CN101214651A - 三关节欠驱动机器人手小指装置 - Google Patents

Abstract

三关节欠驱动机器人手小指装置，属于拟人机器人技术领域，包括基座、电机、近关节轴、第一、二中部指段、中关节轴、远关节轴、末端指段，其特征在于：包括从动齿轮、第一、二主动齿轮、近过渡齿轮、主动轮、传动件、从动轮、远过渡齿轮、第一、二簧件、第一近过渡轴、第一远过渡轴、第二过渡轴。该装置利用所设计的齿轮带轮传动机构、套接活动的二个中部指段及二个簧件所具有的解耦作用综合实现了三关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，与人手指相似，可以用于手指的第一中部指段较长而第二中部指段较短的机器人手中，特别适合作为拟人机器人手的小指，以较少驱动器驱动较多的转动关节，自适应所抓物体的形状大小。

Description

三关节欠驱动机器人手小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。巳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，提供一种三关节欠驱动机器人手小指装置， 外形与人的手指相似，可以用于手指第一中部指段较长而第二中部指段较短的机器人手中， 特别作为机器人手的小指使用，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：一种三关节欠驱动机器人手小指装置，主要包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二 齿轮、近关节轴、第一中部指段、第二中部指段、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，所说的中关节轴套设在第一中部指段中，所说的远关节轴套设在第二中部 指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该装置包括第一主动齿轮、第二 主动齿轮、第一近过渡齿轮、第一远过渡齿轮、主动轮、传动件、从动轮、第二过渡齿轮、 从动齿轮、第一簧件、第二簧件、第一近过渡轴、第一远过渡轴、第二过渡轴；第一中部指 段套接在近关节轴上，第二中部指段套接在中关节轴上；所说的第一近过渡轴、第一远过渡 轴套设在第一中部指段中，第二过渡轴套设在第二中部指段中；所说的第一主动齿轮套固在 近关节轴上，所说的第二主动齿轮套固在中关节轴上；所说的第一近过渡齿轮套固在第一近 过渡轴上，第二过渡齿轮套固在第二过渡轴上；所说的主动轮套固在第一近过渡轴上，所说 的从动轮套固在第一远过渡轴上，所说的传动件连接主动轮和从动轮，所说的第一远过渡齿 轮套固在第一远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第一主动齿轮和第一近过渡 齿轮啮合，第二主动齿轮和第二过渡齿轮啮合；所说的第一远过渡齿轮和第二主动齿轮啮合， 所说的第二过渡齿轮和从动齿轮啮合；第一簧件的两端分别连接第一中部指段和第二个中部 指段；第二簧件的两端分别连接第二中部指段和末端指段。本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，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。本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：所说的第一簧件采用扭簧、 拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳；所说的第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、 片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：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、套接活动的二个中部指段及二个簧件所具有的 解耦作用综合实现了三关节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，可以用于手指的第一中部指段较长而第二中部指段较短 的机器人手中，特别适合作为拟人机器人手的小指，以较少驱动器驱动较多的转动关节，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是本发明提供的三关节欠驱动机器人手小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、中关节轴的位置关系示意图。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ll、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 IO的剖视图。在图1至图17中： l一基座， 2— 电机， 3 — -近关节轴，4一第一中部指段， 5 — -中关节轴， 6 — 第二中部指段，7—远关节轴， 8 — -末端指段， 9一第一主动齿轮， IO —传动件， 11- -第二主动齿轮， 12- -第一簧件，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- -主动轮， 35- -从动轮，36—第一远过渡齿轮， 37. 一第二过渡轴， 39 -第二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。 本发明设计的一种三关节欠驱动机器人手小指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、第一中部指段、第二中部指段、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，所说的中关节轴套设在第一中部指段中，所说的远关节轴套设在第 二中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上；该装置包括第一主动齿轮、第二主动齿 轮、第一近过渡齿轮、第一远过渡齿轮、主动轮、传动件、从动轮、第二过渡齿轮、从动齿 轮、第一簧件、第二簧件、第一近过渡轴、第一远过渡轴、第二过渡轴；第一中部指段套接 在近关节轴上，第二中部指段套接在中关节轴上；所说的第一近过渡轴、第一远过渡轴套设 在第一中部指段中，第二过渡轴套设在第二中部指段中；所说的第一主动齿轮套固在近关节 轴上，所说的第二主动齿轮套固在中关节轴上；所说的第一近过渡齿轮套固在第一近过渡轴 上，第二过渡齿轮套固在第二过渡轴上；所说的主动轮套固在第一近过渡轴上，所说的从动轮套固在第一远过渡轴上，所说的传动件连接主动轮和从动轮，所说的第一远过渡齿轮套固 在第一远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第一主动齿轮和第一近过渡齿轮啮 合，第二主动齿轮和第二过渡齿轮啮合；所说的第一远过渡齿轮和第二主动齿轮啮合，所说 的第二过渡齿轮和从动齿轮啮合；第一簧件的两端分别连接第一中部指段和第二个中部指段; 第二簧件的两端分别连接第二中部指段和末端指段。

本发明设计的一种三关节欠驱动机器人手小指装置的实施例，如图l、图2、图3、图4、 图5、图6所示，主要包括基座l、电机2、减速器17、第一齿轮18、第二齿轮19、近关节 轴3、第一中部指段4和第二中部指段6、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通过第六销钉26套固 在远关节轴7上；该装置包括第一主动齿轮9和第二主动齿轮11、第一近过渡齿轮33和第 二过渡齿轮39、主动轮34、传动件IO、从动轮35、第一远过渡齿轮36、从动齿轮15、第一 簧件12、第二簧件16、第一近过渡轴31、第二过渡轴37、第一远过渡轴32;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，第二过渡轴37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 二过渡齿轮39套固在第二过渡轴37上；所说的主动轮34通过第二销钉22套固在第一近过 渡轴31上；所说的从动轮35通过第三销钉23套固在第一远过渡轴32上；所说的传动件10 连接主动轮34和从动轮35;所说的第一远过渡齿轮36套固在第一远过渡轴32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， 所说的第二过渡齿轮39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。

本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，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，所说的传动件10采用平带，所说的主动轮34采用带轮，所说的从动轮35 采用带轮。

本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：所说的第一簧件采用扭簧、

拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳；所说的第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳。本实施例中，所说的第一簧件12和第二簧件16均采用扭簧。本发明所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：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。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ll、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，如图11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、主动轮34、传动件IO、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ll、第二过渡齿轮39、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12所示，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3K主动轮34、传动件IO、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ll、第二过渡齿轮39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、主动轮34、传动件IO、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ll、第二过渡齿轮39、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IO、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、主动轮 34、传动件IO、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 过渡齿轮39、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、主动轮34、传动件IO、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ll、第二过渡齿轮39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、套接活动的二个中部指段及二个簧件所具有的 解耦作用综合实现了三关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。

Claims (4)

1、一种三关节欠驱动机器人手小指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、第一中部指段、第二中部指段、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，所说的中关节轴套设在第一中部指段中，所说的远关节轴套设在第二中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该三关节欠驱动机器人手小指装置还包括第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一近过渡齿轮、第一远过渡齿轮、主动轮、传动件、从动轮、第二过渡齿轮、从动齿轮、第一簧件、第二簧件、第一近过渡轴、第一远过渡轴、第二过渡轴；第一中部指段套接在近关节轴上，第二中部指段套接在中关节轴上；所说的第一近过渡轴、第一远过渡轴套设在第一中部指段中，第二过渡轴套设在第二中部指段中；所说的第一主动齿轮套固在近关节轴上，所说的第二主动齿轮套固在中关节轴上；所说的第一近过渡齿轮套固在第一近过渡轴上，第二过渡齿轮套固在第二过渡轴上；所说的主动轮套固在第一近过渡轴上，所说的从动轮套固在第一远过渡轴上，所说的传动件连接主动轮和从动轮，所说的第一远过渡齿轮套固在第一远过渡轴上，从动齿轮套固在远关节轴上；所说的第一主动齿轮和第一近过渡齿轮啮合，第二主动齿轮和第二过渡齿轮啮合；所说的第一远过渡齿轮和第二主动齿轮啮合，所说的第二过渡齿轮和从动齿轮啮合；第一簧件的两端分别连接第一中部指段和第二个中部指段；第二簧件的两端分别连接第二中部指段和末端指段。

2、 如权利要求1所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，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所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：所说的第一簧件 采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、皮筋或弹性绳；所说的第二簧件采用扭簧、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所述的三关节欠驱动机器人手小指装置，其特征在于：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。