；通过基座，将两个、三个或者以上的模块化三段式手指结构安装在一起。

前述的基座上对称安装两个模块化三段式手指结构；所述基座由基座底板、内固定基座和盖板构成；所述内固定基座位于基座底板的中间位置，通过在内固定基座底部设定位凹槽以及在基座底板的中间位置设定位凸槽，使两者扣合；所述内固定基座的左右两侧对称安装模块化三段式手指结构的电机，所述电机置于电机壳内；所述盖板置于内固定基座的顶部；所述盖板的内沿与内固定基座的顶部大小相契合；所述盖板的外沿左右两侧分别设扣边，用于紧扣左右两侧安装的电机壳顶部；所述内固定基座的左右两个侧面上各设一个凸槽，在电机壳紧邻内固定基座的侧面上设有插槽。

前述的驱动机构为蜗杆、蜗轮传动机构，所述蜗杆连接电机，所述蜗杆的左右两侧各啮合一个蜗轮；所述驱动臂的臂端为圆盘状，固定在蜗轮上；将蜗杆、蜗轮和电机组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

前述的驱动机构为差速传动机构，所述差速传动机构由电机、两个定滑轮和一个动滑轮构成；所述电机连接动滑轮，所述两个定滑轮位于动滑轮的两侧，并通过绳依次绕过定滑轮，动滑轮和另一个定滑轮；所述驱动臂连接定滑轮；所述驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

前述的驱动机构为螺杆传动机构；所述螺杆传动机构由电机，丝杠和丝杠滑块构成，所述电机连接丝杠，所述丝杠上面为丝杠滑块，所述丝杠滑块左右两侧各固定驱动臂；所述驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

前述的驱动臂的端部，与第一传动臂的连接处安装限位块；所述第一传动臂与驱动臂连接处安装第一扭簧。

前述的第二指节与第三指节连接处的限位机构为：第二指节的端部设限位槽，第三指节的端部延伸出长条，形成硬限位，与所述限位槽匹配。

本实用新型所达到的有益效果：

本实用新型提供一种三段式、自适应手指结构的末端执行器，三段式的手指进一步提高了对物体的包络功能和抓握能力。

本实用新型的手指为模块化结构，便于自适应组装，满足不同需求。

附图说明

图1为本实用新型的三段式机器人末端执行器的结构示意图；

图2为基座底板和内固定基座组装示意图；

图3为盖板结构示意图；

图4为垫块结构示意图；

图5为盖板和垫块组装示意图；

图6为蜗杆、蜗轮传动机构的执行器结构示意图；

图7为差速传动机构的执行器结构示意图；

图8为螺杆传动机构的执行器结构示意图；

图9为平行抓取过程示意图；（a）为张开状态的示意图，（b）为夹持状态示意图；

图10为包络抓取过程示意图；（a）为抓取开始时第一指节与物体接触示意图，（b）为第二指节与物体接触时示意图；（c）为包络动作完成示意图；

图11为规则物体包络抓取示意图；（a）为两指段包络抓取，（b）为三指段包络抓取；

图12为不规则物体包络抓取示意图；（a）为两指段包络抓取，（b）为三指段包络抓取。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案进一步说明。

如图1所示，本实用新型的模块化可重构的三段式机器末端执行器，包括三段式手指和驱动机构；其中，三段式手指由驱动臂1，第一传动臂2，第二传动臂3，第三传动臂4，第一指节5，第二指节6和第三指节7构成；驱动臂与驱动机构8连接。

本实用新型中的驱动机构8可以为电机，驱动臂1与电机连接，构成模块化三段式手指结构，通过限位基座9，支持将两个，三个或者以上的模块化三段式手指结构安装在一起，实现平行抓取和包络抓取。以图1的基座上安装两个模块化三段式手指结构为例，对本实用新型进行详细说明。

参见图1，驱动臂1一端连接电机，另一端与第一传动臂2连接；第一传动臂2的另一端与第二传动臂3的下端连接；第二传动臂3有三个连接端，第二传动臂3的上端与第三传动臂4的上端连接，第二传动臂3的中下端与第一指节5的上端连接；第三传动臂4有上下两端，第三传动臂4的下端与第三指节7的中端连接。

第一指节5有三个连接端，第一指节5的下端与驱动机构8连接，第一指节5的中上端与第二指节6的下端连接，第一指节5的上端与第二传动臂3的中下端连接。

第二指节6有上下两端，第二指节6的上端与第三指节7的下端连接。第三指节7有中端和下端，分别与第三传动臂4和第二指节6连接。

进一步的，在第二指节6与第三指节7连接处安装第二扭簧，并且在第二指节6与第三指节7相连接的端部设限位机构；使执行器在无夹持状态下，受扭簧作用力和限位作用，第二指节6和第三指节7呈一体结构；此时，第二传动臂3的中下端，第三传动臂4的两端，第二指节6的下端，四端中心位置依次连成线形成一个平行四边形，如图1中的虚线构成平行四边形结构。

限位机构的具体结构为：第二指节的端部设限位槽，第三指节的端部延伸出长条，形成硬限位，与所述限位槽匹配。

进一步的，在第一传动臂2与驱动臂1连接处安装第一扭簧，扭簧提供扭力用以保持结构构型，使两个连接部实现自适应动作。同时，为实现包络动作，在驱动臂的端部，与第一传动臂的连接处安装限位块，实现扭簧在限定范围内进行运动。

参见图2和图3，基座由基座底板10、内固定基座11和盖板12构成，其中，内固定基座11位于基座底板10的中间位置，在内固定基座11的左右两侧各安装一个模块化三段式手指结构，盖板12置于内固定基座11的顶部且将左右两侧的模块化三段式手指结构与内固定基座11固定。

基座底板的中间位置设定位凸槽，用于固定内固定基座，基座底板的中心位置设螺纹孔，用于与盖板固定。在基座底板的左右两侧分别设销孔，用于安装台阶销。

内固定基座为长方体结构，其底部设有定位凹槽，与基座底板的定位凸槽相匹配，在内固定基座底部的四周设螺纹孔，基座底板也设螺纹孔，两者通过螺丝紧固。进一步的，在内固定基座的左右两个侧面上还各设一个凸槽13，在电机壳紧邻内固定基座的侧面上设有插槽，便于将电机壳与内固定基座固定在一起。

参见图3，盖板的内沿与内固定基座的顶部大小相契合，盖板的外沿左右两侧分别设扣边14，用于紧扣左右两侧安装的电机壳顶部。盖板的中心位置设螺丝过孔，两侧各设一个螺丝孔。进一步的，盖板的上部还安装垫块，如图4，垫块的上部为凹槽结构，在垫块上也设螺丝过孔和螺丝孔。通过螺丝将垫块与盖板紧固，中间的螺丝过孔预留。盖板和垫块组装后结构如图5。

基座安装过程如下：

首先，基座底板上插入台阶销，然后，将内固定基座置于基座底板的中间位置，使定位凸槽和定位凹槽磕住，再然后用螺丝将内固定基座和基座底板紧固，盖板先不安装。

基座和模块化三段式手指结构安装过程如下：首先，将左侧的模块化三段式手指结构安装于基座上，安装时模块化三段式手指结构的电机壳上的插槽从上至下滑入内固定基座侧面的凸槽，并且电机壳的底部圆孔与基座上的台阶销契合。然后，在用同样的方式安装右侧的模块化三段式手指结构。再将带垫块的盖板盖在内固定基座的顶部，操作时，盖板外沿左右两侧的扣边插入两侧的电机壳顶部预留的缝隙，将电机壳与基座固定在一起。最后，将螺丝从盖板中间位置预留的螺丝过孔插入，直至基座底板中心位置的螺丝孔，将盖板和基座紧固。安装完成。相反的流程可实现拆装。

更进一步的，可以在本实用新型的基础上，通过灵活设计基座，使其能够安装三个或者更多个的模块化三段式手指结构，以满足不同需求。

作为另一优选实施方式，本实用新型的驱动机构为蜗杆、蜗轮传动机构，参见图6，其中，蜗杆15连接电机，在蜗杆15的左右两侧各啮合一个蜗轮16；设计驱动臂的臂端为圆盘状，固定在蜗轮上；将蜗杆、蜗轮和电机组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面，构成了具有两个三段式手指的执行器。该驱动结构控制的驱动臂仅能进行同步动作，即仅能实现平行抓取和规则物体的抓取。

作为另一优选实施方式，本实用新型的驱动机构为差速传动机构，参见图7，差速传动机构由电机、两个定滑轮17和一个动滑轮18构成；其中，电机连接动滑轮18，两个定滑轮17位于动滑轮18的两侧，并通过绳依次绕过定滑轮，动滑轮和另一个定滑轮；将驱动臂1与定滑轮17连接，由定滑轮控制驱动臂的动作。进一步的，可将该驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面，构成了具有两个三段式手指的执行器。该驱动结构只利用一个电机即可实现规则物体和不规则物体的抓取。

作为另一优选实施方式，本实用新型的驱动机构为螺杆传动机构，参见图8，螺杆传动机构由电机，丝杠19和丝杠滑块20构成，其中，电机连接丝杠19，丝杠19上面为丝杠滑块20，丝杠滑块20左右两侧各固定驱动臂1。进一步的，可将该驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面，构成了具有两个三段式手指的执行器。该驱动结构控制的驱动臂仅能进行同步动作，即仅能实现平行抓取和规则物体的抓取。

本实用新型的末端执行器可实现功能包括平行抓取和包络抓取，可实现两指段包络抓取和三指段包络抓取。

平行抓取功能的实现参见图9（a）和（b），图中，中间长条为被抓取的物体。图9（a）为指张开状态的示意图，图中，执行器无夹持状态下受扭簧作用力和限位作用，可将第二指节和第三指节合成一体视作整体件，图中黑色圆箭头处表示扭簧力，圆圈处放大位置为限位处，此时第二传动臂的中下端，第三传动臂的两端，第二指节的下端，四个端部的中心依次连成线形成一个平行四边形。执行器在无夹持状态下进行闭合，基于平行四边形原理，最终实现了平行抓取，如图9（b）。

包络抓取功能的实现参见图10（a），（b）和（c），图中仅显示了中心轴线一侧单指的抓取过程，另一侧实现过程一样。图中，不规则的曲线为被抓取物体的轮廓。参见图10（a），执行器闭合过程中碰触到物体后相应部件停止，包络功能开始执行，图中的黑点为碰触点，第二指节和第三指节在限位块和扭簧的作用下视为一体结构，同时，第二传动臂的中下端，第三传动臂的两端，第二指节的下端，四个端部的中心依次连成线形成一个平行四边形。随着包络的执行，执行器的更多位置碰触被抓取物体，并且，驱动臂和第一传动臂脱离限位块的限制，逐渐张开，如图10（b）中，出现了第二指节与被抓取物体的碰触点，此时平行四边形结构仍然存在。图10（c）中，夹持动作完成，此时，第二指节和第三指节脱离的限位块的限制，平行四边形状态消失，第三指节与被抓取物体碰触，驱动臂和第一传动臂张开程度更大，各部件最终动作执行完毕，包络动作完成，成功包络夹持物体。

对于本实用新型的基于基座安装的模块化三段式手指结构，由于每个手指均由一个电机独立控制，各个手指互不影响。例如，如果被抓取的物体为规则物体，其为对称结构，则在抓取过程中，两侧的手指动作完全一致，电机的驱动方式也完全一致，如图11（a）和（b）所示，图中，两个单指之间的曲线为被抓物体的轮廓，黑点为被抓物体与指节的接触点。两个手指的动作过程完全一致，实现规则物体的包络抓取。如果被抓取的物体为不规则物体，其结构不对称，在包络过程中，手指与被抓取物体接触的部位和接触点都不相同，则两个手指的动作不一致，此时，两个电机异步动作，分别控制两个手指的动作。如图12（a）和（b）所示，图中，两个手指之间的曲线为被抓物体的轮廓，黑点为被抓物体与指节的接触点，从图中可以看出，两个手指的动作不同。

另外，根据被抓取物体的形状，在抓取过程中，可能存在两指段包络抓取和三指段包络抓取，例如，图11（a）和图12（a）为两指段包络抓取，这种情况下，被抓取物体在整个过程中，都没有与第一指节接触，且最终包络夹持完成后也不存在与第一指节的接触点，仅与第二指节和第三指节接触，此过程称为两指段包络抓取。图11（b）和图12（b）为三指段包络抓取，三个指节都与被抓取物体接触，发挥作用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，包括三段式手指和驱动机构；所述三段式手指由驱动臂，第一传动臂，第二传动臂，第三传动臂，第一指节，第二指节和第三指节构成；

所述驱动臂的一端与驱动机构连接；所述驱动臂的另一端与第一传动臂连接；所述第一传动臂的另一端与第二传动臂的下端连接；

所述第二传动臂的上端与第三传动臂的上端连接，所述第二传动臂的中下端与第一指节的上端连接；所述第三传动臂的下端与第三指节的中端连接；

所述第一指节的下端与驱动机构连接；所述第一指节的中上端与第二指节的下端连接；

所述第二指节的上端与第三指节的下端连接；

所述第二指节与第三指节连接处安装第二扭簧，所述第二指节与第三指节相连接的端部设有限位机构；

无夹持状态下，所述第二传动臂的中下端，第三传动臂的两端，第二指节的下端，四端中心位置依次连成线形成一个平行四边形。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述驱动机构为电机，所述驱动臂与电机连接，构成模块化三段式手指结构；通过基座，将两个、三个或者以上的模块化三段式手指结构安装在一起。

3.根据权利要求2所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述基座上对称安装两个模块化三段式手指结构；所述基座由基座底板、内固定基座和盖板构成；所述内固定基座位于基座底板的中间位置，通过在内固定基座底部设定位凹槽以及在基座底板的中间位置设定位凸槽，使两者扣合；所述内固定基座的左右两侧对称安装模块化三段式手指结构的电机，所述电机置于电机壳内；所述盖板置于内固定基座的顶部；所述盖板的内沿与内固定基座的顶部大小相契合；所述盖板的外沿左右两侧分别设扣边，用于紧扣左右两侧安装的电机壳顶部；所述内固定基座的左右两个侧面上各设一个凸槽，在电机壳紧邻内固定基座的侧面上设有插槽。

4.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述驱动机构为蜗杆、蜗轮传动机构，所述蜗杆连接电机，所述蜗杆的左右两侧各啮合一个蜗轮；所述驱动臂的臂端为圆盘状，固定在蜗轮上；将蜗杆、蜗轮和电机组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

5.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述驱动机构为差速传动机构，所述差速传动机构由电机、两个定滑轮和一个动滑轮构成；所述电机连接动滑轮，所述两个定滑轮位于动滑轮的两侧，并通过绳依次绕过定滑轮，动滑轮和另一个定滑轮；所述驱动臂连接定滑轮；所述驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

6.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述驱动机构为螺杆传动机构；所述螺杆传动机构由电机，丝杠和丝杠滑块构成，所述电机连接丝杠，所述丝杠上面为丝杠滑块，所述丝杠滑块左右两侧各固定驱动臂；所述驱动机构组装在一个壳体内，将第一指节的下端固定在壳体表面。

7.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述驱动臂的端部，与第一传动臂的连接处安装限位块；所述第一传动臂与驱动臂连接处安装第一扭簧。

8.根据权利要求1所述的模块化可重构的三段式机器末端执行器，其特征在于，所述第二指节与第三指节连接处的限位机构为：第二指节的端部设限位槽，第三指节的端部延伸出长条，形成硬限位，与所述限位槽匹配。