一种线控柔性机械爪

技术领域

本发明涉及机械爪，尤其涉及一种线控柔性机械爪。

背景技术

机械手爪是机器人关键零部件之一，是机器人用以实现抓取、握持工件或工具等工作任务的部件，作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，对于机器人的生产和使用有十分关键的作用。

传统机械手爪一般由刚性材料构成，使用电机驱动。这种传统机械手爪虽然夹持力度大、夹持距离控制精准，但是依然存在易损伤夹持物体、自身重量大、安全性不足、夹取速度较慢、控制成本高等问题，难以适用于需要夹持柔性物体、易碎物体、不规则物体的场景(如夹取鸡蛋、水果等)。相对于刚性机械手爪，柔性机械手爪在近些年得到了快速发展。现有柔性机械手爪中较常用的有一种气动柔性手爪，这种手爪的手指部分一般使用多个可以变形弯曲的柔性抓取手指，并设置有气缸装置，使用压缩空气驱动。这种柔性机械手爪虽然有夹持速度快、结构简单、易于维护、利于夹取微小物品等优点，但是难以控制张合的角度大小，夹取范围受限较大，对形状、大小的不同的物体难以很好的适应。

在工业自动化领域中，需要柔性机械爪来完成对不规则或易形变物体的进行抓取工作。现有的柔性机械爪大多数采用气压传动(如CN201810336627.2)或机械传动(如CN201811259432.9)。

对于气压传动来说，目前的气动柔性机械爪结构较为复杂精细，其进气，通气等管道的连接较为复杂，控制难度较高。这也导致了这类柔性机械爪的长期维护修理成本较高，安装难度较高。并且气动机械爪是利用压缩空气的来驱动的，这需要有大量的空间存放气瓶，而另一方面，随着机械爪的使用，输出气压不断变化，这也会导致其工作的稳定性较差。

对于机械传动而言，现有的此类柔性机械爪自由度较少(多是以连杆，齿轮和齿条等机械传动机构构成)，并且多是对各个夹具分支(手指部分)进行同步的控制，这样比较难以对不对称，不规则的物品进行有效的包裹，可能导致物料脱落，不适用于目标多变的工作场景。

因此，如何提供一种柔性机械爪，能够对各个不规则的物体进行稳定的抓取，且所需空间较小，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种线控柔性机械爪。

本发明提供了一种线控柔性机械爪，包括线控连续体机械爪模块、舵机模块、曲柄滑块模块、支架模块和伺服电机模块，其中，所述伺服电机模块和曲柄滑块模块分别安装在所述支架模块上，所述伺服电机模块与所述曲柄滑块模块连接，所述伺服电机模块能够驱动所述曲柄滑块模块运动，所述线控连续体机械爪模块安装在所述曲柄滑块模块上，所述舵机模块安装在所述曲柄滑块模块上，所述舵机模块与所述线控连续体机械爪模块连接，所述舵机模块能够驱动所述线控连续体机械爪模块合拢或张开。

作为本发明的进一步改进，所述线控连续体机械爪模块包括两根镍钛合金丝、若干个中间手指关节、一个尾部手指关节和一张高摩擦系数橡胶面，每个所述中间手指关节和尾部手指关节的内侧均成弧形，每个所述中间手指关节和尾部手指关节的内侧均与所述高摩擦系数橡胶面连接，所述内侧是指靠近所述伺服电机模块的输出轴的一侧，每个所述中间手指关节和尾部手指关节上均设有两个线槽，用于贯穿两根用于操作的镍钛合金丝，两根镍钛合金丝的末端均固定在尾部手指关节上。

使用镍钛合金丝的优点在于，镍钛合金丝可以在灵活操作线控连续体机械爪手指的同时，为线控连续体机械爪手指自身提供一定的刚度(这是钢绳做不到的，钢绳只适合驱动，难以提供刚度)；一是保证机械爪在空间中任一方位运动时，机械爪手指可以保持近似轴向指向的姿态，且不至于因自身重力产生较大幅度的弯曲下垂，从而影响机械爪在空间中的移动或夹取；二是可以保证机械爪在夹取物体时机械爪手指能够更好地随物体表面弯曲包覆，利于形成有效包覆。由此，使用镍钛合金丝作驱动绳的线控柔性机械爪可以在空间中以任意姿态及方向夹取物品，且镍钛合金丝自身的刚度会更利于机械爪对所夹物体形成有效包覆。

作为本发明的进一步改进，所述中间手指关节上下层叠，所述尾部手指关节位于所述线控连续体机械爪模块的末端，所述尾部手指关节与相邻的中间手指关节铰接，两个相邻的中间手指关节铰接。

作为本发明的进一步改进，所述舵机模块包括舵机和线轮，所述舵机的输出轴与所述线轮连接，所述线轮上设有两个线槽，两根镍钛合金丝分别缠绕在所述线轮的两个线槽上，并且，绕线方向相反。

作为本发明的进一步改进，两根镍钛合金丝，一根位于内侧，另一根位于外侧，所述内侧是指靠近所述伺服电机模块的输出轴的一侧，两根镍钛合金丝沿所述伺服电机模块的输出轴的方向从上至下依次穿过每个所述中间手指关节和位于最末端的尾部手指关节。

作为本发明的进一步改进，所述线控连续体机械爪模块至少有两个并且绕所述伺服电机模块的输出轴周向分布，所述曲柄滑块模块与所述线控连续体机械爪模块一一对应，所述舵机模块与所述线控连续体机械爪模块一一对应。

作为本发明的进一步改进，所述支架模块包括相平行的第一连接板、第二连接板和第三连接板，所述第一连接板与所述第二连接板之间通过连接柱连接，所述第二连接板与所述第三连接板之间通过连接柱连接，所述伺服电机模块固定在所述第一连接板与所述第二连接板之间，所述曲柄滑块模块包括曲柄盘、连杆和舵机座，所述伺服电机模块通过联轴器与所述曲柄盘连接，所述曲柄盘与所述连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与所述舵机座铰接。

作为本发明的进一步改进，所述第二连接板和第三连接板上分别设有第一直线导轨和第二直线导轨，所述舵机座的一端与所述第一直线导轨滑动配合，所述舵机座的另一端与所述第二直线导轨滑动配合。

作为本发明的进一步改进，所述舵机座与所述线控连续体机械爪模块连接，所述舵机模块安装在所述舵机座上。

作为本发明的进一步改进，所述舵机座的移动方向为以所述伺服电机模块的输出轴为圆心的径向。

作为本发明的进一步改进，两个相邻的中间手指关节铰接的旋转轴垂直于伺服电机模块的输出轴。

作为本发明的进一步改进，相邻的所述尾部手指关节与中间手指关节铰接的旋转轴垂直于伺服电机模块的输出轴。

作为本发明的进一步改进，两个相邻的中间手指关节铰接的旋转轴位于两根镍钛合金丝之间。

作为本发明的进一步改进，相邻的所述尾部手指关节与中间手指关节铰接的旋转轴位于两根镍钛合金丝之间。

作为本发明的进一步改进，最靠近舵机座的中间手指关节与舵机座铰接。

作为本发明的进一步改进，高摩擦系数橡胶面为弧面。

本发明的有益效果是：以线绳为驱动方式，以连续体结构作为机械爪夹具分支(即手指部分)，可独立控制多个舵机模块以实现多个线控连续体机械爪模块的单独控制；同时机械爪具备充足的自由度，通过精准地控制单个线控连续体机械爪模块的运动幅度增强自身的可控性；这种柔性机械爪能够对各个不规则的物体进行稳定的抓取；并且这样的机械爪机构更加精简，维护修理较为简单，所需空间更小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的方案。

图1是本发明一种线控柔性机械爪的默认位置示意图。

图2是本发明一种线控柔性机械爪的弯曲包覆示意图。

图3是本发明一种线控柔性机械爪不安装线控连续体机械爪模块的示意图。

图4是本发明一种线控柔性机械爪不安装线控连续体机械爪模块的分解示意图。

图5是本发明一种线控柔性机械爪的曲柄滑块模块控制线控连续体机械爪模块彼此远离位置示意图。

图6是本发明一种线控柔性机械爪的曲柄滑块模块控制线控连续体机械爪模块彼此接近位置示意图。

图7是本发明一种线控柔性机械爪的线控连续体机械爪模块的恢复默认位置示意图。

图8是本发明一种线控柔性机械爪的线控连续体机械爪模块的弯曲包覆示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，一种线控柔性机械爪，包括线控连续体机械爪模块3、舵机模块、曲柄滑块模块、支架模块和伺服电机模块110。

如图1所示，支架模块和伺服电机模块110共同构成了支架及电机总成1，曲柄滑块模块和舵机模块共同构成了曲柄及舵机总成2。

所述伺服电机模块110和曲柄滑块模块分别安装在所述支架模块上，所述伺服电机模块110与所述曲柄滑块模块连接，所述伺服电机模块110能够驱动所述曲柄滑块模块运动，所述线控连续体机械爪模块3安装在所述曲柄滑块模块上，所述舵机模块安装在所述曲柄滑块模块上，所述舵机模块与所述线控连续体机械爪模块3连接，所述舵机模块能够驱动所述线控连续体机械爪模块3合拢或张开。

所述支架模块用于固定整体装置，主要包括相平行的第一连接板11、第二连接板12和第三连接板13，所述第一连接板11与所述第二连接板12之间通过连接柱(例如可采用螺栓与铜柱)连接，所述第二连接板12与所述第三连接板13之间通过连接柱(例如可采用螺栓与铜柱133)连接。

所述伺服电机模块110通过螺栓固定在所述第一连接板11与所述第二连接板12之间，所述曲柄滑块模块包括曲柄盘21、连杆22和舵机座23，舵机座23为曲柄滑块模块中的滑块。

第一连接板11留有孔位，用于将整个机械爪与后续机构进行连接。

第二连接板12中心部分镂空，供伺服电机模块110的输出轴穿过。

所述伺服电机模块110通过联轴器111与所述曲柄盘21的中心部位连接，所述曲柄盘21的非中心部位与所述连杆22的一端210铰接，所述连杆22的另一端220与所述舵机座23铰接。

所述第二连接板12和第三连接板13上分别设有第一直线导轨120和第二直线导轨，所述舵机座23的一端与所述第一直线导轨120滑动配合，所述舵机座23的另一端通过滑块132与所述第二直线导轨滑动配合。

第二直线导轨优选采用两个，分别为直线导轨130和直线导轨131，第一直线导轨120、直线导轨130和直线导轨131三者的长度相同。

第一直线导轨120安装在第二连接板12的下方并且沿径向方向布置。

直线导轨130和直线导轨131安装在第三连接板13的上方并且沿径向方向布置。

舵机座23可以沿第一直线导轨120、直线导轨130和直线导轨131进行有限的径向滑动。

所述舵机座23与所述线控连续体机械爪模块3连接，所述舵机模块安装在所述舵机座23上。

所述舵机座23的移动方向为以所述伺服电机模块110的输出轴为圆心的径向。

两个相邻的中间手指关节32铰接的旋转轴垂直于伺服电机模块110的输出轴。

相邻的所述尾部手指关节33与中间手指关节32铰接的旋转轴垂直于伺服电机模块110的输出轴。

两个相邻的中间手指关节32铰接的旋转轴位于两根镍钛合金丝34之间。

相邻的所述尾部手指关节33与中间手指关节32铰接的旋转轴位于两根镍钛合金丝34之间。

最靠近舵机座23的中间手指关节32与舵机座23铰接。

所述舵机座23上设有连接部232，用于与最靠近舵机座23的中间手指关节32铰接。

所述线控连续体机械爪模块3包括两根镍钛合金丝34、若干个(若干个指两个或两个以上)中间手指关节32、一个尾部手指关节33和一张高摩擦系数橡胶面31，每个所述中间手指关节32和尾部手指关节33的内侧均成弧形，每个所述中间手指关节32和尾部手指关节33的内侧均与所述高摩擦系数橡胶面31连接，所述内侧是指靠近所述伺服电机模块110的输出轴的一侧，每个所述中间手指关节32和尾部手指关节33上均设有两个线槽321，用于贯穿两根用于操作的镍钛合金丝34。

两根镍钛合金丝34的尾部末端均固定在尾部手指关节33上，两根镍钛合金丝34的尾部部分340直径大于镍钛合金丝34的其他部分直径且大于线槽321的通孔直径，使得镍钛合金丝34的尾部末端固定在尾部手指关节33上，用于操作线控连续体机械爪手指单元(图7)屈伸。

所述中间手指关节32数量不固定，可依据实际情况调整。

所述中间手指关节32上下有两个铰链结构，分别为手指关节连接部上端322和手指关节连接部下端323，可用于上端及下端的铰接。

所述中间手指关节32上下层叠，所述尾部手指关节33位于所述线控连续体机械爪模块3的末端，所述尾部手指关节33与相邻的中间手指关节32铰接，两个相邻的中间手指关节32铰接，即以伺服电机模块110的输出轴为上下方向，而多个中间手指关节32上下层叠，而尾部手指关节33位于最底端，上下相邻的两个关节之间通过铰接连接，使得上下相邻的两个关节能够相互转动。

所述舵机模块包括舵机24和线轮25，所述舵机24的输出轴与所述线轮25连接，所述线轮25上设有两个线槽，两根镍钛合金丝34分别缠绕在所述线轮25的两个线槽上，并且，绕线方向相反，即舵机24驱动线轮25转动时，则其中一根镍钛合金丝34为收紧，另一根则为松开。

镍钛合金丝34的头部与舵机模块中的线轮25固定，可以使用螺钉将镍钛合金丝头部径向固定于可旋转的线轮25之上，线轮25的底座与舵机24的输出轴连接，驱动舵机旋转即可驱动线轮25旋转，从而拉伸镍钛合金丝34以分别驱动线控连续体机械爪模块3弯曲包覆。

线轮25的两个线槽，可使内侧驱动线连接在线轮25下部线槽，外侧驱动线连接在线轮25上部线槽，绕线方向相反；分别驱动舵机24顺、逆时针旋转时可分别拉伸内侧、外侧线槽，从而控制线控连续体机械爪模块3弯曲包覆(图2)或恢复默认位置(图1)。

两根镍钛合金丝34，一根位于内侧，称为内侧驱动线，另一根位于外侧，称为外侧驱动线，所述内侧是指靠近所述伺服电机模块110的输出轴的一侧，内侧驱动线连接在线轮上部线槽，外侧驱动线连接在线轮下部线槽。

两根镍钛合金丝34沿所述伺服电机模块110的输出轴的方向从上至下依次穿过每个所述中间手指关节32和位于最末端的尾部手指关节33。

所述线控连续体机械爪模块3至少有两个并且绕所述伺服电机模块110的输出轴周向分布，可以采用两个线控连续体机械爪模块3，形成两指夹装置，也可以采用三个线控连续体机械爪模块3，形成三指夹装置，线控连续体机械爪模块3的数量可根据抓取的需要进行相应的调节。

所述曲柄滑块模块与所述线控连续体机械爪模块3一一对应，所述舵机模块与所述线控连续体机械爪模块3一一对应，即一个线控连续体机械爪模块3由一个独立的曲柄滑块模块控制其在径向的位置，并由一个独立的舵机模块控制其抓取动作，通过多个曲柄滑块模块控制多个线控连续体机械爪模块3沿径向进行彼此接近或远离，完成调整夹爪夹取范围的动作，本实施例优选采用三组曲柄滑块模块控制三个线控连续体机械爪模块3沿径向进行彼此接近或远离，并由三个舵机模块控制三个线控连续体机械爪模块3完成抓取动作，但不局限于此。

多个曲柄滑块模块可以采用多个曲柄以单独控制各个曲柄滑块模块，但是这样会导致空间占用较大；为了节约空间，可以将多个曲柄滑块模块中的曲柄集成为一个曲柄盘21，由一个曲柄盘21带动多个连杆22同步运动。

一系列相连接的中间手指关节32和尾部手指关节33之间可以相对手指关节连接部上端322和手指关节连接部下端323自由转动，所以在理想状态下(不考虑自身重力、高摩擦系数橡胶面31的刚度等)，线控连续体机械爪模块3(图7)满足“一维常曲率模型”(参考文献：Mechanics Modeling of Tendon-Driven Continuum Manipulators)。所以，在理想状态下，拉伸内侧镍钛合金丝，线控连续体机械爪模块3会呈现出如(图8)的状态。考虑到高摩擦系数橡胶面31的刚度、所夹取物品自身的形状与刚度等因素，拉伸内侧镍钛合金丝时，线控连续体机械爪模块3会沿着所夹取物品的表面形状弯曲包覆。曲柄滑块模块和舵机模块负责控制线控连续体机械爪模块3的初始位置，线控连续体机械爪模块3在镍钛合金丝34的驱动下弯曲包覆所夹取物品，最终形成类似图2的形态；在保证不损伤所夹取物品表面的前提下，在合适的空间位置，使用完整且适应所夹取物体表面的有效包覆形态(三组线控连续体机械爪手指单元(图7)可独立控制)，可以很好地夹取不同形状、易碎、易损伤的复杂物件。

本发明提供的一种线控柔性机械爪，舵机24使用螺栓固定在舵机座23中，舵机24的动力轴上安装线轮25。当伺服电机模块110驱动曲柄盘21旋转时，带动连杆22，使舵机座23、舵机24以及安装在舵机座23上的线控连续体机械爪模块3沿着第一直线导轨120、直线导轨130、直线导轨131移动，彼此接近或远离，完成调整夹爪夹取范围的动作。

本发明提供的一种线控柔性机械爪，其工作原理及工作过程如下：

在抓取目标物料前，线控柔性机械爪需要调整为准备姿态。此时，控制伺服电机模块110逆时针转动，并通过联轴器111传动至曲柄盘21，曲柄盘21因此带动三个连杆22同步运动，使得连接在连杆22上的三个舵机座23同时离心滑动，线控柔性机械爪变为图5所示姿态。

在抓取目标物料时，线控柔性机械爪工作主要分为两步。第一步，控制伺服电机模块110顺时针转动，通过联轴器111与曲柄滑块模块(与准备阶段相同的原理)，使三个舵机座23同时向心滑动(最大程度能变为图6所示姿态)，从而让高摩擦系数橡胶面31充分接触目标物料。第二步，三个舵机24分别驱使线轮25顺时针方向转动，将内侧的镍钛合金丝34收紧，同时将外侧的镍钛合金丝34放松。这样，由于两侧镍钛合金丝的长度变换，几个中间手指关节32朝目标物料不同程度绕轴旋转，使柔性高摩擦系数材料的高摩擦系数橡胶面31更大面积接触物料。根据目标物料的形状特点，三个舵机24转动的角度可以分别调节，使三个线控连续体机械爪模块3弯曲角度各异，保证最大程度对目标物料的包裹夹取。

在放置目标物料时，线控柔性机械爪工作同样分为两步。第一步，三个舵机24分别驱使线轮25逆时针方向转动将内侧的镍钛合金丝34放松，同时将外侧的镍钛合金丝34收紧，使两侧的镍钛合金丝34均伸直，减少高摩擦系数橡胶面31与目标物料的接触面积。第二步，再次伺服电机模块110逆时针转动，通过联轴器111与曲柄滑块模块(与准备阶段相同的原理)，使三个舵机座23同时离心滑动，让高摩擦系数橡胶面31远离目标物料，完成放置物料工作。分两阶段放置目标物料，保证了物料放置时的稳定性。

本发明提供的一种线控柔性机械爪，使用曲柄滑块机构扩展了机械手爪的夹取范围，并在手指部分采用线驱动连续体机器人和高摩擦力橡胶面(提供刚度、高摩擦力和包覆能力)的设计，通过舵机旋转线轮拉伸线绳来驱动机械手爪手指部分弯曲包覆，既能灵活调整夹取范围，又能保证精准的夹持距离和夹持力度，拥有夹取范围广、易于控制、易形成有效包覆抓取、成本较低、效率较高的优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。