一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机器人灵巧手技术领域，并公开了一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的结构设计，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。该装置具有两级驱动放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动。此外，本发明专利技术还公开了机器人灵巧机械手指装置的一种气动控制系统。本发明专利技术采用气缸驱动，控制更加容易；由于气缸、杠杆机构、滑轮均安置于基座内部，部分构件利用3D打印技术制作，因而，机械手指装置结构紧凑、体积小巧、重量轻便、制作成本低。

A Dexterous Robot Mechanical Finger Device Driven by Cylinder

The invention relates to the technical field of robotic dexterous hand, and discloses the structural design of a robot dexterous mechanical finger device based on cylinder driving, including a base, a driving mechanism, a first-stage driving and amplifying mechanism, a transmission mechanism, a second-stage driving and amplifying mechanism and a humanoid mechanical finger mechanism. The device has two stages of driving amplification, including: 1) first stage amplification based on lever principle; 2) second stage amplification based on multi-stage gear transmission. The device can realize free coupling motion and adaptive envelope motion of human-like finger. In addition, the invention also discloses a pneumatic control system of a dexterous mechanical finger device of a robot. The invention adopts cylinder drive, and the control is easier. Because the cylinder, lever mechanism and pulley are all placed in the base, and some components are made by 3D printing technology, the mechanical finger device has compact structure, compact volume, light weight and low production cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置
本专利技术涉及机器人灵巧手
，尤其涉及一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的结构设计。
技术介绍
机器人灵巧手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，其通过编程可以准确的在各种环境中完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，体现了人的智能性和适应性。灵巧手从诞生到现在已经有了长足的进步和发展，从最初的仅用于装饰到现在能够实现各种抓握功能。特别是近二十多年来，电子技术、传感器技术、计算机技术及相关技术的发展，极大的促进了灵巧手技术的发展。按照驱动方式划分，现有的机器人灵巧机械手指主要有电机驱动型、气压驱动型和智能材料驱动型等。电机驱动型机器人灵巧机械手指技术相对成熟，具有快速响应性好，刚度高，调速范围宽，过载能力强等优点，但同时也存在控制系统复杂，精确力矩控制较难，缺乏柔性等不足。气压驱动型机器人灵巧机械手指具有清洁安全，控制容易，柔顺性好，结构简单，成本低，安装维护方便等优点，但同时也存在刚度不足，响应速度慢，承受载荷小，需要的驱动器数量大，控制系统复杂等不足。智能材料驱动型机器人灵巧机械手指具有柔性好，传动效率高等优点，但同时也存在可承受载荷小，控制系统复杂，对材料有特殊要求等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动，该装置具有两级驱动放大，能实现气缸的较短有限冲程的两级放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下：本专利技术设计的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。其特征在于：所述的驱动机构安装在基座中，采用微型气缸作为驱动源，气缸末端通过旋转轴与基座相连，气缸输出端通过鱼眼接头与第一级驱动放大机构的输入端相连；所述的第一级驱动放大机构利用杠杆原理实现气缸的较短有限冲程的第一次放大，杠杆通过旋转轴与基座相连，杠杆的前臂与气缸输出端的鱼眼接头相连，其后臂与传动机构的输入端相连；所述的传动机构采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳和若干定滑轮，钢丝绳与第一级驱动放大机构的输出端和第二级驱动放大机构的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮和竖直方向定滑轮的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳的输出端与最后的定滑轮相连，该定滑轮与第一齿轮共轴相连且同步绕近指节关节轴转动。所述的第二级驱动放大机构采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括四个齿轮和齿轮轴，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮共轴连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第四齿轮通过平键和近指节关节轴相连，齿轮轴和近指节关节轴平行，齿轮轴固定在近指节外壳上；所述的仿人机械手指机构采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节、中指节、远指节、近指节关节轴、中指节关节轴、远指节关节轴，近指节和基座通过近指节关节轴相连，中指节和近指节通过中指节关节轴相连，远指节和中指节通过远指节关节轴相连，近指节关节轴中指节关节轴和远指节关节轴相互平行。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：杠杆采用偏V型杠杆结构，其与气缸输出端连接的前臂的尺寸较短，其与钢丝绳输入端连接的后臂的尺寸较长，通过改变杠杆前臂与后臂的尺寸比可以改变第一级驱动放大机构的放大系数。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述传动机构的多级齿轮不局限于三级传动，通过改变单个齿轮的参数设置(齿数、模数等)或者增加齿轮传动机构的传动级数均可以改变第二级驱动放大机构的放大系数。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人机械手指具备耦合自适应性，能够实现对各种形状尺寸的目标物体的包络抓取。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的驱动机构、第一级驱动放大机构、传动结构、第二级驱动放大机构的构件在各自旋转轴上的位置均采用轴套加以固定，以确保驱动机构和第一级驱动放大机构和传动结构之间、传动结构和第二级驱动放大机构之间的驱动力的传递在同一平面上。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：所述的仿人手指机构的近指节、中指节和远指节与目标物体的接触面均贴覆有柔性气囊，气囊采用弹性材料制成，气囊外表面刻划有类似人类手指指纹的花纹。该气囊具有一定的柔性，既可以减震，又可以模拟人手指纹从而增大摩擦，有利于稳定抓取。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：在近指节、中指节、远指节的柔性气囊的表面贴附有压力传感器，在近指节与中指节的转动轴、中指节与远指节的转动轴设有扭矩传感器，用以测量指节的转动角度。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：手指的外壳和基座以及滑轮等采用高强度尼龙玻璃纤维通过3D打印机制作，杠杆以及手指内部的连杆机构和轴等采用高强度铝合金制作。本专利技术所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：提供了一套由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件等组成的气动控制系统。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：本实施例采用气缸驱动机构、杠杆机构、绳轮传动机构、齿轮传动机构和连杆机构综合实现了一种欠驱动机器人灵巧手指，该装置具有两级驱动放大，包括：1)利用杠杆原理实现的第一级放大；2)利用多级齿轮传动实现的第二级放大。该装置能够实现仿人手指的自由耦合运动和自适应包络运动，达到电机驱动型手指、气压驱动手指和智能材料驱动型手指相似的抓取效果。该装置采用气缸驱动，控制更加容易；气缸、杠杆机构、绳轮均安置于基座中，机械手指部分结构紧凑、体积小巧、重量轻便、制作成本低。附图说明图1是本专利技术设计的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置的一种实施例的立体外观图；图2是图1所示实施例的前视图。图3是图1所示实施例的侧视图。图4是图1所示实施例的基座的内部结构示意图。图5是图1所示实施例的仿人机械手指的内部结构示意图。图6是图1所示实施例的近指节从一个角度观察的内部结构示意图。图7是图1所示实施例的近指节从另一个角度观察的内部结构示意图。图8是图1所示实施例自适应模式抓取过程的示意图(未触碰物体)。图9是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(近指节先碰触物体)。图10是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(中指节先碰触物体)。图11是图1所示实施例耦合自适应模式抓取过程的示意图(远指节先碰触物体)。图12是图1所示实施例的气动控制系统框图。在图1至图12中，数字与构件的对应关系如下：1—基座，2—驱动机构，3—第一级驱动放大机构，4—传动机构，5—第二级驱动放大机构，6—仿人机械手指机构，11—气缸固定旋转轴，12—杠杆固定旋转轴，21—气缸，22—鱼眼接头，31—杠杆，41—钢丝绳，42、43、44、45、46—定滑轮，51—定滑轮，52、53、54、55本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。其特征在于：所述的驱动机构安装在基座中，采用微型气缸作为驱动源，气缸末端通过旋转轴与基座相连，气缸输出端通过鱼眼接头与第一级驱动放大机构的输入端相连；所述的第一级驱动放大机构利用杠杆原理实现气缸的较短有限冲程的第一次放大，杠杆通过旋转轴与基座相连，杠杆的前臂与气缸输出端的鱼眼接头相连，其后臂与传动机构的输入端相连；所述的传动机构采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳和若干定滑轮，钢丝绳与第一级驱动放大机构的输出端和第二级驱动放大机构的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮和竖直方向定滑轮的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳的输出端与最后的定滑轮相连，该定滑轮与第一齿轮共轴相连且同步绕近指节关节轴转动；所述的第二级驱动放大机构采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括四个齿轮和齿轮轴，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮共轴连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第四齿轮通过平键和近指节关节轴相连，齿轮轴和近指节关节轴平行，齿轮轴固定在近指节外壳上；所述的仿人机械手指机构采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节、中指节、远指节、近指节关节轴、中指节关节轴、远指节关节轴，近指节和基座通过近指节关节轴相连，中指节和近指节通过中指节关节轴相连，远指节和中指节通过远指节关节轴相连，近指节关节轴中指节关节轴和远指节关节轴相互平行。...

【技术特征摘要】
1.一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，包括基座、驱动机构、第一级驱动放大机构、传动机构、第二级驱动放大机构和仿人机械手指机构。其特征在于：所述的驱动机构安装在基座中，采用微型气缸作为驱动源，气缸末端通过旋转轴与基座相连，气缸输出端通过鱼眼接头与第一级驱动放大机构的输入端相连；所述的第一级驱动放大机构利用杠杆原理实现气缸的较短有限冲程的第一次放大，杠杆通过旋转轴与基座相连，杠杆的前臂与气缸输出端的鱼眼接头相连，其后臂与传动机构的输入端相连；所述的传动机构采用滑轮机构实现驱动力的传递和驱动方向的改变，包括钢丝绳和若干定滑轮，钢丝绳与第一级驱动放大机构的输出端和第二级驱动放大机构的输入端相连构成驱动力的传递通道，定滑轮与各自旋转轴相连，水平方向定滑轮和竖直方向定滑轮的交叉配合构成驱动力方向的改变通道，钢丝绳的输出端与最后的定滑轮相连，该定滑轮与第一齿轮共轴相连且同步绕近指节关节轴转动；所述的第二级驱动放大机构采用多级齿轮传动的方式实现气缸的较短有限冲程的第二次放大，包括四个齿轮和齿轮轴，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮共轴连接，第三齿轮与第四齿轮啮合，第四齿轮通过平键和近指节关节轴相连，齿轮轴和近指节关节轴平行，齿轮轴固定在近指节外壳上；所述的仿人机械手指机构采用多连杆耦合连接的方式构成三指节机构，包括近指节、中指节、远指节、近指节关节轴、中指节关节轴、远指节关节轴，近指节和基座通过近指节关节轴相连，中指节和近指节通过中指节关节轴相连，远指节和中指节通过远指节关节轴相连，近指节关节轴中指节关节轴和远指节关节轴相互平行。2.根据权利要求1所述的一种基于气缸驱动的机器人灵巧机械手指装置，其特征在于：杠杆采用偏V型杠杆结构，其与气缸输出端连接的前臂的尺寸较短，其与钢丝绳输入端连接的后臂的尺寸较长，通过改变杠杆前臂与后臂的尺寸比可以改变第一级驱动放...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏世民，张英坤，杨政，盛海燕，喻洋，陈冠男，朱赣闽，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11