CN102166753B - 锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，属于仿人机器手技术领域，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、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件。本发明装置采用单个电机、多个锥齿轮、交叉柔性件传动机构及簧件等综合实现了复合欠驱动抓取效果：手指先耦合转动抓向物体然后再自适应抓取物体；抓取过程拟人，动作灵巧，抓取物体稳定，可自动适应抓取不同尺寸、形状的物体，对控制系统要求低，操控容易；同时结构简单、紧凑，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手指相近，适用于仿人机器手。

Description

锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置

技术领域

本发明属于仿人机器手技术领域，特别涉及一种锥齿轮柔性件复合抓取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具有非常重要的意义。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。

欠驱动机构是指该机构的驱动器数目少于关节自由度数目。诸多的仿人灵巧手也可以归类为欠驱动手，广义的欠驱动手指包括耦合欠驱动手指和自适应欠驱动手指。耦合欠驱动手指常称为耦合手指，自适应欠驱动手指简称为自适应手指或欠驱动手指。

欠驱动机构的核心优势在于引入了自适应抓取的动作模式。这种自适应抓取模式的引入，使机器手在保证拟人化动作的同时，大大地降低了对于手部实时控制和传感系统的要求，使机器手具有结构简单、控制稳定、外观拟人和造价低廉等的优点。由于自适应欠驱动机器手的优点，近十年来引起了国内外研究人员的广泛兴趣，使自适应欠驱动机器手领域飞速发展。

自适应欠驱动手存在如下较大的不足：

1)该手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手一般不会在抓取物体时采用类似这样非常别扭的动作。

2)欠驱动手的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。

3)欠驱动手抓取物体时需要第一指段对物体施加足够的力，才能触发第二关节拉动簧件变形弯曲，这会导致该抓持力挤跑物体的不稳定抓取现象发生，即使抓住了物体，也可能会造成第一指段对物体的抓持力过大而损坏物体。人手若按照自适应欠驱动抓取模式会极不方便。

耦合欠驱动手指的多个关节由一个驱动器驱动并按一定比例(如1∶1)同时转动(联动)。耦合手的多关节联动弯曲过程与人手抓取物体时相似，耦合手指适合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物体，在握持中不会发生近指段挤跑物体的不稳定现象发生，因而抓取过程较稳定。

耦合手也是一个长期以来仿人机器手常用方案。目前已经有较多的耦合机构被开发出来。耦合手指的不足之处在于：不具备抓取物体时对不同物体的自适应性。

为了克服传统自适应手指和耦合手指各自的不足，一种复合欠驱动抓取模式被提出来：先多关节耦合抓取而后再自适应抓取。这一抓取模式既区别于单纯的耦合抓取过程，也区别于单纯的自适应抓取过程。

为了实现这一抓取模式，将耦合机构与自适应机构复合起来所产生的一种新的手指类别：耦合与自适应复合型欠驱动手指，简称复合欠驱动手指或复合型手指。这种“复合”不是简单的并联，更不是串联。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，动作过程非常拟人；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，能够有很好的抓取性能。复合欠驱动手指既能够自适应抓取物体又能够具备较好的多关节联动拟人化抓取特点，而且电机数量保持了最少，结构简单、控制容易、成本低。

由于人手指就是既有耦合转动的特点，也同时有自适应抓取的特点，因此，复合欠驱动手指类别是更加仿人手指的新型手指类别，是一种介于传统自适应手指、耦合手指之间的第三大类手指类别。可以说，传统的耦合欠驱动手指与传统的自适应欠驱动手指仅仅是复合欠驱动手指的两个特例而已。由复合欠驱动手指所构成的复合欠驱动手将具有非常大的市场潜力，或将成为未来非常主流的仿人机器手技术趋势和方向。

已有的一种能实现复合欠驱动的机器人手指装置，如中国发明专利CN101767338A，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，提供一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置。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；同时结构简单、能量损耗小、传动效率高。

本发明的技术方案如下：

一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，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；所述电机和减速器均固接在基座上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴活动套接于基座中，所述远关节轴活动套接于中部指段中，所述中部指段套固在近关节轴上；所述末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该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、主动轮、从动轮、第一传动件、第二传动件和簧件；所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上；所述第二锥齿轮活动套接在近关节轴上，第二锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述第三锥齿轮活动套接在近关节轴上，第三锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述主动轮活动套接近关节轴上，主动轮与第三锥齿轮固接；从动轮套固在远关节轴上；所说的第一传动件缠绕在主动轮和从动轮上并成“Z”字形，第一传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，所说的第二传动件缠绕在主动轮和从动轮上并成“S”字形，第二传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，第一传动件和第二传动件交叉成“8”字形；所述主动轮、从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述主动轮、从动轮、第一传动件、第二传动件配合形成传动关系；所述簧件的两端分别连接第二锥齿轮和近关节轴，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮有相同的齿数。

本发明所述的锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧或弹性绳。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置采用单个电机、多个锥齿轮、交叉柔性件传动机构及簧件等综合实现了复合欠驱动抓取效果：手指先耦合转动抓向物体然后再自适应抓取物体；抓取过程拟人，动作灵巧，抓取物体稳定，可自动适应抓取不同尺寸、形状的物体，对控制系统要求低，操控容易；同时结构简单、紧凑，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手指相近，适用于仿人机器手。

附图说明

图1是本发明提供的锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置的一种实施例正面剖视(图4的B-B剖视图)。

图2是图1所示实施例的侧面剖视(图3的A-A剖视图)。

图3是图1所示实施例的正面外观。

图4是图1所示实施例的左侧面外观。

图5、图6、图7、图8是本实施例先耦合后自适应抓握物体过程的示意图。

在图1至图8中：

1-基座，        2-电机，        21-减速器       3-近关节轴，

4-中部指段，    5-远关节轴，    6-末端指段，    7-簧件，

31-第一锥齿轮， 32-第二锥齿轮， 33-第三锥齿轮， 41-主动轮，

42-从动轮，     51-第一传动件， 52-第二传动件。

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。

本发明所述的锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置的一种实施例，如图1至图4所示，包括基座1、电机2、减速器21、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6；所述电机和减速器均固接在基座上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴活动套接于基座中，所述远关节轴活动套接于中部指段中，所述中部指段套固在近关节轴上；所述末端指段套固在远关节轴上。该机器人手指装置还包括第一锥齿轮31、第二锥齿轮32、第三锥齿轮33、主动轮41、从动轮42、第一传动件51、第二传动件52和簧件7；所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上；所述第二锥齿轮活动套接在近关节轴上，第二锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述第三锥齿轮活动套接在近关节轴上，第三锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述主动轮活动套接近关节轴上，主动轮与第三锥齿轮固接；从动轮套固在远关节轴上；所说的第一传动件缠绕在主动轮和从动轮上并成“S”字形，第一传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，所说的第二传动件缠绕在主动轮和从动轮上并成“S”字形，第二传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，第一传动件和第二传动件交叉成“8”字形；所述主动轮、从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述主动轮、从动轮、第一传动件、第二传动件配合形成传动关系；所述簧件的两端分别连接第二锥齿轮和近关节轴，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮应有相同的齿数。

本发明所述的锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧或弹性绳。本实施例采用扭簧。

本实施例的具体工作原理，如图5、图6、图7、图8所示，叙述如下：

当手指抓取物体时，在未接触物体前，电机转动，通过减速器21带动第一锥齿轮31转动，使第二锥齿轮32、第三锥齿轮33以大小相同、方向相反的速度转动，第二锥齿轮32通过簧件8带动近关节轴3转动，使中部指段4向抓取物体方向转动一个角度α，如图6所示；此时，由于主动轮41、从动轮42和第一传动件51机构的约束，中部指段4向抓取方向的转动角度α会导致从动轮42耦合转动一个角度β；第三锥齿轮33转动也会带动主动轮41转动，从而通过第一传动件51带动从动轮42多转动一个角度γ；综合上述两方面对末端指段6转动的影响，从而通过从动轮42、远关节轴5带动末端指段6会最终向抓取物体方向转动一个角度β+γ。当主动轮和从动轮的轮径不同时，会导致不同的耦合效果，在主动轮的轮径为从动轮的轮径的一半时则β+γ＝α，达到1∶1耦合转动效果。

当末端指段6接触物体，则抓取结束。

当中部指段4接触物体被阻挡不能再继续转动，此时簧件7发生变形，第二锥齿轮32空转，第三锥齿轮33继续在电机1作用下转动，通过主动轮41、第一传动件51拉动从动轮42转动，从而实现末端指段6的继续转动，直到末端指段6也接触到物体。从而这一过程实现了不同物体尺寸、形状的自动适应抓取。

上述包括了耦合转动和自适应转动两个阶段。当没有物体时，完全是耦合转动，当物体一开始就接触中部指段时，完全是自适应转动，其他时候是耦合欠驱动与自适应欠驱动的综合转动效果。

本发明装置采用单个电机、多个锥齿轮、交叉柔性件传动机构及簧件等综合实现了复合欠驱动抓取效果：手指先耦合转动抓向物体然后再自适应抓取物体；抓取过程拟人，动作灵巧，抓取物体稳定，可自动适应抓取不同尺寸、形状的物体，对控制系统要求低，操控容易；同时结构简单、紧凑，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手指相近，适用于仿人机器手。

Claims (2)

1.一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器(21)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述电机和减速器均固接在基座上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴活动套接于基座中，所述远关节轴活动套接于中部指段中，所述中部指段套固在近关节轴上；所述末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该机器人手指装置还包括第一锥齿轮(31)、第二锥齿轮(32)、第三锥齿轮(33)、主动轮(41)、从动轮(42)、第一传动件(51)、第二传动件(52)和簧件(7)；所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上；所述第二锥齿轮活动套接在近关节轴上，第二锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述第三锥齿轮活动套接在近关节轴上，第三锥齿轮与第一锥齿轮相啮合；所述主动轮(41)活动套接在近关节轴上，主动轮与第三锥齿轮固接；从动轮(42)套固在远关节轴上；所述的第一传动件(51)缠绕在主动轮和从动轮上并成“S”字形，第一传动件的两端分别与主动轮和从动轮固接；所述的第二传动件(52)缠绕在主动轮和从动轮上并成“S”字形，第二传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，第一传动件和第二传动件交叉成“8”字形；所述主动轮、从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第二传动件相应地采用传动带、腱绳或链条，所述主动轮、从动轮、第一传动件、第二传动件配合形成传动关系；所述簧件的两端分别连接第二锥齿轮和近关节轴；所述第二锥齿轮和第三锥齿轮有相同的齿数。

2.如权利要求1所述的锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧或弹性绳。

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