CN102909727B - 分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、三个电机及减速器、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、锥齿轮系传动机构、三个单向传动机构、主动轮、从动轮、传动件和簧件等。本发明装置采用分散存放的三电机、主动轮、从动轮、传动件、三个单向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，能耗小；三个电机协同作用于两个关节，使得手指能够提供较大范围的抓持力；结构紧凑，成本低、控制容易。
Description
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置的结构设计。
背景技术
手是人最重要的器官之一，在拟人机器人领域，机器人手同样是至关重要的环节，其结构设计与功能改进是机器人领域的关键技术之一。一方面，机器人手需要完成抓取、搬运等复杂动作，因此需要较为精确的控制机制；另一方面，机器人手的拟人要求决定了其体积小、重量轻等特点。现有的灵巧手有足够的关节数及驱动数以完成精确动作，但其不足之处为：非常复杂、昂贵。目前在机器人手领域还存在许多技术难题。欠驱动手在一定程度上解决了这一矛盾。
耦合型欠驱动手指采用多关节同时弯曲的耦合抓取模式，由一个驱动器驱动多个关节按一定比例同时转动。这一模式与人手抓取物体动作类似，拟人性较好，抓取过程较稳定。耦合型手指的不足之处在于：动作模式较为固定，无法适应不同形状的物体，一般以捏持方式抓取物体，对于大尺寸物体很难实现握持抓取方式，抓取效果不好。
自适应欠驱动手指采用自适应抓取的动作模式，由一个驱动器驱动一个关节，其余关节在手指与物体接触后才开始转动。这种手指可以根据物体的不同形状改变抓取角度，从而达到握持抓取方式，结构简单且控制稳定。自适应欠驱动手指的不足之处在于：未接触物体时手指呈固定形态，拟人效果较差；需要在接触物体的过程中产生对远端指节的驱动力，可能导致近端指节受力过大，不利于抓取；对于小尺寸物体无法实现捏持抓取方式，抓取效果受到限制。
针对耦合型手指与自适应欠驱动手指各自的不足之处，一种将两者结合起来的新型复合型欠驱动抓取模式被提出来，该抓取模式为：手指碰到物体之前先按照耦合模式运动，接触物体之后近端指节的运动被物体限制，此时远端指节继续以自适应模式抓取物体，直至各指节完全接触物体。已有的一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，如中国发明专利CN106166753A，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、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取过程，其不足之处在于：1)只采用一个电机，目前同体积下电机的功率有限，因而限制了手指的抓取力；2)由于电机仅放置在基座(手掌)中，并没有充分利用中部指段较空旷的空间，空间利用率低。
在抓取力方面，手指对物体一般需要有较大的抓持力。人的手指所提供的力量非常大，例如人手能够将易拉罐握扁，目前尺寸与人手指相接近的机器人手指难以有较大的出力，原因是尺寸能够藏入手中的电机往往功率不够大，电机的体积和功率之间的这个矛盾一直存在，影响了机器人手的发展。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，该装置可实现先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；充分利用手掌空间、中部指段空间和末端指段空间；末端指段能够提供较大范围的抓持力；该装置结构简单，成本低能量损耗小，控制容易。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，包括基座、中部指段、第一电机、第一减速器、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴活动套接于基座中，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接于中部指段中；所述末端指段固定套接在远关节轴上；所述近关节轴和远关节轴平行；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连；其特征在于：该分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机、第二减速器、第三电机、第三减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第五锥齿轮、主动轮、从动轮、传动件、第一单向传动机构、第二单向传动机构、第三单向传动机构和簧件；所述第一电机和第一减速器均固接在中部指段中，所述第二电机和第二减速器均固接在基座上，所述第三电机和第三减速器均固接在末端指段中，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第三电机的输出轴与第三减速器的输入轴相连；所述第一锥齿轮固定套接在第一减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮固定套接在远关节轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；所述第三锥齿轮固定套接在第三减速器的输出轴上，第二锥齿轮与第三锥齿轮相啮合；所述第四锥齿轮固定套接在第二减速器的输出轴上，所述第五锥齿轮固定套接在近关节轴，第四锥齿轮与第五锥齿轮相啮合；所述第一单向传动机构设置在第一减速器输出轴上；所述第二单向传动机构设置在第三减速器输出轴上；所述第三单向传动机构设置在第二减速器输出轴上；所述的主动轮与从动轮通过传动件相连，主动轮转动方向与从动轮转动方向相反；所述的主动轮固定套接在近关节轴上，所述的从动轮固定套接在远关节轴上；所述的簧件的两端分别连接基座和近关节轴；所述的簧件采用拉簧、压簧或扭簧。
本发明所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器；所述的第三单向传动机构采用扭矩限制器。
本发明所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用超越离合器；所述的第二单向传动机构采用超越离合器；所述的第三单向传动机构采用超越离合器。
本发明所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用传动带或腱绳，所述的主动轮采用带轮或绳轮，所述的从动轮采用带轮或绳轮；所述的传动件、主动轮和从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“8”字形。
本发明所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件包括第一子传动件和第二子传动件；所述的第一子传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“S”字形，第一子传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接；所述的第二子传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“Z”字形，第二子传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，第一子传动件和第二子传动件交叉成“8”字形；所述的第一子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件、第二子传动件、主动轮和从动轮四者能够配合形成传动关系。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置采用分散存放的三个电机、主动轮、从动轮、传动件、三个单向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式，该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式；耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；在该装置中，驱动器分散存放：三个电机分别放置在基座、中部指段和末段指段中，充分利用手掌空间、中部指段空间和末段指段空间；三个电机协同作用于两个关节，使得手指能够提供较大范围的抓持力，达到更好的稳定抓持目的，使得采用该装置的机器人手具有更大范围的抓取适应能力，适用于非结构化未知复杂环境的稳定抓取；三个电机之间无内部干涉和能量损耗；且该装置结构紧凑、简洁，成本低、控制容易。
附图说明
图1是本发明的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置的第一种实施例立体图。
图2是图1所示实施例的正面外观图(不含中部前板和基座前板)。
图3是图1所示实施例的侧视图。
图4是图1所示实施例的A-A剖视图。
图5是图1所示实施例的主动轮、从动轮和传动件示意。
图6、图7、图8和图9是图1所示实施例先耦合后自适应欠驱动后末端加力抓取抓握物体过程的示意图。
图10是图1所示实施例末端变位抓取物体过程的示意图。
图11、图12和图13是三个扭矩限制器的横截面剖视图。
图14是扭矩限制器的俯视图。
图15是本发明提供的第二种实施例的主动轮、从动轮和传动件示意。
在图1至图15中：
11－基座， 12－中部指段， 13－末端指段，
2－簧件， 31－近关节轴， 32－远关节轴，
41－主动轮， 42－从动轮， 43－传动件，
44－第一子传动件， 45－第二子传动件，
51－第一电机， 52－第一减速器， 521－第一减速器输出轴，
53－第二电机， 54－第二减速器， 541－第二减速器输出轴，
55－第三电机， 56－第三减速器， 561－第三减速器输出轴，
61－第一锥齿轮， 62－第二锥齿轮， 63－第三锥齿轮，
64－第四锥齿轮， 65－第五锥齿轮， 10－物体，
900－扭矩限制器， 910－壳体， 920－旋转构件，
930－旋转轴， 940－滚珠， 950－压力弹簧。
具体实施方式
下面结合附图及多个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。
本发明设计的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置的第一种实施例，如图1、图2、图3、图4和图5所示，包括基座11、中部指段12、第一电机51、第一减速器52、末端指段13、近关节轴31和远关节轴32；所述近关节轴31活动套接于基座11中，所述中部指段12活动套接在近关节轴31上，所述远关节轴32活动套接于中部指段12中；所述末端指段13固定套接在远关节轴32上；所述近关节轴31和远关节轴32平行；所述第一电机51的输出轴与第一减速器52的输入轴相连；该分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机53、第二减速器54、第三电机55、第三减速器56、第一锥齿轮61、第二锥齿轮62、第三锥齿轮63、第四锥齿轮64、第五锥齿轮65、主动轮41、从动轮42、传动件43、第一单向传动机构、第二单向传动机构、第三单向传动机构和簧件2；所述第一电机51和第一减速器52均固接在中部指段12中，所述第二电机53和第二减速器54均固接在基座11上，所述第三电机55和第三减速器56均固接在末端指段13中，第二电机53的输出轴与第二减速器54的输入轴相连，第三电机55的输出轴与第三减速器56的输入轴相连；所述第一锥齿轮61固定套接在第一减速器52的输出轴上，所述第二锥齿轮62固定套接在远关节轴32上，第一锥齿轮61与第二锥齿轮62相啮合；所述第三锥齿轮63固定套接在第三减速器56的输出轴上，第二锥齿轮62与第三锥齿轮63相啮合；所述第四锥齿轮64固定套接在第二减速器54的输出轴上，所述第五锥齿轮65固定套接在近关节轴32，第四锥齿轮64与第五锥齿轮65相啮合；所述第一单向传动机构设置在第一减速器52输出轴上；所述第二单向传动机构设置在第三减速器56输出轴上；所述第三单向传动机构设置在第二减速器54输出轴上；所述的主动轮41与从动轮42通过传动件43相连，主动轮41转动方向与从动轮42转动方向相反；所述的从动轮42固定套接在远关节轴32上，所述的主动轮41固定套接在近关节轴31上；所述的簧件2的两端分别连接基座11和近关节轴31；所述的簧件2采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述的簧件2采用扭簧；所述第一单向传动机构设置在第一减速器52输出轴上；所述第二单向传动机构设置在第三减速器56输出轴上；所述第三单向传动机构设置在第二减速器54输出轴上。
本实施例中，所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器900；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器900；所述的第三单向传动机构采用扭矩限制器900。
本发明中，所述的传动件43采用传动带或腱绳，所述的主动轮41采用带轮或绳轮，所述的从动轮42采用带轮或绳轮；所述的传动件43、主动轮41和从动轮42三者能够配合形成传动关系；所述的传动件43缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“8”字形。
本实施例中，所述的传动件43采用传动带，所述的主动轮41采用带轮，所述的从动轮42采用带轮；所述的传动件43、主动轮41和从动轮42三者能够配合形成传动关系；所述的传动件43缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“8”字形。
本发明设计的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置的第二种实施例，如图15所示，所述的传动件43包括第一子传动件44和第二子传动件45；所述的第一子传动件44缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“S”字形，第一子传动件44的两端分别与主动轮41、从动轮42固接；所述的第二子传动件45缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“Z”字形，第二子传动件45的两端分别与主动轮41、从动轮42固接，第一子传动件44和第二子传动件45交叉成“8”字形；所述的第一子传动件44采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件45采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮41采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮42采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件44、第二子传动件45、主动轮41和从动轮42四者能够配合形成传动关系。
本发明设计的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置的第三种实施例，所述的第一单向传动机构采用超越离合器；所述的第二单向传动机构采用超越离合器；所述的第三单向传动机构采用超越离合器。
以图1、图2、图3、图4和图5所示的第一种实施例为例介绍本发明装置的工作原理，结合图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14，叙述如下：
该装置的初始位置如图6所示，此时中部指段11、末端指段12和基座1呈伸直状态。当使用本实施例的机器人手抓取物体10时，第一电机51带动第一减速器52的输出轴转动，第一锥齿轮61与第二锥齿轮62啮合。由于簧件2的约束作用，基座1与近关节轴31仿佛固接在一起，第一电机51将带动自身所在的中部指段11转动角度θ。
由于主动轮41固接在近关节轴31上，在中部指段11转动过程中，远关节轴32相对于近关节轴31的位置将改变，此时主动轮41通过传动件43带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度θ，改变主动轮41和从动轮42的相对大小可以获得不同的耦合效果；由于第二锥齿轮62与第三锥齿轮63啮合，远关节轴32的转动使得与其固接的末端指段12同样转过角度θ，从而达到耦合效果；本实施例中，主动轮41通过传动件43带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度θ，从而实现了耦合过程，达到较好的拟人效果。
假设中部指段11与末端指段12均转过θ角后碰到物体10，此时可能出现以下两种情况：
1)中部指段11先接触物体10，如图7所示。此时中部指段11由于物体10的阻挡不会继续转动，第一电机51继续运行，簧件2将发生变形，而当第三锥齿轮63内的扭矩限制器900的旋转构件920至壳体910的扭矩小于压力弹簧950的弹力时，旋转轴930的旋转可以传递到旋转构件920，旋转构件920的旋转通过滚珠940被传递到壳体910，使得远关节轴32得以继续转动，末端指段继续转动α角，直至末端指段都与物体表面接触；此后由于末端指段12被物体阻挡而无法继续绕远关节轴32的中心线转动，此时控制第一电机51停转，启动第二电机53，通过第四锥齿轮64带动固定套接在近关节轴31的第五锥齿轮65转动，从而近关节轴31转动，同时第一单向传动机构的扭矩限制器900内压力弹簧950变形。由于主动轮41固接在近关节轴31上，主动轮41通过传动件43带动从动轮42反向转动，第二锥齿轮62与第三锥齿轮63啮合，从而带动末端指段13转动，填补末端指段13和物体10之间可能出现的间隙。此时开动第三电机55，通过第三减速器56的输出轴带动第三锥齿轮63转动，由于第二锥齿轮62与第三锥齿轮63啮合并且第二锥齿轮62与远关节轴32固接，从而使得末端指段13绕远关节轴32转动，进一步填补末端指段13和物体10之间可能出现的间隙，达到末端增力的作用，从而完成抓取过程，达到握持效果，如图12所示；本实施例中，主动轮41通过传动件43带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度α。
2)末端指段12先接触物体10而中部指段11尚未接触物体10，如图13所示。此时远关节轴32无法继续转动，使得近关节轴31也无法转动，从而完成抓取过程，达到捏持效果。
如图14所示，当需要钩取物体10时，开动第三电机55，通过第三单向传动机构、第二锥齿轮62和第三锥齿轮63带动末段指段13绕远关节轴32转动，达到钩取物体的目的。
本发明装置采用分散存放的三个电机、主动轮、从动轮、传动件、三个单向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式，该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式；耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；在该装置中，驱动器分散存放：三个电机分别放置在基座、中部指段和末段指段中，充分利用手掌空间、中部指段空间和末段指段空间；三个电机协同作用于两个关节，使得手指能够提供较大范围的抓持力，达到更好的稳定抓持目的，使得采用该装置的机器人手具有更大范围的抓取适应能力，适用于非结构化未知复杂环境的稳定抓取；三个电机之间无内部干涉和能量损耗；且该装置结构紧凑、简洁，成本低、控制容易。
Claims (5)
1.一种分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，包括基座(11)、中部指段(12)、第一电机(51)、第一减速器(52)、末端指段(13)、近关节轴(31)和远关节轴(32)；所述近关节轴(31)活动套接于基座(11)中，所述中部指段(12)活动套接在近关节轴(31)上，所述远关节轴(32)活动套接于中部指段(12)中；所述末端指段(13)固定套接在远关节轴(32)上；所述近关节轴(31)和远关节轴(32)平行；所述第一电机(51)的输出轴与第一减速器(52)的输入轴相连；其特征在于：该分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机(53)、第二减速器(54)、第三电机(55)、第三减速器(56)、第一锥齿轮(61)、第二锥齿轮(62)、第三锥齿轮(63)、第四锥齿轮(64)、第五锥齿轮(65)、主动轮(41)、从动轮(42)、传动件(43)、第一单向传动机构、第二单向传动机构、第三单向传动机构和簧件(2)；所述第一电机(51)和第一减速器(52)均固接在中部指段(12)中，所述第二电机(53)和第二减速器(54)均固接在基座(11)上，所述第三电机(55)和第三减速器(56)均固接在末端指段(13)中，第二电机(53)的输出轴与第二减速器(54)的输入轴相连，第三电机(55)的输出轴与第三减速器(56)的输入轴相连；所述第一锥齿轮(61)固定套接在第一减速器(52)的输出轴上，所述第二锥齿轮(62)固定套接在远关节轴(32)上，第一锥齿轮(61)与第二锥齿轮(62)相啮合；所述第三锥齿轮(63)固定套接在第三减速器(56)的输出轴上，第二锥齿轮(62)与第三锥齿轮(63)相啮合；所述第四锥齿轮(64)固定套接在第二减速器(54)的输出轴上，所述第五锥齿轮(65)固定套接在近关节轴(32)，第四锥齿轮(64)与第五锥齿轮(65)相啮合；所述第一单向传动机构设置在第一减速器(52)输出轴上；所述第二单向传动机构设置在第三减速器(56)输出轴上；所述第三单向传动机构设置在第二减速器(54)输出轴上；所述的主动轮(41)与从动轮(42)通过传动件(43)相连，主动轮(41)转动方向与从动轮(42)转动方向相反；所述的主动轮(41)固定套接在近关节轴(31)上，所述的从动轮(42)固定套接在远关节轴(32)上；所述的簧件(2)的两端分别连接基座(11)和近关节轴(31)；所述的簧件(2)采用拉簧、压簧或扭簧。
2.如权利要求1所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器(900)；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器(900)；所述的第三单向传动机构采用扭矩限制器(900)。
3.如权利要求1所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用超越离合器；所述的第二单向传动机构采用超越离合器；所述的第三单向传动机构采用超越离合器。
4.如权利要求1所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件(43)采用传动带或腱绳，所述的主动轮(41)采用带轮或绳轮，所述的从动轮(42)采用带轮或绳轮；所述的传动件(43)、主动轮(41)和从动轮(42)三者能够配合形成传动关系；所述的传动件(43)缠绕在主动轮(41)和从动轮(42)上并形成“8”字形。
5.如权利要求1所述的分立式三电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件(43)包括第一子传动件(44)和第二子传动件(45)；所述的第一子传动件(44)缠绕在主动轮(41)和从动轮(42)上并形成“S”字形，第一子传动件(44)的两端分别与主动轮(41)、从动轮(42)固接；所述的第二子传动件(45)缠绕在主动轮(41)和从动轮(42)上并形成“Z”字形，第二子传动件(45)的两端分别与主动轮(41)、从动轮(42)固接，第一子传动件(44)和第二子传动件(45)交叉成“8”字形；所述的第一子传动件(44)采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件(45)采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮(41)采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮(42)采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件(44)、第二子传动件(45)、主动轮(41)和从动轮(42)四者能够配合形成传动关系。
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