CN108789461B - 一种用于多足机器人的机械足爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于多足机器人的机械足爪，物理机械结构分为两部分：其一为机械足结构，其足底为半球体形式，其中间为3根起支撑作用的支撑杆，上方有放置电机的筒状体、可与腿部结构相连；其二为三指欠驱动连杆型机械手爪，其第一、二指节与第二、三指节之间均有扭簧。机械足与机械爪通过滑块与杆件的移动副约束构成一个整体，通过足爪结构切换实现抓取与支撑的功能切换。在物理机械结构的基础上搭建机械手爪的驱动系统，驱动系统为一个自带梯形丝杆的直线步进电机，电机由配套驱动器进行控制，电机驱动器接入220V转12V的变压器。

Description

一种用于多足机器人的机械足爪

技术领域

本发明属于机器人学与机构学等领域，涉及一种用于多足机器人的兼具机械手抓取与机械足支撑功能的机械足爪。

背景技术

地面移动机器人是一个高度综合的智能化机器系统，根据运动机构模式的不同，其大体可以分为轮式机器人、足式机器人、履带式机器人及其他仿生移动方式机器人等几类。其中，足式机器人由于自身较好的机动性、对地形优越的适应能力得到各国学者和工业界越来越多的重视。目前研制的多足机器人广泛应用于重物运输、火山与海底等地形复杂的地区探测以及教育娱乐等领域，但现有的多足步行机器人通常仅仅作为一种移动平台。

机械腿具有支撑行走的功能，机械臂具有抓取、搬运物件和操作工具的功能，功能虽不同但是结构上存在共同点，其均为关节型结构。自然界中，腿臂融合、手足复用的机制在灵长类动物中普遍存在。大部分灵长类动物仍保留四肢行走方式，其前肢发育成手臂，行走时当作腿支撑本体重量，抓取时当作臂操作，实现腿臂融合功能，拇指可与其它四指对握，实现手足复用功能。世界范围内的许多科研人员对多足机器人的移动操作开展研究，但许多具备移动操作功能的多足机器人仅仅通过配置特定的机械臂来完成作业。通过额外的机械臂来实现抓取物体的功能，这不仅增加了机器人的重量，还会因为机械足和机械臂的相互影响而减小机械手爪的工作空间。

通过机器人的手足融合设计，使末端执行器兼具机械足支撑行走和机械手抓取物体的功能，多足机器人的腿分支具备机械臂的操作功能，实现腿臂功能的复用，能有效改进这一缺陷，推动腿臂复用、手足融合的机器人实用化，扩大多足机器人应用领域，同时为机器人手 (爪)足复用的研究提供新的思路。

发明内容

针对上述问题，本发明仿照灵长类动物四肢运动机理，设计一种用于多足机器人的机械足爪，在传统多足机器人的足部结构基础上，添加机械手结构，并将二者进行有机结合，使两者融合为一个机械足爪整体。

本发明一种用于多足机器人的机械足爪，具有机械足与机械手；机械手采用为仿健驱动机制的连杆式欠驱动手指机构，包括驱动杆、中指节、远指节以及七根传动杆构成。令七根传动杆分别为主传动杆、近指节内侧传动杆、近指节外侧传动杆、中指节内侧传动杆与中指节外侧传动杆；其中，驱动杆输出端与主传动杆中间位置通过销轴铰接，主传动杆两端通过销轴分别与近指节内侧传动杆及近指节外侧传动杆的末端铰接；中指节为三角形结构，令其三个角分别为角a、角b与角c；则角a处通过销轴与近指节内侧传动杆前端及中指节内侧传动杆末端间铰接；角b处通过销轴与近指节外侧传动杆206的前端铰接；角c处通过销轴与中指节外侧传动杆末端铰接；角a处销轴上安装有第一扭簧，第一扭簧两端分别与近指节内侧传动杆及中指节内侧传动杆固定；同时中指节内侧传动杆与远指节铰接处销轴上安装有第二扭簧，第二扭簧两端分别与中指节内侧传动杆及远指节固定；中指节内侧传动杆与中指节外侧传动杆前端通过销轴分别与远指节末端设计的连接件铰接，且铰接位置相邻

上述机械手周向均布，安装于机械足外围；机械手通过在机械足上安装的驱动电机驱动周向三个机械手上下运动，同时驱动三个机械手的抓取动作。

本发明的优点在于：

1、本发明用于多足机器人的机械足爪，兼具机械手的抓取功能和机械足的支撑功能，无需安装额外的操作臂，结构相对简单而且质量也相对更轻。

2、本发明用于多足机器人的机械足爪，首创性地将机械足与欠驱动手指整合为一体结构，手足功能切换过程与手指抓取物体过程的工作自由度始终为一，而且两个过程可由一个电机驱动，控制更为简单。

附图说明

图1为本发明机械足爪的整体结构示意图；

图2为本发明机械足爪中机械足结构示意图；

图3为本发明机械足爪中机械足支撑杆固定方式示意图；

图4为本发明机械足爪中机械手结构示意图；

图5为本发明机械足爪保护壳结构示意图；

图6为本发明机械足爪处于机械足支撑状态时结构示意图；

图7为本发明机械足爪处于机械手抓取状态时结构示意图；

图8为本发明机械足爪完全抓取球体时状态示意图。

图中：

1-机械足 2-机械手 3-步进电机

4-上滑块 5-下滑块 101-足底

102-支撑杆 103-下固定件 103a-下凸耳

104-上固定件 104a-上凸耳 105-平凹孔

201-驱动杆 202-中指节 203-远指节

204-主传动杆 205-近指节内侧传动杆 206-近指节外侧传动杆

207-中指节内侧传动杆 208-中指节外侧传动杆 301-驱动丝杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明设计一种用于多足机器人的机械足爪，具有机械足1与机械手2，如图1所示。

所述机械足1包括足底101、支撑杆102、下固定件103与上固定件104四个部分，如图 2所示。其中，足底101下部为球弧面，与地面实现类球铰接触，承载面积相对较大，且能够保持机器人结构稳定性，使机器人适用各种复杂地形。足底101上部为平面，用于安装支撑杆102。支撑杆102为三根，竖直设置，周向均布，底端通过开槽盘头螺钉由足底101下方穿过足底101外缘设计的平凹孔105后与足底101固定，如图3所示。支撑杆102上端设计有连接台用来支撑下固定件103。下固定件103为平板结构，周向均匀设计有六个下凸耳103a，其中相间的三个下凸耳103a分别与三根支撑杆102上端连接台间贴合设置，另三个下凸耳 103a用于连接保护壳5。上固定件104为桶状结构，下端周向上设计有三个上凸耳104a，三个上凸耳104a分别与三个下凸耳103a间贴合设置；上端为法兰盘结构，用于与多足机器人的腿部进行连接。上述相互贴合的连接台、下凸耳103a与上凸耳104a间通过螺栓实现三者间的连接，同时实现三根支撑杆102间的相对位置固定。上固定件102内部用来放置步进电机3，步进电机3通过十字槽螺钉依次穿过下固定件102、上固定件103与步进电机3自带的 4～5mm螺纹孔螺纹连接，实现步进电机3的固定。同时步进电机3为自带梯形丝杆的直线步进电机，由配套电机驱动器进行控制，电机驱动器接入220V转12V的变压器；驱动丝杆301，驱动丝杆301穿过下固定件102、上固定件103的中心开孔，如图1所示。

所述机械手2为三只，周向均布于机械腿1外围，如图1所示。三只机械手2为仿健驱动机制的连杆式欠驱动手指机构，结构相同，包括驱动杆201、中指节202、远指节203以及七根传动杆构成。令七根传动杆分别为主传动杆204、近指节内侧传动杆205、近指节外侧传动杆206、中指节内侧传动杆207与中指节外侧传动杆208，如图4所示。

其中，驱动杆201输出端与主传动杆202中间位置通过销轴铰接，主传动杆202两端通过销轴分别与近指节内侧传动杆205及近指节外侧传动杆206的末端铰接。中指节为三角形结构，令其三个角分别为角a、角b与角c；则角a处通过销轴与近指节内侧传动杆205前端及中指节内侧传动杆207末端间铰接；角b处通过销轴与近指节外侧传动杆206的前端铰接；角c处通过销轴与中指节外侧传动杆208末端铰接。角a处销轴上安装有第一扭簧，第一扭簧两端分别与近指节内侧传动杆205及中指节内侧传动杆207固定；同时中指节内侧传动杆207与远指节203铰接处销轴上安装有第二扭簧，第二扭簧两端分别与中指节内侧传动杆207 及远指节203固定。中指节内侧传动杆207与中指节外侧传动杆208前端通过销轴分别与远指节末端设计的连接件铰接，且铰接位置相邻。由此，当驱动杆201在机械腿1周向上位置固定，且主传动杆204在机械足1周向及轴向位置固定时，控制驱动杆201向足底101方向运动，通过各个传动杆传动和扭簧的阻尼约束，使三只机械手2能够自适应地包络抓取物体。

上述近指节内侧传动杆205末端端部处设计有平面A，用来与中指节内侧传动杆207末端端面配合，实现近指节内侧传动杆205转动限位；同样，中指节内侧传动杆207前端端部设计有平面B，用来与远指节203末端端面配合，实现中指节内侧传动杆207转动限位。由此在机械手2开始运动时，通过平面A与平面B的限位作用，可使近指节内侧传动杆205与中指节内侧传动杆207同向旋转，如图4所示。

上述结构的三只机械手2通过上滑块4和下滑块5与机械足1相连，连接方式相同，如图1所示。上滑块4与下滑块5上周向具有三个开孔，用于三根支撑杆102穿过，使上滑块 4与下滑块5套于三根支撑杆102上。上滑块4与下滑块5周向上设计有三个铰接头；其中上滑块4上三个铰接头分别与三只机械手2中的驱动杆201输入端通过销轴铰接；下滑块5 上三个铰接头分别与三只机械手中近指节内侧传动杆205和中指节内侧传动杆207铰接处铰接，且三者间的铰接通过实现近指节内侧传动杆205和中指节内侧传动杆207铰接的销轴实现。上述上滑块4与下滑块之间通过周向设置的三个压缩弹簧，三个压缩弹簧分别套于三根支撑杆上，弹簧上下两端用AB胶分别与上滑块和下滑块粘接。上滑块4与下滑块5均配有周向均布的减重孔，三个减重孔位于供三个支撑杆102穿过的开孔之间。上述上滑块4中心开孔固定套接于步进电机自带丝杆上的螺母上；该丝杆还穿过下滑块5上设计的中心开孔。由此通过步进电机可驱动梯形丝杆转动，带动上滑块4上下方向运动。

上述保护壳5为筒状结构，套于整个机械足爪外部，周向均设有三个用于放置三只机械手的保护腔501，且顶面周向设计有三个连接台502，与下固定件103上三个用来连接保护壳 5的下凸耳103a通过螺栓连接固定，如图5所示。

初始时，三只手机械手2整体位于支撑杆102与保护壳5之间，步进电机自带丝杆上的螺母与下固定件102接触，如图6所示，此时机械足爪为机械足支撑状态。

手足开始切换时，在弹簧和扭簧的约束作用下，机械手2仅具有沿丝杆轴向的移动自由度，通过步进电机驱动机械手2整体向足底101滑移，直到下滑块3与足底101上部端接触，此时机械手2指完全伸出各自的保护腔501，步进电机转速减慢。下滑块3受到足底101与压缩弹簧的两个相对力，保持静止状态，此时机械足爪变为机械手状态，如图7所示。

在转换为机械手状态后，上滑块3继续向足底101滑移，对驱动杆201施加向足底101 方向的驱动力，在近指节内侧传动杆205与中指节内侧传动杆207时，三只机械手2分别绕各自与下滑块4间的铰接轴旋转；直至近指节内侧传动杆205与被抓取物体接触后，近指节内侧传动杆205不动，中指节内侧传动杆207与远指节203继续转动，依次与物体接触后，通过三只机械手2包络抓取物体，保持稳定抓持状态，如图8所示。

机械手2抓取物体放置于指定位置后，电机回转，松开抓取物体，手指在结构约束平面 A与平面B的作用下变为图7所示状态，此时此时，弹簧恢复初始长度，扭簧恢复为初始状态，平面A与平面B分别与对应侧面贴合，下滑块与足底上表面仍接触。在压缩弹簧的限制下，机械手再次以单一整体的形式向下固定件102方向滑移，直至步进电机自带丝杆上的螺母与下固定件102接触，步进电机3停转，机械足爪转变为初始状态。

Claims (4)

1.一种用于多足机器人的机械足爪，具有机械足与机械手；其特征在于：

机械手周向均布，安装于机械足外围；机械手通过在机械足上安装的驱动电机驱动周向三个机械手上下运动，同时驱动三个机械手的抓取动作；

机械手通过上下滑块实现与机械足连接；其中上滑块套于机械足上，上下位置由驱动电机驱动；下滑块套于机械足上，与上滑块间通过周向弹簧相连；三只机械手中的驱动杆与上滑块间铰接，下滑块上三个铰接头分别与三只机械手中第一指节铰接处铰接；同时，上滑块固定于驱动电机自带丝杆上的螺母上；由此，通过驱动电机带动丝杆转动，进而带动机械手沿机械足轴向移动；

初始时，当驱动电机自带丝杆上的螺母与下固定件接触，此时为机械足支撑状态；通过驱动电机驱动机械手向足底滑移，直到下滑块与足底上部端接触，此时为机械手状态；上滑块继续向足底滑移，实现机械手包络抓取物体。

2.如权利要求1所述一种用于多足机器人的机械足爪，其特征在于：所述机械足包括足底、支撑杆、下固定件与上固定件；支撑杆周向均设安装于足底上表面；上固定件、下固定件与支撑杆顶部由上至下连接固定；上固定件内部用来放置驱动电机。

3.如权利要求2所述一种用于多足机器人的机械足爪，其特征在于：所述足底下部为球弧面。

4.如权利要求1所述一种用于多足机器人的机械足爪，其特征在于：还具有保护壳，保护壳套于机械手外部，周向均设有三个用于放置三只机械手的保护腔。

Images