CN101214650A - 齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿轮带轮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、近关节轴、至少2个中部指段、至少1个中关节轴、远关节轴、末端指段，其特征在于：包括从动齿轮和至少2个的主动齿轮、近过渡齿轮、主动轮、传动件、从动轮、远过渡齿轮、簧件、近过渡轴、远过渡轴。该装置利用所设计的齿轮带轮传动机构、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，与人手指相似，可以用于手指的中部指段较长的机器人手中，特别适合作为拟人机器人手的食指、中指、无名指、小指，以较少驱动器驱动较多的转动关节，当中部指段接触物体被阻挡时，末端指段可继续运动包络抓取物体，自适应所抓物体的形状大小，该装置结构简单、成本低，便于安装维护，性能可靠、使用寿命长。

Description

齿轮带轮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，特别涉及一种齿轮带轮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。

已有的一种欠驱动机械手装置，如中国发明专利CN1283429C，其中的拇指、食指、中指、无名指和小指均采用了同一种齿轮欠驱动机械手指装置，以其拇指为例简单介绍其原理，该齿轮欠驱动机械手指在近关节和远关节之间有两个过渡轴，在近关节轴、远关节轴和过渡轴上均安装有齿轮，齿轮之间两两啮合，中部指段套接在近关节轴上，中部指段与近关节轴之间采用直接摩擦接触，当电机转动时，中部指段会因为其与近关节轴之间的静摩擦力而随近关节轴转动，当中部指段接触到物体被阻挡而不能转动时，电机的驱动力矩会驱动多级齿轮传动运作起来，使末端指段绕远关节轴转动，同时中部指段会相对近关节轴发生滑动摩擦。这样便实现了一个电机驱动2个关节：近关节和远关节的转动驱动，具有自动解耦的效果。

该装置的不足之处为：由于此种摩擦解耦会造成材料的损耗，长期使用解耦效果下降导致抓取性能不可靠；由于采用多级齿轮传动，当用于中部指段稍长即远关节轴距离近关节轴稍远的机器人手指中时，齿轮直径就会过大，造成手指过粗，影响美观，所以该装置难以应用于中部指段较长的机器人手指中。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，外形与人的手指相似，可以用于手指中部指段较长的机器人手中，作为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，同时性能可靠，可长期使用而性能不降低。

本发明采用如下技术方案：

一种齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，主要包括基座、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、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，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该装置包括n个主动齿轮、n个近过渡齿轮、n个主动轮、n个传动件、n个从动轮、n个远过渡齿轮、1个从动齿轮、n个簧件、n个近过渡轴、n个远过渡轴；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k个近过渡轴、第k个远过渡轴套设在第k个中部指段中；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；所说的第k个近过渡齿轮套固在第k个近过渡轴上；所说的第k个主动轮套固在第k个近过渡轴上，所说的第k个从动轮套固在第k远过渡轴上，所说的第k个传动件连接第k个主动轮和第k个从动轮，所说的第k个远过渡齿轮套固在第k个远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第k个主动齿轮和第k个近过渡齿轮啮合，所说的第i个远过渡齿轮和第i+1个主动齿轮啮合，所说的第n个远过渡齿轮和从动齿轮啮合；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，k为1至n中的任意数。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的传动件、主动轮和从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮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。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第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：

本发明利用所设计的齿轮带轮传动机构、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，与人手指相似，可以用于手指的中部指段较长的机器人手中，特别适合作为拟人机器人手的食指、中指、无名指、小指，以较少驱动器驱动较多的转动关节，当中部指段接触物体被阻挡时，末端指段可继续运动包络抓取物体，自适应所抓物体的形状大小，该装置结构简单、成本低，便于安装维护，性能可靠、使用寿命长。

附图说明

图1是本发明提供的齿轮带轮齿轮带轮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是图1的左侧视图。

图3是图1的剖视图。

图4是图2的剖视图。

图5是本实施例的第一簧件与第一中部指段、第二中部指段、中关节轴的位置示意。

图6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7、图8、图9、图10、图11、图12、图13是本实施例抓握物体过程的示意图。

图14、图15、图16、图17是本实施例抓握物体过程示意图，也是图7、图8、图9、图10的剖视图。

在图1至图17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-第一传动件，        11-第二主动齿轮，    12-第一簧件，

14-第二传动件，        15-从动齿轮，        16-第二簧件，

17-减速器，            18-第一齿轮，        19-第二齿轮，

20-物体，

21-第一销钉，          22-第二销钉，

23-第三销钉，          24-第四销钉，        25-第五销钉，

26-第六销钉，          27-第七销钉，

31-第一近过渡轴，      32-第一远过渡轴，

33-第一近过渡齿轮，    34-第一主动轮，      35-第一从动轮，

36-第一远过渡齿轮，    37-第二近过渡轴，    38-第二远过渡轴，

39-第二近过渡齿轮，    40-第二主动轮，      41-第二从动轮，

42-第二远过渡齿轮。

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。

本发明所述的一种齿轮带轮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、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，所说的末端指段套固在远关节轴上；该齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置还包括n个主动齿轮、n个近过渡齿轮、n个主动轮、n个传动件、n个从动轮、n个远过渡齿轮、1个从动齿轮、n个簧件、n个近过渡轴、n个远过渡轴；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k个近过渡轴、第k个远过渡轴套设在第k个中部指段中；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；所说的第k个近过渡齿轮套固在第k个近过渡轴上；所说的第k个主动轮套固在第k个近过渡轴上，所说的第k个从动轮套固在第k远过渡轴上，所说的第k个传动件连接第k个主动轮和第k个从动轮，所说的第k个远过渡齿轮套固在第k个远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第k个主动齿轮和第k个近过渡齿轮啮合，所说的第i个远过渡齿轮和第i+1个主动齿轮啮合，所说的第n个远过渡齿轮和从动齿轮啮合；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，k为1至n中的任意数。

以n等于2为例说明。

本发明设计的一种齿轮带轮齿轮带轮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，所说的末端指段8通过第七销钉27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11、2个近过渡齿轮：即第一近过渡齿轮33和第二近过渡齿轮39、2个主动轮：即第一主动轮34和第二主动轮40、2个传动件：即第一传动件10和第二传动件14、2个从动轮：即第一从动轮35和第二从动轮41、2个远过渡齿轮：即第一远过渡齿轮36和第二远过渡齿轮42、1个从动齿轮15、2个簧件：即第一簧件12和第二簧件16、2个近过渡轴：即第一近过渡轴31和第二近过渡轴37、2个远过渡轴：即第一远过渡轴32和第二远过渡轴38；第一中部指段4套接在近关节轴3上，第二中部指段6套接在中关节轴5上；所说的第一近过渡轴31、第一远过渡轴32套设在第一中部指段4中，第二近过渡轴37、第二远过渡轴38套设在第二中部指段6中；所说的第一主动齿轮9通过第一销钉21套固在近关节轴3上，所说的第二主动齿轮11通过第四销钉24套固在中关节轴5上；所说的第一近过渡齿轮33套固在第一近过渡轴31上，所说的第二近过渡齿轮39套固在第二近过渡轴37上；所说的第一主动轮34通过第二销钉22套固在第一近过渡轴31上，第二主动轮40通过第五销钉25套固在第二近过渡轴37上；所说的第一从动轮35通过第三销钉23套固在第一远过渡轴32上，所说的第二从动轮41通过第六销钉26套固在第二远过渡轴38上；所说的第一传动件10连接第一主动轮34和第一从动轮35，所说的第二传动件14连接第二主动轮40和第二从动轮41；所说的第一远过渡齿轮36套固在第一远过渡轴32上，所说的第二远过渡齿轮42套固在第二远过渡轴38上；从动齿轮15套固在远关节轴7上；所说的第一主动齿轮9和第一近过渡齿轮33啮合，所说的第二主动齿轮11和第二近过渡齿轮39啮合；所说的第一远过渡齿轮36和第二主动齿轮11啮合，所说的第二远过渡齿轮42和从动齿轮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5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6所示。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，所说的传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的传动件、主动轮和从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

本实施例中，所说的第一传动件10、第二传动件14采用平带，所说的主动轮：即第一主动轮34和第二主动轮40采用带轮，所说的从动轮：即第一从动轮35和第二从动轮41采用带轮。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮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。

本发明所述的齿轮带轮齿轮带轮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。

本实施例中，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。

本实施例的工作原理，如图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17，叙述如下：

本实施例的初始状态如图7、图14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的转动将通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31的转动传动，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13所示，抓取结束。

(b)第二中部指段6碰到物体，见图11，此时第一主动齿轮9继续转动，依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31、第一主动轮34、第一传动件10、第一从动轮35、第一远过渡轴32、第一远过渡齿轮36、第二主动齿轮11、第二近过渡齿轮39、第二近过渡轴37、第二主动轮40、第二传动件14、第二从动轮41、第二远过渡轴38、第二远过渡齿轮42、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，见图12，抓取结束。

(c)第一中部指段4碰到物体，如图8、图15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，依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31、第一主动轮34、第一传动件10、第一从动轮35、第一远过渡轴32、第一远过渡齿轮36、第二主动齿轮11、第二近过渡齿轮39、第二近过渡轴37的转动传动，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9、图16所示。此时第一主动齿轮9继续转动，依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31、第一主动轮34、第一传动件10、第一从动轮35、第一远过渡轴32、第一远过渡齿轮36、第二主动齿轮11、第二近过渡齿轮39、第二近过渡轴37、第二主动轮40、第二传动件14、第二从动轮41、第二远过渡轴38、第二远过渡齿轮42、从动齿轮15、远关节轴7的转动传动，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10、图17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。依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31、第一主动轮34、第一传动件10、第一从动轮35、第一远过渡轴32、第一远过渡齿轮36、第二主动齿轮11、第二近过渡齿轮39、第二近过渡轴37、第二主动轮40、第二传动件14、第二从动轮41、第二远过渡轴38、第二远过渡齿轮42、从动齿轮15、远关节轴7的转动传动，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9、16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。此时第一主动齿轮9继续反转，依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31、第一主动轮34、第一传动件10、第一从动轮35、第一远过渡轴32、第一远过渡齿轮36、第二主动齿轮11、第二近过渡齿轮39、第二近过渡轴37的转动传动，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8、图15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继续反转，依次通过第一近过渡齿轮33、第一近过渡轴31的转动传动，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7、图14所示。

本发明利用所设计的齿轮带轮传动机构、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 (4)

1.一种齿轮带轮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、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，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置还包括n个主动齿轮、n个近过渡齿轮、n个主动轮、n个传动件、n个从动轮、n个远过渡齿轮、1个从动齿轮、n个簧件、n个近过渡轴、n个远过渡轴；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k个近过渡轴、第k个远过渡轴套设在第k个中部指段中；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；所说的第k个近过渡齿轮套固在第k个近过渡轴上；所说的第k个主动轮套固在第k个近过渡轴上，所说的第k个从动轮套固在第k远过渡轴上，所说的第k个传动件连接第k个主动轮和第k个从动轮，所说的第k个远过渡齿轮套固在第k个远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第k个主动齿轮和第k个近过渡齿轮啮合，所说的第i个远过渡齿轮和第i+1个主动齿轮啮合，所说的第n个远过渡齿轮和从动齿轮啮合；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，k为1至n中的任意数。

2.如权利要求1所述的齿轮带轮齿轮带轮多关节高欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所说的主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所说的传动件、主动轮和从动轮三者之间能够配合形成传动关系。

3.如权利要求1所述的齿轮带轮齿轮带轮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。

4.如权利要求1或3所述的齿轮带轮齿轮带轮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。

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