CN100551640C - 腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

腱绳齿轮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、中部指段、远关节轴和末端指段。该装置还包括主动绳轮、过渡绳轮、过渡齿轮、过渡轴、第一腱绳、第二腱绳、从动齿轮和簧件。该装置利用齿轮和腱绳传动机构、套接活动的中部指段及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节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，便于安装维护，与人手指相似，体积小、重量轻，特别适合作为拟人机器人手的拇指或其他手指的一部分，以较少驱动器驱动较多的转动关节，自动适应抓取不同形状大小物体。

Description

腱绳齿轮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，特别涉及一种腱绳齿轮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，提供一种腱绳齿轮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。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的腱绳齿轮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、中部指段、远关节轴和末端指段；所说的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与第一齿轮固接，第一齿轮与第二齿轮相啮合，第二齿轮固接于近关节轴，所说的近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上，其特征在于：该腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置还包括主动绳轮、过渡绳轮、过渡齿轮、过渡轴、第一腱绳、第二腱绳、从动齿轮和簧件；所说的中部指段套接在近关节轴上；所说的主动绳轮套固在近关节轴上，所说的过渡轴套设在中部指段中，所说的过渡绳轮套固在过渡轴上，所说的从动齿轮套固在远关节轴上，所说的过渡齿轮套固在过渡轴上并与从动齿轮啮合，所说的第一腱绳缠绕在主动绳轮和过渡绳轮上并成“Z”字形，第一腱绳的两端分别与主动绳轮、过渡绳轮固接，所说的第二腱绳缠绕在主动绳轮和过渡绳轮上并成“S”字形，第二腱绳的两端分别与主动绳轮、过渡绳轮固接，第一腱绳和第二腱绳交叉成“8”字形，所说的簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。

本发明所述的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一腱绳两端分别固接有第一端块、第二端块，所说的第二腱绳两端分别固接有第三端块、第四端块；所说的第一端块镶嵌固定在主动绳轮的槽内，所说的第二端块镶嵌固定在过渡绳轮的槽内；所说的第三端块镶嵌固定在主动绳轮的槽内，所说的第四端块镶嵌固定在过渡绳轮的槽内。

本发明所述的腱绳齿轮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、橡皮筋或弹性绳。

本发明所述的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一腱绳采用钢丝，所说的第二腱绳采用钢丝。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用齿轮和腱绳传动机构、套接活动的中部指段及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节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，便于安装维护，与人的手指相似，体积小、重量轻，特别适合作为拟人机器人手的拇指或其他手指的一部分，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是本发明提供的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置的实施例的正面外观图。

图2是本实施例的侧视图，也是图1的左侧视图。

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2的剖视图。

图5是本实施例的簧件的安装位置示意图，也是图1的右侧视图的局部图。

图6、图7、图8、图12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9、图10、图11是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面剖视图，分别对应图6、图7、图8的剖视图。

在图1至图12中：

1-基座，                    2-电机，                 3-近关节轴，

4-中部指段，                5-远关节轴，             6-末端指段，

7-主动绳轮，                81-第一腱绳，            82-第二腱绳，

9-从动齿轮，

10-簧件，                   11-第一齿轮，            12-第二齿轮，

21-减速器，                 31-第一销钉，            32-第二销钉，

33-第三销钉，

41-第一端块，               42-第二端块，            43-第三端块，

44-第四端块，

51-过渡绳轮，               52-过渡齿轮，            53-过渡轴，

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的一种腱绳齿轮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所示，包括基座1、电机2、减速器21、第一齿轮11、第二齿轮12、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6；所说的电机2和减速器21均与基座1固接，电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连，减速器21的输出轴与第一齿轮11固接，第一齿轮11与第二齿轮12相啮合，第二齿轮12固接于近关节轴3，所说的近关节轴3套设在基座1中；所说的远关节轴5套设在中部指段4中，所说的末端指段6套固在远关节轴5上。该腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置还包括主动绳轮7、过渡绳轮51、过渡齿轮52、过渡轴53、第一腱绳81、第二腱绳82、从动齿轮9和簧件10；所说的中部指段4套接在近关节轴3上；所说的主动绳轮7通过第一销钉31套固在近关节轴3上，所说的过渡轴53套设在中部指段4中，所说的过渡绳轮51通过第二销钉32套固在过渡轴53上，所说的从动齿轮9通过第三销钉33套固在远关节轴5上，所说的过渡齿轮52套固在过渡轴53上并与从动齿轮啮合，所说的第一腱绳81缠绕在主动绳轮52和过渡绳轮51上并成“Z”字形，第一腱绳81的两端分别与主动绳轮52、过渡绳轮51固接，所说的第二腱绳82缠绕在主动绳轮52和过渡绳轮51上并成“S”字形，第二腱绳82的两端分别与主动绳轮52、过渡绳轮51固接，第一腱绳81和第二腱绳82交叉成“8”字形，所说的簧件10的两端分别连接中部指段4和末端指段6，簧件10的一端插入中部指段4中，另一端插入末端指段6中，如图5所示。

本实施例中，所说的第一腱绳81两端分别固接有第一端块41、第二端块42，所说的第二腱绳82两端分别固接有第三端块43、第四端块44；所说的第一端块41镶嵌固定在主动绳轮52的槽内，所说的第二端块42镶嵌固定在过渡绳轮51的槽内；所说的第三端块43镶嵌固定在主动绳轮52的槽内，所说的第四端块44镶嵌固定在过渡绳轮51的槽内。

本发明所述的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置中，所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、橡皮筋或弹性绳。

本实施例中，所说的簧件10采用扭簧。

本实施例中，所说的第一腱绳81采用钢丝，所说的第二腱绳82采用钢丝。

本实施例的工作原理，如图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，叙述如下：

该装置的初始位置如图6、图9所示，此时中部指段4和末端指段6与基座1呈一直线，即相当于人的手指伸直的状态。当使用装有本实施例的机器人手抓取物体时，电机2的输出轴转动，通过第一齿轮11带动固接有第二齿轮12的近关节轴3转动，使主动绳轮7转动。由于簧件10的约束作用，中部指段4与末端指段6仿佛固接在一起，因此主动绳轮7的转动将通过第二腱绳82、过渡绳轮51、过渡轴53、过渡齿轮52和从动齿轮9等的传动，优先使得中部指段4和末端指段6一起绕着近关节轴3转动，此过程直到中部指段4碰到物体，如图7、图10所示。

当中部指段4碰到物体被阻挡而无法继续旋转时，此时主动绳轮7的转动，通过第二腱绳82的拉动，将带动过渡绳轮51的转动，过渡轴53和过渡齿轮52转动，使从动齿轮9转动，从动齿轮9的转动方向与主动绳轮7的转动方向相同，使得远关节轴5转动，从而使末端指段6克服簧件10的弹力而转动，同时簧件10变形量增大。此过程直到末端指段6也碰到物体，如图8、图11所示。至此，本实施例装置抓紧了物体。

即使物体形状大小不同，该装置也能顺利包络物体。如果该装置中部指段4和末端指段6同时旋转时，末端指段6优先于中部指段4接触到物体表面，由于末端指段6受到中部指段4的阻挡而难以反转，因此该装置将不再运动而牢牢用末端指段抓紧物体，如图12所示。

当放开物体时，电机2反向转动，带动近关节轴3反转，带动主动绳轮7反转，通过第一腱绳81的拉动，使过渡绳轮51反转，使过渡轴53和过渡齿轮52反转，从而从动齿轮9反向转动，此时簧件10的变形量逐渐减小，末端指段6绕远关节轴5的轴线反转而离开物体表面，直到末端指段6已到达相对于中部指段4的伸直状态，如图7、图10所示。由于末端指段6被中部指段4阻挡而不能再继续反转，此时电机2继续反向转动，将带动整个中部指段4、远关节轴5、从动齿轮9和末端指段6一起绕着近关节轴3的轴线反向转动，中部指段4离开物体表面，直到恢复到初始手指伸直的位置，如图6、图9所示。

本发明利用齿轮和腱绳传动机构、套接活动的中部指段及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。

Claims (4)

1、一种腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器(21)、第一齿轮(11)、第二齿轮(12)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所说的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与第一齿轮固接，第一齿轮与第二齿轮相啮合，第二齿轮固接于近关节轴，所说的近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上，其特征在于：该腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置还包括主动绳轮(7)、过渡绳轮(51)、过渡齿轮(52)、过渡轴(53)、第一腱绳(81)、第二腱绳(82)、从动齿轮(9)和簧件(10)；所说的中部指段套接在近关节轴上；所说的主动绳轮套固在近关节轴上，所说的过渡轴套设在中部指段中，所说的过渡绳轮套固在过渡轴上，所说的从动齿轮套固在远关节轴上，所说的过渡齿轮套固在过渡轴上并与从动齿轮啮合，所说的第一腱绳缠绕在主动绳轮和过渡绳轮上并成“Z”字形，第一腱绳的两端分别与主动绳轮、过渡绳轮固接，所说的第二腱绳缠绕在主动绳轮和过渡绳轮上并成“S”字形，第二腱绳的两端分别与主动绳轮、过渡绳轮固接，第一腱绳和第二腱绳交叉成“8”字形，所说的簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。

2、如权利要求1所述的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一腱绳两端分别固接有第一端块(41)、第二端块(42)，所说的第二腱绳两端分别固接有第三端块(43)、第四端块(44)；所说的第一端块镶嵌固定在主动绳轮的槽内，所说的第二端块镶嵌固定在过渡绳轮的槽内；所说的第三端块镶嵌固定在主动绳轮的槽内，所说的第四端块镶嵌固定在过渡绳轮的槽内。

3、如权利要求1所述的腱绳齿轮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、片簧或弹性绳。

4、如权利要求1所述的腱绳齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一腱绳采用钢丝，所说的第二腱绳采用钢丝。

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