[发明专利]末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置

说明书

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种末端精确补偿直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人的发明为人类的生活带来了便利。在机器人的组成部分中，机器人手是其中最为灵巧的部件之一。各种各样的机器人手被开发出来帮助机器人完成各项任务。这些机器人的种类包括工业夹持器、灵巧手、特种手等。开发出能够抓取多种多样的物体，完成各种任务的机器人手一直是科学工作者的共同目标。

机器人手的研究开始以灵巧手为主，每个手指关节各设置电机，在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取。但是灵巧手成本较高，控制复杂，需要经常进行维护、抓持力较小，因此应用受到了极大地限制。现有的灵巧手关节电机(如电机、空气肌肉等)产生的驱动力较小，而灵巧手各指段的运动由灵巧手关节电机直接驱动，使得灵巧手负载能力较弱，这些使得灵巧手不能广泛的投入生产实践和日常生活中。

为了解决灵巧手的种种问题，欠驱动手被科学工作者开发出来。欠驱动手是电机数目少于关节自由度的机器人手。欠驱动机器人手理论较早有加拿大Laval大学提出，并设计出了一种经典的四连杆-弹簧结构的欠驱动机器人手。理论和实践证明，欠驱动机器人手由于电机较少，成本低、控制简单、结构紧凑、抓取力大，具有很高的应用价值。此后，大量关于欠驱动手的研究成果涌现，欠驱动手也被大量投入生产实践。

空间中的物体多种多样、大小不一，并且机器人手需要同时限制住物体的6个自由度才能成功抓持物体。为此，科学工作者提出了许多抓取模式。在机器人手抓取模式中，适应物体表面抓取是运用极为广泛的的一种。适应物体表面抓取主要采用手指表面对物体表面的作用力与物体受到的外力达到力学平衡的原理，使得物体静止，从而实现对物体的抓取。其对物体的作用力大小取决于物体与手指接触表面作用力和物体所受的外力等。由于不需要较大的摩擦力，适应物体表面抓取模式下各手指表面对物体表面的作用力可以大大降低，例如小于仅有两个平行手指的工业夹持器抓取物体时对物体表面的作用力。适应物体表面抓取也被称为强力抓取。

自适应抓取模式属于适应物体表面抓取模式。自适应抓取模式是指采用柔性关节或弹簧等部件使得机器人手指在抓取物体时各指段能够根据物体表面发生相对运动，达到自适应物体表面包络抓取物体效果的抓取模式。一些采用自适应抓取模式的手包括加拿大Laval大学开发的SARAH手和美国人Stark开发的Stark手等。

一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)已经被发明出来，包括基座、电机、中部指段、末端指段和带轮传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动弯曲抓取物体的效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处在于：手指只具有适应物体表面抓取模式，不具有平行夹持模式。平行夹持抓取模式(也称为末端平行捏持)是指：在抓取时，两个手指在近关节转动时末端指段始终保持相对于基座的初始姿态而达到相互平行的效果。对于放置在工作台面上的小尺寸物体，手指相对于物体表面积过大，难以形成自适应抓取，平行夹持是唯一的抓取方式，此外，不具有平行夹持模式的机器人手装置极难较好抓取小尺寸物体。

具有直线平动夹持的机器人手已经被发明出来，例如专利WO2016063314A1，包括若干连杆，一个夹持指段，电机组成。该装置能够实现夹持指段的直线平动，利用夹持指段的平行移动对不同大小的物体实现平行夹持的功能。其不足之处在于：该装置只能实现直线平行夹持功能，无法实现自适应包络抓取物体的功能。

现有的一种具有两种抓取模式的欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括多个连杆、弹簧、机械约束和电机等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置仅能实现圆弧平行夹持功能，无法实现直线平行夹持功能——该装置在平夹抓取阶段，其手指末端会在高度方向上发生变化，导致使用该装置在工作台上夹持不同尺寸的物体时，无法用同一个手掌的位置去实施多次抓取，必须要机器人臂部配合运动来调节机器人手的手掌位置，增加了编程难度，同时不利于高速抓取与操作，影响了机器人生产线的柔性。

发明内容