CN101508115B - 变序欠驱动两关节机器人手指装置 - Google Patents

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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0009Gripping heads and other end effectors comprising multi-articulated fingers, e.g. resembling a human hand

Abstract

变序欠驱动两关节机器人手指装置,属于拟人机器人手技术领域。该装置主要包括两个电机、两个关节轴、两个指段、第一传动机构、锥齿轮对和第一簧件。该装置利用双电机、锥齿轮等传动机构和簧件综合实现了手指两关节可变顺序转动及自适应抓取的特殊效果。该装置可以灵活调节近关节与远关节的先后转动顺序,并可以调节末端指段的预转角度大小,实现握持、捏持和混合抓持等多种抓取方式,既具有比传统欠驱动手指更多的灵巧性,又保留了欠驱动手指在抓取物体时具有的自适应性。该装置结构紧凑、体积小、形态动作更趋近于人手、控制容易、抓取灵巧性高、稳定性好,可以自动适应抓取各种形状、尺寸的物体。

Description

变序欠驱动两关节机器人手指装置
技术领域
[0001] 本发明属于拟人机器人手技术领域,特别涉及一种变序欠驱动两关节机器人手指 装置的结构设计。
背景技术
[0002] 人们在对智能机器人的研究中,把拟人机器人作为机器人研究的最高境界,也一 直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。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。
[0003] 近30年来,灵巧手研究取得了丰硕的成果。灵巧手具有3〜5个手指,每个手指 2〜4个关节自由度,绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能做 出人手的各种动作,包括抓取和操作两种动作。例如国外研发出来的Hitachi手、Utah/MIT 手、Stanford/JPL手、Shadow公司C5手、DLR手和Robonaut手,国内哈工大研发的HIT灵 巧手和北航研发的BH灵巧手。灵巧手的主要优点是可以灵活主动的抓取物体,并有很好的 抓取稳定性,其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取), 造成对传感及控制系统要求高,系统复杂、成本高、可靠性低。
[0004] 欠驱动机械手指可以克服灵巧手的纯主动驱动多关节手指的一些不足,以此为主 设计实现高欠驱动的机器人手在近年来得到越来越多的重视。例如,以具有一个电机、两个 转动关节的欠驱动手指为例,该手指装置包括基座、近关节、中间指段、远关节、末端指段, 初始时刻,手指为伸直状态,此时电机转动,整个手指绕其近关节转动,当中间指段碰触到 物体被阻挡不动后,电机继续驱动远关节和末端指段转动,从而实现一个电机依次驱动两 个关节转动的欠驱动目的。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸的大 小,达到自适应抓取的目的,降低了对传感及控制系统的要求。
[0005] 美国发明专利US5762390A介绍了一种连杆式的欠驱动机械手指装置,并将该手 指装置应用到了单驱动源驱动的9关节工业抓持器上。该装置由电机驱动,经带轮传动、丝 杆传动等机构带动连杆机构运动。由于弹簧的作用,第一、第二、第三指段初始保持伸直状 态,第一个四连杆机构运动带动第一、二、三指段同时转动。当第一指段接触物体被阻挡不 再转动后,电机继续转动,设置在第一、二指段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、三指段继续转动。当第二指段也接触到物体不再转动,电机继 续转动,设置在第二、三指段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, 从而推动第三指段继续转动,直到第三指段也接触物体为止。
[0006] 中国发明专利CN101234489A介绍了一种带轮式的欠驱动机械手指装置,主要包 括基座、电机、近关节轴、带轮传动机构、中部指段、远关节轴、末端指段和簧件。电机通过带 轮传动机构欲使末端指段转动,但由于弹簧的约束作用使得中部指段和末端指段像一个刚 体似的保持固定伸直状态转动,当中部指段接触物体被阻挡不能转动时,弹簧发生了变形, 同时末端指段才得以绕远关节轴的中心线转动,实现了手指在一个电机驱动下两关节弯曲包络抓取物体过程。
[0007] 上述两种欠驱动手指装置以及其他的传统型的欠驱动手指装置都存在同样的一 个不足之处,那就是手指两关节(或三关节)的弯曲顺序是固定的:先近关节转动,再中间 关节转动,最后远关节转动,即由近及远(从手指的根部到末端的方向)的转动顺序,这与 人手的手指动作顺序不同。
[0008] 人手的手指动作顺序在抓取不同物体时有以下几种:
[0009] ①握持方式:人手的手指(以食指为例)可以按照由近及远的关节转动顺序去抓 取物体,一般是抓取较大的物体,这样能够采用包络抓取的握持方式去自动适应物体的形 状、大小,此时手掌和根部指段会接触物体,可实现稳定抓取。
[0010] ②捏持方式:人手的手指(以食指为例)也可以按照中间关节和远关节先转动然 后再近关节转动的方式去抓取物体,一般是抓取较小的物体,这样能够采用手指末端指段 去接触物体实现多点捏持方式,此时手掌甚至根部指段都不会接触物体,同样可实现稳定 抓取。例如,在人手在捏持小尺寸物体之前,四指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节 会先转动,直到四指末端与拇指末端相接近,之后再进行抓取,而且所转动的角度对于不同 尺寸的物体是需要调节的。
[0011] ③混合抓持方式:人手的手指还有上述两种方式相结合的一种抓取模式,人手的 手指(以食指为例)还可以按照中间关节和远关节先转动方式实现抓取物体的预备姿势 (手指呈现中间关节弯曲的构型),然后再以由近及远的关节转动顺序去自适应抓取物体, 一般是中等大小的物体需要这样抓取,同样可实现稳定抓取。
[0012] 传统的欠驱动手指装置只能实现上述的①握持方式,不能实现上述的②捏持方式 和③混合抓持方式。
发明内容
[0013] 本发明的目的是针对已有技术的不足之处,提供一种变序欠驱动两关节机器人手 指装置,它可以灵活调节近关节与远关节的先后转动顺序,实现握持、捏持和混合抓持等多 种抓取方式,既具有比传统欠驱动手指更多的灵巧性,又保留了欠驱动手指在抓取物体时 具有的自适应性。该装置可提高机械手指抓取不同尺寸、形状物体的稳定性和拟人化动作 效果,实现机器人手指在较低控制系统要求下的灵活自适应抓取,装置外形与人的手指相 似,可以作为拟人机器人手的手指使用。
[0014] 本发明的技术方案如下:
[0015] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,包括基座、第一电机、近关节 轴、中部指段、远关节轴、末端指段和第一传动机构;所述的第一电机与基座固接,第一电机 的输出轴与近关节轴相连;所述的近关节轴套设在基座中,远关节轴套设在中部指段中,近 关节轴和远关节轴相互平行;所述的中部指段套接在近关节轴上,所述的末端指段与远关 节轴固接;所述的第一传动机构的输入轴与近关节轴相连,第一传动机构的输出轴与远关 节轴相连,近关节轴与远关节轴的转动方向相同;其特征在于:该变序欠驱动两关节机器 人手指装置还包括第二电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第一簧件;所述的第二电机与中部 指段固接,所述的第一锥齿轮套固在第二电机的输出轴上,所述的第二锥齿轮套接在远关 节轴上并与第一锥齿轮相啮合,所述的第一簧件两端分别连接第二锥齿轮和末端指段。[0016] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一传动 机构采用平带轮传动机构、齿形带轮传动机构、绳轮传动机构、链条传动机构、齿轮齿条传 动机构、齿轮传动机构或连杆传动机构中的一种或几种的组合。
[0017] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一传动 机构包括主动轮、传动件和从动轮;所述的主动轮与近关节轴相连,从动轮与远关节轴相 连,传动件连接主动轮与从动轮,所述的传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条, 所述的主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮,所述的从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮,所 述的传动件、主动轮和从动轮三者之间能够配合形成传动关系。
[0018] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一簧件 采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
[0019] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:还包括第二传动 机构;所述的第二传动机构的输入端与第一电机的输出轴相连,第二传动机构的输出端与 近关节轴相连。
[0020] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:还包括第二簧件; 所述的第二簧件作为连接件串联安装到从近关节轴到第一传动机构再到远关节轴的传动 链中。
[0021] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第二簧件 采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
[0022] 本发明与现有技术相比,具有以下优点和突出性效果:
[0023] 本发明装置利用双电机、锥齿轮等传动机构和簧件综合实现了手指两关节可变顺 序转动及自适应抓取的特殊效果。该装置可以灵活调节近关节与远关节的先后转动顺序, 并可以调节末端指段的预转角度大小,实现握持、捏持和混合抓持等多种抓取方式,既具有 比传统欠驱动手指更多的灵巧性,又保留了欠驱动手指在抓取物体时具有的自适应性。该 装置结构紧凑、体积小、形态动作更趋近于人手、控制容易、抓取灵巧性高、稳定性好,可以 自动适应抓取各种形状、尺寸的物体,适合作为拟人机器人手的手指或手指一部分使用。
附图说明
[0024] 图1是本发明提供的变序欠驱动两关节机器人手指装置的一种实施例的正面剖 视图。
[0025] 图2是图1所示实施例的A-A剖视图。
[0026] 图3是图1所示实施例的外观图。
[0027] 图4是图2的外观图。
[0028] 图5是图1所示实施例的近关节簧件的安装示意图。
[0029] 图6是图1所示实施例的远关节簧件的安装示意图。
[0030] 图7是图6所示远关节簧件反转后的示意图(图中的箭头方向为反转方向)。
[0031] 图8是图6所示远关节簧件正转后,末端指段不转的示意图(图中的箭头方向为 正转方向)。
[0032] 图9是图6所示远关节簧件正转后,末端指段随之转动的示意图(图中的箭头方 向为正转方向)。
5[0033] 图lo、图11、图12、图13是图l所示实施例在仅第一电机工作情况下,按照传统自适应欠驱动方式握持大物体的过程示意图(此情况下远关节簧件较强,即劲度系数较大)。[0034] 图lo、图11、图12、图13是图l所示实施例在远关节簧件反转后,再按照自适应欠驱动方式握持大物体的过程示意图,在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作。[0035] 图14、图15、图16、图17是图l所示实施例在仅第一电机工作情况下,按照欠驱动方式混合抓持中等物体的过程示意图(此情况下远关节簧件较弱,即劲度系数较小)。[0036] 图14、图15、图16、图17是图l所示实施例在远关节簧件正转后,再按照欠驱动方式混合抓持中等物体的过程示意图,在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作。[0037] 图18、图19是图l所示实施例在仅第一电机工作情况下,按照欠驱动方式捏持小物体的过程示意图(此情况下远关节簧件较弱,且物体离手指较近)。[0038] 图18、图19是图l所示实施例在远关节簧件正转后,再按照欠驱动方式捏持小物体的过程示意图,在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作(此情况下物体离手指较近)。[0039] 图20、图2l、图22是图l所示实施例在仅第一电机工作情况下,按照欠驱动方式捏持小物体的过程示意图(此情况下远关节簧件较弱,且物体离手指较远)。[0040] 图20、图2l、图22是图l所示实施例在远关节簧件正转后,再按照欠驱动方式捏持小物体的过程示意图,在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作(此情况下物体离手指较远)。[0041] 在图l至图22中:[0042] 卜基座, 2一第一电机, 3一近关节轴,[0043] 4一中部指段, 5一远关节轴, 6一末端指段,[0044] 7一第一齿轮, 8一第二齿轮, 9一第二簧件,[0045] lo一主动轮, 11一传动件, 12一从动轮,[0046] 13一第一锥齿轮, 14一第二锥齿轮,15一第一簧件,[0047] 16一第一减速器, 17一第二电机, 18一第二减速器,[0048] 30、3l、32一手指要抓的物体, 33一其他手指,[0049] 40一第一传动机构, 4卜第二传动机构。具体实施方式[0050] 下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理的内容。[0051] 本发明设计的变序欠驱动两关节机器人手指装置的实施例,如图l、图2、图3、图4、图5、图6所示,包括基座l、第一电机2、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5、末端指段6和第一传动机构40;所述的第一电机2与基座l固接,第一电机2的输出轴与近关节轴3相连;所述的近关节轴3套设在基座l中,远关节轴5套设在中部指段4中,近关节轴3和远关节轴5相互平行;所述的中部指段4套接在近关节轴3上,所述的末端指段6与远关节轴5固接;所述的第一传动机构40的输入轴与近关节轴3相连,第一传动机构40的输出轴与远关节轴5相连,近关节轴3与远关节轴5的转动方向相同;该变序欠驱动两关节机器人手指装置还包括第二电机17、第一锥齿轮13、第二锥齿轮14和第一簧件15;所述的第二电机17与中部指段4固接,所述的第一锥齿轮13套固在第二电机17的输出轴上,所述的第二锥齿轮14套接在远关节轴5上并与第一锥齿轮13相啮合,所述的第一簧件15两端分别连接 第二锥齿轮14和末端指段6。
[0052] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,所述的第一传动机构采用平带 轮传动机构、齿形带轮传动机构、绳轮传动机构、链条传动机构、齿轮齿条传动机构、齿轮传 动机构或连杆传动机构中的一种或几种的组合。
[0053] 本实施例中,所述的第一传动机构40采用平带轮传动机构。
[0054] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,所述的第一传动机构包括主动 轮、传动件和从动轮;所述的主动轮与近关节轴相连,从动轮与远关节轴相连,传动件连接 主动轮与从动轮,所述的传动件采用平带、齿形带、齿条、腱绳、钢丝或链条,所述的主动轮 采用带轮、齿轮、绳轮或链轮,所述的从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮,所述的传动件、主 动轮和从动轮三者之间能够配合形成传动关系。
[0055] 本实施例中,所述的第一传动机构40包括主动轮10、传动件11和从动轮12 ;所述 的主动轮10通过第二簧件9与近关节轴3相连,从动轮12与远关节轴5相连,传动件11 连接主动轮10与从动轮12,所述的传动件11采用平带,所述的主动轮10采用带轮,所述的 从动轮12采用带轮,所述的传动件11、主动轮10和从动轮12三者之间能够配合形成平带 轮传动关系。
[0056] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,所述的第一簧件采用扭簧、拉 簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
[0057] 本实施例中,所述的第一簧件15采用扭簧。
[0058] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,还包括第二传动机构;所述的 第二传动机构的输入端与第一电机的输出轴相连,第二传动机构的输出端与近关节轴相 连。
[0059] 本实施例还包括第二传动机构41 ;所述的第二传动机构41的输入端与第一电机2 的输出轴相连,第二传动机构41的输出端与近关节轴3相连。
[0060] 本实施例中,所述的第二传动机构41采用齿轮传动机构,包括第一齿轮7和第二 齿轮8 ;所述的第一齿轮7与第一电机2的输出轴相连,第二齿轮8与第一齿轮7相啮合形 成齿轮传动关系,第二齿轮8与近关节轴3相连。
[0061] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,还包括第二簧件;所述的第二 簧件作为连接件串联安装到从近关节轴到第一传动机构再到远关节轴的传动链中。
[0062] 本实施例还包括第二簧件9 ;所述的第二簧件9的两端分别连接近关节轴3和第 一传动机构40的输入端。
[0063] 本发明所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,所述的第二簧件采用扭簧、拉 簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
[0064] 本实施例中,所述的第二簧件9采用扭簧。
[0065] 本实施例还包括第一减速器16,所述的第一减速器16与第一电机2固接,第一减 速器16的输入轴与第一电机2的输出轴相连,第一减速器16的输出轴与第二传动机构41 的输入端相连,第一减速器16的输出轴与第一齿轮7相连。
[0066] 本实施例还包括第二减速器18,所述的第二减速器18与第二电机17固接,第二减 速器18的输入轴与第二电机17的输出轴相连,第二减速器18的输出轴与第一锥齿轮13
7的输入端相连。
[0067] 下面以图1所示实施例为例介绍本发明的工作原理。该实施例的工作原理,如图 7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、 图22,叙述如下。
[0068] 该装置的初始位置如图10、图14、图18、图20,此时中部指段4和末端指段6与基 座1呈一条直线,即相当于人的手指完全伸直的状态,此时近关节和远关节均为伸直状态, 这是整个装置的最初状态。分三种情况加以说明。
[0069] ①以握持方式抓取物体:
[0070] 握持方式又分为(a)、(b)两种情况加以说明。
[0071] (a)若所选第一簧件本身就较强(劲度系数较大),仅第一电机工作,此时,手指按 照传统自适应欠驱动方式握持物体。
[0072] 第二电机17不用工作,第一电机2工作,其抓取物体的过程和原理为:第一电机2 的输出轴转动,通过第一齿轮7带动固接有第二齿轮8的近关节轴3转动,拉动第二簧件9 的一端绕近关节轴3的轴线转动,拉动第二簧件9的另一端的主动轮10转动。由于第一簧 件15的约束作用,中部指段4与末端指段6好像固接为一个刚性整体,因此主动轮10的转 动将通过传动件11和从动轮12,优先使得中部指段4和末端指段6 —起绕着近关节轴3转 动。此过程直到中部指段4接触到手指要抓取的物体30为止,此时如图11所示。当中部 指段4被物体30阻挡而无法继续转动时,此时主动轮10继续拉动传动件11,使从动轮12 转动,使得远关节轴5转动,从而使末端指段6克服第一簧件15的弹力而转动,同时第一簧 件15的形变量增大,如图12所示,直到末端指段6也碰到物体30不能再转动。第一电机2 继续转动,拉动第二簧件9变形产生相应的弹力施加在物体上,第一电机2再停转,完成抓 取,如图13所示。至此,本实施例装置抓紧了物体30。
[0073] 当放开物体30时,第一电机2反向转动,带动近关节轴3反转,带动第二簧件9反 转,从而带动主动轮10反转,从而通过传动件11拉动从动轮12反向转动,此时第一簧件15 的形变量逐渐减小,末端指段6绕远关节轴5的轴线反转而离开物体30表面,如图12所 示。直到末端指段6已到达伸直状态,如图11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,此时第一电机2继续反向转动,将带动整个中部指段4、远关节轴5、从动 轮9和末端指段6 —起绕着近关节轴3的轴线反向转动,中部指段4离开物体30表面。直 到恢复到初始手指伸直的位置,如图10所示。
[0074] (b)由于(a)情况中要求第一簧件“本身就较强(劲度系数较大)”,存在对于第一 簧件的选择和调试问题,在实际情况中往往使操作处于被动和受限制的状态。为了从根本 上解决这一问题,加入第二电机和锥齿轮等装置,主动使第一簧件变强。
[0075] 让第二电机先反向转动,之后第一电机再工作,此时,手指将更好地按照自适应欠 驱动方式握持物体。
[0076] 第二电机17与第一电机2依次先后使用。首先让第二电机17反向转动,其输出 轴转动,带动第一锥齿轮13转动,与第一锥齿轮13相啮合的第二锥齿轮14随之转动,并带 动第一簧件15反向转动,如图7所示。第一簧件15反转一定角度后,第二电机17停止工 作不再转动。前述过程可以按抓取需要自由调节预转的角度。此后转为第一电机2再开始 工作,此时,由于第一簧件15的反转产生的力的作用,末端指段6更好地与中部指段4保持伸直状态,而不会轻易受到扰动。之后的抓取过程与前述(a)过程相同,如图10、11、12、13 所示。
[0077] 放开物体30的过程与(a)也基本相同。只是当恢复到初始手指伸直的位置后,第 一电机2停止工作,第二电机17开始正转,直到使第一簧件15恢复松弛状态为止。整个过 程如图13、12、11、10所示。
[0078] ②以捏持方式抓取物体:
[0079] 捏持方式又分为(c)、(d)两种情况加以说明。
[0080] (c)若所选第一簧件本身就较弱(劲度系数较小),仅第一电机工作,此时,手指按 照逆序欠驱动方式捏持物体。
[0081] 第二电机17不用工作,第一电机2工作,其抓取物体的过程和原理为:第一电机2 的输出轴转动,通过第一齿轮7带动固接有第二齿轮8的近关节轴3转动,拉动第二簧件9 的一端绕近关节轴3的轴线转动,拉动第二簧件9的另一端的主动轮10转动。由于第一簧 件15的约束作用不够强,主动轮10的转动将通过传动件11和从动轮12,优先使得末端指 段6绕着远关节轴5转动。
[0082] 此后又由于物体32的远近不同而分为两种情况。
[0083] (cl)若物体32离手指较近,则末端指段6碰到物体32后,捏持即完成。整个过程 如图18、19所示。
[0084] 放开物体32的原理与(a)类似。第一电机2反向转动,带动装置按上述捏持过程 的逆过程完成。整个过程如图19、18所示。
[0085] (c2)若物体32离手指较远,则末端指段6的转动直到第一簧件15转动后产生的 力足够使中部指段4与末端指段6好像固接为一个刚性整体为止,设此时中部指段4与末 端指段6的夹角为θ,此时如图21所示。此后的抓取过程的原理和(a)相同,中部指段4 与末端指段6 —起转动,直到末端指段6碰到物体32后,捏持即完成,如图22所示。
[0086] 放开物体32的原理与(a)类似。第一电机2反向转动,带动装置按上述捏持过程 的逆过程完成。整个过程如图22、21、20所示。
[0087] (d)以上(C)情况虽然实现了按照逆序欠驱动方式捏持物体,但是要求第一簧件 “本身就较弱(劲度系数较小)”,存在对于第一簧件的选择和调试问题,在实际情况中往往 使操作处于被动和受限制的状态。为了从根本上解决这一问题,加入第二电机和锥齿轮等 装置,主动使第一簧件变弱或者实现末端指段预弯曲的姿态。
[0088] 让第二电机先正向转动,之后第一电机再工作,此时,对于有无第二簧件,将出现 两种情况,下面分别阐述。(对于(a)、(b)、(c),有无第二簧件串联安装到从近关节轴到第 一传动机构再到远关节轴的传动链中对抓取效果没有影响。)
[0089] (dl)无第二簧件9。此时,手指末端指段6在第二电机17正向转动时并不随之转 动,主动使第一簧件15变弱。
[0090] 第二电机17与第一电机2依次先后使用。首先让第二电机17正向转动,其输出 轴转动,带动第一锥齿轮13转动,与第一锥齿轮13相啮合的第二锥齿轮14随之转动,并带 动第一簧件15正向转动,如图8所示。由于没有第二簧件9的存在,此时,从远关节轴5,到 第一传动机构40,到近关节轴3的传动链,被第一电机2到第二传动机构41的传动链软自 锁了,末端指段6不会转动。(软自锁是因为减速器的减速比比较大,电机停转时,难以让近关节轴转动。)此时状态依然如图18、图20所示。前述过程可以按抓取需要自由调节预转 的角度。一旦调节完成第二电机17就停止工作,此后转为第一电机2再开始工作,由于第 一簧件15已有预先的正转,末端指段6将先转动。
[0091] 此后又由于物体32的远近不同而分为两种情况。
[0092] (dl. 1)若物体32离手指较近,则末端指段6碰到物体32后,捏持即完成。整个过 程如图18、19所示。
[0093] 放开物体32时,第一电机2先反向转动,第二电机17再反向转动,带动装置按上 述捏持过程的逆过程完成。整个过程如图19、18所示。
[0094] (dl. 2)若物体32离手指较远,则末端指段6的转动直到第一簧件15恢复松弛状 态为止,设此时中部指段4与末端指段6的夹角为θ,此时如图21所示。此后的抓取过程 的原理和(a)相同,中部指段4与末端指段6—起转动,直到末端指段6碰到物体32后,捏 持即完成,如图22所示。
[0095] 放开物体32时,第一电机2先反向转动,第二电机17再反向转动,带动装置按上 述捏持过程的逆过程完成。整个过程如图22、21、20所示。
[0096] (d2)有第二簧件9。此时,手指末端指段6在第二电机17正向转动时随之转动, 实现预弯曲的姿态。
[0097] 第二电机17与第一电机2依次先后使用。首先让第二电机17正向转动,其输出 轴转动,带动第一锥齿轮13转动,与第一锥齿轮13相啮合的第二锥齿轮14随之转动,并带 动第一簧件15正向转动,如图9所示。此时,末端指段6随之转动,从远关节轴5到第一传 动机构40的传动链也随之转动,转动效果加载在第二簧件9上,第二簧件9变形。
[0098] 此后又由于物体32的远近不同而分为两种情况。
[0099] (d2. 1)若物体32离手指较近,则末端指段6碰到物体32后,捏持即完成。整个过 程如图18、19所示。
[0100] 放开物体32时,第二电机17反向转动,带动装置按上述捏持过程的逆过程完成。 整个过程如图19、18所示。
[0101] (d2. 2)若物体32离手指较远,则末端指段6的转动直到第一簧件15恢复松弛状 态为止,设此时中部指段4与末端指段6的夹角为θ,此时如图21所示。前述过程可以按 抓取需要自由调节预转的角度。一旦调节完成第二电机17就停止工作,转为第一电机2再 开始工作,此后的抓取过程的原理和(a)相同,中部指段4与末端指段6—起转动,直到末 端指段6碰到物体32后,捏持即完成,如图22所示。
[0102] 放开物体32时,第一电机2先反向转动,第二电机17再反向转动,带动装置按上 述捏持过程的逆过程完成。整个过程如图22、21、20所示。
[0103] ③以混合抓持方式抓取物体:
[0104] 混合抓持方式又分为(e)、(f)两种情况加以说明。
[0105] (e)若所选第一簧件本身就较弱(劲度系数较小),仅第一电机工作,此时,手指按 照逆序欠驱动混合抓持方式抓取物体。
[0106] 第二电机17不用工作,第一电机2工作,其抓取物体的过程和原理为:第一电机2 的输出轴转动,通过第一齿轮7带动固接有第二齿轮8的近关节轴3转动,拉动第二簧件9 的一端绕近关节轴3的轴线转动,拉动第二簧件9的另一端的主动轮10转动。由于第一簧件15的约束作用不够强,主动轮10的转动将通过传动件11和从动轮12,优先使得末端指 段6绕着远关节轴5转动。此过程直到第一簧件15转动后产生的力足够使中部指段4与 末端指段6好像固接为一个刚性整体为止,设此时中部指段4与末端指段6的夹角为θ,此 时如图15所示。此后的抓取过程的原理和(a)相同,如图16、17所示。
[0107] 放开物体31的原理与(a)类似。第一电机2反向转动,带动装置按上述混合抓持 过程的逆过程完成。整个过程如图17、16、15、14所示。
[0108] (f)以上(e)情况虽然实现了按照逆序欠驱动方式混合抓持物体,但是要求第一 簧件“本身就较弱(劲度系数较小)”,存在对于第一簧件的选择和调试问题,在实际情况中 往往使操作处于被动和受限制的状态。为了从根本上解决这一问题,加入第二电机和锥齿 轮等装置,主动使第一簧件变弱或者实现末端指段预弯曲的姿态。
[0109] 让第二电机先正向转动,之后第一电机再工作,此时,对于有无第二簧件,将出现 两种情况,下面分别阐述。(对于(a)、(b)、(c),有无第二簧件串联安装到从近关节轴到第 一传动机构再到远关节轴的传动链中对抓取效果没有影响。)
[0110] (fl)无第二簧件9。此时,手指末端指段6在第二电机17正向转动时并不随之转 动,主动使第一簧件15变弱。
[0111] 第二电机17与第一电机2依次先后使用。首先让第二电机17正向转动,其输出 轴转动,带动第一锥齿轮13转动,与第一锥齿轮13相啮合的第二锥齿轮14随之转动,并带 动第一簧件15正向转动,如图8所示。由于没有第二簧件9的存在,此时,从远关节轴5,到 第一传动机构40,到近关节轴3的传动链,被第一电机2到第二传动机构41的传动链软自 锁了,末端指段6不会转动。(软自锁是因为减速器的减速比比较大,电机停转时,难以让 近关节轴转动。)此时状态依然如图13所示。前述过程可以按抓取需要自由调节预转的 角度。一旦调节完成第二电机17就停止工作,此后转为第一电机2再开始工作,由于第一 簧件15已有预先的正转,末端指段6将先转动,直到第一簧件15恢复松弛状态,此时如图 15所示。之后第一电机2工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(a)过程相同,如图 16,17所示。
[0112] 放开物体31的原理与(b)类似。第一电机2先反向转动,第二电机17再反向转 动,带动装置按上述混合抓持过程的逆过程完成。整个过程如图17、16、15、14所示。
[0113] (f2)有第二簧件9。此时,手指末端指段6在第二电机17正向转动时随之转动, 实现预弯曲的姿态。
[0114] 第二电机17与第一电机2依次先后使用。首先让第二电机17正向转动,其输出 轴转动,带动第一锥齿轮13转动,与第一锥齿轮13相啮合的第二锥齿轮14随之转动,并带 动第一簧件15正向转动,如图9所示。此时,末端指段6随之转动,从远关节轴5到第一传 动机构40的传动链也随之转动,转动效果加载在第二簧件9上,第二簧件9变形。末端指 段6的转动直到第一簧件15恢复松弛状态为止,此时如图15所示。前述过程可以按抓取 需要自由调节预转的角度。一旦调节完成第二电机17就停止工作,此后转为第一电机2再 开始工作,之后第一电机2工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述(a)过程相同,只是 手指的初始姿态变为弯曲的状态了,如图16、17所示。
[0115] 放开物体31的原理与(b)类似。第一电机2先反向转动,第二电机17再反向转 动,带动装置按上述混合抓持过程的逆过程完成。整个过程如图17、16、15、14所示。[0116] 上述各种情况下,本发明所提出的该实施例装置都可以正常工作。
[0117] 本发明装置利用双电机、锥齿轮等传动机构和簧件综合实现了手指两关节可变顺 序转动及自适应抓取的特殊效果。该装置可以灵活调节近关节与远关节的先后转动顺序, 并可以调节末端指段的预转角度大小,实现握持、捏持和混合抓持等多种抓取方式,既具有 比传统欠驱动手指更多的灵巧性,又保留了欠驱动手指在抓取物体时具有的自适应性。该 装置结构紧凑、体积小、形态动作更趋近于人手、控制容易、抓取灵巧性高、稳定性好,可以 自动适应抓取各种形状、尺寸的物体,适合作为拟人机器人手的手指或手指一部分使用。

Claims (7)

  1. 一种变序欠驱动两关节机器人手指装置,包括基座(1)、第一电机(2)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)、末端指段(6)和第一传动机构(40);所述的第一电机与基座固接,第一电机的输出轴与近关节轴相连;所述的近关节轴套设在基座中,远关节轴套设在中部指段中,近关节轴和远关节轴相互平行;所述的中部指段套接在近关节轴上,所述的末端指段与远关节轴固接;所述的第一传动机构的输入轴与近关节轴相连,第一传动机构的输出轴与远关节轴相连,近关节轴与远关节轴的转动方向相同;其特征在于:所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置还包括第二电机(17)、第一锥齿轮(13)、第二锥齿轮(14)和第一簧件(15);所述的第二电机与中部指段固接,所述的第一锥齿轮套固在第二电机的输出轴上,所述的第二锥齿轮套接在远关节轴上并与第一锥齿轮相啮合,所述的第一簧件两端分别连接第二锥齿轮和末端指段。
  2. 2.如权利要求1所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一 传动机构采用平带轮传动机构、齿形带轮传动机构、绳轮传动机构、链条传动机构、齿轮齿 条传动机构、齿轮传动机构或连杆传动机构中的一种或几种的组合。
  3. 3.如权利要求2所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一 传动机构包括主动轮(10)、传动件(11)和从动轮(12);所述的主动轮 与近关节轴相连,从 动轮与远关节轴相连,传动件连接主动轮与从动轮,所述的传动件采用平带、齿形带、齿条、 腱绳、钢丝或链条,所述的主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮,所述的从动轮采用带轮、齿 轮、绳轮或链轮,所述的传动件、主动轮和从动轮三者之间配合形成传动关系。
  4. 4.如权利要求1所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第一 簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
  5. 5.如权利要求1所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:还包括第二 传动机构(41);所述的第二传动机构的输入端与第一电机的输出轴相连,第二传动机构的 输出端与近关节轴相连。
  6. 6.如权利要求1所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:还包括第二 簧件(9);所述的第二簧件作为连接件串联安装到从近关节轴到第一传动机构再到远关节 轴的传动链中。
  7. 7.如权利要求6所述的变序欠驱动两关节机器人手指装置,其特征在于:所述的第二 簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳中一种或几种的组合。
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