CN102179816A - 单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，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、单向耦合传动机构、欠驱动传动机构和簧件。该装置采用单腱绳耦合传动机构、自适应传动机构和簧件综合实现了耦合抓取与自适应抓取相结合的复合型欠驱动抓取模式；由于单腱绳耦合传动机构并不妨碍自适应抓取过程，因此解耦方式非常自然，最大限度的降低抓取过程中的功率内耗和传动效率降低；该装置抓取过程拟人，同时对所抓取物体的大小尺寸自动适应；该装置结构简单，成本低，控制容易，耗能少，外观和动作与人手相似，适用于仿人机器手。

Description

单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置

技术领域

本发明属于仿人机器手技术领域，特别涉及一种单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

作为机器人不可或缺的一部分，相对于机器人的其它部分，机器人手具有关节自由度多、体积小，非常灵巧、控制复杂等特点，同时也是难点。机器人手主要用于对物体的抓持、空间移动以及做手势等其它手部动作。目前现有的灵巧手虽然控制灵活，但是电机数量多，结构复杂，控制难度大，制造和维护成本高，这些因素阻碍了灵巧手型机器人手在现实生活中的广泛推广应用。近年来快速发展的耦合抓取型机器人手和欠驱动抓取型机器人手虽然不具备灵巧手的高灵活度，但是电机数量少，结构简单，控制容易，大大降低了制造和使用成本，并且能较好抓取常见物体，成为发展和研究的热点。

在耦合抓取型机器人手中，各关节以固定的方式耦合起来，实现以固定的比例同步转动。因此，在抓取过程中，各关节同时弯曲，具有拟人化的特点。

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。

然而该耦合抓取方式的不足之处为：各关节转动比例固定，自由度少；抓取物体时一般采用捏持方式，很难根据物体的形状进行握持，难以适合物体的大小和尺寸，抓取效果欠佳。

在自适应抓取型机器人手中，手指呈僵直状态转动，直到中部指段碰到物体后停下，末端指段继续转动，直到完全抓住物体。该类抓取方式能够根据物体的形状进行抓取，具有自适应性。

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。

然而该抓取方式的不足之处为：碰到物体前手指呈僵直状态，不具有拟人的特点；手指无法自行弯曲，不能做出手势，也不能以捏持防止抓取物体。

耦合与自适应相结合的复合型欠驱动抓取模式综合了两者的优点并避免了各自的缺点。该类抓取方式的特点是将耦合与自适应过程相结合：在手指碰到物体前是耦合抓取过程，实现拟人化抓取；当手指碰到物体后解耦，采用自适应抓取过程，能够根据物体的形状改变手指的抓取方式。其具体过程为：利用传动件将多个关节耦合，当碰到物体后，由于物体对指段的阻挡作用，中部指段难以继续弯曲，实现了解耦；同时末端指段在电机的带动下继续弯曲，直到抓住物体。该类装置抓取效果良好。

已有的一种耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101633171A)，采用带轮传动机构实现自适应传动；采用了呈“8”字形的双腱绳实现耦合传动，其中包括了呈“S”字形和呈“Z”字形的两根腱绳；采用三个簧件来实现自适应传动与耦合传动两套机构的矛盾调和，即解耦，最终实现了耦合与自适应复合欠驱动抓取效果。当手指近指段碰触物体后，电机通过带轮机构驱动末端指段继续解耦转动，此时耦合传动机构与自适应传动机构之间产生很大的矛盾，此矛盾由三个簧件共同消解。

因此，该装置的不足之处为：由于采用了传统的耦合传动机构，导致自适应抓取阶段的解耦过程存在较大矛盾，装置传动效率大为降低，电机的功率中的无用功比例过大；而且所采用的三个簧件之间需要有较为复杂的劲度系数差别非线性关系，难以简单确定，对弹簧要求苛刻，在多数抓取中此三个簧件的解耦效果难以一直保持较好的水平，在部分特殊手指构型下常导致抓取失败；电机的驱动力的较大部分被弹簧弹力损耗，效率不高。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，实现了耦合抓取与自适应抓取相结合的复合型欠驱动抓取模式，而且在自适应抓取过程中解耦方式自然，最大限度的降低功率内耗和效率降低，该装置抓取过程拟人，同时对所抓取物体的大小尺寸自动适应。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机与基座固接，电机的输出轴与近关节轴相连驱动后者转动，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但不固接，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布置；

其特征在于：

该单向耦合与自适应复合型欠驱动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、第二主动轮、第二从动轮、同向传动机构、第一簧件和第二簧件；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固在远关节轴上；所述的第一传动件连接第一主动轮和第一从动轮，第一传动件分别在第一主动轮和第一从动轮上缠绕并形成“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；所述的第一传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所述的第一主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件、第一主动轮和第一从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的第二主动轮套固在近关节轴上，所述的第二从动轮套接在远关节轴上，所述的同向传动机构连接第二主动轮和第二从动轮，同向传动机构使得第二主动轮和第二从动轮的转动方向一致：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从动轮。

本发明所述的第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

本发明所述的同向传动机构采用一级或多级的带轮传动机构、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。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置采用单腱绳耦合传动机构、自适应传动机构和簧件综合实现了耦合抓取与自适应抓取相结合的复合型欠驱动抓取模式；由于单腱绳耦合传动机构并不妨碍自适应抓取过程，因此解耦方式非常自然，最大限度的降低抓取过程中的功率内耗和传动效率降低；该装置抓取过程拟人，同时对所抓取物体的大小尺寸自动适应；该装置结构简单、成本低、控制容易，耗能少，外观和动作与人手相似，适用于仿人机器手。

附图说明

图1是本发明提供的单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置的实施例的正面外观图。

图2是图1的左侧视图。

图3是图1的剖视图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是图3的B-B剖视图。

图6、图7和图8是本实施例所有传动机构立体图。其中图7是图6的右侧视图。

图9是本实施例的外观立体图。

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， 21-第二主动轮， 22-第二从动轮，

23-第二传动件， 31-第一簧件，   32-第二簧件，

41-第一端块，   42-第二端块，   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。

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。

本发明所述的单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图1至图10所示，包括基座1、电机2、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与基座1固接，电机2的输出轴与近关节轴3相连驱动后者转动，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上但不固接，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平行布置。该单向耦合与自适应复合型欠驱动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、第二主动轮21、第二从动轮22、同向传动机构、第一簧件31和第二簧件32；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套固在远关节轴5上；所述的第一传动件13连接第一主动轮11和第一从动轮12，第一传动件13分别在第一主动轮11和第一从动轮12上缠绕并形成“Z”字形，如图5所示，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。

本发明中，所述的第一传动件13采用平带、齿形带、腱绳或链条，所述的第一主动轮11采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮12采用带轮、齿轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件13、第一主动轮11和第一从动轮12三者能够配合形成传动关系。因此，本实施例中，第一传动件13采用绳，第一主动轮11采用绳轮，第一从动轮12采用绳轮，所述的第一传动件13、第一主动轮11和第一从动轮12三者能够配合形成绳轮传动关系。

本实施例中，所述的第二主动轮21套固在近关节轴3上，所述的第二从动轮22套接在远关节轴5上，所述的同向传动机构连接第二主动轮21和第二从动轮22，同向传动机构使得第二主动轮21和第二从动轮22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和第二从动轮22。

本发明所述的单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，所述的第一簧件31和第二簧件32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和第二簧件32采用扭簧。

本发明所述的同向传动机构采用一级或多级的带轮传动机构、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，第二主动轮21和第二从动轮22均采用同步带轮，在第二主动轮21与第二从动轮22之间利用同步带作为第二传动件23传递动力，达到了同向传动的目的。

本实施例还包括基座传动机构，所述的电机2的输出轴通过基座传动机构与近关节轴3相连。本实施例中，所述的基座传动机构包括第一锥齿轮51和第二锥齿轮52；所述的电机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；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。

本实施例中，所述的电机2采用带有减速机的电机。

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二从动轮22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，将带动中部指段4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，若第一主动轮和第一从动轮设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果。由于第一从动轮12和远关节轴5固接在一起，使得第一从动轮12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的第二簧件32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不再继续转动。

电机2的输出轴继续转动，第二主动轮21将拉动第二传动件23，使得第二从动轮22转动。由于第二从动轮22的转动，第二簧件32的变形量将逐渐减小到零，第一传动件13上将不再有张力。接着第二从动轮22继续转动，第一传动件13将处于松弛状态，第一从动轮不在带动第一主动轮转动，如图14所示。此时第一簧件上的弹力继续增大，末端指段继续转动，而中部指段保持不变。这一过程直到末端指段6转动角度θ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。

放开过程电机反向转动，相当于抓取过程的逆过程。

若为如图16所示的抓取过程，则电机2的输出轴反向转动，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反向转动，从而使得第一簧件31的变形量减小，在第二簧件32的作用下，将带动中部指段4绕着近关节轴3反向转动角度α′。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的反向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的中心线反向转动同样的角度α′。由于第一从动轮12和远关节轴5固接在一起，使得第一从动轮12带动远关节轴5绕自身轴线反向转动角度α′。

电机2的输出轴反向转动，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反向转动角度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的第二簧件32变形量也减小了。易知第一簧件31和第二簧件32的变形量减小比率相等。

此时，由于末端指段6套固在远关节轴上，末端指段6也随之绕远关节轴的中心线转动角度α′，此过程直到手指完全伸直。中部指段4绕近关节轴转动了角度β，末端指段6也绕远关节轴的中心线转动了角度β，手指恢复初始位置，如图11所示。

若为如图15所示的抓取过程，电机2的输出轴反向转动，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反向转动，使得第二主动轮21反向转动，通过第二传动件23的拉动，使得第二从动轮22反向转动，此时中部指段4位置不变，末端指段6反向转动，第二簧件32的变形量减小，第一簧件31的变形量减小。直到第二簧件32的变形量减小到零，第一传动件13回到张紧状态，此时，中部指段4的弯曲角度仍为β，末端指段6的弯曲角度从θ减小到β。如图13所示。

电机2的输出轴继续反向转动，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反向转动。此时中部指段4仍接触物体7，第一簧件31的变形量继续减小，第二簧件32的变形量反向增大，中部指段4对物体7的抓取力减小，直到减小到零。此时手指状态如图13。

电机2的输出轴继续反向转动，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反向转动，从而使得第一簧件31的变形量继续减小，在第二簧件32的作用下，将带动中部指段4绕着近关节轴3反向转动角度α′。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的反向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的中心线反向转动同样的角度α′。由于第一从动轮12和远关节轴5固接在一起，使得第一从动轮12带动远关节轴5绕自身轴线反向转动角度α′。

电机2的输出轴继续反向转动，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反向转动角度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的第二簧件32变形量再次减小。

此时，由于末端指段6套固在远关节轴上，末端指段6也随之绕远关节轴的中心线转动角度α′，此过程直到手指完全伸直。中部指段4绕近关节轴转动了角度β，末端指段6也绕远关节轴的中心线转动了角度β，手指恢复初始位置，如图11所示。

该装置采用单腱绳耦合传动机构、自适应传动机构和簧件综合实现了耦合抓取与自适应抓取相结合的复合型欠驱动抓取模式；由于单腱绳耦合传动机构并不妨碍自适应抓取过程，因此解耦方式非常自然，最大限度的降低抓取过程中的功率内耗和传动效率降低；该装置抓取过程拟人，同时对所抓取物体的大小尺寸自动适应；该装置结构简单，成本低，控制容易，耗能少，外观和动作与人手相似，适用于仿人机器手。

Claims (3)

1.一种单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述的电机与基座固接，电机的输出轴与近关节轴相连驱动后者转动，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但不固接，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布置；

其特征在于：

该单向耦合与自适应复合型欠驱动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)、第二主动轮(21)、第二从动轮(22)、同向传动机构、第一簧件(31)和第二簧件(32)；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固在远关节轴上；所述的第一传动件连接第一主动轮和第一从动轮，第一传动件分别在第一主动轮和第一从动轮上缠绕并形成“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；所述的第一传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，所述的第一主动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮采用带轮、齿轮、绳轮或链轮；所述的第一传动件、第一主动轮和第一从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的第二主动轮套固在近关节轴上，所述的第二从动轮套接在远关节轴上，所述的同向传动机构连接第二主动轮和第二从动轮，同向传动机构使得第二主动轮和第二从动轮的转动方向一致：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从动轮。

2.如权利要求1所述的单向耦合与自适应复合型欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述的第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

3.如权利要求1所述的单向耦合与自适应复合型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一级或多级的带轮传动机构、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。

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