CN101767338B - 锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，属于拟人机器人手设计技术领域。包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件。该装置采用电机、双锥齿轮耦合传动机构、双锥齿轮欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合与自适应欠驱动两种抓取方式简单有效地结合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，无需预紧，传动过程精确，手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。

Description

锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置的结构设计。

背景技术

日常生活中，不论是学习和工作，手对人们来说是一个极其重要的部分。和人相同，机器人的手部在机器人的日常工作中也占有极其重要的地位。随着社会的进步和科学技术的大大发展，功能各异的机器人逐渐进入人了人类的生产、学习和工作当中，为人们的日常生活带来了极大的便利，大大提高了生产的效率。实际上，多数的机器人都是通过其手部来抓取工件，从而开展工作，所以可以说没有设计优良的机器人手，机器人就几乎不可能合格地通用地完成多种工作任务。机器人手部对于机器人来说是必不可少的。目前机器人手的设计制造得到了科学界和工业生产部门的广泛关注。但由于手部的关节自由度多，体积又小和出力要求大等特点，又给机器人手设计制造领域带来了许多的技术难关，现今机器人手的设计已经逐步成为机器人相关技术研究的重点、热点和难点之一。

首先，简单解释一下机械手“耦合”抓取物体的模式。日常生活中，手部在抓取物体时一般是同时弯曲多个手指关节实现抓取的。比方说，当人手从侧面横向抓取一个较小竖放的圆柱形物体时，食指、中指和无名指都呈现出上面所说得的弯曲特点，每个手指的第一、二、三关节均有一定程度的弯曲转动，并且三个关节是同时同向弯曲转动的。这种同时弯曲各关节的动作模式称为“耦合”抓取模式。耦合抓取效果在人手多数抓取过程是很常见的，现在有很多的机械手所实现的就是这种耦合抓取效果。

已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)，主要包括基座、电机、第一指段、第二指段和“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1∶1角度的耦合运动。

该类耦合抓取式机械手指装置的不足之处为：各关节均以固定比例角度的转动，没有任意比例角度的转动，在抓取物体时一般以捏持方式抓持物体，很难以恰好适应物体表面大小尺寸的方式实现握持抓取方式抓取，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自适应性，所以这类手指的抓取效果不好。此外，该类装置中存在带式或腱绳式传动机构，需要对其进行预紧，传动过程不精确。

其次，来介绍一下“解耦”欠驱动抓取的模式。为了解决前面所说的耦合抓取模式存在的不能自动适应物体大小和形状的缺点，一种具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式应运而生。一般我们简单地将“解耦”欠驱动手指称为欠驱动手指。所谓欠驱动机构是指驱动器个数比被驱动的关节自由度数目少的机构。在欠驱动机构中，多个关节的转动角度无固定比例，开始时电机会驱动整个手指(包括第一指段、第二指段)呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段(最靠近手指根部的指段)碰触物体而被阻挡不能再转动时，电机的驱动力会自动转向驱动下一个关节转动，从而使第二指段再绕远关节轴转动，实现了两个关节顺序转动的方式。该机构最大的优点就是能够自动适应物体大小，非常有利于稳定抓取。

已有一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101288954A)，包括括基座、电机、中部指段、远关节轴、末端指段、主动锥齿轮、从动锥齿轮和双联锥齿轮等。

该类欠驱动机械手指装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化程度不够；抓取方式主要为握持方式，难以实现末端捏持抓取物体；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。

综合可知，现有的耦合型机械手指和欠驱动机械手指均存在较大的不足。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者简单有效地融合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，无需预紧，传动过程精确，手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机和减速器与基座固接，减速器的输出轴与近关节轴相连，所述的近关节轴套接在基座中，所述的中部指段套接在近关节轴上，所述的远关节轴套接在中部指段中，所述的末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节轴平行；

其特征在于：

该锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、双锥齿轮、第一簧件、第二簧件和第三簧件；所述的双锥齿轮由双锥齿轮轴、下锥齿轮和上锥齿轮组成；

所述的第一锥齿轮套接在近关节轴上；所述的第二锥齿轮套接在近关节轴上；所述的第三锥齿轮套固在远关节轴上；所述的双锥齿轮的下锥齿轮同时与第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，所述的双锥齿轮的上锥齿轮与第三锥齿轮啮合；所述的双锥齿轮轴套接在中部指段中，所述的双锥齿轮轴的中心线与近关节轴的中心线相互垂直；

所述的第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；所述的第二簧件的两端分别连接基座和第一锥齿轮；所述的第三簧件的两端分连接近关节轴和第二锥齿轮，所述的第二簧件的劲度系数大于第三簧件的劲度系数。

本发明所述的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴相连。

本发明所述的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：所述的传动机构包括第一齿轮和第二齿轮；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，第二齿轮套固在近关节轴上。

本发明所述的锥齿轮系耦合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、第二簧件和第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置采用电机、双锥齿轮耦合传动机构、双锥齿轮欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合与自适应欠驱动两种抓取方式简单有效地结合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，无需预紧，传动过程精确，手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。

附图说明

图1是本发明提供的锥齿轮系耦合欠驱动两关节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的右视图。

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A-A剖视图。

图5是本实施例的B-B剖视图。

图6是本实施例的第一簧件安装方法示意图。

图7是本实施例的第二簧件安装方法示意图。

图8是本实施例的第三簧件安装方法示意图。

图9是本实施例的外观立体图。

图10是本实施例所有传动机构立体图。

图11是本实施例的三维爆炸视图。

图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18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。

在图1至图18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-减速器，     8-齿轮罩，     9-物体，

11-第一齿轮，  12-第二齿轮，

21-第一锥齿轮，22-第二锥齿轮，23-第三锥齿轮，

31-双锥齿轮，

41-第一簧件，  42-第二簧件，  43-第三簧件，

51-第一凸台，  52-第二凸台，  53-第三凸台。

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。

本发明设计的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括基座1、电机2、减速器7、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6；所述的电机2和减速器7与基座1固接，减速器7的输出轴与近关节轴3相连，所述的近关节轴3套接在基座1中，所述的中部指段4套接在近关节轴3上，所述的远关节轴5套接在中部指段4中，所述的末端指段6套固在远关节轴5上，远关节轴5和近关节轴3平行；

该锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一锥齿轮21、第二锥齿轮22、第三锥齿轮23、双锥齿轮31、第一簧件41、第二簧件42和第三簧件43；所述的双锥齿轮31由双锥齿轮轴310、下锥齿轮311和上锥齿轮312组成；

所述的第一锥齿轮21套接在近关节轴3上；所述的第二锥齿轮22套接在近关节轴3上；所述的第三锥齿轮23套固在远关节轴5上；所述的双锥齿轮31的下锥齿轮311同时与第一锥齿轮21和第二锥齿轮22啮合，所述的双锥齿轮31的上锥齿轮312与第三锥齿轮23啮合；所述的双锥齿轮轴310套接在中部指段4中，所述的双锥齿轮轴310的中心线与近关节轴3的中心线相互垂直；

所述的第一簧件41的两端分别连接近关节轴3和中部指段4；所述的第二簧件42的两端分别连接基座1和第一锥齿轮21；所述的第三簧件43的两端分连接近关节轴3和第二锥齿轮22，所述的第二簧件42的劲度系数大于第三簧件43的劲度系数。

本实施例还包括传动机构，所述的减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴3相连。

本实施例中，所述的传动机构包括第一齿轮11和第二齿轮12；减速器7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套固在近关节轴3上。

本发明所述的锥齿轮系耦合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41、第二簧件42和第三簧件43采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例中，所述的第一簧件41、第二簧件42和第三簧件43采用扭簧。

本实施例中，第一凸台51连接第一簧件41一端并镶嵌固定在中部指段4上；第二凸台52镶嵌固定在基座1和第一锥齿轮21上；第三凸台53连接第三簧件43一端并镶嵌固定在第二锥齿轮22上；

本实施例的工作原理，如图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18所示，叙述如下：

该装置一种情形下的初始位置如图12所示，在这种情况下，初始时中部指段4和末端指段6都没有接触物体，并且物体9与中部指段4相距较近，手指在转动过程中会由中部指段4首先碰触物体9。电机2刚开始转动时，中部指段4和末端指段6与基座1呈手指伸直的状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体9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，由于第一簧件41的约束作用，中部指段4和近关节轴3仿佛固接在一起，中部指段4将绕着近关节轴3转动角度α。

由于第一锥齿轮21通过第二簧件42与基座1连接，在中部指段4转动过程中，远关节轴5相对于近关节轴3的位置将改变，由于双锥齿轮31的下锥齿轮311与第一锥齿轮21啮合，故而中部指段4的转动会使得双锥齿轮31的上锥齿轮312推动与其啮合的第三锥齿轮23绕远关节轴5的中心线转动同样一个角度α，当第一锥齿轮21和第三锥齿轮23大小一致时，两关节的耦合转动角度为1∶1，当然第一锥齿轮21和第三锥齿轮23也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果，又由于第三锥齿轮23与远关节轴固接，将使得远关节轴5绕自身轴线转动角度α。

电机2的输出轴转动，经过第一齿轮11和第二齿轮12带动通过第三簧件43与近关节轴3相连的第二锥齿轮22转动，由于双锥齿轮轴310绕着自身的轴线转动角度α，同时双锥齿轮31随着中部指段4绕近关节轴3轴线转动角度α，这两种效果叠加导致与双锥齿轮31的下锥齿轮311啮合的第二锥齿轮22绕着近关节轴3轴线转动角度2α，所以此时第三簧件43的变形量是第一簧件41的2倍。

由于末端指段6套固在远关节轴5上，末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线转动角度α，如图13所示。此过程直到中部指段4碰到物体8，此时中部指段4绕近关节轴3转动了角度β，末端指段6也绕远关节轴5的中心线转动了角度β，如图14所示。上述过程均为两关节采用耦合方式转动。

此时，如果末端指段6接触物体9，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图16所示。

此时，如果末端指段6还未接触物体8，如图14所示。电机2的输出轴继续转动，通过第一齿轮11和第二齿轮12带动通过簧件43与近关节轴3套接的第二锥齿轮22转动。

由于这时中部指段4已经接触物体9，中部指段4不能继续绕近关节轴3转动，第一簧件41的继续变形将使中部指段4以越来越大的抓取力紧靠物体7。同时由于第三簧件43的变形量较之其余两个簧件的变形量大，所以随着电机2的继续转动，第三簧件43会带动第二锥齿轮22绕着近关节轴3的轴线继续转动，从而带动双锥齿轮31的下锥齿轮311继续转动，使得与双锥齿轮31的上锥齿轮312啮合的第三锥齿轮23转动，又由于第三锥齿轮23与远关节轴5固接，将使得远关节轴5绕自身轴线继续转动，从而末端指段6能够继续绕远关节轴5的轴线转动。这一过程直到末端指段6接触到物体9，完成抓持动作，如图15所示。此过程使得该装置能够自动适应抓取不同形状和尺寸大小的物体。

该装置在另一种情形下的初始位置如图17所示，这种情况下，物体9与末端指段6相距较近，在这种情况下会由末端指段首先碰触物体。在这种情形下手指一直会以上面所述的那种耦合抓取模式转动，直到末端指段6碰触到物体为止，完成抓持，在这种情形下手指的运动过程中没有进行欠驱动自适应模式，手指直接通过耦合抓取模式完成抓持，如图18所示。

该装置采用电机、双锥齿轮耦合传动机构、双锥齿轮欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合与自适应欠驱动两种抓取方式简单有效地结合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，无需预紧，传动过程精确，手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。

Claims (4)

1.一种锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器(7)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述的电机(2)和减速器(7)与基座(1)固接，减速器(7)的输出轴与近关节轴(3)相连，所述的近关节轴(3)套接在基座(1)中，所述的中部指段(4)套接在近关节轴(3)上，所述的远关节轴(5)套接在中部指段(4)中，所述的末端指段(6)套固在远关节轴(5)上，远关节轴(5)和近关节轴(3)平行；

其特征在于：

所述的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一锥齿轮(21)、第二锥齿轮(22)、第三锥齿轮(23)、双锥齿轮(31)、第一簧件(41)、第二簧件(42)和第三簧件(43)；所述的双锥齿轮(31)由双锥齿轮轴(310)、下锥齿轮(311)和上锥齿轮(312)组成；

所述的第一锥齿轮(21)套接在近关节轴(3)上；所述的第二锥齿轮(22)套接在近关节轴(3)上；所述的第三锥齿轮(23)套固在远关节轴(5)上；所述的双锥齿轮(31)的下锥齿轮(311)同时与第一锥齿轮(21)和第二锥齿轮(22)啮合，所述的双锥齿轮(31)的上锥齿轮(312)与第三锥齿轮(23)啮合；所述的双锥齿轮轴(310)套接在中部指段(4)中，所述的双锥齿轮轴(310)的中心线与近关节轴(3)的中心线相互垂直；

所述的第一簧件(41)的两端分别连接近关节轴(3)和中部指段(4)；所述的第二簧件(42)的两端分别连接基座(1)和第一锥齿轮(21)；所述的第三簧件(43)的两端分别连接近关节轴(3)和第二锥齿轮(22)，所述的第二簧件(42)的劲度系数大于第三簧件(43)的劲度系数。

2.如权利要求1所述的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴(3)相连。

3.如权利要求2所述的锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：所述的传动机构包括第一齿轮(11)和第二齿轮(12)；减速器(7)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)套固在近关节轴(3)上。

4.如权利要求1所述的锥齿轮系耦合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(41)、第二簧件(42)和第三簧件(43)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

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