CN101774176A - 齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
齿条-柔性件耦合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。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、欠驱动传动机构和簧件。该装置采用电机、耦合传动机构、欠驱动传动机构和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。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，手指外形与抓取物体的动作过程与人的手指十分相似，适合作为拟人机器人手的手指。
Description
技术领域
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置的结构设计。
背景技术
人手对于人类来是极其重要的，与人一样，机器人手对于拟人机器人来发挥着同样重要的作用。机器人在工作过程中通过机械手抓取工具从而开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移。近几年来机器人手的设计得到各界的广泛关注，由于手部的关节自由度多，体积小、出力要求大和控制复杂等特点，给本领域带来许多技术难题，因此机器人手的设计成为机器人相关技术研究的重点和难点之一。
先进的机器人灵巧手控制非常灵活，但是存在以下不足：电机数量多，机构复杂，实时控制难度大、使用、维护的成本昂贵，此外还需要较高技术水平的人来操作，导致操作门槛很高。近些年来，欠驱动机械手和耦合型机械手成为研究热点。
首先，来解释一下人生物手的多关节同时弯曲抓取物体模式以及仿造此效果实现的机械手“耦合”抓取模式。人手在抓取常见物体时一般情况下是同时弯曲多个手指关节去抓取物体。下面举个简单的例子具体说明，当人手从侧面横向抓取一个小直径竖放的圆柱形物体时，食指、中指、无名指和小指都会呈现出类似的弯曲特点，因此仅以食指为例，此时食指的第一、二、三关节均有一定程度的弯曲转动，而且三个关节是同时弯曲的。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。耦合抓取效果在多数抓取过程是很常用的，不少机械手实现的就是这种耦合抓取效果，通过一个电机驱动源带动2个以上的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、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。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：各关节均以固定角度比例转动，不能有自由的角度比例转动，在抓取物体时一般是以捏持方式，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。
其次，来看看具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式。由于前述的耦合抓取模式存在不能自动适应物体的不足，一种具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式概念被提出来。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，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。以双关节为例说明。在解耦欠驱动机构中，多个关节的转动角度无一定比例，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)碰触物体被阻挡不能再转动，此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。该机构有一个自动适应物体大小的特殊效果，非常有利于稳定抓取。
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，拟人化的程度不够；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。
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，提供一种齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置，该装置采用电机、耦合传动机构、欠驱动传动机构和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。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种齿条-柔性件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；
该齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一主动轮、第一从动轮、第一传动件、第二传动件、第一齿轮、第二齿轮、齿条、第一簧件、第二簧件和第三簧件；
所述的第一主动轮套接在近关节轴上，第一主动轮与基座固接；所述的第一从动轮套接在远关节轴上，所述的第一传动件缠绕在第一主动轮和第一从动轮上并形成“Z”字形，第一传动件的两端分别与第一主动轮和第一从动轮固接；所述的第二传动件缠绕在第一主动轮和第一从动轮上并形成“S”字形，第二传动件的两端分别与第一主动轮和第一从动轮固接，第一传动件和第二传动件交叉成“8”字形；所述的第一传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第一主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件、第二传动件、第一主动轮和第一从动轮四者能够配合形成传动关系；
所述的第一齿轮固接在近关节轴上，所述的第二齿轮套接在远关节轴上，所述的齿条的两端分别与第一齿轮和第二齿轮啮合，所述的齿条镶嵌在中部指段中，令齿条与第一齿轮的啮合点为M，齿条与第二齿轮的啮合点为N，第一齿轮的中心点为P，第二齿轮的中心点为Q，线段PM、MN、NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交；
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一从动轮；所述的第三簧件的两端分连接远关节轴和第二齿轮。
本发明所述的齿条-柔性件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。
本发明所述的齿条-柔性件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锥齿轮和第二锥齿轮；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。
本发明所述的齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：第一传动件两端分别固接有第一端块和第二端块；第二传动件两端分别固接有第三端块和第四端块；所述的第一端块镶嵌固定在第一主动轮的槽内，所述的第二端块镶嵌固定在第一从动轮的槽内；所述的第三端块镶嵌固定在第一主动轮的槽内，所述的第四端块镶嵌固定在第一从动轮的槽内。
本发明所述的齿条-柔性件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、耦合传动机构、欠驱动传动机构和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。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
附图说明
图1是本发明提供的齿条-柔性件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、图7是齿条的安装示意图。
图8是本实施例的外观立体图。
图9是本实施例的传动机构立体图
图10是本实施例的三维爆炸视图。
图11、图12、图13、图14、图15和图16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16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-物体，
11-第一主动轮，12-第一从动轮， 13-第一传动件，
14-第二传动件，
21-第一齿轮， 22-第二齿轮， 23-齿条，
31-第一簧件， 32-第二簧件， 33-第三簧件，
41-第一端块， 42-第二端块， 43-第三端块，
44-第四端块，
51-第一锥齿轮，52-第二锥齿轮，
61-第一凸台， 62-第二凸台， 63-第三凸台，
64-第四凸台， 65-第五凸台，
71-减速器。
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。
本发明设计的齿条-柔性件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和图5所示，包括基座1、电机2、减速器71、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71与基座1固接，减速器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；
该齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一主动轮11、第一从动轮12、第一传动件13、第二传动件14、第一齿轮21、第二齿轮22、齿条23、第一簧件31、第二簧件32和第三簧件33；
所述的第一主动轮11套接在近关节轴3上，第一主动轮11与基座1固接；所述的第一从动轮12套接在远关节轴5上，所述的第一传动件13缠绕在第一主动轮11和第一从动轮12上并形成“Z”字形，第一传动件13的两端分别与第一主动轮11和第一从动轮12固接；所述的第二传动件14缠绕在第一主动轮11和第一从动轮12上并形成“S”字形，第二传动件14的两端分别与第一主动轮11和第一从动轮12固接，第一传动件13和第二传动件14交叉成“8”字形；所述的第一传动件13采用传动带、腱绳或链条，所述的第二传动件14采用传动带、腱绳或链条，所述的第一主动轮11采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮12采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件13、第二传动件14、第一主动轮11和第一从动轮12四者能够配合形成传动关系；
本实施例中，所述的第一传动件13采用腱绳(钢丝绳)，所述的第二传动件14采用腱绳(钢丝绳)，所述的第一主动轮11采用绳轮，所述的第一从动轮12采用绳轮；所述的第一传动件13、第二传动件14、第一主动轮11和第一从动轮12四者能够配合形成传动关系。
所述的第一齿轮21固接在近关节轴3上，所述的第二齿轮22套接在远关节轴5上，所述的齿条23的两端分别与第一齿轮21和第二齿轮22啮合，所述的齿条23镶嵌在中部指段4中，令齿条23与第一齿轮21的啮合点为M，齿条23与第二齿轮22的啮合点为N，第一齿轮21的中心点为P，第二齿轮22的中心点为Q，线段PM、MN、NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交；
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和第一从动轮12；所述的第三簧件33的两端分连接远关节轴5和第二齿轮22。
本实施例中，减速器71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；减速器71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。
本实施例中，第一传动件13两端分别固接有第一端块41和第二端块42；第二传动件14两端分别固接有第三端块43和第四端块44；所述的第一端块41镶嵌固定在第一主动轮11的槽内，所述的第二端块42镶嵌固定在第一从动轮12的槽内；所述的第三端块43镶嵌固定在第一主动轮11的槽内，所述的第四端块44镶嵌固定在第一从动轮12的槽内。
本发明所述的齿条-柔性件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，所述的第一凸台61连接第一簧件31一端并镶嵌固定在中部指段4上；所述的第二凸台62镶嵌固定在基座1和第一主动轮11上；所述的第三凸台63连接第二簧件32一端并镶嵌固定在第一从动轮12上；所述的第四凸台64连接第三簧件33一端并镶嵌固定在第二齿轮22上；所述的第五凸台65镶嵌在中部指端4上。
本实施例的工作原理，如图11、图12、图13、图14、图15和图16，叙述如下：
该装置的初始位置如图11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7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。
由于第一主动轮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，由于第一传动件13的下端与第一主动轮11固接，故而中部指段4的转动会让第一传动件13拉动与其另一端固接的第一从动轮12绕远关节轴5的中心线转动同样一个角度α，第一主动轮和第一从动轮大小一致时，两关节的耦合转动角度为1∶1，当然第一主动轮和第一从动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，第一从动轮12仿佛和远关节轴5固接在一起，使得第一从动轮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带动固接有第二主动轮21的近关节轴3转动，第二主动轮21拉动第二传动件23，使得第二从动轮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，故第二从动轮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和第二从动轮22的第三簧件33产生一定的变形量。
此时，由于末端指段套固在远关节轴上，末端指段也随之绕远关节轴的中心线转动角度α，如图12所示。此过程直到中部指段4碰到物体7，中部指段绕近关节轴转动了角度β，末端指段也绕远关节轴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7，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7，如图13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7，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7。第一从动轮12也不再继续转动。
电机2的输出轴继续转动，第一齿轮21将推动齿条23，使得第二齿轮22转动。由于第二齿轮22的转动，第三簧件33的变形量将逐渐减小到零。接着第二齿轮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，第二齿轮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14所示。此时连接在第一从动轮和远关节轴的第二簧件会发生变形，从而使得不再转动的第一从动轮不会阻碍末端指段的继续转动。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。
该装置采用电机、耦合传动机构、欠驱动传动机构和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。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
Claims (5)
1.一种齿条-柔性件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(71)、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(71)与基座(1)固接，减速器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：
该齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置还包括第一主动轮(11)、第一从动轮(12)、第一传动件(13)、第二传动件(14)、第一齿轮(21)、第二齿轮(22)、齿条(23)、第一簧件(31)、第二簧件(32)和第三簧件(33)；
所述的第一主动轮(11)套接在近关节轴(3)上，第一主动轮(11)与基座(1)固接；所述的第一从动轮(12)套接在远关节轴(5)上，所述的第一传动件(13)缠绕在第一主动轮(11)和第一从动轮(12)上并形成“Z”字形，第一传动件(13)的两端分别与第一主动轮(11)和第一从动轮(12)固接；所述的第二传动件(14)缠绕在第一主动轮(11)和第一从动轮(12)上并形成“S”字形，第二传动件(14)的两端分别与第一主动轮(11)和第一从动轮(12)固接，第一传动件(13)和第二传动件(14)交叉成“8”字形；所述的第一传动件(13)采用传动带、腱绳或链条，所述的第二传动件(14)采用传动带、腱绳或链条，所述的第一主动轮(11)采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮(12)采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件(13)、第二传动件(14)、第一主动轮(11)和第一从动轮(12)四者能够配合形成传动关系；
所述的第一齿轮(21)固接在近关节轴(3)上，所述的第二齿轮(22)套接在远关节轴(5)上，所述的齿条(23)的两端分别与第一齿轮(21)和第二齿轮(22)啮合，所述的齿条(23)镶嵌在中部指段(4)中，令齿条(23)与第一齿轮(21)的啮合点为M，齿条(23)与第二齿轮(22)的啮合点为N，第一齿轮(21)的中心点为P，第二齿轮(22)的中心点为Q，线段PM、MN、NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交；
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)和第一从动轮(12)；所述的第三簧件(33)的两端分连接远关节轴(5)和第二齿轮(22)。
2.如权利要求1所述的齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：减速器(71)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所述的齿条-柔性件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锥齿轮(51)和第二锥齿轮(52)；减速器(71)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所述的齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置，其特征在于：第一传动件(13)两端分别固接有第一端块(41)和第二端块(42)；第二传动件(14)两端分别固接有第三端块(43)和第四端块(44)；所述的第一端块(21)镶嵌固定在第一主动轮(11)的槽内，所述的第二端块(42)镶嵌固定在第一从动轮(12)的槽内；所述的第三端块(43)镶嵌固定在第一主动轮(11)的槽内，所述的第四端块(44)镶嵌固定在第一从动轮(12)的槽内。
5.如权利要求1所述的齿条-柔性件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(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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