本發(fā)明涉及機(jī)器人靈巧機(jī)械手，尤其涉及模塊化可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，靈巧機(jī)械手將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器以執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)，并在靈活度、通用性、感知能力和自由度等方面具有較大提升，不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，從而開展更加廣泛的作業(yè)，已被應(yīng)用于許多工業(yè)和制造領(lǐng)域中的自動化生產(chǎn)線和裝配過程中。在工業(yè)4.0時代，制造業(yè)正在面臨多樣化、定制化、不確定性等的特點(diǎn)，使得其需求波動也更加劇烈。傳統(tǒng)的批量化、剛性生產(chǎn)系統(tǒng)往往是為了一種或幾種產(chǎn)品專門設(shè)計(jì)的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大多采用剛性化的設(shè)計(jì)和部署，一旦需要生產(chǎn)新的產(chǎn)品或調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，就需要進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備和工藝調(diào)整，這通常需要耗費(fèi)大量的時間和資源，這種剛性化的生產(chǎn)系統(tǒng)無法快速適應(yīng)市場變化和消費(fèi)者的個性化需求，限制了企業(yè)的靈活性和競爭力，這就需要采用可重構(gòu)制造的方式，通過靈活的組合和更新模塊、設(shè)備和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的快速調(diào)整和定制化生產(chǎn)。

2、可重構(gòu)制造是一種具備快速重組和更新能力的制造方式，可以及時調(diào)整其結(jié)構(gòu)和組成單元，其核心技術(shù)是系統(tǒng)的可重構(gòu)性，通過對制造設(shè)備、功能模塊或相關(guān)組件進(jìn)行重新組合、替換、剪裁、嵌套和創(chuàng)新等操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重新配置、更新過程、功能轉(zhuǎn)換或產(chǎn)量調(diào)整，以滿足市場及任務(wù)多樣化的需求。隨著市場對個性化產(chǎn)品需求的不斷增加，靈巧機(jī)械手的可重構(gòu)性將逐步能夠支持定制化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)線的靈活性和適應(yīng)性。因此，靈巧機(jī)械手的可重構(gòu)性同樣在工業(yè)領(lǐng)域具有十分重要的意義，可重構(gòu)性使得靈巧機(jī)械手能夠重新配置以調(diào)整其結(jié)構(gòu)和功能，通過模塊化設(shè)計(jì)和配置的方式，實(shí)現(xiàn)快速的系統(tǒng)調(diào)整和重組，從而適應(yīng)不同的任務(wù)和工作環(huán)境的變化，包括不同物體的抓取、搬運(yùn)、裝配等操作，這種靈活性使得靈巧機(jī)械手能夠適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和靈活性，減少了生產(chǎn)周期和系統(tǒng)升級改造的成本。部件模塊化設(shè)計(jì)對于開發(fā)和維護(hù)靈巧機(jī)械手系統(tǒng)同樣非常重要，模塊化允許機(jī)器人系統(tǒng)輕松添加或更換功能，當(dāng)某個部分需要維護(hù)或升級時，可以單獨(dú)對該模塊進(jìn)行操作，而無需干預(yù)整個系統(tǒng)，并有助于快速診斷問題所在。此外，模塊化設(shè)計(jì)通常伴隨著部件的標(biāo)準(zhǔn)化，使得不同供應(yīng)商生產(chǎn)的相同功能模塊可以互相替換，提高了組件的可獲取性。通過將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成相對簡單的子系統(tǒng)，降低了整體的設(shè)計(jì)難度，并有利于各個模塊的優(yōu)化。

3、綜上所述，靈巧機(jī)械手的模塊化與可重構(gòu)性能夠幫助其適應(yīng)多樣化任務(wù)、提高生產(chǎn)效率、降低部署和調(diào)整成本，并支持定制化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和靈活性，滿足不斷變化的市場需求。鑒于此，本發(fā)明提出了模塊化可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)包括多個可重構(gòu)模塊，通過配置和組合這些模塊，以欠驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)對于每個手指中不同關(guān)節(jié)彎曲角度的獨(dú)立調(diào)節(jié)及安全柔性夾取，只需單個電機(jī)即可滿足靈巧機(jī)械手手指內(nèi)不同關(guān)節(jié)的角度自由配比及構(gòu)型變化，從而滿足不同類型工件的多種作業(yè)需求。相比于傳統(tǒng)的欠驅(qū)動或全驅(qū)動的靈巧機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備降低驅(qū)動單元數(shù)量、節(jié)省手掌內(nèi)部空間、減輕手部重量、節(jié)約制造成本等的優(yōu)勢，同時具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣和資源利用效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于未來多種機(jī)器人應(yīng)用場景及其他工業(yè)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對靈巧機(jī)械手可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度對于提高制造系統(tǒng)的通用性、靈活性、適應(yīng)性和資源利用效率等的現(xiàn)實(shí)意義，提出了一種模塊化可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種模塊化可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，機(jī)械手中每根手指至少包括：與掌指關(guān)節(jié)處相連的第一指節(jié)及與指間關(guān)節(jié)處相連的第二指節(jié)；每根手指具有獨(dú)立的控制傳動組件，包括：電機(jī)、可變傳動單元、掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、及指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元；所述可變傳動單元與電機(jī)的輸出端、掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元分別相連，通過可變傳動單元的狀態(tài)切換控制電機(jī)的輸出力傳遞至掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元以實(shí)現(xiàn)第一指節(jié)的角度調(diào)節(jié)或傳遞至指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元以實(shí)現(xiàn)第二指節(jié)的角度調(diào)節(jié)。

4、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述的可變傳動單元包括磁吸模塊和花鍵模塊，磁吸模塊帶動花鍵模塊與掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元嚙合、與指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元脫離嚙合時，電機(jī)驅(qū)動掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元調(diào)節(jié)第一指節(jié)的角度，當(dāng)磁吸模塊帶動花鍵模塊與指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元嚙合、與掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元脫離嚙合時，電機(jī)驅(qū)動指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元調(diào)節(jié)第二指節(jié)的角度。

5、進(jìn)一步地，具體的，所述的可變傳動單元包括第一直齒輪、第二直齒輪、花鍵模塊、磁吸模塊、第一連接桿、第二連接桿；其中，第一連接桿一端與電機(jī)輸出軸固定連接，第一直齒輪軸向套在第一連接桿上且二者可相對自由轉(zhuǎn)動，第一直齒輪端面設(shè)有花鍵，花鍵模塊軸向套在第一連接桿另一端上二者之間設(shè)有軸向平鍵，花鍵模塊兩端端面分別設(shè)有花鍵，掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的端面也設(shè)有花鍵，第二連接桿與指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元固定連接，第二直齒輪軸向固定在第二連接桿上，且第一直齒輪與第二直齒輪嚙合；所述磁吸模塊用于控制花鍵模塊沿第一連接桿及軸向平鍵在第一直齒輪花鍵端面與掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的花鍵端面之間移動，從而使花鍵模塊一端與第一直齒輪端面花鍵嚙合或使花鍵模塊另一端與掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的端面花鍵嚙合。

6、進(jìn)一步地，所述的掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第一蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其中第一蝸桿一端部設(shè)置有花鍵用于與可變傳動單元中花鍵模塊連接，第一蝸輪作為掌指關(guān)節(jié)其蝸輪軸與第一指節(jié)的下端固定連接。

7、進(jìn)一步地，所述的指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第二蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)，其中第二蝸桿的一端與可變傳動單元中第二連接桿同軸固定連接，第二蝸輪與齒輪齒條機(jī)構(gòu)中齒輪同軸固定，齒條上端與第二指節(jié)下端鉸接，第二指節(jié)下端與第一指節(jié)上端也鉸接，形成指間關(guān)節(jié)；所述指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元還包括齒條定位塊，用于限制齒條的運(yùn)動方向和嚙合中心距，確保齒條不發(fā)生轉(zhuǎn)動和側(cè)移以保證齒條齒輪始終有效嚙合。

8、進(jìn)一步地，所述的指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第二蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、同步帶機(jī)構(gòu)、及齒輪機(jī)構(gòu)，其中第二蝸桿的一端與可變傳動單元中第二連接桿同軸固定連接，第二蝸輪與同步帶機(jī)構(gòu)中第一同步帶輪同軸固定，第二同步帶輪與齒輪機(jī)構(gòu)中的第一齒輪同軸固定，齒輪機(jī)構(gòu)中的第二齒輪的齒輪軸與第二指節(jié)的下端鉸接，形成指間關(guān)節(jié)。

9、對應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種模塊化可重構(gòu)關(guān)節(jié)角度的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)，機(jī)械手中每根手指至少包括：與掌指關(guān)節(jié)處相連的第一指節(jié)及與指間關(guān)節(jié)處相連的第二指節(jié)；每根手指具有獨(dú)立的控制傳動組件，包括：電機(jī)、可變傳動單元、掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、及指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元；所述的可變傳動單元包括第一直齒輪、第二直齒輪、花鍵模塊、磁吸模塊、第一連接桿、第二連接桿；其中，第一連接桿一端與電機(jī)輸出軸固定連接，第一直齒輪軸向套在第一連接桿上且二者可相對自由轉(zhuǎn)動，第一直齒輪端面設(shè)有花鍵，花鍵模塊軸向套在第一連接桿另一端上且花鍵模塊與第一連接桿之間設(shè)有軸向平鍵，花鍵模塊兩端端面分別設(shè)有花鍵，掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的端面也設(shè)有花鍵，第二連接桿與指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元固定連接，第二直齒輪軸向固定在第二連接桿上，且第一直齒輪與第二直齒輪嚙合；所述磁吸模塊用于控制花鍵模塊沿第一連接桿及軸向平鍵移動從而使花鍵模塊一端與第一直齒輪端面花鍵嚙合或使花鍵模塊另一端與掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的端面花鍵嚙合。

10、進(jìn)一步地，所述的掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第一蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其中第一蝸桿的一端部設(shè)置有花鍵，用于與可變傳動單元中的花鍵模塊嚙合連接，第一蝸輪作為掌指關(guān)節(jié)其蝸輪軸與第一指節(jié)的下端固定連接，從而電機(jī)轉(zhuǎn)動時即可帶動掌指關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動。

11、所述的指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第二蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)，其中第二蝸桿的一端與可變傳動單元中的第二連接桿同軸固定連接，第二蝸輪與齒輪齒條機(jī)構(gòu)中齒輪同軸固定，齒條上端與第二指節(jié)下端鉸接，第二指節(jié)下端與第一指節(jié)上端也鉸接，形成指間關(guān)節(jié)。

12、所述的指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元包括第二蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、同步帶機(jī)構(gòu)、及齒輪機(jī)構(gòu)，其中第二蝸桿的一端與可變傳動單元中的第二連接桿同軸固定連接，第二蝸輪與同步帶機(jī)構(gòu)中第一同步帶輪同軸固定，第二同步帶輪與齒輪機(jī)構(gòu)中的第一齒輪同軸固定，齒輪機(jī)構(gòu)中的第二齒輪的齒輪軸與第二指節(jié)的下端鉸接，形成指間關(guān)節(jié)。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)多指靈巧機(jī)械手指不同關(guān)節(jié)間角度的靈活控制，從而達(dá)到自由調(diào)節(jié)每個手指不同關(guān)節(jié)彎曲量的目的，以靈活適應(yīng)不同形狀、尺寸的目標(biāo)物體，大大拓展多指靈巧機(jī)械手的應(yīng)用場景及對象。同時，模塊化的設(shè)計(jì)思路，能夠大大節(jié)約時間，簡化了系統(tǒng)的維護(hù)過程并降低了整體的維護(hù)成本。

15、本發(fā)明所提供的多指靈巧機(jī)械手系統(tǒng)，主要通過利用蝸輪蝸桿、磁吸模塊和花鍵模塊、齒輪齒條或同步帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單個電機(jī)對于每個手指的第一關(guān)節(jié)(即掌指關(guān)節(jié))和第二關(guān)節(jié)(即指間關(guān)節(jié))的獨(dú)立角度調(diào)節(jié)，尤其是內(nèi)部的磁吸模塊可以通過嚙合和脫離嚙合的功能來實(shí)現(xiàn)對不同手指關(guān)節(jié)的靈活控制及角度自由調(diào)節(jié)，當(dāng)磁吸模塊帶動花鍵模塊與控制第一關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元(即掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動單元)嚙合，與控制第二關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元(即指間關(guān)節(jié)驅(qū)動單元)脫離嚙合時，電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿開始調(diào)節(jié)第一關(guān)節(jié)的角度，當(dāng)磁吸模塊帶動花鍵模塊與控制第二關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元嚙合，與控制第一關(guān)節(jié)的驅(qū)動單元脫離嚙合時，電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿開始調(diào)節(jié)第二關(guān)節(jié)的角度，手指中不同關(guān)節(jié)之間的角度調(diào)節(jié)獨(dú)立而不耦合，從而更好地滿足不同類型工件的作業(yè)需求。

16、此外，本發(fā)明的各關(guān)節(jié)中還可結(jié)合連桿中間的彈簧伸縮模塊實(shí)現(xiàn)手指夾取力的被動柔性，避免因夾取力過大造成的手指或者工件的損壞，實(shí)現(xiàn)更加安全的操作。此外，在設(shè)計(jì)過程中，還需要綜合考慮材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析等因素，以保證靈巧機(jī)械手關(guān)節(jié)角度可重構(gòu)的性能和效果。