一种滑块式欠驱动三关节机械手的制作方法

本实用新型属于机械生产技术领域，具体涉及一种滑块式欠驱动三关节机械手。

背景技术：

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。本实用新型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。

技术实现要素：

本实用新型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，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。

本实用新型采用以下技术方案：

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°间隔设置在手指基座上。

具体的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

更进一步的，手指结构自由度f为三。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型公开了一种滑块式欠驱动三关节机械手，由步进电机作为动力源，通过滚珠丝杠和螺母的配合将旋转运动转化为直线运动。紧接着将作用力通过连杆传递给手指结构，最终实现手指的张开、闭合的动作。本机械手指分布均匀，因此抓取物体时受力均匀。滚珠丝杠形成的直线运动通过连杆能够更容易地满足手指结构中曲柄滑块机构的运动。

进一步的，传动过程中，移动板是与螺母连接，且移动板上有传递给三个手指作用力的辅助连杆。此时，滚珠丝杠转动，丝杠螺母与固定其上的移动板便会上下发生线性移动，带动辅助连杆发生运动，最后将作用力传递给三关节手指。辅助连杆的长度决定了丝杠螺母以及移动板的初始位置，也决定了手指张开的角度。

进一步的，三个滑块式欠驱动三关节机械手指结构按照120°分布设置，通过三关节手指根指端螺钉连接的方式将其固定在手指基座上。主要作用是使手指受力均匀。

进一步的，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。这样的结构设置是为了遵循最小阻力定律使得指节有序弯曲，也是为了实现机械手欠驱动结构的设计。

综上所述，本实用新型合理的利用了连杆机构以及滚珠丝杠将圆周运动转化为线性运动的特性。将两者有效地结合，设计出以滚珠丝杠为传动方式的机械手结构。再将欠驱动原理融入三关节手指中，不仅将最基本的机械原理有效地运用于机械结构设计中，还满足了机械手结构的设计要求和实际要求的需要。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型自适应欠驱动机械手机构示意图；

图2为本实用新型三指节不接触物体时的等效机构示意图；

图3为本实用新型近指节接触物体时的等效机构示意图；

图4为本实用新型近指节和中指节接触物体时的等效机构示意图；

图5为本实用新型机械手手指结构示意图；

图6为本实用新型整体结构示意图。

其中：1.第一连接杆；2.第二连接杆；3.第三连接杆；4.第四连接杆；5.第五连接杆；6.第六连接杆；7.第七连接杆；8.第八连接杆；9.近指节；10.中指节；11.远指节；12.第一弹簧；13.第二弹簧；14.第一滑块；15.第二滑块；16.固定板；17.步进电机；18.第一支撑杆；19.保持板；20.第二支撑杆；21.滚珠丝杠；22.丝杠螺母；23.移动板；24.辅助连杆；25.手指基座；26.滑块式欠驱动三关节机械手指结构。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，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”、“一侧”、“一端”、“一边”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

对称式双曲柄滑块机构中，双曲柄所处的位置非常类似数学中对奇函数的定义，所以本实用新型对它命名为奇对称双曲柄滑块机构。受到奇对称式双曲柄滑块机构的启发，本实用新型提供了一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构及机械手，采用偶对称双曲柄滑块机构，可用于手指机构的传动，并经过改进，设计出自适应欠驱动手指机构。

机械手能与被抓物体接触，自动适应被抓物体的表面形状，进而实现无损且可靠的抓取。本实用新型的手指，三个指节绕各自相应的关节都有一个转动自由度。因此，若手指的三个关节都有独立的驱动器，则手指的三个指节就可停留在任意给定的位置。但为了简化驱动及控制，该手指机构采用了可变约束，在中关节与末关节处添加了两个弹簧，对手指机构中关节和末关节处的两个自由度进行了可变约束，这样，该欠驱动手指机构在一个驱动器的作用下就能自适应抓取不同形状、大小的物体。

请参阅图1和图5，本实用新型一种滑块式欠驱动三关节机械手指结构，包括近指节9、中指节10和远指节11，近指节9、中指节10和远指节11依次连接，近指节9、中指节10、远指节11为手指的3个指节，近指节9经中指节10到远指节11依次设置有点a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l和m构成十三个旋转副，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14和近指节9、第二滑块15和远指节11处构成两个移动副，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构成十三个活动构件，手指自由度是三。

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。

手指中铰接点a处安装有唯一的驱动轴，直接驱动第一连接杆1，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。

由第一连接杆1把运动传递到其它连杆，由于弹簧力可变约束的设计，使得手指机构在工作时只能释放出1个自由度，所以一个驱动器可以驱动整个手指机构按照确定的规律运动，可变约束的设计还使得欠驱动手指机构可以对不同形状大小的物体进行自适应抓取。

采用合适的优化方法，手指厚度、抓持力及各关节相对转角都可达到在不同环境下给定的设计要求。

请参阅图6，滑块式欠驱动三关节机械手结构从下至上依次包括固定板16、保持板19、移动板23、手指基座25和滑块式欠驱动三关节机械手指结构26，固定板16与保持板19之间间隔设置有三个第一支撑杆18，保持板19和手指基座25之间间隔设置有三个第二支撑杆20，三个第二支撑杆20分别贯穿移动板23设置，移动板23上间隔设置有三个辅助连杆24，三个辅助连杆24的一端分别与滑块式欠驱动三关节机械手指结构26的第一连接杆1连接，三个滑块式欠驱动三关节机械手指结构26间隔设置在手指基座25上。

固定板16上设置有步进电机17，步进电机17的输出轴与滚珠丝杠21的一端连接，滚珠丝杠21的另一端依次贯穿保持板19和移动板23，滚珠丝杠21上设置有丝杠螺母22，丝杠螺母22与移动板23通过螺钉固定连接，用于带动移动板23在第二支撑杆20上直线移动。第二支撑杆20不仅支撑保持板19和手指基座25，还能够起着移动板23运动的导向作用。

三个滑块式欠驱动三关节机械手指结构26按照120°分布设置，通过三关节手指根指端螺钉连接的方式将其固定在手指基座25上。

整个手指抓取过程为：

安装在固定板16上的步进电机17驱动滚珠丝杠21转动，丝杠螺母22及其上的移动板23在长导向杆第二支撑杆20的导向作用下发生线性上下移动。此时移动板23上的辅助连杆24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26的第一连杆1。最终，手指将获得抓取的动力。从而能够实现抓取和放开物体的功能。

请参阅图2、图3、图4、图5，为滑块式欠驱动三关节手指抓取过程，添加可变约束后，手指机构工作时始终只有一个自由度，即只有一个工作自由度，只要在第一连接杆1上添加一个驱动，手指就可以进行自适应抓取。

手指的自适应抓取过程为等效机构的变换，可分为以下四步：

请参阅图2，第一步，近指节9、中指节10和远指节11不接触任何物体。

此时手指的三个指节近指节9、中指节10和远指节11没有受到接触力或接触力矩，手指机构有3个自由度，没有确定的运动规律，但第一弹簧12和第二弹簧13在没有受力时会保持原来的长度，没有产生形变量，弹簧此时看作是两个刚性连杆，使近指节9、中指节10处的移动副失效，整个欠驱动手指机构只有一个工作自由度，可以等效为一个刚体，在一个驱动作用下，手指就有确定的运动规律。手指在第一连接杆1的驱动下绕基关节a转动，直到近指节9接触物体后，可变约束状态发生改变。

请参阅图3，第二步，近指节9接触物体，而中指节10和远指节11不接触物体。

当近指节9接触物体停止后，看作和机架固连，手指机构被约束掉了一个自由度，但在驱动力的继续作用下，第一弹簧12受力而发生形变，近指节9与滑块14形成的移动副生效，释放一个自由度，手指机构仍只有一个工作自由度，具有确定的运动规律。由于中指节10没有受到接触力，所以第二弹簧13没有发生形变，中指节10和远指节11看作一个刚体，驱动第一连接杆1通过第六连接杆6使中指节10和远指节11一起绕铰接g点发生转动，直到中指节10接触到物体，可变约束状态才会再发生变化。

请参阅图4，第三步：近指节9和中指节10接触到物体，远指节11没有接触到物体。

中指节10接触到物体并停止转动后，近指节9和中指节10看作和机架固连，手指机构被约束掉一个自由度，但此时第二弹簧13开始受力发生变形，中指节10处的移动副生效，释放了一个自由度，手指机构仍只有一个工作自由度，远指节11绕铰接点k转动。

第四步：近指节9、中指节10及远指节11均接触到物体。

近指节9和中指节10停止转动，手指机构有一个自由度，在驱动力矩的作用下远指节11继续发生转动。当远指节11抓紧物体后，手指机构的3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。

手指在抓取过程中，各个关节的自由度是相对独立的。后一指节都是在前面的指节接触到物体停止转动时，才开始转动，因此，3个指节都可以根据物体的尺寸和形状，独立的停留在某一位置，具有各自的独立位姿。这些特点使得手指机构能够自动适应不同被抓持物体的形状和尺寸。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

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