滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手和其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手和其操作方法，包括依次连接的近指节、中指节和远指节，近指节经中指节到远指节依次设置有点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K和L构成旋转副，近指节上设置有第一滑块，中指节上设置有第二滑块，第一滑块和近指节、第二滑块和远指节处构成移动副，点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L和M构成活动构件。本发明专利技术结构简单、驱动元件少、能够自适应夹持物体形状的抓取机构，即能够通过变构形可靠抓取物体，并且做到抓取物体自适应。

【技术实现步骤摘要】
滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手和其操作方法
本专利技术属于机械生产
，具体涉及一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手和其操作方法。
技术介绍
随着机械智能和智能机械的不断发展，具有自动适应外部环境、工作对象的机械自适应结构的研究已成为国内外机构学者的研究热点。拟人机械手由于具有自动适应被抓物体的尺寸、形状等参数变化的自适应抓取功能，已在机器人及工程应用中得到了深入的研究，并取得了较大的成果。灵巧手作为具有自适应功能的机械手之一，尽管其抓取功能较强，但由于其多手指、多自由度、多驱动的特征，影响了其工作可靠性，制约了其应用范围的拓展。欠驱动机械手是驱动数少于机构的自由度数，同时具备多手指、多自由度的机械手。正是由于其驱动数少，其驱动机构、控制系统将更加简单，同时又能确保实现对被抓物体的形状、尺寸等参数变化的自适应抓取功能，已得到机构学者的广泛关注和研究，成为机器人研究领域的一个重要研究方向和内容。欠驱动手指机构的构型设计是设计欠驱动手的基础，如何确保抓取过程中的运动稳定和抓取可靠性，可变约束的设计和应用是关键。本专利技术重点对欠驱动手指机构的构型设计、尺度参数综合等方面进行深入研究，以奇对称式双曲柄滑块机构演化出偶对称双曲柄滑块机构为基本构型，根据欠驱动机构的工作原理，设计出一种基于可变约束的具有自适应功能的欠驱动手指机构构型。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手和其操作方法，结构简单、驱动元件少、能够自适应夹持物体形状的抓取机构，即能够通过变构形可靠抓取物体，并且做到抓取物体自适应。本专利技术采用以下技术方案：一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构，包括依次连接的近指节、中指节和远指节，近指节经中指节到远指节之间依次设置有点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L和M十三个旋转副，近指节上设置有第一滑块，中指节上设置有第二滑块，第一滑块和近指节、第二滑块和远指节处构成两个移动副，点A和点C之间通过第一连接杆连接，点C和点B之间通过第二连接杆连接，点B和点E之间通过第三连接杆连接，点D和点F之间通过第四连接杆连接，点F和点H之间通过第五连接杆连接，点G和点I之间通过第六连接杆连接，点I和点J之间通过第七连接杆连接，点J和点L之间通过第八连接杆连接，第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆、第六连接杆、第七连接杆、第八连接杆、近指节、中指节、远指节、第一滑块、第二滑块构成活动构件。具体的，近指节上安装有第一弹簧，中指节上安装有第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧作为手指机构可变约束，第一弹簧平行近指节的轴线，布置于B点和D点之间，第二弹簧平行中指节的轴线，布置于点J和K之间。具体的，点A处安装有驱动第一连接杆的驱动轴，第一连接杆的一端连接点A，另一端连接点C，第二连接杆的一端连接点C，另一端连接第一滑块，第三连接杆的一端连接第一滑块，另一端连接点E，点E设置在第四连接杆上，第四连接杆的一端连接点D，点D设置在近指节上，位于第一滑块和近指节的端点G之间，第四连接杆的另一端连接点F，第五连接杆的一端连接第四连杆于点F相交，另一端连接点H，点H设置在第六连接杆上，第六连接杆的一端连接点G，另一端连接点I，第七连接杆的一端连接点I，另一端连接第二滑块，第二滑块设置在中指节的点G和点K之间，点K与远指节连接，第八连接杆的一端与第二滑块连接，另一端连接点L，点L设置在远指节上。进一步的，手指结构自由度F为三。本专利技术的另一个技术方案是，一种滑块式欠驱动三关节机械手，包括依次连接的固定板、保持板和手指基座，手指基座上间隔设置有三个项所述的滑块式欠驱动三关节机械手指结构，固定板和保持板之间通过第一支撑杆连接，保持板和手指基座之间通过第二支撑杆连接，保持板和手指基座之间设置有移动板，第二支撑杆贯穿移动板设置，移动板上间隔设置有三个辅助连杆，三个辅助连杆的一端分别于滑块式欠驱动三关节机械手指结构的第一连接杆连接，移动板能够沿第二支撑杆上下移动。具体的，固定板上设置有步进电机，步进电机的输出轴与滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠的另一端依次贯穿保持板和移动板，滚珠丝杠上设置有丝杠螺母，丝杆螺母与移动板通过螺钉固定连接，用于带动移动板在第二支撑杆上直线移动。具体的，三个滑块式欠驱动三关节机械手指结构按120°设置在手指基座上。本专利技术的另一个技术方案是，一种滑块式欠驱动三关节机械手的操作方法，安装在固定板上的步进电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母带动移动板在第二支撑杆导向作用下发生线性上下移动，移动板上的辅助连杆发生平面运动并将作用力传递给滑块式欠驱动三关节机械手指结构的第一连杆，滑块式欠驱动三关节机械手指结构获得抓取动力，首先近指节、中指节和远指节不接触任何物体；然后近指节接触物体，中指节和远指节不接触物体；然后近指节和中指节接触到物体，远指节不接触；最后近指节、中指节及远指节均接触到物体，进行自适应抓取。具体的，近指节、中指节和远指节从不接触任何物体到近指节接触物体，中指节和远指节不接触物体具体为：手指在第一连接杆的驱动下绕基关节A转动，直到近指节接触物体后，可变约束状态发生改变；第一弹簧受力发生形变，近指节处的移动副生效，释放一个自由度，中指节和远指节看作一个刚体，驱动第一连接杆通过第六连接杆使中指节和远指节一起绕铰接G点发生转动，直到中指节接触到物体，可变约束状态发生变化。具体的，近指节和中指节接触物体，远指节不接触物体到近指节、中指节及远指节均接触到物体具体为：中指节接触到物体并停止转动后，近指节和中指节和机架固连，滑块式欠驱动三关节机械手指结构被约束掉一个自由度，第二弹簧受力发生变形，中指节处的移动副生效，释放一个自由度，远指节绕铰接点K转动；近指节和中指节停止转动，滑块式欠驱动三关节机械手指结构有一个自由度，在驱动力矩的作用下远指节继续发生转动，当远指节接触到物体后，滑块式欠驱动三关节机械手指结构的三个自由度均被物体约束掉，至此手指完成对物体的自适应抓取过程。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构，由于一般手指仅需三个关节指节就可以抓取物体，因此采用3个三关节手指，并且分布120°有利于整个机械手受力均匀。指节之间滑块和弹簧组合的设置需要实现欠驱机构，遵循最小阻力定律，能够避免整个手指在弯曲和伸直过程中运动的无序状态。进一步的，指节上弹簧的设置是为了提供一定的力，能够使得手指保持展开状态。当前一个指节将作用力传递给下一指节的过程中，只有克服了弹簧的弹力才能继续传递力的作用，来保证指节依次发生转动，实现欠驱机构。进一步的，各个指节通过铰接方式连接。每一个指节结构中都有一个曲柄滑块机构，且曲柄和滑块上分别有输入和输出的连接点。此时的连接点便是作用力相互传递的位置。其余的连接点是形成完整的三关节手指的组成部分。进一步的，指节中的两个滑块移动一次就会分别解除或约束一个自由度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，包括依次连接的近指节(9)、中指节(10)和远指节(11)，近指节(9)经中指节(10)到远指节(11)之间依次设置有点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L和M十三个旋转副，近指节(9)上设置有第一滑块(14)，中指节(10)上设置有第二滑块(15)，第一滑块(15)和近指节(9)、第二滑块(16)和远指节(11)处构成两个移动副，点A和点C之间通过第一连接杆(1)连接，点C和点B之间通过第二连接杆(2)连接，点B和点E之间通过第三连接杆(3)连接，点D和点F之间通过第四连接杆(4)连接，点F和点H之间通过第五连接杆(5)连接，点G和点I之间通过第六连接杆(6)连接，点I和点J之间通过第七连接杆(7)连接，点J和点L之间通过第八连接杆(8)连接，第一连接杆(1)、第二连接杆(2)、第三连接杆(3)、第四连接杆(4)、第五连接杆(5)、第六连接杆(6)、第七连接杆(7)、第八连接杆(8)、近指节(9)、中指节(10)、远指节(11)、第一滑块(12)、第二滑块(13)构成活动构件。/n

【技术特征摘要】
1.一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，包括依次连接的近指节(9)、中指节(10)和远指节(11)，近指节(9)经中指节(10)到远指节(11)之间依次设置有点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L和M十三个旋转副，近指节(9)上设置有第一滑块(14)，中指节(10)上设置有第二滑块(15)，第一滑块(15)和近指节(9)、第二滑块(16)和远指节(11)处构成两个移动副，点A和点C之间通过第一连接杆(1)连接，点C和点B之间通过第二连接杆(2)连接，点B和点E之间通过第三连接杆(3)连接，点D和点F之间通过第四连接杆(4)连接，点F和点H之间通过第五连接杆(5)连接，点G和点I之间通过第六连接杆(6)连接，点I和点J之间通过第七连接杆(7)连接，点J和点L之间通过第八连接杆(8)连接，第一连接杆(1)、第二连接杆(2)、第三连接杆(3)、第四连接杆(4)、第五连接杆(5)、第六连接杆(6)、第七连接杆(7)、第八连接杆(8)、近指节(9)、中指节(10)、远指节(11)、第一滑块(12)、第二滑块(13)构成活动构件。


2.根据权利要求1所述的滑块式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，近指节(9)上安装有第一弹簧(12)，中指节(10)上安装有第二弹簧(13)，第一弹簧(12)和第二弹簧(13)作为手指机构可变约束，第一弹簧(12)平行近指节(9)的轴线，布置于B点和D点之间，第二弹簧(13)平行中指节(10)的轴线，布置于点J和K之间。


3.根据权利要求1所述的滑块式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，点A处安装有驱动第一连接杆(1)的驱动轴，第一连接杆(1)的一端连接点A，另一端连接点C，第二连接杆(2)的一端连接点C，另一端连接第一滑块(14)，第三连接杆(3)的一端连接第一滑块(14)，另一端连接点E，点E设置在第四连接杆(4)上，第四连接杆(4)的一端连接点D，点D设置在近指节(9)上，位于第一滑块(14)和近指节(9)的端点G之间，第四连接杆(4)的另一端连接点F，第五连接杆(5)的一端连接第四连杆(4)于点F相交，另一端连接点H，点H设置在第六连接杆(6)上，第六连接杆(6)的一端连接点G，另一端连接点I，第七连接杆(7)的一端连接点I，另一端连接第二滑块(15)，第二滑块(15)设置在中指节(10)的点G和点K之间，点K与远指节(11)连接，第八连接杆(8)的一端与第二滑块(15)连接，另一端连接点L，点L设置在远指节(11)上。


4.根据权利要求1或2或3所述的滑块式欠驱动三关节机械手指结构，其特征在于，手指结构自由度F为三。


5.一种滑块式欠驱动三关节机械手，其特征在于，包括依次连接的固定板(16)、保持板(19)和手指基座(25)，手指基座(25)上间隔设置有三个如权利要求1至4中任一项所述的滑块式欠驱动三关节机械手指结构(26)，固定板(16)和保持板(19)之间通过第一支撑杆(18)连接，保持板(19)和手指基座(25)之间通过第二支撑杆(20)连接，保持板(19)和手指基座(25)之间设置有移动板(23)，第二支撑杆(20...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭瑞峰，同志学，聂阳文，闫浩，贾榕，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61