CN102179818A - 差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置 - Google Patents

差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置 Download PDF

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Abstract

差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置，属于仿人机器人手技术领域，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、双联锥齿轮和簧件。本发明装置采用单个电机、差动锥齿轮系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，控制精确、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

差动锥齿轮系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人手技术领域，特别涉及一种差动锥齿轮系复合欠驱动双关节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、控制精确、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(7)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、控制精确、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，提供一种差动锥齿轮系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、控制精确、能量损耗小、传动效率高。
本发明的技术方案如下：
一种差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机、减速器、近关节轴、基座、远关节轴、中部指段和末端指段；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：
该差动锥齿轮系复合欠驱动双关节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、第四锥齿轮、簧件、双联锥齿轮；所述双锥齿轮由中间轴、下锥齿轮和上锥齿轮组成；
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，所述第三锥齿轮活动套接在近关节轴上，所述第四锥齿轮套固在远关节轴上；
所述第一锥齿轮分别与第二锥齿轮、第三锥齿轮啮合；所述中间轴活动套设于中间轴套筒中，所述下锥齿轮套固在所述中间轴下端，所述上锥齿轮套固在中间轴的上端，所述下锥齿轮与第三锥齿轮啮合，所述上锥齿轮与第四锥齿轮啮合；所述中间轴的中心线与近关节轴的中心线相互垂直；所述第三锥齿轮和第四锥齿轮位于中间轴轴线的同一侧；
所述簧件的两端分别连接第二锥齿轮与近关节轴。
本发明所述差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、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、多轴多路相异传动比的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、控制精确、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是本发明提供的差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置的一种实施例的正面剖视图。
图2是图1所示实施例的正面外观图。
图3是图1所示实施例的右侧外观图。
图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10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12中：
1-电机，      2-减速器，      21-第一锥齿轮  3-近关节轴，
31-第二锥齿轮 32-第三锥齿轮   33-簧件        4-基座，
41-基座挡板， 5-远关节轴，    51-第四锥齿轮，6-中部指段，
61-中间轴套筒 62-中部指段挡板 7-末端指段，
81-中间轴，   82-下锥齿轮     83-上锥齿轮    9-物体
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。
本发明所述差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置的一种实施例，如图1至图3所示，包括电机1、减速器2、近关节轴3、基座4、远关节轴5、中部指段6和末端指段7；所述电机1和减速器2均固接在基座4上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴3活动套接于基座4中，所述远关节轴5活动套接于中部指段6中，所述中部指段6套固在近关节轴3上；所述末端指段7套固在远关节轴5上；
本实施例还包括第一锥齿轮21、第二锥齿轮31、第三锥齿轮32、第四锥齿轮51、簧件33、双联锥齿轮；所述双锥齿轮由中间轴81、下锥齿轮82和上锥齿轮83组成；
所述第一锥齿轮21套固在减速器2的输出轴上，所述第二锥齿轮31活动套接在近关节轴3上，所述第三锥齿轮32活动套接在近关节轴3上，所述第四锥齿轮51套固在远关节轴5上；
所述第一锥齿轮21分别与第二锥齿轮31、第三锥齿轮32啮合；所述中间轴81活动套设于中间轴套筒61中，所述下锥齿轮82套固在所述中间轴81下端，所述上锥齿轮83套固在中间轴81的上端，所述下锥齿轮82与第三锥齿轮32啮合，所述上锥齿轮83与第四锥齿轮51啮合；所述中间轴81的中心线与近关节轴3的中心线相互垂直；所述第三锥齿轮32和第四锥齿轮51位于中间轴81轴线的同一侧；
所述簧件33的两端分别连接第二锥齿轮31与近关节轴3。
本发明所述簧件33采用拉簧、压簧、扭簧或弹性绳。本实施例中，簧件33采用扭簧。
本实施例的具体工作原理，如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，叙述如下：
该装置一种情形下的初始位置如图4所示，在这种情况下，初始时中部指段6和末端指段7都没有接触物体，并且物体9与中部指段6相距较近，手指在转动过程中会由中部指段6首先碰触物体9。电机1刚开始转动时，中部指段6和末端指段7与基座4呈伸直的状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体9时，在电机1的带动下，减速器2的输出轴转动，带动第二锥齿轮31和第三锥齿轮32；由于簧件33的约束作用，第二锥齿轮31带动中部指段6转动角度α；第三锥齿轮32的转动带动与之啮合的下锥齿轮82的转动，由于双联锥齿轮的传动作用，进而带动与之啮合的第四锥齿轮51的转动，最终带动末端指段7转动，本实施例中第二锥齿轮31和第三锥齿轮32齿数相同，下锥齿轮82和上锥齿轮83齿数相同，第三锥齿轮32和第四锥齿轮51齿数之比n3∶n4＝1∶2，因此第四锥齿轮51带动末端指段7转动角度α/2。在中部指段6转动过程中，远关节轴5相对于近关节轴3的位置将改变，由于下锥齿轮82与第三锥齿轮32啮合，故而中部指段6的转动会使得上锥齿轮83转动同样一个角度α，进而带动与之啮合的第四锥齿轮51转动角度α/2，也即末端指段7又转动角度α/2。因此当中部指段6绕近关节轴3的轴线转动角度α时，末端指段绕远关节轴5的轴线转动角度α。当第三锥齿轮32和第四锥齿轮51齿数之比n3∶n4＝1∶2时，两关节的耦合转动角度为1∶1，改变二者的齿数，则将获得不同的耦合效果。
此时，如果末端指段7接触物体9，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图8所示。
此时，如果末端指段7还未接触物体9，如图6所示。电机1的输出轴继续转动，通过减速器带动第一齿轮21转动，进而带动第二锥齿轮31和第三锥齿轮32转动。
由于这时中部指段6已经接触物体9，中部指段6不能继续绕近关节轴3转动，簧件33的继续变形将使中部指段6以越来越大的抓取力紧靠物体7。同时随着电机1的继续转动，第三锥齿轮32转动，通过双联锥齿轮带动第四锥齿轮51转动，进而带动末端指段7继续转动。这一过程直到末端指段7接触到物体9，完成抓持动作，如图7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。
该装置在另一种情形下的初始位置如图9所示，这种情况下，物体9与末端指段7相距较近，在这种情况下会由末端指段首先碰触物体。在这种情形下手指一直会以上面所述那种耦合抓取模式转动，直到末端指段7碰触到物体为止，完成抓持，在这种情形下手指的运动过程中没有进行欠驱动自适应模式，手指直接通过耦合抓取模式完成抓持，如图10所示。

Claims (2)

1.一种差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机(1)、减速器(2)、近关节轴(3)、基座(4)、远关节轴(5)、中部指段(6)和末端指段(7)；所述电机(1)和减速器(2)均固接在基座(4)上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴(3)活动套接于基座(4)中，所述远关节轴(5)活动套接于中部指段(6)中，所述中部指段(6)套固在近关节轴(3)上；所述末端指段(7)套固在远关节轴(5)上；
其特征在于：
该差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置还包括第一锥齿轮(21)、第二锥齿轮(31)、第三锥齿轮(32)、第四锥齿轮(51)、簧件(33)和双联锥齿轮；所述双锥齿轮由中间轴(81)、下锥齿轮(82)和上锥齿轮(83)组成；
所述第一锥齿轮(21)套固在减速器(2)的输出轴上，所述第二锥齿轮(31)活动套接在近关节轴(3)上，所述第三锥齿轮(32)活动套接在近关节轴(3)上，所述第四锥齿轮(51)套固在远关节轴(5)上；
所述第一锥齿轮(21)分别与第二锥齿轮(31)、第三锥齿轮(32)啮合；所述中间轴(81)活动套设于中间轴套筒(61)中，所述下锥齿轮(82)套固在所述中间轴(81)下端，所述上锥齿轮(83)套固在中间轴(81)的上端，所述下锥齿轮(82)与第三锥齿轮(32)啮合，所述上锥齿轮(83)与第四锥齿轮(51)啮合；所述中间轴(81)的中心线与近关节轴(3)的中心线相互垂直；所述第三锥齿轮(32)和第四锥齿轮(51)位于中间轴(81)轴线的同一侧；
所述簧件(33)的两端分别连接第二锥齿轮(31)与近关节轴(3)。
2.如权利要求1所述差动锥齿轮系复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于：所述簧件(33)采用拉簧、压簧、扭簧或弹性绳。
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