CN100551639C

CN100551639C - 齿条多关节高欠驱动机器人手指装置

Info

Publication number: CN100551639C
Application number: CNB2008100558991A
Authority: CN
Inventors: 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: CN101214657A

Abstract

齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，属于拟人机器人技术领域，包括基座、电机、减速器第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、至少2个中部指段、至少1个中关节轴、远关节轴和末端指段。该装置还包括至少2个主动齿轮、至少2个齿条、至少2个从动齿轮、至少2个簧件，簧件的两端分别连接相邻指段。该装置利用多对齿轮齿条机构、套接活动的多个中部指段及多个簧件所具有的解耦作用综合实现了多关节高欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，结构简单、可靠、成本低，与人手的手指相似，可作为机器人手指使用，以实现机器人手采用较少驱动器驱动较多关节自由度，并具有对所抓物体形状自适应性。

Description

齿条多关节高欠驱动机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。本发明提供的机器人拟人手指欠驱动装置能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。

已有的一种自适应欠驱动机械手装置，如美国发明专利US5762390A，包括第一指段、第二指段、第三指段、电机、带轮传动机构、丝杆传动机构、底座、连杆机构、弹簧第一指节、第二指节、第三指节与底座串联铰接在一起，并且两两之间设有弹簧和连杆相连，形成多个四连杆机构，电机、带轮传动机构、丝杆传动机构相串联设置在底座里。该装置由自身携带的电机驱动，由带轮传动机构、丝杆传动机构将电机的转动转化为连杆机构的运动。由于弹簧的作用，第一、第二、第三指节初始保持伸直状态。其工作原理为：电机转动，通过带轮传动机构和丝杆传动机构的运动，推动第一个四连杆机构运动，从而推动第一、第二、第三指节同时转动。当第一指节接触到物体时，第一指节不再转动，电机继续转动，设置在第一、二指节之间的弹簧开始变形，同时，第一个四连杆机构变形运动，从而推动第二、三指节继续转动。当第二指节也接触到物体，第二指节不再转动，电机继续转动，设置在第二、三指节之间的弹簧开始变形，同时推动第二个四连杆机构变形运动，从而推动第三指节继续转动，直到第三指节也接触物体为止。

该装置的不足之处为：多个连杆机构装置复杂体积大、制造成本高，手指外观与人手指有较大差异。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，结构简单、可靠，成本低，外形与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用，以实现机器人手采用较少驱动器驱动较多手指转动关节，需要较低的控制系统要求，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。

本发明采用如下技术方案：

一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、n个中部指段、n-1个中关节轴、远关节轴和末端指段；所说的电机和减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的第一齿轮固接，第一齿轮与所说的第二齿轮啮合，第二齿轮与所说的近关节轴固接，近关节轴套设在基座中，所说的第i个中关节轴套设在第i个中部指段中，所说的远关节轴套设在第n个中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该装置还包括n个主动齿轮、n个齿条n个从动齿轮和n个簧件；第1个中部指段套接在近关节轴上，第i+1个中部指段套接在第i个中关节轴上；所说的第1个主动齿轮套固在近关节轴上，所说的第i+1个主动齿轮套固在第i个中关节轴上；第i个从动齿轮套固在第i个中关节轴上，第n个从动齿轮套固在远关节轴上；第i个齿条镶嵌在第i个中部指段中，第n个齿条镶嵌在第n个中部指段中，第i个齿条同时与第i个主动齿轮和第i个从动齿轮啮合，第n个齿条同时与第n个主动齿轮和第n个从动齿轮啮合；第i个簧件的两端分别连接第i个中部指段和第i+1个中部指段；第n个簧件的两端分别连接第n个中部指段和末端指段；其中，n至少为2，i为1至n-1中的任意数。

本发明齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本发明齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：第j个簧件的弹力限制作用强于第j-1个簧件的弹力限制作用，j为2至中部指段个数中的任意数。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明装置利用多对齿轮齿条机构、套接活动的多个中部指段及多个簧件所具有的解耦作用综合实现了多关节高欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，并且结构简单、可靠、成本低，便于安装维护，与人的手指相似，体积小、重量轻，可以作为拟人机器人手的手指，以实现机器人手以较少驱动器驱动较多的转动关节，仅需要较低的控制系统要求，并具有抓取不同形状大小物体的很强的自适应性。

附图说明

图1是本发明提供的齿条多关节高欠驱动机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是本实施例的侧视外观图，也是图1的右侧视图。

图3是本实施例的正面剖视图，也是图1的剖视图。

图4是本实施例的侧面剖视图，也是图1的左侧剖视图。

图5是图4的A-A剖面图，主要显示第一中部指段、第一齿条的镶嵌位置关系。

图6是图4的B-B剖面图，主要显示第二中部指段、第二齿条的镶嵌位置关系。

图7是本实施例第一簧件与第一中部指段、第二中部指段、中关节轴的位置关系示意图。

图8是本实施例的第二簧件与第二中部指段、末端指段、远关节轴的位置关系示意图。

图9、图10、图11、图12、图17、图18、图19是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。

图13、图14、图15、图16是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面剖视示意图，分别也是图9、图10、图11、图12的剖视图。

在图1至图19中：

1-基座， 2-电机， 3-近关节轴，

4-第一中部指段， 5-中关节轴， 6-第二中部指段，

7-远关节轴， 8-末端指段， 9-第一主动齿轮，

10-第一齿条， 11-第一从动齿轮， 12-第一簧件，

13-第二主动齿轮， 14-第二齿条， 15-第二从动齿轮，

16-第二簧件， 17-减速器， 18-第一齿轮，

19-第二齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、n个中部指段、n-1个中关节轴、远关节轴和末端指段；所说的电机和减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的第一齿轮固接，第一齿轮与所说的第二齿轮啮合，第二齿轮与所说的近关节轴固接，近关节轴套设在基座中，所说的第i个中关节轴套设在第i个中部指段中，所说的远关节轴套设在第n个中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该装置还包括n个主动齿轮、n个齿条、n个从动齿轮和n个簧件；第1个中部指段套接在近关节轴上，第i+1个中部指段套接在第i个中关节轴上；所说的第1个主动齿轮套固在近关节轴上，所说的第i+1个主动齿轮套固在第i个中关节轴上；第i个从动齿轮套固在第i个中关节轴上，第n个从动齿轮套固在远关节轴上；第i个齿条镶嵌在第i个中部指段中，第n个齿条镶嵌在第n个中部指段中，第i个齿条同时与第i个主动齿轮和第i个从动齿轮啮合，第n个齿条同时与第n个主动齿轮和第n个从动齿轮啮合；第i个簧件的两端分别连接第i个中部指段和第i+1个中部指段；第n个簧件的两端分别连接第n个中部指段和末端指段；其中，n至少为2，i为1至n-1中的任意数。

以n为2举例说说。

本发明设计的一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，包括基座1、电机2、减速器17、第一齿轮18、第二齿轮19、近关节轴3、2个中部指段：即第一中部指段4和第二中部指段6、1个中关节轴：即中关节轴5、远关节轴7、末端指段8；所说的电机2和减速器17与基座1固接，电机2的输出轴与减速器17的输入轴相连，减速器17的输出轴与所说的第一齿轮18固接，第一齿轮18与所说的第二齿轮19啮合，第二齿轮19与所说的近关节轴3固接，近关节轴3套设在基座1中，所说的中关节轴5套设在第一中部指段4中，所说的远关节轴7套设在第二中部指段6中，所说的末端指段8套固在远关节轴7上；该装置包括2个主动齿轮：即第一主动齿轮9和第二主动齿轮13、2个齿条：即第一齿条10和第二齿条142个从动齿轮：即第一从动齿轮11和第二从动齿轮15、2个簧件：即第一簧件12和第二簧件16；第一中部指段4套接在近关节轴3上，第二中部指段6套接在第一中关节轴5上；所说的第一主动齿轮9套固在近关节轴3上，所说的第二个主动齿轮13套固在中关节轴5上；第一从动齿轮11套固在中关节轴5上，第二从动齿轮套固在远关节轴7上；第一齿条10镶嵌在第一中部指段中，如图5所示；第二齿条14镶嵌在第二中部指段中，如图6所示；第一齿条同时与第一主动齿轮9和第一从动齿轮11啮合，第二齿条14同时与第二主动齿轮13和第二从动齿轮15啮合；第一簧件12的两端分别连接第一中部指段4和第二中部指段6，第一簧件12的一端插入第一中部指段4中，另一端插入第二中部指段6中，如图6所示；第二簧件16的两端分别连接第二中部指段6和末端指段8，第二簧件16的一端插入第二中部指段6中，另一端插入末端指段8中，如图7所示。

本发明齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。

本实施例中，所说的簧件：即第一簧件12和第二簧件16采用扭簧。

本发明齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，第j个簧件的弹力限制作用强于第j-1个簧件的弹力限制作用，j为2至中部指段个数中的任意数。

所说的第二簧件的弹力限制作用强于第一簧件的弹力限制作用。

本实施例的工作原理，如图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19，叙述如下：

本实施例的初始状态如图9、图13所示，类似人的手指伸直状态。

当本实施例抓取物体时，电机2转动，带动减速器17转动，通过第一齿轮18带动与之啮合的第二齿轮19转动，与第二齿轮固接的近关节轴3转动，带动与其固接的第一主动齿轮9转动。由于第一簧件12、第二簧件16的共同限制作用，第一中部指段4、第二中部指段6和末端指段8仿佛一个“刚体”，因此第一主动齿轮9的转动将通过第一齿条10拉动第一中部指段4、第二中部指段6和末端指段8作为一个整体绕近关节轴3的轴线转动。此时会遇到三种情况：

(a)末端指段8碰到物体，如图19所示，抓取结束。

(b)第二中部指段6碰到物体，如图17所示，此时第一主动齿轮9继续转动，使第一齿条10在第一指段4中平移，第一从动齿轮11转动，依次通过中关节轴5、第二主动齿轮13、第二齿条14、第二从动齿轮15、远关节轴7的传动，将拉动末端指段8克服第二簧件16的变形弹力绕远关节轴7的轴线转动，此时第二簧件16发生变形，直到末端指段8接触到物体，如图17所示，抓取结束。

(c)第一中部指段4碰到物体，如图10、图14所示，由于第二簧件16的弹力限制作用强于第一簧件12的弹力限制作用，此时第一主动齿轮9继续转动，使第一齿条10在第一指段4中平移，第一从动齿轮11转动，依次通过中关节轴5、第二主动齿轮13、第二齿条14的传动，拉动第二中部指段6、末端指段8作为一个整体克服第一簧件12的变形弹力绕中关节轴5的轴线转动。若末端指段8碰到物体，则抓取结束；否则若第二中部指段6碰到物体，如图11、图15所示，此时第一主动齿轮9继续转动，依次通过第一齿条10、第一从动齿轮11、中关节轴5、第二主动齿轮13、第二齿条14、第二从动齿轮15、远关节轴7的传动，将拉动末端指段8克服第二簧件16的变形弹力绕远关节轴7的轴线转动，此时第二簧件16发生变形，直到末端指段8接触到物体，如图12、图16所示，抓取结束。

当放开物体时，电机2反转，带动减速器17反转，第一齿轮18反转，带动第二齿轮19、近关节轴3和第一主动齿轮9反转。通过第一齿条10拉动第一从动齿轮11、中关节轴5、第二主动齿轮13反转，通过第二齿条14拉动第二从动齿轮15、远关节轴7、末端指段8反转，同时第二簧件16的变形随之逐渐减小，此时末端指段8已经反转到其相对于第二中部指段6的初始伸直位置，如图11、15所示。由于在第二中部指段6的后背上方有凸台，此凸台将限制末端指段8反转时超过手指伸直的位置，起到一个限位作用，因此末端指段8受到第二中部指段6的阻挡不能再反向转动。此时第二主动齿轮13的转动，将拉动已经伸直的第二中部指段6和末端指段8作为一个整体一起绕中关节轴5的轴线反转，同时第一簧件12的变形随之逐渐减小，此时第二中部指段6已经反向转动到其相对于第一中部指段4的初始伸直位置，如图10、图14所示。由于在第一中部指段4的后背上方有凸台，此凸台将限制第二中部指段6反转时超过手指伸直的位置，起到一个限位作用，因此第二中部指段6受到第一中部指段4的阻挡不能再反向转动。此时第一主动齿轮9的转动，将拉动已经伸直的第一中部指段4、第二中部指段6、末端指段8作为一个整体一起绕近关节轴3的轴线反向转动，直到装置完全恢复到最开始的伸直位置，如图9、图13所示。

本发明利用多对齿轮齿条机构、套接活动的多个中部指段及多个簧件所具有的解耦作用综合实现了多关节高欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。

Claims

1、一种齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、n个中部指段、n-1个中关节轴、远关节轴和末端指段；所说的电机和减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的第一齿轮固接，第一齿轮与所说的第二齿轮啮合，第二齿轮与所说的近关节轴固接，近关节轴套设在基座中，第i个中关节轴套设在第i个中部指段中，所说的远关节轴套设在第n个中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上，其特征在于：该装置还包括n个主动齿轮、n个齿条、n个从动齿轮和n个簧件；第1个中部指段套接在近关节轴上，第i+1个中部指段套接在第i个中关节轴上；第1个主动齿轮套固在近关节轴上，第i+1个主动齿轮套固在第i个中关节轴上；第i个从动齿轮套固在第i个中关节轴上，第n个从动齿轮套固在远关节轴上；第i个齿条镶嵌在第i个中部指段中，第n个齿条镶嵌在第n个中部指段中，第i个齿条同时与第i个主动齿轮和第i个从动齿轮啮合，第n个齿条同时与第n个主动齿轮和第n个从动齿轮啮合；第i个簧件的两端分别连接第i个中部指段和第i+1个中部指段；第n个簧件的两端分别连接第n个中部指段和末端指段；其中，n至少为2，i为1至n-1中的任意数。

2、如权利要求1所述的齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。

3、如权利要求1或2所述的齿条多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：第j个簧件的弹力限制作用强于第j-1个簧件的弹力限制作用，j为2至中部指段个数中的任意数。