具有高精度夹持力传感器的夹持器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2019年8月21日提交的标题为“具有高精度夹持力传感器的夹持器”，序列号为16/547,116的美国专利申请、以及于2019年1月24日提交的标题为“具有高精度夹持力传感器的夹持器”，序列号为62/796,282的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用其整体而并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人及其夹持器。

背景技术

夹持器是机器人的一种重要的末端执行器。夹持器可用于抓取或释放外部物体。典型地，驱动部件(例如气缸)可用于驱动夹持器并在机器人的移动过程中提供用于保持该物体的恒力。但是，如果夹持器的力太强，则该外部物体可能会损坏。因此，对施加到该外部物体的力进行检测从而适当地调整驱动部件是重要的。

发明内容

本申请提供一种机器人的夹持器及机器人，以检测施加到被夹持器握持的物体上的力。在一个实施例中，提供一种机器人的夹持器，该夹持器包括壳体、可转动地连接到壳体的多个手指、以及多个连杆。每个连杆的第一端可连接到多个手指中相应的一个。夹持器可以还包括驱动组件，该驱动组件连接到每个连杆的第二端，并且被配置以驱动每个连杆的第二端沿移动方向移动，从而驱动多个手指转动。夹持器可以还包括测力组件，该测力组件连接到壳体和驱动组件，并且被配置以限制驱动组件沿移动方向的位置并检测来自驱动组件的力。

在另一实施例中，驱动组件包括：螺母，其连接到每个连杆的第二端；导螺杆，其穿过螺母并且与螺母相互连接；以及驱动部件，其连接到导螺杆，并且被配置以转动导螺杆，从而沿移动方向移动螺母和每个连杆的第二端。测力组件可连接到导螺杆和驱动部件中的至少一个。

在又一实施例中，测力组件包括：连接板，其可转动地连接到导螺杆，其中连接板在移动方向上与导螺杆固定；以及力传感器，其连接到壳体和连接板，并且被配置以检测由导螺杆施加到连接板上的轴向力。

在另一实施例中，连接板通过能够传递轴向力和径向力的滚动轴承连接到导螺杆。

在又一实施例中，力传感器包括张力传感器、压力传感器、以及张力和压力传感器中的一个或多个。

在另一实施例中，导螺杆的第一端可转动且可滑动地连接到壳体，以构成滑动枢转副，导螺杆的第二端可滑动地连接到驱动部件的从动端，以构成滑动副。

在另一实施例中，测力组件包括：连接板，驱动部件安装在连接板上；以及力传感器，其固定连接到壳体和连接板，并且被配置以检测由驱动部件施加到连接板上的轴向力。

在又一实施例中，驱动部件为马达。

在另一实施例中，驱动组件包括：支撑件，其连接到每个连杆的第二端；马达，其安装在支撑件上，其中，马达的从动端上设置有齿轮；以及齿条组件，其包括外壳和齿条。外壳可沿移动方向可滑动地连接到壳体，齿条可沿移动方向延伸并且可与齿轮啮合，测力组件可抵在外壳上，以限制外壳沿移动方向的位置。

在另一实施例中，提供一种用于抓取物体的夹持器，该夹持器包括：壳体；多个手指，其可转动地连接到壳体，其中，每个手指的一端延伸至壳体外侧，用于抓取物体。夹持器可以还包括：多个连杆，其中，每个连杆的第一端固定连接到多个手指中对应的一个；以及驱动组件，其连接到每个连杆的第二端，并且被配置以驱动每个连杆的第二端在第一方向上移动以聚拢手指，或在第二方向上移动以张开手指；以及测力组件，其连接到壳体和驱动组件，其中，测力组件被配置以在第一方向或第二方向上限制驱动组件的位置，并且当手指聚拢并抓取物体时检测来自驱动组件的反馈力。

在另一实施例中，驱动组件包括：螺母，其连接到每个连杆的第二端；导螺杆，其穿过螺母并且与螺母相互连接；以及马达，其连接到导螺杆，并且被配置以转动导螺杆，从而使螺母和每个连杆的第二端在第一方向或第二方向上移动。

在又一实施例中，测力组件包括：连接板，其通过能够传递轴向力和径向力的第一滚珠轴承连接到导螺杆；以及力传感器，其连接到壳体和连接板，并且被配置以检测由导螺杆施加到连接板上的反馈力。

在另一实施例中，导螺杆的第一端通过第二滚珠轴承连接到壳体，其中，第二滚珠轴承仅提供径向支撑；导螺杆的第二端可滑动地连接到马达的从动端，以构成滑动副。

在另一实施例中，导螺杆的第一端通过第一滚珠轴承连接到连接板；导螺杆的第二端可滑动地连接到马达的从动端，以构成滑动副。

在另一实施例中，提供一种适于抓取物体的机器人，该机器人包括：壳体；多个手指，其可转动地连接到壳体；多个连杆，其中，每个连杆的第一端固定连接到多个手指中相应的一个。机器人可以还包括：驱动组件，其连接到每个连杆的第二端，并且被配置以驱动每个连杆的第二端沿移动方向移动，从而驱动多个手指转动；以及测力组件，其连接到壳体和驱动组件，并且被配置以限制驱动组件沿移动方向的位置并且检测来自驱动组件的力。

在又一实施例中，驱动组件包括：螺母，其连接到每个连杆的第二端；导螺杆，其穿过螺母并且与螺母相互连接；以及驱动部件，其与导螺杆连接，并且被配置以转动导螺杆，从而沿移动方向移动螺母和每个连杆的第二端。测力组件可连接到选自导螺杆和驱动部件的组中的一个。

在另一实施例中，测力组件包括：连接板，其可转动地连接到导螺杆，其中，连接板在移动方向与所述导螺杆固定；以及力传感器，其连接到壳体和连接板，并且被配置以检测由导螺杆施加到连接板上的轴向力。

在另一实施例中，连接板通过能够传递轴向力和径向力的滚动轴承连接到导螺杆。

在又一实施例中，导螺杆的第一端可转动且可滑动地连接到壳体，以构成滑动枢转副，导螺杆的第二端可滑动地连接到驱动部件的从动端，以构成滑动副。

在又一实施例中，力传感器包括张力传感器、压力传感器、以及张力和压力传感器中的一个或多个，驱动部件为马达。

本文描述的特征和优点是未穷尽的，特别地，鉴于附图和描述，许多额外的特征和优点对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性目的所选择的，而并不限定所公开主题的范围。

附图说明

为了更清楚地解释本申请的实施例中的技术方案，下文将对实施例的描述中所使用的附图进行简洁的描述。以下描述中的附图仅为本申请的示例性实施例。对于本领域普通技术人员而言，也可在无需任何创造性劳动的情况下基于这些附图得到其他附图。

图1是根据本申请的示例性实施例的机器人的夹持器的结构图。

图2是根据本申请的示例性实施例的机器人的夹持器的一部分的透视图。

图3是根据本申请的示例性实施例的机器人的夹持器的结构图。

图4是根据本申请的示例性实施例的机器人的夹持器的结构图。

具体实施方式

现将参照附图和示例对本申请进行详细描述。所描述的实施例仅为本申请的一部分实施例，并非全部实施例。本领域普通技术人员在无需创造性劳动的情况下基于本发明的实施例得到的所有其他实施例均落入本发明的范围内。

图1是根据本申请的示例性实施例的机器人的夹持器100的结构图。夹持器100可包括壳体10、多个手指12、多个连杆14、驱动组件16、以及测力组件18。夹持器100可用作机器人，例如关节型机器人的末端执行器。夹持器100可与多个机械手臂连接，并且可具有多个运动自由度。机器人的手臂或其他部件的结构可参照相关技术，在此将不作讨论。

夹持器100的壳体10可由金属材料、非金属材料或复合材料(例如铝、铝合金、钢、碳纤维增强复合材料等)制成。壳体10可限定用于接纳其他部件的容纳空间(未示出)。壳体10可以是通过充分的手段(例如橡胶或类似密封体)实现的封闭或密封的结构，从而保护放置在壳体10内的部件免受水和灰尘的影响。

与壳体10相比，手指12可由相同或不同的材料制成，只要手指12具有用于抓取和保持外部物体120的足够的结构强度即可。每个手指12可以可转动地连接到壳体10。例如，手指12的一端可通过枢轴121连接到壳体10。因此，手指12的其他部分可绕枢轴121相对于壳体10转动。为实现抓取功能，手指12的数量可等于或大于两个。在图1所示的例子中，出于例示目的而仅示出两个手指12。

连杆14连接在驱动组件16与手指12之间。具体地，每个连杆14的第一端可固定连接至相应的手指12，以使连杆14可与手指12一致地转动。连杆141的第二端可与驱动组件16连接，并且驱动组件16可用于驱动每个连杆14的该第二端沿移动方向(即，如图1所示，在第一方向上或者在与该第一方向相反的第二方向上)移动。因此，连杆14的移动可引起手指12的移动。即，连杆14可将手指12的转动运动转换为驱动组件16沿既定移动方向的线性运动。应当理解，为实现该功能，连杆14可包括若干子杆。一个连杆14的子杆的数量可为两个以上，在本申请中不作限制(例如，替代实施方式可包括多于两个的子杆)。例如，在所绘示的实施例中，连杆14可包括第一子杆141和第二子杆142。第一子杆141的一端与手指12固定连接，而第一子杆14的另一端与第二子杆142的一端可转动连接。此外，第二子杆142的另一端可以可转动地连接到驱动组件16。因此，驱动组件16的该部分的线性运动可驱动第二子杆142和第一子杆141转动并且由此引起手指12的转动运动。驱动组件16可包括任何能够提供线性驱动力的驱动设备。例如，驱动组件16可包括马达、导螺杆和螺母、或者可包括马达、齿条和齿轮，或者驱动组件16可相当于气缸/液缸。驱动组件16的详细结构将在下文进一步讨论。

在一些实施例中，如图1所示，手指12可设置于壳体10的外侧，而连杆14可设置于壳体10的内侧。因此，手指12可用于抓取壳体10外侧的外部物体120，而连杆14和连接至连杆14的驱动组件16可庇护于壳体内。在这样的情况下，手指12和连杆14可通过枢轴121的延伸穿过壳体10的轴连接。枢轴121可被良好密封以防灰尘和水进入。在其他实施例中，如图4所示，手指32的一部分也可与连杆34一起设置于壳体30内侧。在这样的实施方式中，手指32的远离连杆34的端部可通过壳体30上的槽(未示出)伸出壳体30外侧，用于抓取外部物体。

测力组件18可同时连接至壳体10及驱动组件16。尽管图中未示出，但本领域普通技术人员应当理解，测力组件18可通过任何合适的方法安装在壳体10的内侧，例如通过焊接、夹紧或螺紧。测力组件18可用于在移动方向上限制驱动组件16的位置。由于驱动组件16可沿所述移动方向相对于壳体10自由移动，并且连杆14的第二端可在由驱动组件16提供的驱动力下沿所述移动方向移动，因此，施加到位于驱动组件16上的连杆14的第二端的、处于移动方向上的任何反作用力均被施加到测力组件18上。因此，通过检测该反作用力，测力组件18也可对由驱动组件16施加到连杆14的第二端的驱动力进行检测。因此，可基于力和/或力矩平衡原理计算出由手指12施加到外部物体120上的力。

根据本申请，由于驱动组件16连接到每个连杆14的第二端，而每个连杆14的第一端固定连接到夹持器100的一个手指12，因此夹持器100的手指12的转动可由驱动组件16驱动。此外，由于驱动组件16在每个连杆14的第二端的移动方向上被测力组件18限制，因此，测力组件18可检测来自驱动组件16的力。通过该力，可计算出夹持器10的握持力。这样的实施方式可用于确定施加到被握持物体120上的力，由此提高对于夹持器100及机器人的控制。

在一些实施例中，夹持器100的驱动组件16可包括螺母162、导螺杆164、以及驱动部件166。螺母162可以可转动地连接到每个连杆14的第二端。导螺杆164可穿过螺母162并且与螺母162相互连接。即，当导螺杆164转动时，螺母162在所述移动方向上移动，反之亦然。驱动部件166可连接到导螺杆164，并且被配置以转动导螺杆164，使得连杆14的第二端和螺母162可以能够沿所述移动方向移动。驱动部件166可为任何能够转动导螺杆164的装置，例如，驱动部件166可为马达。在该实施例中，测力组件18可连接到导螺杆164或驱动部件166中任一个。本领域普通技术人员应理解，为提高夹持器100的稳定性，当导螺杆164被连接到测力组件18时，驱动部件166可以可滑动地连接到壳体10，以组成沿所述移动方向的滑动副，反之亦然。

继续参照图1，在一些实施例中，测力组件18可包括连接板182和力传感器184。连接板182可通过例如能够传递径向力和轴向力的滚动轴承而可转动地连接到导螺杆164。因此，由螺母162施加到导螺杆164上的反作用力(即施加到导螺杆164上的轴向力)可通过滚动轴承传递至力传感器184，并且可被力传感器184测量。

在该实施例中，根据实际设计需要，力传感器184可以对应是张力传感器、压力传感器、或者张力和压力传感器。例如，在图1所示的实施例中，当导螺杆164驱动螺母162在第一方向上移动时，手指12可聚拢并且可抓取外部物体120。在该方案中，力传感器184可为压力传感器，该压力传感器设置在连接板182的下侧(如图1所示)，以支撑连接板182并阻挡连接板182继续在第一方向上移动。替代地，力传感器184可为张力传感器，该张力传感器设置于连接板182的上侧(未示出)，以牵拉连接板182并且也阻挡连接板182继续在第一方向上移动。

在一些实施例中，导螺杆164的第一端1641(例如图1所示的上端)可以可转动且可滑动地连接到壳体10，以构成滑动枢转副，例如，可以通过仅能传递径向力的滚动轴承。以此方式，壳体10或滚动轴承1641可以不限制导螺杆164的轴向位置，但仍可将导螺杆164固定在其径向位置。应当理解，在一些实施例中，连接板182可连接到导螺杆164的第一端1641，而非导螺杆164的中部。在这样的实施方式中，连接板182和力传感器184可被配置以为导螺杆164提供径向和轴向支撑，因此可省略仅传递径向力的滚动轴承。

在一些实施例中，如图1和图2所示，导螺杆164的第二端1642(例如图1所示的下端)可以可滑动地连接到驱动部件166的从动端1661，以构成滑动副。具体地，如图2所示，驱动部件166的从动端1661可限定槽(未标号)，该槽大致垂直于导螺杆164的轴向(即所述移动方向)延伸。导螺杆164的第二端1642可包括限位块(未标号)，该限位块与上述槽沿相同方向延伸。该限位块可被接纳在该槽中，并且可在某一范围内在导螺杆164的轴向上移动。但是，该限位块可以并不能相对于从动端1661转动。驱动部件166和限位块可因此驱动导螺杆164转动，而无需在导螺杆164的移动方向上支撑导螺杆164。

图3是根据本申请的另一个实施例的机器人的夹持器200的结构图。夹持器200可包括壳体20、多个手指22、多个连杆24、驱动组件26、以及测力组件28。驱动组件26可包括螺母262、导螺杆264、以及驱动部件266。测力组件28包括连接板283和力传感器284。夹持器200的结构类似于上述的夹持器100。但是，对于夹持器200，驱动部件266可安装在连接板282上并且被配置以检测由驱动部件266施加到连接板282上的轴向力。导螺杆264可通过能够传递轴向力的机构，例如推力轴承，连接到驱动部件266的从动端。因此，由螺母262施加到导螺杆264上的力可被传递至连接板282和力传感器284。因此，测力组件28的力传感器284可测量该力从而计算施加到外部物体上的力。

图4是根据本申请的另一实施例的机器人的夹持器300的结构图。与上述夹持器100或夹持器200类似地，该实施例的夹持器300可包括壳体30、多个手指32、以及多个连杆34。但是，夹持器300可以还包括驱动组件36和测力组件38。驱动组件36可包括支撑件362、马达364和齿条366。支撑件362可以固定地连接到每个连杆34的第二端。马达364可安装在支撑件362上，齿轮3642可设置在马达364的从动端上。齿条366可包括外壳3662以及布置在外壳3662上的齿条3664。外壳3662可沿连杆34的第二端的移动方向可滑动地连接到壳体30。齿条3664可以也沿所述移动方向延伸并且与齿轮3642啮合。此外，测力组件38可抵在外壳3662上，以限制外壳3662沿该移动方向的位置。在该实施例中，马达364可驱动齿轮3642转动。由于齿轮3642与布置在外壳3662上的齿条3664啮合，而外壳3662由测力组件38在所述移动方向上支撑，因此，齿轮3642可反过来驱动马达364和支撑件362沿连杆34的第二端的所述移动方向移动。因此，夹持器300的手指32可聚拢以保持外部物体，并且测力组件38可测量来自外壳3662的反馈力。

本申请还提供适于抓取物体的机器人。该机器人可包括一个或多个在上述任一实施例中所述的夹持器。

根据本申请，由于夹持器的驱动组件可连接到每个连杆的第二端，而每个连杆的第一端可固定连接到夹持器的一个手指，因此，可由驱动组件驱动夹持器的手指转动。此外，由于驱动组件在每个连杆的第二端的移动方向上被测力组件所限制，因此，测力组件可检测来自驱动组件的力。通过该力，可计算出夹持器的握持力。因此，本申请的该实施方式可用于确定施加在被握持物体上的力，这可改善机器人的控制。

本领域技术人员应理解，本申请中所公开的方法和所描述的程序的至少一子集可使用一个或多个计算机程序或部件来实施。这些部件可作为任何常规计算机可读介质或机器可读介质上的一系列计算机指令而提供，包括易失性存储器和非易失性存储器，如RAM、ROM、闪存、磁盘或光盘、光存储器、或其他存储介质。所述指令可作为软件或固件而提供，并且可在硬件部件(例如ASIC、FPGA、DSP、或任何其他类似器件)中被整体或部分地实施。所述指令可被配置以由一个或多个处理器执行，当执行这一系列计算机指令时，所述一个或多个处理器执行或促进所公开方法和程序的全部或部分性能。

前述内容仅为本申请的实施例，并不意在限制本申请的范围。任何使用本申请的说明书和附图的等同结构或等同过程的变形、或在其他相关技术领域的直接或间接应用，都同样包括在本申请的保护范围内。