CN102284957A

CN102284957A - 差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置

Info

Publication number: CN102284957A
Application number: CN2011102103367A
Authority: CN
Inventors: 张文增; 王智
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2011-12-21

Abstract

差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，属于仿人机器人手技术领域，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、齿条和簧件。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、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

差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置

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齿条式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，提供一种差动锥齿轮齿条式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；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：

一种差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，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设于基座中，所述远关节轴活动套设于中部指段中，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，近关节轴与远关节轴平行；

其特征在于：该差动锥齿轮齿条式复合欠驱动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、第一直齿轮、第二直齿轮、齿条和簧件；所述第一锥齿轮固接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；所述第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮和第三锥齿轮啮合；所述第一直齿轮活动套接在近关节轴上且与第三锥齿轮固接，所述第二直齿轮套固在远关节轴上；所述齿条镶嵌在中部指段中，齿条的下部和上部分别与第一直齿轮和第二直齿轮啮合，齿条的下部和上部的齿分别位于齿条的两侧；设齿条的下部与第一直齿轮的啮合点为A，齿条的上部与第二直齿轮的啮合点为B，第一直齿轮的中心点为O₁，第二直齿轮的中心点为O₂，则AB连线与O₁O₂连线交叉成“X”形，AB连线和O₁O₂连线的交点位于O₁和O₂之间；所述簧件两端分别连接第二锥齿轮和近关节轴。

本发明所述的差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、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、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齿条式复合欠驱动机器人手指装置的一种实施例正视剖视示意图。

图2是图1所示实施例的正视外观图。

图3是图1所示实施例的侧视剖视图。

图4是图1所示实施例的侧视外观图。

图5是与图3对应的A、B、O₁和O₂这四个点的连线图。

图6、图7、图8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9、图10是本实施例用末端指段自适应抓握物体过程的示意图。

在图1至图10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， 71-第一锥齿轮，

72-第二锥齿轮， 73-第三锥齿轮，81-第一直齿轮， 82-第二直齿轮，

83-齿条， 9-簧件， 91-所抓物体。

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。

本发明所述的差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置的一种实例，如图1至图5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2和减速器21均固接在基座1上，电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连；所述近关节轴3活动套设于基座1中，所述远关节轴5活动套设于中部指段4中，所述中部指段4套固在近关节轴3上；所述末端指段6套固在远关节轴5上，近关节轴3与远关节轴5平行；该差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置还包括第一锥齿轮71、第二锥齿轮72、第三锥齿轮73、第一直齿轮81、第二直齿轮82、齿条83和簧件9；所述第一锥齿轮71固接在减速器21的输出轴上，所述第二锥齿轮72活动套接在近关节轴3上，所述第三锥齿轮73活动套接在近关节轴3上；所述第一锥齿轮71和第二锥齿轮72啮合，第一锥齿轮71和第三锥齿轮73啮合；所述第一直齿轮81活动套接在近关节轴3上且与第三锥齿轮73固接，所述第二直齿轮82套固在远关节轴5上；所述齿条83镶嵌在中部指段4中，齿条83的下部和上部分别与第一直齿轮81和第二直齿轮82啮合，齿条83的下部和上部的齿分别位于齿条83的两侧；设齿条83的下部与第一直齿轮81的啮合点为A，齿条83的上部与第二直齿轮82的啮合点为B，第一直齿轮81的中心点为O₁，第二直齿轮82的中心点为O₂，则AB连线与O₁O₂连线交叉成“X”形，AB连线和O₁O₂连线的交点位于O₁和O₂之间；所述簧件9两端分别连接第二锥齿轮72和近关节轴3。

本发明所述的差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件9采用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例中，所述簧件9采用扭簧。

本实施例的具体工作原理，如图6、图7、图8、图9、图10所示，叙述如下：

本装置的初始位置如图6所示处于伸直位置，此时中部指段4和末端指段6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21通过第一锥齿轮71带动第二锥齿轮72正向转动，第二锥齿轮72带动中部指段4绕近关节轴3正向转动一个角度α₁，此转动将会使得齿条83在第一直齿轮81上纯滚动，即齿条83相对第一直齿轮81向下平动，从而导致第二直齿轮82耦合转动一个角度α₂；此外，第一锥齿轮71带动第三锥齿轮73反向转动，第三锥齿轮73带动第一直齿轮81反向转动，第一直齿轮81带动齿条83向下平动，齿条83带动第二直齿轮82正向转动，第二直齿轮82带动末端指段6绕远关节轴5正向转动一个角度β₁；此过程为耦合转动过程。当中部指段4接触物体91被阻挡不能再继续转动时，中部指段4绕近关节轴3正向转动一个角度α₃，末端指段6绕远关节轴5正向转动一个角度β₂，此时，第二锥齿轮72继续转动，簧件9发生变形，实现解耦；同时，第三锥齿轮73继续转动，将使得末端指段6继续转动，末端指段6绕远关节轴5转动一个角度β₃，直到末端指段6接触物体91，末端指段6绕远关节轴5转动一个角度β₄，实现自适应抓取物体91。

当放开物体时，电机反转，与上述过程相反。

Claims

1.一种差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，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设于基座中，所述远关节轴活动套设于中部指段中，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，近关节轴与远关节轴平行；

其特征在于：该差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置还包括第一锥齿轮(71)、第二锥齿轮(72)、第三锥齿轮(73)、第一直齿轮(81)、第二直齿轮(82)、齿条(83)和簧件(9)；所述第一锥齿轮固接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；所述第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮和第三锥齿轮啮合；所述第一直齿轮活动套接在近关节轴上且与第三锥齿轮固接，所述第二直齿轮套固在远关节轴上；所述齿条镶嵌在中部指段中，齿条的下部和上部分别与第一直齿轮和第二直齿轮啮合，齿条的下部和上部的齿分别位于齿条的两侧；设齿条的下部与第一直齿轮的啮合点为A，齿条的上部与第二直齿轮的啮合点为B，第一直齿轮的中心点为O₁，第二直齿轮的中心点为O₂，则AB连线与O₁O₂连线交叉成“X”形，AB连线和O₁O₂连线的交点位于O₁和O₂之间；所述簧件两端分别连接第二锥齿轮和近关节轴。

2.如权利要求1所述的差动锥齿轮齿条式复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。