CN101774175B - 双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置 - Google Patents

Abstract

双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，属于拟人机器人手技术领域，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、齿轮齿条耦合传动机构、轮式欠驱动传动机构和多个簧件。该装置采用电机、齿轮齿条耦合传动机构、轮式欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合，在手指没有碰到物体的时候，各关节以耦合模式同时转动，非常拟人化，同时也能够实现末端捏持动作；当手指碰到物体的时候，则以欠驱动方式转动，能够自动适应物体的外形实现抓取，有助于以握持方式抓取物体，抓取效果稳定；另外，本装置成本低，控制简单，，外观和动作均与人手相似，适用于拟人机器人手。

Description

双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置的结构设计。

背景技术

近年来，拟人机器人技术得到了飞速的发展，机器人身体各部分的设计和研究受到了广泛的关注。由于拟人机器人的大部分工作都是通过手部来完成的，诸如抓取、搬运物件或操作工具等，因此，如何设计机器人手，使其像人手一样，具有自由度多、体积小、力量大等优点，是机器人相关技术研究的重点和难点之一。目前先进的机器人灵巧手能够实现类似人手的一些灵活的功能，但是还存在以下不足：电机数量多，体积较大，机构复杂，实时控制难度大，制造、使用、维护的成本都很昂贵，还需要具有较高技术水平的人来操作，操作门槛很高，等等。于是，近些年来，能够实现抓取功能且结构较为简单的耦合型机械手和欠驱动机械手成为研究热点。

“耦合”是为了实现人手抓取物体时各关节同时弯曲这一效果而设计的抓取模式。人手在抓取物体之前，会根据物体外形特征而呈现不同的形态。例如，当从侧面抓取一个小直径竖放的圆柱形物体时，食指、中指、无名指和小指会同时弯曲，现仅以食指为例说明，此时食指的三个关节均有一定程度的弯曲，而且三个关节是同时弯曲的，随后各指段接触物体，完成抓取动作。在这种同时弯曲各关节的动作模式中，如果各关节转动角度还成一定比例，则称为“耦合”抓取模式。该模式能够实现抓取物体时手指同时弯曲这一拟人效果。耦合抓取效果在多数抓取过程中是很常用的，通过一个电机，带动一系列传动机构，可以实现手指各关节转动相同或者成一定比例的角度。

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。

已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第二齿轮传动机构、主动轮传动机构、第一齿轮传动机构和从动轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果。

该类耦合抓取式机械手指装置的不足之处为：抓取物体时各关节只能以固定的角度比例转动，不能有自由的角度比例转动，在抓取物体时一般采取捏持方式，形式单一，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，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自动适应性，抓取效果不好。

为了解决前述的耦合抓取模式存在的不能自动适应物体的外形抓取物体的不足，一种具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式应运而生，并产生了众多欠驱动机械手指装置的方案，一般将“解耦”欠驱动手指直接简称为欠驱动手指。所谓欠驱动机构是指该机构的驱动器个数少于被驱动的关节自由度数目，从这个定义来说，前述的耦合型手指可以认为是一种广义的欠驱动手指机构，但一般狭义的欠驱动手指机构并不包括该类手指装置，而是指解耦的欠驱动手指机构。以双关节手指为例说明。在解耦欠驱动机构中，手指的转动没有按照一定的比例，而各个指段按照先后顺序依次转动，首先电机驱动整个手指(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)碰触物体被阻挡而不能再转动时，电机的驱动力会通过传动机构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。该机构能够适应物体的形状进行抓取，抓取效果稳定，因此得到了广泛的应用。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。

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，拟人化不够；抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；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。

该类欠驱动机械手指装置的不足之处为：整个手指在碰触到物体之前始终以伸直状态进行转动，各指段依次弯曲，不能实现同时弯曲，与人手抓取物体的动作存在很大的差别，拟人化不够；抓取方式主要是握持方式，难以实现较好的末端抓取效果；在没有物体的时候，无法实现人手握拳的动作，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，提供一种双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，该装置结合了耦合抓取和自适应欠驱动抓取的优点，即：在手指没有碰到物体的时候，各关节以耦合模式同时转动，非常拟人化，同时也能够实现末端捏持动作；当手指碰到物体的时候，则以欠驱动方式转动，能够自动适应物体的外形实现抓取，有助于以握持方式抓取物体，抓取效果稳定；另外，本装置成本低，控制简单，，外观和动作均与人手相似，适用于拟人机器人手。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，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，所述的近关节轴套设在基座中，所述的中部指段套接在近关节轴上，所述的远关节轴套设在中部指段中，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：

该双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置还包括第一齿轮、第二齿轮、齿条、主动轮、从动轮、传动件、第一簧件、第二簧件和第三簧件；

所述的第一齿轮套接在近关节轴上，第一齿轮与基座固接；所述的第二齿轮套接在远关节轴上，所述的齿条两端分别与第一齿轮和第二齿轮啮合；令齿条与第一齿轮的啮合点为A，齿条与第二齿轮的啮合点为B，第一齿轮的中心点为O₁，第二齿轮的中心点为O₂，线段O₁A、AB、BO₂和O₂O₁构成“8”字形，线段AB和O₁O₂相交且交点在线段O₁O₂上，所述的A和B分别在线段O₁O₂两侧；所述的齿条镶嵌在中部指段中；所述的齿条、第一齿轮和第二齿轮三者能够配合形成传动关系；

所述的主动轮固接在近关节轴上，所述的从动轮套接在远关节轴上，所述的传动件连接主动轮和从动轮；所述的传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮采用带轮、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；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远关节轴和第二齿轮；所述的第三簧件的两端分别连接远关节轴和从动轮。

本发明所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：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相连。

本发明所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：所述的传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述的减速器的输出轴与第一锥齿轮固接，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮套固在近关节轴上。

本发明所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，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、齿轮齿条耦合传动机构、轮式欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合，即：在手指没有碰到物体的时候，各关节以耦合模式同时转动，非常拟人化，同时也能够实现末端捏持动作；当手指碰到物体的时候，则以欠驱动方式转动，能够自动适应物体的外形实现抓取，有助于以握持方式抓取物体，抓取效果稳定；另外，本装置成本低，控制简单，，外观和动作均与人手相似，适用于拟人机器人手。

附图说明

图1是本发明提供的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械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的左侧视图。

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和图7是本实施例所有传动机构的示意图。

图8、图9、图10、图11、图12和图13是本实施例抓握物体过程的几个关键位置的侧面外观示意图。

在图1至图13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-物体，

11-第一齿轮，    12-第二齿轮，   13-齿条，

21-主动轮，      22-从动轮，     23-传动件，

31-第一簧件，    32-第二簧件，   33-第三簧件，

41-第一凸台，    42-第二凸台，   43-第三凸台，

44-第四凸台，    45-第五凸台，

51-第一锥齿轮，  52-第二锥齿轮。

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。

本发明设计的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4和图5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套设在基座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套设在中部指段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。

该双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置还包括第一齿轮11、第二齿轮12、齿条13、主动轮21、从动轮22、传动件23、第一簧件31、第二簧件32和第三簧件33。

所述的第一齿轮11套接在近关节轴3上，第一齿轮11与基座1固接；所述的第二齿轮12套接在远关节轴5上，所述的齿条13两端分别与第一齿轮11和第二齿轮12啮合；令齿条13与第一齿轮11的啮合点为A，齿条13与第二齿轮12的啮合点为B，第一齿轮11的中心点为O₁，第二齿轮12的中心点为O₂，线段O₁A、AB、BO₂和O₂O₁构成“8”字形，线段AB和O₁O₂相交且交点在线段O₁O₂上，所述的A和B分别在线段O₁O₂两侧；所述的齿条13镶嵌在中部指段4中；所述的齿条13、第一齿轮11和第二齿轮12三者能够配合形成传动关系。

所述的主动轮21固接在近关节轴3上，所述的从动轮22套接在远关节轴5上，所述的传动件23连接主动轮21和从动轮22。

本发明所述的传动件23采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮21采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮22采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件23、主动轮21和从动轮22三者之间能够配合形成传动关系。

本实施例中，所述的传动件23采用平带，所述的主动轮21采用带轮，所述的从动轮22采用带轮，所述的传动件23、主动轮21和从动轮22三者之间能够配合形成传动关系。

所述的第一簧件31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32的两端分别连接远关节轴5和第二齿轮12；所述的第三簧件33的两端分别连接远关节轴5和从动轮22。

本实施例还包括传动机构，所述的减速器7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锥齿轮51和第二锥齿轮52；所述的减速器7的输出轴与第一锥齿轮51固接，第一锥齿轮51与第二锥齿轮52相啮合，第二锥齿轮52套固在近关节轴3上。

本发明所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：所述的第一簧件31、第二簧件32和第三簧33件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例中，所述的第一簧件31、第二簧件32和第三簧件33采用扭簧。

本实施例中，第一凸台41连接第一簧件31一端并镶嵌固定在中部指段4上；第二凸台42连接第二簧件32一端并镶嵌固定在第二齿轮12上；第三凸台43连接第三簧件33一端并镶嵌固定在从动轮22上；第四凸台44镶嵌固定在中部指段4中，用于齿条13的定位；第五凸台45镶嵌固定在基座1和第一齿轮11上。

本实施例的工作原理，如图8、图9、图10、图11、图12和图13，叙述如下：

该装置的初始位置如图8所示，此时中部指段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8时，电机2的输出轴转动，通过第一锥齿轮51带动固接有第二锥齿轮52的近关节轴3转动，由于第一簧件31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。

由于第一齿轮11固接在基座1上，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，由于齿条13的下端与第一齿轮11啮合，故而中部指段4的转动会让第一齿条13推动与其另一端啮合的第二齿轮12绕远关节轴5的中心线转动一个角度，第一齿轮和第二齿轮大小一致时，两关节的耦合转动角度为1∶1，第二齿轮12转动的角度为α，当然第一齿轮和第二齿轮也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果，由于第二簧件32的约束作用，第二齿轮12仿佛和远关节轴5固接在一起，使得第二齿轮12通过第二簧件32带动远关节轴5绕自身轴线转动角度α。

电机2的输出轴转动，通过第一锥齿轮51带动固接有主动轮21的近关节轴3转动，主动轮21拉动传动件23，使得从动轮22绕远关节轴5转动角度α。由于此时中部指段4也绕着近关节轴3转动了角度α，故从动轮22相对于中部指段4的位置没有改变，因此连接远关节轴5和从动轮22的第三簧件33产生一定的变形量。

此时，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12所示。此过程直到中部指段4碰到物体8，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13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8，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图13所示。

此时，如果末端指段6还未接触物体8，如图10所示，电机2的输出轴继续转动，通过第一锥齿轮51带动固接有第二锥齿轮52的近关节轴3转动。

由于这时中部指段4已经接触物体8，中部指段4不能继续绕近关节轴3转动，第一簧件31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8。第二齿轮12也不再继续转动。

电机2的输出轴继续转动，主动轮21将拉动传动件23，使得从动轮22转动。由于从动轮22的转动，第三簧件33的变形量将逐渐减小到零。接着从动轮22继续转动，第三簧件33将发生与先前相反的变形，由于簧件33的约束作用，从动轮22和远关节轴5仿佛固接在一起，因此会带动固接于远关节轴5上的末端指段6转动，如图11所示。此时连接在第二齿轮22和远关节轴5的第二簧件32会发生变形，从而使得不再转动的第二齿轮12不会阻碍末端指段6的继续转动。这一过程直到末端指段6接触到物体，完成抓持动作，如图12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。

该装置采用电机、齿轮齿条耦合传动机构、轮式欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合，即：在手指没有碰到物体的时候，各关节以耦合模式同时转动，非常拟人化，同时也能够实现末端捏持动作；当手指碰到物体的时候，则以欠驱动方式转动，能够自动适应物体的外形实现抓取，有助于以握持方式抓取物体，抓取效果稳定；另外，本装置成本低，控制简单，，外观和动作均与人手相似，适用于拟人机器人手。

Claims (4)

1.一种双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，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)套设在基座(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)套设在中部指段(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：

该双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置还包括第一齿轮(11)、第二齿轮(12)、齿条(13)、主动轮(21)、从动轮(22)、传动件(23)、第一簧件(31)、第二簧件(32)和第三簧件(33)；所述的第一齿轮(11)套接在近关节轴(3)上，第一齿轮(11)与基座(1)固接；所述的第二齿轮(12)套接在远关节轴(5)上，所述的齿条(13)两端分别与第一齿轮(11)和第二齿轮(12)啮合；令齿条(13)与第一齿轮(11)的啮合点为A，齿条(13)与第二齿轮(12)的啮合点为B，第一齿轮(11)的中心点为O₁，第二齿轮(12)的中心点为O₂，线段O₁A、AB、BO₂和O₂O₁构成“8”字形，线段AB和O₁O₂相交且交点在线段O₁O₂上，所述的A和B分别在线段O₁O₂两侧；所述的齿条(13)镶嵌在中部指段(4)中；所述的齿条(13)、第一齿轮(11)和第二齿轮(12)三者能够配合形成传动关系；所述的主动轮(21)固接在近关节轴(3)上，所述的从动轮(22)套接在远关节轴(5)上，所述的传动件(23)连接主动轮(21)和从动轮(22)；所述的传动件(23)采用传动带、腱绳或链条，所述的传动件(23)、主动轮(21)和从动轮(22)三者之间能够配合形成传动关系；所述的第一簧件(31)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(32)的两端分别连接远关节轴(5)和第二齿轮(12)；所述的第三簧件(33)的两端分别连接远关节轴(5)和从动轮(22)。

2.如权利要求1所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：还包括传动机构，所述的减速器(7)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所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：所述的传动机构包括第一锥齿轮(51)和第二锥齿轮(52)；所述的减速器(7)的输出轴与第一锥齿轮(51)固接，第一锥齿轮(51)与第二锥齿轮(52)相啮合，第二锥齿轮(52)套固在近关节轴(3)上。

4.如权利要求1所述的双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置，其特征在于：所述的第一簧件(31)、第二簧件(32)和第三簧件(33)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

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