CN102161204B - 双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、减速器、基座轴、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、多个齿轮、同向传动机构和簧件。该装置采用电机、多路不同传动比齿轮传动、同向传动机构及簧件等，综合实现了手指先耦合抓取物体然后自适应抓取不同物体的复合欠驱动抓取效果；各指段均具有可观的抓取力，抓取物体更加稳定牢固；手指只需通过少量电机又具备多个灵活指段，操作控制容易。本装置结构简单可靠，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手类似，适合用作拟人机器人的手指部分。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的结构设计。
背景技术
手对人来说是非常重要的器官，在仿人机器人领域，增强机器人手的机能自然具有重要意义。一方面，通过增加关节数目、驱动数目可以使机器手动作更多样精确，但同时这样又会使机构复杂繁琐；另一方面，如果过分追求机构精简，则势必对机器手的灵活性及抓取动作的精确性产生负面影响。同时，机器人手要求同时保证小巧灵活与足够的抓取力。目前在这一领域仍存在着许多技术难题。
所谓复合欠驱动机器人手指装置，是指该手指可以实现耦合抓取与自适应欠驱动抓取相结合的复合欠驱动抓取，即机器人手指装置在弯曲抓握物体过程中，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲；而在手指碰到物体后，又可自动适应物体表面形状，完全包络物体，并且只通过一个驱动器驱动多个关节的机器人手指装置。
已有的一种机器人手指装置，如中国发明专利CN101664929，主要由基座、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构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取，缺点在于机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件解耦调和耦合传动机构与自适应传动机构之间的矛盾，常常使得多个簧件形变较大，导致过大且不必要的能量损耗。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的不足之处，提供一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合欠驱动抓取动作，即不仅具有抓握动作拟人的多关节耦合特性，而且兼备对不同形状、大小物体的自适应抓取特性；拥有较多灵活关节的同时只需单一电机驱动，减少操控难度与成本；结构简单、能量损耗小、传动效率高。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，包括电机(1)、减速器(2)、基座(3)、近关节轴(42)、远关节轴(43)、中部指段(51)和末端指段(52)；所述电机(1)和减速器(2)均固接于基座(3)上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴(42)套设于基座(3)中，所述远关节轴(43)套设于中部指段(51)中，所述中部指段(51)套固在近关节轴(42)上；所述末端指段(52)套固在远关节轴(43)上；其特征在于：该装置还包括基座轴(41)、第一齿轮(61)、第二齿轮(62)、第三齿轮(63)、第四齿轮(64)、主动轮(71)、从动轮(72)、同向传动机构和簧件 (9)；所述减速器(2)的输出轴与基座轴(41)相连；所述基座轴(41)套设于基座(3)中，所述第一齿轮、第二齿轮套固于基座轴(41)上；所述第三齿轮(63)套接于近关节轴(42)上并与第一齿轮(61)啮合，所述第四齿轮(64)套接于近关节轴(42)上并与第二齿轮(62)啮合；所述主动轮(71)套接在近关节轴(42)上，主动轮(71)与第四齿轮(64)固接；所述从动轮(72)套固在远关节轴(43)上；所述同向传动机构连接主动轮(71)和从动轮(72)，同向传动机构使得主动轮(71)和从动轮(72)的转动方向一致：均朝向抓取物体方向或均背离抓取物体方向转动；所述第一齿轮(61)与第三齿轮(63)的传动比为1∶a，则所述第二齿轮(62)与第四齿轮(64)的传动比为a∶1；所述簧件(9)的两端分别连接第三齿轮(63)与近关节轴(42)。
本发明所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述同向传动机构采用至少一级的带轮传动机构、绳轮传动机构、链轮传动机构、齿轮传动机构、齿轮齿条传动机构和连杆传动机构中的一种或多种的串联。
本发明所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件(9)使用拉簧、扭簧、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：
本发明装置采用电机、多路不同传动比齿轮传动、同向传动机构及簧件等，综合实现了手指先耦合抓取物体然后自适应抓取不同物体的复合欠驱动抓取效果；各指段均具有可观的抓取力，抓取物体更加稳定牢固；手指只需通过少量电机又具备多个灵活指段，操作控制容易。本装置结构简单可靠，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手类似，适合用作拟人机器人的手指部分。
附图说明
图1是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的零件说明图。
图2是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的外观图。
图3是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的正面零件说明图。
图4是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的左视图。
图5是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的零件安装示意图，其中a＞1，也是本实施例采用的方案；
图6是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的零件安装示意图，其中a＝1；
图7是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的零件安装示意图，其中a＜1；
图8是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的三种簧件安装位置示意图，其中簧件连接近关节轴与中部指段。
图9是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的三种簧件安装位置示意图，其中簧件连接第一齿轮与基座轴。
图10是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的三种簧件安装位置示意图，其中簧件连接第三齿轮与近关节轴，这也是本实施例的簧件的安装示意图
图11是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置安装双簧件的一种方式示意图。
图12是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的弯曲示意图，其中a＞1，也是本实施例采用的方案。
图13是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的弯曲示意图，其中a＝1。
图14是本发明提供的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置中第一齿轮与第三齿轮采用1∶a的传动比时的弯曲示意图，其中a＜1。
图15、图16、图17是本实施例用中部指段、末端指段耦合抓握物体过程示意。
图18、图19、图20是本实施例用中部指段、末端指段先耦合后自适应抓握物体过程的示意图。其中图18、图19是手指耦合弯曲过程，图20是末端指段自适应抓握物体过程。
在图1至图20中：
1-电机， 2-减速器， 3-基座，
41-基座轴， 42-近关节轴，43-远关节轴，
51-中部指段， 52-末端指段，601-第一锥齿轮，
602-第二锥齿轮，61-第一齿轮，62-第二齿轮，
63-第三齿轮， 64-第四齿轮，71-主动轮，
72-从动轮， 8-传动件， 9-簧件。
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及工作原理。
本发明所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图1至图4所示，包括电机1、减速器2、基座3、近关节轴42、远关节轴43、中部指段51和末端指段52；所述电机1和减速器2均固接于基座3上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴42套设于基座3中，所述远关节轴43套设于中部指段51中，所述中部指段51套固在近关节轴42上；所述末端指段52套固在远关节轴43上；该装置还包括基座轴41、第一齿轮61、第二齿轮62、第三齿轮63、第四齿轮64、主动轮71、从动轮72、同向传动机构和簧件9；所述减速器2的输出轴与基座轴41相连；所述基座轴41套设于基座3中，所述第一齿轮、第二齿轮套固于基座轴41上；所述第三齿轮63套接于近关节轴42上并与第一齿轮61啮合，所述第四齿轮64套接于近关节轴42上并与第二齿轮62啮合，第三齿轮63、第四齿轮64与近关节轴均不固接；所述主动轮71套接在近关节轴42上，主动轮71与第四齿轮64固接；所述从动轮72套固在远关节轴43上；所述同向传动机构连接主动轮71和从动轮72，同向传动机构使得主动轮71和从动轮72的转动方向一致：均朝向抓取物体方向或均背离抓取物体方向转动；所述第一齿轮61与第三齿轮63的传动比为1∶a，则所述第二齿轮 62与第四齿轮64的传动比为a∶1；所述簧件9的两端分别连接第三齿轮63与近关节轴42。
本发明所述的同向传动机构采用至少一级的带轮传动机构、绳轮传动机构、链轮传动机构、齿轮传动机构、齿轮齿条传动机构和连杆传动机构中的一种或多种的串联。本实施例中，同向传动机构采用一级同步带轮传动机构，包括主动轮71、从动轮72和同步带8。
本发明所述簧件9使用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例采用扭簧。
本发明中，当第一齿轮与第三齿轮的传动比不同时会有不同的效果：
a)当a＞1时，本发明装置是耦合与自适应复合欠驱动机器人手指装置；本实施例即为采用a＞1的情况，如图5、图12所示。
b)当a＝1时，本发明装置是自适应欠驱动机器人手指装置，如图6、图13所示。
c)当a＜1时，本发明是反向耦合与自适应复合欠驱动机器人手指装置，如图7、图14所示。
本发明所述的簧件的位置可以设置在以下三处中的一处或多处而达到相同的效果：
a)近关节轴42与中部指段51；
b)第一齿轮61与基座轴41；
c)第三齿轮63与近关节轴42。
以上三处连接关系中，至少有一处采用簧件连接两零件；上述三处连接关系中未采用簧件连接的则采用固接方式连接。分别如图8、9、10所示。图11为在两处采用簧件的方案。
本实施例中就采用了簧件的两端分别连接第三齿轮与近关节轴，且近关节轴与中部指段固接，第一齿轮与基座轴固接。如图10所示。
本实施例中，为使电机1与减速器2直立布置，减速器输出轴与第一锥齿轮601固接，第一锥齿轮601与第二锥齿轮602啮合，第二锥齿轮套固在基座轴41上。
本实施例的具体工作原理，如图15、图16、图17、图18、图19、图20所示，叙述如下：
本装置的初始位置如图15所示处于竖直位置，此时中部指段51和末端指段52均处于伸直状态。当本实施例中的机器人手指运动时，电机2输出轴转动，经减速器3通过第一齿轮61带动固接有第一齿轮61和第二齿轮62的基座轴41转动，同时第一齿轮61与第三齿轮63啮合，又将带动第三齿轮63转动。
当没有物体阻挡手指时，由于第三齿轮63通过簧件9与近关节轴42相连，仿佛固接在近关节轴42上。因此当第三齿轮61在第一齿轮61带动下转过角度α时，将带动近关节轴42以及与近关节轴固接的中部指段51相对初始位置共同转过角度α。同时，由于第一、第三齿轮构成的齿轮组采用1∶1.4的传动比，第二、第四齿轮构成的齿轮组采用1.4∶1的传动比，在第三齿轮63转过角度α时，第四齿轮64将相对初始位置转过角度1.96α，即相对第三齿轮63多转过角度0.96α。由于第四齿轮64与主动轮71固接，主动轮71又与从动轮72通过平带8形成带传动关系，因此从动轮72将相对自身轴线转过角度0.96α。从动轮72与固接有末端指段52的远关节轴43固接，因此将带动远关节轴43相对自身轴线转过角度0.96α，即末端指段相对中部指段多转过角度0.96α。此过程即实现两关节耦合运动方式，如图16、图18 及图19所示。
当耦合抓取物体时，手指按前文所示耦合方式转动，直至手指中部、末端指段包络物体表面，如图16、图17所示。
当自适应抓取物体时，手指在接触物体前按前文所述的两关节耦合运动方式弯曲，直至中部指段接触物体，如图18、图19所示。当中部指段51接触物体时，中部指段51将受到阻挡停止转动。但由于簧件9的存在，第三齿轮63仍可继续转动，并且通过簧件9使近关节轴42产生继续旋转的扭矩，这一扭矩将使套固于近关节轴42上的中部指段产生对物体的压力，即抓握力。由于第三齿轮63仍可旋转，因此物体对中部指段51的阻碍并未阻挡与第三齿轮63啮合的第一齿轮61的转动，即与第一齿轮61固接的基座轴41以及第二齿轮62也可转动。因此，与第二齿轮62啮合，并且可绕近关节轴42转动的第四齿轮64可以在第二齿轮62的带动下继续转动，并将转动传递给与之固接的主动轮71，继而通过传动件8传递给从动轮72，带动末端指段52绕自身轴线继续转动，直至末端指段也扣住物体，如图20所示。此过程即实现对不同形状大小的物体的自适应抓取。
本发明装置采用电机、多路不同传动比齿轮传动、同向传动机构及簧件等，综合实现了手指先耦合抓取物体然后自适应抓取不同物体形状大小的复合欠驱动抓取效果；各指段均具有可观的抓取力，抓取物体更加稳定牢固；手指只需通过少量电机又具备多个灵活指段，操作控制容易。本装置结构简单可靠，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手类似，适合用作拟人机器人的手指部分。
Claims (3)
1.一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，包括电机(1)、减速器(2)、基座(3)、近关节轴(42)、远关节轴(43)、中部指段(51)和末端指段(52)；所述电机(1)和减速器(2)均固接于基座(3)上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴(42)套设于基座(3)中，所述远关节轴(43)套设于中部指段(51)中，所述中部指段(51)套固在近关节轴(42)上；所述末端指段(52)套固在远关节轴(43)上；其特征在于：该装置还包括基座轴(41)、第一齿轮(61)、第二齿轮(62)、第三齿轮(63)、第四齿轮(64)、主动轮(71)、从动轮(72)、同向传动机构和簧件(9)；所述减速器(2)的输出轴与基座轴(41)相连；所述基座轴(41)套设于基座(3)中，所述第一齿轮、第二齿轮套固于基座轴(41)上；所述第三齿轮(63)套接于近关节轴(42)上并与第一齿轮(61)啮合，所述第四齿轮(64)套接于近关节轴(42)上并与第二齿轮(62)啮合；所述主动轮(71)套接在近关节轴(42)上，主动轮(71)与第四齿轮(64)固接；所述从动轮(72)套固在远关节轴(43)上；所述同向传动机构连接主动轮(71)和从动轮(72)，同向传动机构使得主动轮(71)和从动轮(72)的转动方向一致：均朝向抓取物体方向或均背离抓取物体方向转动；所述第一齿轮(61)与第三齿轮(63)的传动比为1∶a，则所述第二齿轮(62)与第四齿轮(64)的传动比为a∶1；所述簧件(9)的两端分别连接第三齿轮(63)与近关节轴(42)。
2.如权利要求1所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述同向传动机构采用至少一级的带轮传动机构、绳轮传动机构、链轮传动机构、齿轮传动机构、齿轮齿条传动机构和连杆传动机构中的一种或几种的串联。
3.如权利要求1所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件(9)使用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: TSINGHUA UNIVERSITY Effective date: 20131118 Owner name: WUXI APPLICATION TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE OF Free format text: FORMER OWNER: TSINGHUA UNIVERSITY Effective date: 20131118 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100084 HAIDIAN, BEIJING TO: 214072 WUXI, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131118 Address after: 214072 Jiangsu Province Road DiCui Binhu District of Wuxi City No. 100, No. 1 building, 530 floor 12 Patentee after: WUXI RESEARCH INSTITUTE OF APPLIED TECHNOLOGIES, TSINGHUA UNIVERSITY Patentee after: Tsinghua University Address before: 100084 Beijing, Haidian District, 100084 box office box office, Tsinghua University, Patentee before: Tsinghua University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121010 Termination date: 20170413 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |