CN103358315B - 全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构，为解决现有技术手指机构抓持力小，不易制作和维护问题，其是第一连杆上部铰接第二连杆，第一连杆下部铰接由所述电机及减速器驱动的第三连杆，第三连杆末端铰接第四连杆，第三连杆与第四连杆之间装有弹簧；第四连杆末端分别铰接第五连杆和第七连杆，第五连杆与第七连杆之间装有弹簧，第五连杆末端与第二连杆末端之间铰接大钝角不等腰三角板型第六连杆，大三角板的顶角铰接第二连杆末端，大钝角不等腰三角板的短边底角铰接第五连杆末端，大钝角不等腰三角板的长边底角铰接小钝角不等腰三角板型第八连杆，小钝角不等腰三角板的顶角铰接所述大钝角不等腰三角板的长边底角，小钝角不等腰三角板的短边底角铰接第七连杆末端。具有手指机构抓持力大，自适应性好，驱动和控制简单、易于制作和维护的优点。

Description

全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构

技术领域

本发明涉及一种拟人机器人，尤其涉及一种全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构。

背景技术

机器人要通过手部操作来完成各项工作，灵巧手是机器人的重要组成部分，因此手指机构就成为了机器人领域的一项关键技术。为了使拟人机器人手指体积小重量轻，同时具有较多的自由度，并且容易控制。可以将机器人手指设计为驱动器少于自由度的欠驱动形式。使用腱驱动或磨擦轮实现的欠驱动手指抓持力很小。本发明提供的连杆式欠驱动手指机构，实现了结构紧凑、大抓持力的欠驱动拟人手指，手指能够自适应地抓取不同形状和尺寸的物体。而且因为全部使用转动关节，克服了在手指内部包含小尺寸滑块，不利于制作和维护的问题。

目前已有的一种拟人欠驱动机器人手指装置见2008年7月9日公开的中国发明专利CN101214649，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、至少2个中部指段、至少1个中关节轴、远关节轴、末端指段，以及至少2个主动轮、至少2个传动轮、至少2个从动轮、至少2个簧件，簧件的两端分别连接相邻指段。该装置利用多对带轮机构、套接活动的多个中部指段及多个簧件所具有的解耦作用综合实现多关节欠驱动手指抓取物体的效果，并具有对所抓物体形状自适应性。其欠驱动工作原理为：指节接触物体后，电机继续转动，驱动指节上的主动滑块小位移平动，通过主动滑块上的齿条和固接在下一个指节上的齿轮，实现下一指节的大角度转动。松开物体时，齿轮和齿条通过联结的簧件复位。

该装置存在的主要问题是：手指能实现的抓持力很小，甚至不如腱驱动手指所能提供的抓持力。

该装置产生上述问题的原因在于：手指的大小和结构决定了齿条的平动行程非常有限，为了实现下一指节的有效转动，齿轮和齿条必须有很大的传动比，导致指节上很小的抓持力都需要非常大的电机驱动力才能实现。并且随着指节数的增加，这一比例指数性增大。

目前已有的另一种拟人欠驱动机器人手指装置见2009年12月16日公开的专利申请文件。该装置因所申请机构已在公开发表的文章中公开，未回复审查意见，相当于自动撤销了申请。该装置利用包含1个移动副和7个转动副的8连杆欠驱动手指机构，实现了多指节欠驱动手指弯曲抓物的特殊效果，实现了1个驱动器驱动多个指节，具有抓持不同尺寸和形状的物体的自适应性和灵活性。

该装置存在的主要问题是：所包含的重要部件，即第二指节内部的滑移关节难以制作和维护。

该装置产生上述问题的原因在于：第二指节内部包含一个滑移关节，且该滑移关节需在拟人指节内部运动，是该滑移关节的设计尺寸受到很大限制。该滑移关节需连接一个该装置的关键部件：副复位弹簧，使第二指节内部的设计、装配、制作和维护的难度和成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种连杆式欠驱动手指机构抓持力大，易制作和维护的全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构。

为实现上述目的，本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构包括第一连杆或者基座和驱动电机及减速器，其特别之处在于所述第一连杆上部铰接一个向前下方伸出的第二连杆，所述第一连杆下部铰接一个由所述电机及减速器驱动的向前上方伸出的第三连杆，所述第三连杆末端铰接向前下方向伸出的第四连杆，所述第三连杆与第四连杆之间配装有主复位弹簧；所述第四连杆末端分别铰接向前上方伸出的第五连杆和向前下方伸出的第七连杆，所述第五连杆与第七连杆之间配装有副复位弹簧，所述第五连杆末端与第二连杆末端之间铰接有第六连杆，所述第六连杆为大钝角不等腰三角板型，所述大钝角不等腰三角板的顶角铰接第二连杆末端，所述大钝角不等腰三角板的短边底角铰接第五连杆末端，所述大钝角不等腰三角板的长边底角铰接第八连杆，所述第八连杆为小钝角不等腰三角板型，所述小钝角不等腰三角板的顶角铰接所述大钝角不等腰三角板的长边底角，所述小钝角不等腰三角板的短边底角铰接第七连杆末端。

主复位弹簧两端分别连接所说的第三连杆和第四连杆；副复位弹簧弹簧两端分别连接所说的第五连杆和第七连杆。即，其是一种8连杆全转动关节欠驱动手指机构，包括1个电机及其减速器、8个连杆、8个旋转关节、2个弹簧；所说第一连杆是基座，所说的第二连杆、第六连杆和第八连杆分别是第一指节、第二指节和第三指节；

其是一种包含8个转动副的8连杆欠驱动手指机构，实现了多指节欠驱动手指弯曲抓物的特殊效果，手指抓持力大，结构简单、紧凑、可靠，易于制作和维护、成本低，体积小、重量轻，可完全按照人类手指的尺寸来设计制作，实现了1个驱动器驱动多个指节，仅需要简单的控制器，具有抓持不同尺寸和形状的物体的自适应性和灵活性，连杆式欠驱动手指机构抓持力大，易制作和维护的优点。

作为优化，所述第二连杆为第一指节，所述第六连杆为第二指节，所述第八连杆为第三指节；所述第一连杆为基座。

作为优化，所述主复位弹簧为扭簧、或者拉簧、或者压簧、或者片簧、或者板簧、或者发条、或者皮筋或弹性绳；所述副复位弹簧为拉簧、或者压簧、或者片簧、或者板簧、或者发条、或者皮筋或弹性绳。

作为优化，所述主复位弹簧为扭簧，所述副复位弹簧为拉簧。

作为优化，所述第一连杆上部与第二连杆的铰接点为第一关节，所述第一连杆下部与第三连杆的铰接点为第二关节，所述第三连杆与第四连杆的铰接点为第三关节，所述第二连杆与第六连杆的铰接点为第四关节，所述第四连杆与第五和七连杆的铰接点为第五关节，所述第七连杆与第八连杆的铰接点为第六关节，所述第六连杆与第八连杆的铰接点为第七关节，所述第五连杆与第六连杆的铰接点为第八关节。

也就是：第一关节连接所述第一连杆(基座)和第二连杆，第二关节连接所述第一连杆(基座)和第三连杆，第三关节连接所述第三连杆和第四连杆，第四关节连接所述第二连杆和第六连杆，第五关节连接所述第四连杆、第五连杆和第七连杆，第六关节连接所述第七连杆和第八连杆，第七关节连接所述第六连杆和第八连杆，第八关节连接所述第五连杆和第六连杆；

第一关节位于第二关节的上方，第八关节位于第四关节和第七关节的上方，第四关节位于第七关节的左边，第三关节位于第五关节的上方，第五关节位于第八关节的下方，第六关节位于第七关节的上方。

作为优化，所有关节的铰接轴相互平行，并与手指伸出方向垂直；所述电机及减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所述第二关节相连。

作为优化，所述第二连杆、第六连杆和第八连杆分别配装第一指节外框、第二指节外框、第三指节外框；或者所述第一关节的铰接轴与第三关节的铰接轴之间配装第一指节外框，所述第四关节的铰接轴与第五关节的铰接轴之间配装第二指节外框，所述第五关节的铰接轴与第八连杆小钝角不等腰三角板的长边底角之间配装第三指节外框。

作为优化，所述第一指节外框、第二指节外框、第三指节外框分别套装各自所在段的所有部件。

作为优化，抓取物体时，电机及减速器顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第八关节带动第六连杆(第二指节)运动，通过第四关节带动第二连杆(第一指节)转动，第六连杆(第二指节)通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节带动第八连杆(第三指节)运动，直到手指与被抓物体相接触；

放开物体时，电机及减速器反转，通过第二关节带动第三连杆反转，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第八关节带动第六连杆运动，通过第四关节带动第二连杆(第一指节)转动，第六连杆(第二指节)通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节(第二指节)带动第八连杆(第三指节)运动；主复位弹簧和副复位弹簧复位的弹力作用保证各连杆和指节运动为与抓取时的运动相反，直到手指与物体完全分离。

作为优化，所述抓取物体时，会出现以下3种情况：

第一指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第二连杆(第一指节)停止转动。电机及减速器继续顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，第五连杆通过第八关节带动第六连杆(第二指节)运动，第六连杆(第二指节)通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节带动第八连杆(第三指节)运动；第六连杆(第二指节)和第八连杆(第三指节)在电机的驱动之下继续抓取运动；其中第三连杆通过第三关节带动第四连杆运动时，主复位弹簧被拉伸；

第二指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第六连杆(第二指节)停止运动，第二连杆(第一指节)也无法转动。电机及减速器继续顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第六关节带动第八连杆(第三指节)运动；第八连杆(第三指节)在电机的驱动之下继续抓取运动；其中第三连杆通过第三关节带动第四连杆运动时，主复位弹簧被拉伸；第四连杆通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动时，副复位弹簧被拉伸；

第三指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第八连杆(第三指节)停止运动，第六连杆(第二指节)和第二连杆(第一指节)也就无法运动，抓取结束。

采用上述技术方案后，本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构具有连杆式欠驱动手指机构抓持力大，抓持不同尺寸和形状物体的自适应性和灵活性好，结构简单、紧凑、可靠，易于制作和维护、成本低，体积小、重量轻，可完全按照人类手指的尺寸来设计制作，实现了1个驱动器驱动多个指节，仅需要简单控制器的优点。

附图说明

图1是本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构没有配装指节外框的结构示意图；

图2是本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构配装指节外框后的结构示意图；

图3-6是本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构包络抓取过程示意图。

附图标识：1第一连杆(基座)，2第二连杆(第一指节)，3第三连杆，4第四连杆，5第五连杆，6第六连杆(第二指节)，7第七连杆，8第八连杆(第三指节)，9第一关节，10第二关节，11第三关节，12第四关节，13第五关节，14第六关节，15第七关节，16主复位弹簧，17副复位弹簧，18电机及减速器，19第八关节，20第一指节外框，21第二指节外框，22第三指节外框，23被抓物体。

具体实施方式

如图所示，本发明全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构包括第一连杆1(或者基座)和驱动电机及减速器18，所述第一连杆1上部铰接一个向前下方伸出的第二连杆2，所述第一连杆1下部铰接一个由所述电机及减速器18驱动的向前上方伸出的第三连杆3，所述第三连杆3末端铰接向前下方向伸出的第四连杆4，所述第三连杆3与第四连杆4之间配装有主复位弹簧16；所述第四连杆4末端分别铰接向前上方伸出的第五连杆5和向前下方伸出的第七连杆7，所述第五连杆5与第七连杆7之间配装有副复位弹簧17，所述第五连杆5末端与第二连杆2末端之间铰接有第六连杆6，所述第六连杆6为大钝角不等腰三角板型，所述大钝角不等腰三角板的顶角铰接第二连杆2末端，所述大钝角不等腰三角板的短边底角铰接第五连杆5末端，所述大钝角不等腰三角板的长边底角铰接第八连杆8，所述第八连杆8为小钝角不等腰三角板型，所述小钝角不等腰三角板的顶角铰接所述大钝角不等腰三角板的长边底角，所述小钝角不等腰三角板的短边底角铰接第七连杆7末端。

所述第二连杆2为第一指节，所述第六连杆6为第二指节，所述第八连杆8为第三指节；所述第一连杆1为基座。

所述主复位弹簧16可以为为扭簧、或者拉簧、或者压簧、或者片簧、或者板簧、或者发条、或者皮筋或弹性绳；所述副复位弹簧17可以为拉簧、或者压簧、或者片簧、或者板簧、或者发条、或者皮筋或弹性绳。具体是所述主复位弹簧16为扭簧，所述副复位弹簧17为拉簧。

所述第一连杆1上部与第二连杆2的铰接点为第一关节9，所述第一连杆1下部与第三连杆3的铰接点为第二关节10，所述第三连杆3与第四连杆4的铰接点为第三关节11，所述第二连杆2与第六连杆6的铰接点为第四关节12，所述第四连杆4与第五和七连杆7的铰接点为第五关节13，所述第七连杆7与第八连杆8的铰接点为第六关节14，所述第六连杆6与第八连杆8的铰接点为第七关节15，所述第五连杆5与第六连杆6的铰接点为第八关节19。

所有关节的铰接轴相互平行，并与手指伸出方向垂直；所述电机及减速器18与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所述第二关节10相连。

所述第二连杆2、第六连杆6和第八连杆8分别配装第一指节外框20、第二指节外框21、第三指节外框22；或者所述第一关节9的铰接轴与第三关节11的铰接轴之间配装第一指节外框20，所述第四关节12的铰接轴与第五关节13的铰接轴之间配装第二指节外框21，所述第五关节13的铰接轴与第八连杆8小钝角不等腰三角板的长边底角之间配装第三指节外框22。所述第一指节外框20、第二指节外框21、第三指节外框22分别套装各自所在段的所有部件。

即，其是一种8连杆全转动关节欠驱动手指机构，包括1个电机及其减速器、8个连杆、8个旋转关节、2个弹簧；所述第一连杆1是基座，所述第二连杆2、第六连杆6和第八连杆8分别是第一指节、第二指节和第三指节；

第一关节9连接所述第一连杆1(基座)和第二连杆2，第二关节10连接所述第一连杆1(基座)和第三连杆3，第三关节11连接所述第三连杆3和第四连杆4，第四关节12连接所述第二连杆2和第六连杆6，第五关节13连接所述第四连杆4、第五连杆4和第七连杆7，第六关节14连接所述第七连杆7和第八连杆8，第七关节15连接所述第六连杆6和第八连杆8，第八关节19连接所述第五连杆5和第六连杆6；

第一关节9位于第二关节10的上方，第八关节19位于第四关节12和第七关节15的上方，第四关节12位于第七关节15的左边，第三关节11位于第五关节13的上方，第五关节13位于第八关节19的下方，第六关节14位于第七关节15的上方。

本发明实例的初始状态如图3所示，一般处于自由活动状态，即所有指节与被抓物体无接触。

当本发明机构的实施例抓取物体时，电机及减速器18顺时针转动，通过第二关节10带动第三连杆3转动，通过第三关节11带动第四连杆4运动，通过第五关节13带动第五连杆5和第七连杆7运动，通过第八关节19带动第六连杆(第二指节)6运动，通过第四关节12带动第二连杆(第一指节)2转动，第六连杆(第二指节)6通过第七关节15，同时第七连杆7通过第六关节14带动第八连杆(第三指节)8运动，直到手指与被抓物体相接触，此时会有3种情况：

(a)第一指节与物体相接触，如图4所示，由于物体的限制作用，第二连杆(第一指节)2停止转动。电机及减速器18继续顺时针转动，通过第二关节10带动第三连杆3转动，通过第三关节11带动第四连杆4运动，通过第五关节13带动第五连杆5和第七连杆7运动，第五连杆5通过第八关节19带动第六连杆(第二指节)6运动，第六连杆(第二指节)6通过第七关节15，同时第七连杆7通过第六关节14带动第八连杆(第三指节)8运动。即第六连杆(第二指节)6和第八连杆(第三指节)8在电机的驱动之下继续抓取运动；其中第三连杆3通过第三关节11带动第四连杆4运动时，主复位弹簧16被拉伸；

(b)第二指节与物体相接触，如图5所示，由于物体的限制作用，第六连杆(第二指节)6停止运动，第二连杆(第一指节)2也无法转动。电机及减速器18继续顺时针转动，通过第二关节10带动第三连杆3转动，通过第三关节11带动第四连杆4运动，通过第五关节13带动第五连杆5和第七连杆7运动，通过第六关节14带动第八连杆(第三指节)8运动。即第八连杆(第三指节)8在电机的驱动之下继续抓取运动：其中第三连杆3通过第三关节11带动第四连杆4运动时，主复位弹簧16被拉伸；第四连杆4通过第五关节13带动第五连杆5和第七连杆7运动时，副复位弹簧17被拉伸；

(c)第三指节与物体相接触，如图6所示，由于物体的限制作用，第八连杆(第三指节)8停止运动，第六连杆(第二指节)6和第二连杆(第一指节)2也就无法运动，抓取结束。

本发明机构的实施例放开物体时，电机及减速器18反转，通过第二关节10带动第三连杆3反转，通过第三关节11带动第四连杆4运动，通过第五关节13带动第五连杆5和第七连杆7运动，通过第八关节19带动第六连杆(第二指节)6运动，通过第四关节12带动第二连杆(第一指节)2转动，第六连杆(第二指节)6通过第七关节15，同时第七连杆7通过第六关节14带动第八连杆(第三指节)8运动。由于主复位弹簧16和副复位弹簧17复位的弹力作用，保证了各连杆和指节运动为与抓取时的运动相反，直到手指与物体完全分离。

Claims (10)

1.一种全转动关节连杆式欠驱动机器人手指机构，包括第一连杆或者基座和驱动电机及减速器，其特征在于所述第一连杆上部铰接一个向前下方伸出的第二连杆，所述第一连杆下部铰接一个由所述电机及减速器驱动的向前上方伸出的第三连杆，所述第三连杆末端铰接向前下方向伸出的第四连杆，所述第三连杆与第四连杆之间配装有主复位弹簧；所述第四连杆末端分别铰接向前上方伸出的第五连杆和向前下方伸出的第七连杆，所述第五连杆与第七连杆之间配装有副复位弹簧，所述第五连杆末端与第二连杆末端之间铰接有第六连杆，所述第六连杆为大钝角不等腰三角板型，所述大钝角不等腰三角板的顶角铰接第二连杆末端，所述大钝角不等腰三角板的短边底角铰接第五连杆末端，所述大钝角不等腰三角板的长边底角铰接第八连杆，所述第八连杆为小钝角不等腰三角板型，所述小钝角不等腰三角板的顶角铰接所述大钝角不等腰三角板的长边底角，所述小钝角不等腰三角板的短边底角铰接第七连杆末端。

2.根据权利要求1所述机器人手指机构，其特征在于所述第二连杆为第一指节，所述第六连杆为第二指节，所述第八连杆为第三指节；所述第一连杆为基座。

3.根据权利要求1所述机器人手指机构，其特征在于所述主复位弹簧为扭簧，或者拉簧，或者压簧，或者片簧，或者板簧，或者发条，或者皮筋或弹性绳；所述副复位弹簧为拉簧，或者压簧，或者片簧，或者板簧，或者发条，或者皮筋或弹性绳。

4.根据权利要求3所述机器人手指机构，其特征在于所述主复位弹簧为扭簧，所述副复位弹簧为拉簧。

5.根据权利要求1或者2或者3或者4所述机器人手指机构，其特征在于所述第一连杆上部与第二连杆的铰接点为第一关节，所述第一连杆下部与第三连杆的铰接点为第二关节，所述第三连杆与第四连杆的铰接点为第三关节，所述第二连杆与第六连杆的铰接点为第四关节，所述第四连杆与第五和七连杆的铰接点为第五关节，所述第七连杆与第八连杆的铰接点为第六关节，所述第六连杆与第八连杆的铰接点为第七关节，所述第五连杆与第六连杆的铰接点为第八关节。

6.根据权利要求5所述机器人手指机构，其特征在于所有关节的铰接轴相互平行，并与手指伸出方向垂直；所述电机及减速器与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所述第二关节相连。

7.根据权利要求5所述机器人手指机构，其特征在于所述第二连杆、第六连杆和第八连杆分别配装第一指节外框、第二指节外框、第三指节外框；或者所述第一关节的铰接轴与第三关节的铰接轴之间配装第一指节外框，所述第四关节的铰接轴与第五关节的铰接轴之间配装第二指节外框，所述第五关节的铰接轴与第八连杆小钝角不等腰三角板的长边底角之间配装第三指节外框。

8.根据权利要求7所述机器人手指机构，其特征在于所述第一指节外框、第二指节外框、第三指节外框分别套装各自所在段的所有部件。

9.根据权利要求5所述机器人手指机构，其特征在于抓取物体时，电机及减速器顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第八关节带动第六连杆运动，通过第四关节带动第二连杆转动，第六连杆通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节带动第八连杆运动，直到手指与被抓物体相接触；

放开物体时，电机及减速器反转，通过第二关节带动第三连杆反转，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第八关节带动第六连杆运动，通过第四关节带动第二连杆转动，第六连杆通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节带动第八连杆运动；主复位弹簧和副复位弹簧复位的弹力作用保证各连杆和指节运动为与抓取时的运动相反，直到手指与物体完全分离。

10.根据权利要求9所述机器人手指机构，其特征在于所述抓取物体时，会出现以下3种情况：

第一指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第二连杆停止转动；电机及减速器继续顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，第五连杆通过第八关节带动第六连杆运动，第六连杆通过第七关节，同时第七连杆通过第六关节带动第八连杆运动；第六连杆和第八连杆在电机的驱动之下继续抓取运动；其中第三连杆通过第三关节带动第四连杆运动时，主复位弹簧被拉伸；

第二指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第六连杆停止运动，第二连杆也无法转动；电机及减速器继续顺时针转动，通过第二关节带动第三连杆转动，通过第三关节带动第四连杆运动，通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动，通过第六关节带动第八连杆运动；第八连杆在电机的驱动之下继续抓取运动；其中第三连杆通过第三关节带动第四连杆运动时，主复位弹簧被拉伸；第四连杆通过第五关节带动第五连杆和第七连杆运动时，副复位弹簧被拉伸；

第三指节与物体相接触，由于物体的限制作用，第八连杆停止运动，第六连杆和第二连杆也就无法运动，抓取结束。