CN101007405A - 机器人拟人手欠驱动多指装置 - Google Patents

Abstract

机器人拟人手欠驱动多指装置，属于拟人机器人技术领域。包括手掌，至少2个手指，关节轴和驱动装置，其特征在于：该装置还包括至少1个簧件，簧件套接于关节轴上，每个手指并排套接在关节轴上，簧件与手指配套使用，配有簧件的手指通过簧件与关节轴连接，所述簧件的两端分别连接在关节轴与对应手指上，其余的手指与关节轴固连；所述关节轴设置在手掌上，该关节轴的输入端与驱动装置的输出轴相连接。该装置可以作为机器人拟人手的手指根部关节，以较少的电机驱动器实现机器人拟人手抓取物体时多个手指的转动，自适应于不同形状和尺寸的物体，同时产生不同的抓取力，装置结构紧凑、简单、可靠、美观、易于封闭防尘，仅需较低的控制系统要求。

Description

机器人拟人手欠驱动多指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种机器人拟人手欠驱动多指装置结构设计。

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。设计欠驱动多指装置能够更好的实现以较少的驱动器驱动较多的关节自由度，同时兼顾具有抓取不同形状、尺寸物体的自适应性。另外，机器人拟人手还需要有较强的拟人特点，即外观应接近人手，这样就要求，机器人拟人手应具有多个手指。因而设计机器人拟人手欠驱动多指装置具有非常重要意义。

已有的一种欠驱动机械手指装置，如美国发明专利US5762390，包括第一指节、第二指节、第三指节、电机、带轮传动机构、丝杠传动机构、底座、连杆机构、弹簧。第一指节、第二指节、第三指节与底座串连绞接在一起，并且两两之间设有弹簧和连杆相连，形成3个四连杆机构，电机、带轮传动机构、丝杠传动机构相串连设置在底座里。该装置由自身携带的电机驱动，由带轮传动机构、丝杠传动机构将电机的转动转化为连杆机构的运动。其工作原理为：电机转动，通过带轮传动机构和丝杠传动机构的运动，推动第一个四连杆机构运动，从而推动第一、二、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，推动第一、二2个四连杆机构运动，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，推动第一、二、三3个四连杆机构运动，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。

已有的一种欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN02103731.0，包括第一指节、主动板、第二指节、欠驱动关节。外力使主动板绕欠驱动关节轴转动，由多级齿轮增速机构实现第二指节大幅度转动后扣紧物体。

已有的一种欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN02153489.6，包括第一指节、欠驱动关节和第二指节。该欠驱动关节含有一个带齿条的主动滑块、齿轮轴等。外力使主动滑板在第一指节中滑动，由齿条齿轮机构实现第二指节的大幅度转动后扣紧物体。

上述欠驱动装置的不足之处为：这些装置均考虑的是如何利用较少驱动器实现驱动单个手指上的较多关节自由度的欠驱动功能，而未能考虑如何利用较少驱动器实现驱动多个手指的欠驱动功能。因而这些装置比较适合用于一个手指上的多个关节，而不适合用于手掌与多个手指的根部关节。

已有的一种机器人拟人多指手装置，如中国发明专利CN02153490.X，包括手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指、拇指根部关节、四指根部关节。食指、中指、无名指和小指分别套接在同一个四指根部关节上与手掌相连。其四指根部关节包括电机、减速器、传动机构、关节轴、食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧。关节轴套设于手掌与食指、中指、无名指、小指的根部指节之间，电机、减速器和传动机构设置在手掌中，食指片簧、中指片簧、无名指片簧、小指片簧的一端分别与关节轴固接，其另一端分别插入食指、中指、无名指和小指的根部指节。

该装置由与轴固接的拨块和一端固接于拨块一端悬空的片簧组成，其不足之处为：该片簧必须插入各手指根部指节较长距离，以满足当该关节转动使手指接触物体，继续转动电机使片簧弯曲后，片簧悬空一端不至于脱离手指根部，各手指根部必须中空且较厚，从而有较大的空间满足片簧的弯曲。因而该装置不利于手指根部内存放手指关节驱动电机或其他部件，也不利于根部关节的封闭防尘和美观。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种机器人拟人手欠驱动多指装置，该装置可以作为机器人拟人手的手指根部关节，用于以较少的驱动装置实现机器人拟人手抓取物体时多个手指(如食指、中指、无名指、小指)的转动，自适应于不同形状和尺寸的物体，同时产生不同的抓取力。

本发明的另一目的是使该装置结构紧凑、简单、可靠，仅需较低的控制系统要求，不过多占用各手指内部空间，也有利于将关节封装起来防尘且美观。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的机器人拟人手欠驱动多指装置，包括手掌，至少2个手指，关节轴和驱动装置，其特征在于：该装置还包括至少1个簧件，簧件套接于关节轴上，每个手指并排套接在关节轴上，簧件与手指配套使用，配有簧件的手指通过簧件与关节轴连接，所述簧件的两端分别连接在关节轴与对应手指上，其余的手指与关节轴固连；所述关节轴设置在手掌上，该关节轴的输入端与驱动装置的输出轴相连接；所说的簧件采用扭簧、皮筋或带弹力的绳索。

本发明所述簧件的个数与手指的个数一一对应。

本发明所述的手指由多个指节、关节部件组成。

本发明所述的手掌为中空结构，所述的驱动装置放置于手掌中；所述驱动装置采用电机，电机输出轴通过传动机构与关节轴连接。所述的传动机构可以采用齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动、蜗轮蜗杆传动或齿轮齿条传动。

本发明所述的驱动装置设置在手掌的外部；所述驱动装置采用电机，电机输出轴通过减速器直接与关节轴连接。

本发明所述驱动装置的输出轴上设有编码器或测速发电机，以实现速度、位置的闭环反馈控制。

本发明所述的手指可采用滑动轴承或滚动轴承套接于关节轴上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置以单个的驱动器实现机器人拟人手抓取物体时多个手指(如食指、中指、无名指、小指)的转动，自适应于不同形状和尺寸的物体，同时产生不同的抓取力；该装置可以作为机器人拟人手的手指根部关节，装置结构的主要部件均围绕关节轴设置，结构紧凑、简单、可靠、美观、易于封闭防尘，仅需较低的控制系统要求。

附图说明

图1是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置的一种实施例的正面外观图(图2的A-A剖面图)。

图2是图1的侧面外观图。

图3是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置抓取圆柱物体时的示意图。

图4是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置抓取圆锥物体时的示意图。

图5是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置的另一种实施例的正面外观图。

图6是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置的又一种实施例的正面外观图。

在图1至图6中：

1-手掌，

11-手掌骨架，12-手掌支撑板，13-齿轮箱盖板，

14-第一滑动轴承；

2-手指，

21-食指， 22-中指，23-无名指，24-小指；

3-多指欠驱动关节，

31-编码器，32-电机，33-减速器，34-小齿轮，35-紧定螺钉，

36-关节轴，371-簧件，372-圆锥销钉

38-电位器，39-套筒，310-第二滑动轴承，311-轴档；

4-拇指；

5-所抓持的物体；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、具体实施方式做详细描述：

图1是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置的一个实施例的结构示意图。主要包括手掌1、电机32、关节轴36、4个手指(食指21、中指22、无名指23、小指24)和4个簧件371，簧件的个数与手指的个数一一对应。簧件采用扭簧，也可采用皮筋或带弹力绳索。扭簧套接于关节轴36上，扭簧的一端连接在关节轴36上，另一端连接在所对应的手指上；4个手指并排套接在关节轴36上；4个手指(食指21、中指22、无名指23、小指24)分别通过第二滑动轴承310与关节轴36连接，以便于减小滑动摩擦阻力，每个手指分别在关节轴36上被套筒39和轴档311进行轴向限位。

所述关节轴的两端通过第一滑动轴承14设置在手掌1上。手掌1为中空结构，驱动装置放置于手掌中；所述驱动装置采用电机32，电机输出轴通过传动机构与关节轴连接。传动机构可以采用齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动、蜗轮蜗杆传动或齿轮齿条传动。本实施例的传动机构由减速器33、小齿轮34和紧定螺钉35组成。电机32连接到减速器33，减速器33的输出轴通过紧定螺钉35与小齿轮34固接。小齿轮34与关节轴36一端的齿轮啮合传动。电机也可以设置在手掌的外部，电机的输出轴可通过减速器直接与关节轴连接。

本发明所述驱动装置的输出轴上设有编码器31或测速发电机，以实现速度、位置的闭环反馈控制。在关节轴的末端还设有电位器38。

图5是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置的另一实施例的结构示意图，在本实施例中簧件的个数小于手指的个数。簧件与手指配套使用，配有簧件的手指(食指21、无名指23、小指24)通过簧件371与关节轴36连接，簧件的两端分别连接在关节轴36与对应手指上，其余的手指(中指22)通过圆锥销钉375与关节轴36固连。其余连接结构与实施例1相同。

图6是本发明提供的机器人拟人手欠驱动多指装置又一种实施例的结构示意图，在本实施例中并排连接的4个手指(食指21、中指22、无名指23、小指24)由多个指节、关节部件组成，拇指4独立驱动。其余连接结构与实施例1相同。

下面结合图3和图4说明本发明的工作过程：

如图3所示，当机器人拟人手抓取物体时，通过电机32的输出轴转动，带动关节轴36转动，一端连接到关节轴的多个扭簧也转动，从而带动其另一端所连接的手指转动，直到各手指均接触物体，然后关节轴36继续转动一个小角度，使各扭簧适当变形，此时停止电机，这些扭簧的变形弹力使手指对物体保持一定的抓取力。

如图4所示，如果在关节轴36转动中，某个手指先接触物体后停止转动，此时，该手指的相应的扭簧开始弯曲变形，其他手指仍继续转动，直到第二个手指接触物体，……，如此继续下去，最终实现多个手指均接触物体。

由于仅采用1个电机，就驱动了多个手指的转动，所以较好实现了多指欠驱动功能，并且对物体的不同形状和尺寸具有较好的自适应效果。一方面由于各手指的根部关节看似独立，增加了抓取不同形状、大小物体的适应性和手外观的拟人性，另一方面，由于抓取力随簧件变形的增大而增大，可以实现抓取力的控制。

由于主要部件均围绕关节轴设置，没有占用各手指内部的空间，为各手指内部空间存放其他关节的电机或重要部件争取了较大的空间，而且整个关节装置易于封装起来，防止灰尘进入，也美观。

Claims (10)

1.一种机器人拟人手欠驱动多指装置，包括手掌、至少2个手指、关节轴和驱动装置，其特征在于：该装置还包括至少1个簧件，簧件套接于关节轴上，每个手指并排套接在关节轴上，簧件与手指配套使用，配有簧件的手指通过簧件与关节轴连接，所述簧件的两端分别连接在关节轴与对应手指上，其余的手指与关节轴固连；所述关节轴设置在手掌上，该关节轴的输入端与驱动装置的输出轴相连接；所述的簧件采用扭簧、皮筋或带弹力绳索。

2.如权利要求1所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述簧件的个数与手指的个数一一对应。

3.如权利要求1或2所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述的手指由多个指节、关节部件组成。

4.如权利要求3所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述的手掌为中空结构，所述的驱动装置放置于手掌中。

5.如权利要求3所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述的驱动装置设置在手掌的外部。

6.如权利要求1所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述驱动装置的输出轴上设有编码器或测速发电机，以实现速度、位置的闭环反馈控制。

7.如权利要求5所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述驱动装置采用电机，电机输出轴通过减速器直接与关节轴连接。

8.如权利要求4所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述驱动装置采用电机，电机输出轴通过传动机构与关节轴连接。

9.如权利要求8所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述的传动机构采用齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动、蜗轮蜗杆传动或齿轮齿条传动。

10.如权利要求1所述的机器人拟人手欠驱动多指装置，其特征在于：所述手指用滑动轴承或滚动轴承套接于关节轴上。

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