CN102179817A

CN102179817A - 双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置

Info

Publication number: CN102179817A
Application number: CN 201110135548
Authority: CN
Inventors: 李国轩; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: CN102179817B

Abstract

双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，属于仿人机器手技术领域，包括基座、电机、减速器、主动轴、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、双柔性件传动机构和簧件。本发明装置采用电机、双柔性件传动机构及簧件等，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；抓取物体更加稳定牢固；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，且外形与人手指近似，适用作仿人机器手。

Description

双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置

技术领域

本发明属于仿人机器手技术领域，特别涉及一种双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手对于人来说非常重要，与人一样，机器人手对于拟人机器人来说同样重要。机器人通过手部抓取工具开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移操作。目前机器人手的设计得到广泛关注，由于手部的关节自由度多，体积又小、出力要求大、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。

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。

已有的一种机器人手指装置(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。该装置虽然可以实现复合欠驱动抓取，但是其缺点在于机构复杂，安装维修困难；再者，由于手指中的簧件数目过多，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，提供一种双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置。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：

本发明所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机、减速器、基座、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于基座上，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设于基座中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套设于中部指段中，所述末端指段套固在远关节轴上；近关节轴与远关节轴平行；其特征在于：该装置还包括主动轴、第一主动轮、第一传动件、第一从动轮、第二主动轮、第二传动件、第二从动轮、过渡轮、第一簧件和第二簧件；主动轴与近关节轴平行；所述减速器的输出轴与主动轴通过基座传动机构相连；所述主动轴活动套设于基座中，所述第一主动轮和第二主动轮均套固于主动轴上；所述第一从动轮活动套接于近关节轴上，与第一主动轮通过第一传动件相连，第一传动件缠绕在第一主动轮和第一从动轮外围形成环形；所述过渡轮活动套接在近关节轴上；所述第二从动轮套固在远关节轴上；所述第二传动件两端分别与第二主动轮和第二从动轮固接，第二传动件从下到上依次经过第二主动轮、过渡轮和第二从动轮且呈“∑”形；所述第一主动轮、第一从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第一主动轮、第一从动轮和第一传动件配合形成传动关系；第二主动轮和第二从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二主动轮、第二从动轮和第二传动件配合形成传动关系；所述第一簧件的两端分别连接第一从动轮与中部指段，所述第二簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。

本发明所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述的基座传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮；第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，第二锥齿轮套固在主动轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合。

本发明所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件和第二簧件采用拉簧、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、双柔性件传动机构及簧件等，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；抓取物体更加稳定牢固；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，且外形与人手指近似，适用作仿人机器手。

附图说明

图1是本发明提供的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置的一种实施例的外观图。

图2是图1所示实施例的侧视图，也是图1的左侧视图。

图3是图1所示实施例的正面剖视图，也是图1的右侧剖视图。

图4是图1所示实施例的A-A剖视图。

图5是图1所示实施例的B-B剖视图。

图6是图1所示实施例第一簧件的安装示意图。

图7是图1所示实施例第一传动机构传动过程示意图。

图8是图1所示实施例第二传动机构传动过程示意图。

图9、图10、图11和图12是图1所示实施例用复合欠驱动抓持模式抓握物体过程示意。

在图1至图12中：

1-电机， 2-基座， 3-主动轴， 4-近关节轴，

5-中部指段， 6-远关节轴， 7-末端指段， 10-减速器，

11-第一锥齿轮， 12-第二锥齿轮， 13-第一簧件， 14-第二簧件，

21-第一主动轮， 22-第一传动带， 23-第一从动轮， 31-第二主动轮，

32-第二传动带， 33-第二从动轮， 34-过渡轮。

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及工作原理。

本发明所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机1、减速器10、基座2、近关节轴4、中部指段5、远关节轴6和末端指段7；所述电机1和减速器10均固接于基座2上，电机1的输出轴与减速器10的输入轴相连；所述近关节轴4活动套设于基座2中，所述中部指段5活动套接在近关节轴4上，所述远关节轴6活动套设于中部指段5中，所述末端指段7套固在远关节轴6上；近关节轴4与远关节轴6平行；该装置还包括主动轴3、第一主动轮21、第一传动件22、第一从动轮23、第二主动轮31、第二传动件32、第二从动轮33、过渡轮34、第一簧件13和第二簧件14；主动轴3与近关节轴4平行；所述减速器10的输出轴与主动轴3通过基座传动机构相连；所述主动轴3活动套设于基座2中，所述第一主动轮21和第二主动轮31均套固于主动轴3上；所述第一从动轮23活动套接于近关节轴42上，与第一主动轮21通过第一传动件22相连，第一传动件22缠绕在第一主动轮21和第一从动轮23外围形成环形；所述过渡轮34活动套接在近关节轴4上；所述第二从动轮33套固在远关节轴6上；所述第二传动件32两端分别与第二主动轮31和第二从动轮33固接，第二传动件32从下到上依次经过第二主动轮31、过渡轮34和第二从动轮33且呈“∑”形；所述第一主动轮21、第一从动轮23采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一传动件22采用传动带、腱绳或链条，所述第一主动轮21、第一从动轮23和第一传动件22配合形成传动关系；第二主动轮31和第二从动轮33采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动件32采用传动带、腱绳或链条，所述的第二主动轮31、第二从动轮33和第二传动件32配合形成传动关系；所述第一簧件13的两端分别连接第一从动轮23与中部指段5，所述第二簧件14的两端分别连接中部指段5和末端指段7。

本实施例中，所述的基座传动机构包括第一锥齿轮11和第二锥齿轮12；第一锥齿轮11套固在减速器10的输出轴上，第二锥齿轮12套固在主动轴3上，第一锥齿轮11与第二锥齿轮12相啮合。

本发明所述第一簧件13和第二簧件14采用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳，本实施例采用扭簧。

本实施例的具体工作原理，如图9、图10、图11和图12所示，叙述如下：

本装置的初始位置如图9所示，此时手指处于竖直状态，中部指段5和末端指段7均处于手指伸直状态。当本实施例中的机器人手指开始运动时，电机1输出轴转动，经减速器10通过第一锥齿轮11带动固接有第二锥齿轮12的主动轴3转动角度Φ，从而使固接于主动轴3上的主动轮21也转动角度Φ，当主动轮21和第一从动轮23的半径分别为r₁和r₂时候，通过第一传动带22的传动作用使第一从动轮23转动的角度θ₁＝(r₁/r₂)Φ，第一从动轮23拨动第一簧件13发生变形，进而使中部指段5绕近关节轴4转动，中部指段5转过的角度也为θ₁，这样的过程是中部指段5逐渐靠向物体。

电机1输出轴转动，带动主动轮21转动角度Φ，假设末端指段7相对于中部指段5转过的角度为θ₂，这个角度θ₂由两部分的运动造成：由于第二传动带32的传动作用使第二从动轮33转动，拉动与第二从动轮33固接的远关节轴6转动，进而使与远关节轴6固接的末端指段7转动，记这一部分的末端指段7转过的角度为α₁；由于中部指段5靠向物体的运动，过渡轮34的存在也促使末端指段7转动角度α₂；当主动轮21、过渡轮34和第二从动轮33的半径分别为r₃、r₄和r₅，那么通过传动关系可以得到α₁＝(r₃/r₅)Φ，α₂＝(r₄/r₅)θ₁，则可以得到θ₁∶θ₂＝(r₁/r₂)((r₄/r₅)(r₁/r₂)+(r₃/r₅))，手指抓持物体的过程中，在中部指段5还没有碰触物体的情况下，在各个传动轮的半径关系不同的情况下，可以得到不同的多关节同时转动靠向物体的耦合抓取效果。特别的当r₁∶r₂∶r₃∶r₄∶r₅＝2∶1∶2∶1∶2时候，可以得出θ₁∶θ₂＝1∶1。

中部指段5相对于近关节轴4转动直到它接触物体，如图11所示。此时末端指段7还没有接触到物体，电机1继续带动主动轴3转动，由于第二传动带32的传动作用使第二从动轮33继续绕着远关节轴6转动，进而使与远关节轴6固接的末端指段7转动，直到末端指段7也接触物体，实现抓持。这一过程中近关节轴4的转动会继续带动第一从动轮23转动，由于中部指段5已经接触物体，不能够继续转动，因此第一簧件13的变形量将会越来越大，使得中部指段以越来越大的抓持力抓持物体。此过程即实现对不同形状大小的物体的自适应抓取。

Claims

1.一种双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机(1)、减速器(10)、基座(2)、近关节轴(4)、中部指段(5)、远关节轴(6)和末端指段(7)；所述电机(1)和减速器(10)均固接于基座(2)上，电机(1)的输出轴与减速器(10)的输入轴相连；所述近关节轴(4)活动套设于基座(2)中，所述中部指段(5)活动套接在近关节轴(4)上，所述远关节轴(6)活动套设于中部指段(5)中，所述末端指段(7)套固在远关节轴(6)上；近关节轴(4)与远关节轴(6)平行；其特征在于：该装置还包括主动轴(3)、第一主动轮(21)、第一传动件(22)、第一从动轮(23)、第二主动轮(31)、第二传动件(32)、第二从动轮(33)、过渡轮(34)、第一簧件(13)和第二簧件(14)；主动轴(3)与近关节轴(4)平行；所述减速器(10)的输出轴与主动轴(3)通过基座传动机构相连；所述主动轴(3)活动套设于基座(2)中，所述第一主动轮(21)和第二主动轮(31)均套固于主动轴(3)上；所述第一从动轮(23)活动套接于近关节轴(4)上，通过第一传动件(22)与第一主动轮(21)相连，所述的第一传动件(22)缠绕在第一主动轮(21)和第一从动轮(23)外围形成环形；所述过渡轮(34)活动套接在近关节轴(4)上；所述第二从动轮(33)套固在远关节轴(6)上；所述第二传动件(32)两端分别与第二主动轮(31)和第二从动轮(33)固接，第二传动件(32)从下到上依次经过第二主动轮(31)、过渡轮(34)和第二从动轮(33)且呈“∑”形；所述第一主动轮(21)、第一从动轮(23)采用带轮、绳轮或链轮，所述的第一传动件(22)采用传动带、腱绳或链条，所述第一主动轮(21)、第一从动轮(23)和第一传动件(22)配合形成传动关系；第二主动轮(31)和第二从动轮(33)采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动件(32)采用传动带、腱绳或链条，所述的第二主动轮(31)、第二从动轮(33)和第二传动件(32)配合形成传动关系；所述第一簧件(13)设置在近关节轴(4)上且两端分别连接第一从动轮(23)与中部指段(5)，所述第二簧件(14)设置在远关节轴(6)上且两端分别连接中部指段(5)和末端指段(7)。

2.如权利要求1所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述的基座传动机构包括第一锥齿轮(11)和第二锥齿轮(12)；第一锥齿轮(11)套固在减速器(10)的输出轴上，第二锥齿轮(12)套固在主动轴(3)上，第一锥齿轮(11)与第二锥齿轮(12)相啮合。

3.如权利要求1所述的双柔性件复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件(13)和第二簧件(14)采用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。