CN102922532B - 连杆式协同驱动机器人手指装置 - Google Patents

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Abstract

连杆式协同驱动机器人手指装置，属于机器人手技术领域。本发明采用两台丝杆电机、螺旋传动增力机构、连杆传动机构、超越离合器及簧件等，综合实现了两台电机配合协同驱动手指的效果；本手指装置不仅具有较快的抓握速度，而且兼备较大的抓取力以及精确的抓取动作；同时可以在几种主要抓取模式间自由切换，适合用作灵巧机器人手的手指部分。

Description

连杆式协同驱动机器人手指装置
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种连杆式协同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自然具有重要意义。一方面，通过大减速比传动机构可以加强机器手的抓握力度，却会减慢机器人手的抓握速度，影响其灵巧性；另一方面，如果过分追求机器手的抓取速度，又势必会对其抓握力度产生负面影响。同时，机器人手要求保证尺寸小巧，因此难以使用尺寸较大的大功率电机。目前在这一领域仍存在着许多技术难题。
所谓协同驱动机器人手指装置，是指至少有一个电机驱动两个以上关节，同时至少有一个关节可以同时被多个电机驱动的机器人手指装置。在协同驱动的工作方式下，部分电机可以主要承担快速抓握的任务以保证机器手的灵巧性，其他电机则可以主要用于提供强大的抓取力以及调整手势；同时，重要的指段可由多个电机配合共同驱动，以显著增强该指段的抓取力。
已有的一种机器人手指装置，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，缺点在于由于利用单电机驱动，既无法达到较快的抓握速度又无法提供强大的抓取力，且机构复杂，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，提供一种连杆式协同驱动机器人手指装置。该装置能够实现协同驱动，即两电机协调配合共同驱动手指的效果；不仅具有较快的抓取速度，而且兼备强大的抓取力以及精确的抓取动作。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的连杆式协同驱动机器人手指装置，包括第一丝杆电机、基座、中部指段、近关节轴、远关节轴和末端指段；所述第一丝杆电机安装在基座上，近关节轴套设于基座中，所述远关节轴套设于中部指段中，所述中部指段套固在近关节轴上；所述末端指段套设在远关节轴上；其特征在于：该装置还包括第一螺母滑块、第一连杆、第二连杆、第二丝杆电机、第二螺母滑块、第三连杆、簧件、超越离合器和传动盘；所述基座中设有第一滑槽，所述第一螺母滑块安装在基座的第一滑槽中，该第一螺母滑块与第一丝杆电机的丝杆配合形成螺旋传动，且在第一滑槽中上下运动；所述第一连杆两端分别通过转轴与第一螺母滑块和中部指段连接，使得第一螺母滑块上下运动时带动中部指段绕近关节轴转动；所述第二丝杆电机安装于中部指段中；所述中部指段中设有第二滑槽，所述第二螺母滑块安装在中部指段的第二滑槽中，该第二螺母滑块与第二丝杆电机的丝杆配合形成螺旋传动，且在第二滑槽中上下运动；所述传动盘活动套接在远关节轴上；所述第二连杆的两端分别通过转轴与基座和传动盘连接，且第二连杆与中部指段构成X型结构，使得电机通过第一连杆驱动中部指段转动时，使传动盘沿相同方向绕远关节轴转动；所述超越离合器套接在远关节轴上，超越离合器的内圈与末端指段固接；所述第三连杆的两端分别通过转轴与超越离合器的外圈和第二螺母滑块连接，使得第二螺母滑块上下运动时带动超越离合器的外圈绕远关节轴转动；所述簧件的两端分别与传动盘和末端指段连接。
本发明所述的连杆式协同驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件使用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。
本发明所述的连杆式协同驱动机器人手指装置，其特征在于：所述超越离合器使用棘轮式、摩擦式超越离合器或单向轴承。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置采用两台丝杆电机、螺旋传动增力机构、连杆传动机构、超越离合器及簧件等，综合实现了两台电机配合协同驱动手指的效果；本手指装置不仅具有较快的抓握速度，而且兼备较大的抓取力以及精确的抓取动作；同时可以在几种主要抓取模式间自由切换，适合用作灵巧机器人手的手指部分。
附图说明
图1是本发明提供的连杆式协同驱动机器人手指装置的实施例的外观图。
图2是图1的爆炸图。
图3是图1的左视图。
图4是图1的右视图。
图5a为超越离合器内圈安装在末端指段上的结构示意图，图5b为超越离合器透视图(左视)。
图6、图7是本实施例仅用第一电机驱动两个指段抓取圆柱状物体的过；图8是仅用第二电机驱动末端指段抓握物体过程。
图9、图10是本实施例仅第一电机驱动两个指段抓取扁平状物体的过程；图11是第二电机与第一电机反向转动，两电机共同驱动手指捏持物体的过程。
在图1至图11中：
1－第一丝杆电机，   2－基座，       3－第一螺母滑块，
4－第一滑槽，       5－第一连杆，   6－中部指段，
7－近关节轴，       8－第二连杆，   9－第二丝杆电机，
10－第二螺母滑块，  11－第三连杆，  12－第二滑槽，
13－簧件，      14－超越离合器，  15－传动盘，
16－远关节轴，  17－末端指段。
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。
本发明所述的双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图1至图5a、5b所示，包括第一丝杆电机1、基座2、中部指段6、近关节轴7、远关节轴16和末端指段17；所述第一丝杆电机1安装在基座2上，近关节轴7套设于基座2中，所述远关节轴16套设于中部指段6中，所述中部指段6套固在近关节轴7上；所述末端指段17套设在远关节轴16上；其特征在于：该装置还包括第一螺母滑块3、第一连杆5、第二连杆8、第二丝杆电机9、第二螺母滑块10、第三连杆11、簧件13、超越离合器14和传动盘15；所述基座2中设有第一滑槽4，所述第一螺母滑块3安装在基座2的第一滑槽4中，该第一螺母滑块与第一丝杆电机1的丝杆配合形成螺旋传动，且在第一滑槽4中上下运动；所述第一连杆5两端分别通过转轴与第一螺母滑块3和中部指段6连接，使得第一螺母滑块3上下运动时带动中部指段6绕近关节轴7转动；所述第二丝杆电机9安装于中部指段6中；所述中部指段中设有第二滑槽12，所述第二螺母滑块10安装在中部指段6的第二滑槽12中，该第二螺母滑块与第二丝杆电机9的丝杆配合形成螺旋传动，且在第二滑槽12中上下运动；所述传动盘15活动套接在远关节轴16上；所述第二连杆8的两端分别通过转轴与基座2和传动盘15连接，且第二连杆8与中部指段6构成X型结构，使得电机通过第一连杆5驱动中部指段6转动时，使传动盘15沿相同方向绕远关节轴16转动；所述超越离合器14套接在远关节轴16上，超越离合器14的内圈与末端指段17固接；所述第三连杆11的两端分别通过转轴与超越离合器14的外圈和第二螺母滑块10连接，使得第二螺母滑块10上下运动时带动超越离合器14的外圈绕远关节轴16转动，且当末端指段17朝向物体旋转时，若超越离合器14的内圈速度较快则内圈可自由转动而不受外圈约束，若超越离合器的外圈速度较快则外圈将带动内圈共同转动；所述簧件13的两端分别与传动盘15和末端指段17连接。
本发明所述簧件13使用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例采用扭簧。
本发明所述超越离合器14使用棘轮式、摩擦式超越离合器或单向轴承。本实施例采用摩擦式超越离合器。
本实施例的具体工作原理，如图6至图11所示，叙述如下：
本装置的初始位置如图6所示处于竖直位置，此时中部指段6和末端指段17均处于伸直状态。当本实施例中的机器人手指仅在丝杆电机1的驱动下运动时，电机1输出轴即丝杆转动，带动第一螺母滑块3在基座2的滑槽4内向上运动。由于第一连杆5连接第一螺母滑块3与中部指段6，所以在第一螺母滑块3上升过程中将通过第一连杆5推动中部指段6向被抓物体转动。由于第二连杆8连接基座2与传动盘15且第二连杆8与中部指段6形成X型结构，因此在中部指段转动的过程中，传动盘15将在第二连杆8的拉动下绕远关节轴向被抓物体转动。此时虽然第二丝杆电机9未启动，即超越离合器14的外圈没有转动，但是由于超越离合器内圈向被抓物体转动的速度快于外圈时内圈可以自由转动，因此与超越离合器内圈固接的末端指段17的转动并未受到阻碍，由于簧件13的存在，传动盘15与末端指段17仿佛固接一般，因此末端指段17将随传动盘15共同向被抓物体转动，如图7所示。
当中部指段6扣住被抓物体后，第一丝杆电机1停止转动，第二丝杆电机9启动，推动第二螺母滑块10，继而通过第三连杆11带动超越离合器14外圈向被抓物体转动。此时由于离合器外圈转动速度超过内圈，因此外圈将带动内圈共同向被抓物体转动，并带动与离合器内圈固接的末端指段17向被抓物体转动，直至末端指段也扣住被抓物体并提供足够的抓取力，如图8所示。此过程中传动盘15与末端指段17的相对位置改变，扭簧13发生变形。
本装置抓取扁平状物体时，手指弯曲过程与抓取柱状物体的弯曲过程相同，但是需要预先驱动第二丝杆电机9带动第二螺母滑块10上升一段距离，使它在末端指段17接触物体后可以在第二丝杆电机9的带动下向下移动从而带动超越离合器14的外圈倒转，如图9所示。当手指的末端指段17在第一丝杆电机的驱动下接触到物体时，保持第一丝杆电机1继续正转，同时第二丝杆电机9倒转，带动第二螺母滑块向下移动从而带动超越离合器14外圈倒转而将离合器内圈放松，此时末端指段将17在物体反作用力的作用下向外转动，同时末端指段17与传动盘15相对位置改变，扭簧13发生变形，如图10所示。待末端指段17贴紧物体后，第一丝杆电机1停车，第二丝杆电机9开始正转，通过超越离合器外圈带动末端指段17增大抓取力，如图11所示。该过程中，末端指段对物体的抓握力同时来自于扭簧13与第二丝杆电机9，抓握力度较大。
本发明采用两台丝杆电机、螺旋传动增力机构、连杆传动机构、超越离合器及簧件等，综合实现了两台电机配合协同驱动手指的效果；本手指装置不仅具有较快的抓握速度，而且兼备较大的抓取力以及精确的抓取动作；同时可以在几种主要抓取模式间自由切换，适合用作灵巧机器人手的手指部分。

Claims (3)

1.一种连杆式协同驱动机器人手指装置，包括第一丝杆电机(1)、基座(2)、中部指段(6)、近关节轴(7)、远关节轴(16)和末端指段(17)；所述第一丝杆电机(1)安装在基座(2)上，近关节轴(7)套设于基座(2)中，所述远关节轴(16)套设于中部指段(6)中，所述中部指段(6)套固在近关节轴(7)上；所述末端指段(17)套设在远关节轴(16)上；其特征在于：该装置还包括第一螺母滑块(3)、第一连杆(5)、第二连杆(8)、第二丝杆电机(9)、第二螺母滑块(10)、第三连杆(11)、簧件(13)、超越离合器(14)和传动盘(15)；所述基座(2)中设有第一滑槽(4)，所述第一螺母滑块(3)安装在基座(2)的第一滑槽(4)中，该第一螺母滑块与第一丝杆电机(1)的丝杆配合形成螺旋传动，且在第一滑槽(4)中上下运动；所述第一连杆(5)两端分别通过转轴与第一螺母滑块(3)和中部指段(6)连接，使得第一螺母滑块(3)上下运动时带动中部指段(6)绕近关节轴(7)转动；所述第二丝杆电机(9)安装于中部指段(6)中；所述中部指段中设有第二滑槽(12)，所述第二螺母滑块(10)安装在中部指段(6)的第二滑槽(12)中，该第二螺母滑块与第二丝杆电机(9)的丝杆配合形成螺旋传动，且在第二滑槽(12)中上下运动；所述传动盘(15)活动套接在远关节轴(16)上；所述第二连杆(8)的两端分别通过转轴与基座(2)和传动盘(15)连接，且第二连杆(8)与中部指段(6)构成X型结构，使得电机通过第一连杆(5)驱动中部指段(6)转动时，使传动盘(15)沿相同方向绕远关节轴(16)转动；所述超越离合器(14)套接在远关节轴(16)上，超越离合器(14)的内圈与末端指段(17)固接；所述第三连杆(11)的两端分别通过转轴与超越离合器(14)的外圈和第二螺母滑块(10)连接，使得第二螺母滑块(10)上下运动时带动超越离合器(14)的外圈绕远关节轴(16)转动；所述簧件(13)的两端分别与传动盘(15)和末端指段(17)连接。
2.如权利要求1所述的一种连杆式协同驱动机器人手指装置，其特征在于：所述簧件(13)采用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。
3.如权利要求1所述的一种连杆式协同驱动机器人手指装置，其特征在于：所述超越离合器(14)采用棘轮式超越离合器、摩擦式超越离合器或单向轴承。
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