CN103846922A - 齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、第一传动机构、近关节轴、中部指段、主动齿轮、齿条、从动齿轮、远关节轴、末端指段和第一簧件。该装置还包括第二传动机构、棘爪、棘爪轴、棘轮、第二簧件、第三簧件和第四簧件。该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，具有对所抓物体的形状、大小的自适应能力，抓取物体达到形状封闭和力封闭的稳定抓取，防止在抓取过程中因为振动干扰导致关节回复的失稳现象，该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。

Description

齿条止回自适应欠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，特别涉及一种齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置的结构设计。 

背景技术

与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。欠驱动手指能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。 

已有的一种齿条欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN100551637C，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、主动齿轮、齿条、从动齿轮和簧件；中部指段套接在近关节轴上，簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。该装置能够实现自适应欠驱动功能。 

该装置的不足之处为：该装置在物体不挤压中部指段时，末端指段将回复伸直的初始状态，因此该装置无法实施在抓取过程中反作用面撤销的物体抓取。例如一个物体放置在桌面上，当安装在机械臂上的手指靠向物体，电机驱动第一关节转动，物体会阻挡和挤压中部指段，从而齿条机构会导致手指的第二关节弯曲，但是当机械臂离开桌面时，此时物体不再挤压中部指段，末端指段将回复伸直的初始状态，手指的弯曲不能保持，于是物体脱落，抓取失败。另一方面该装置在抓取物体时虽然达到了外形上的一种自适应包络效果，但是没有产生抓持力，从而并未实现力封闭稳定抓取，只有同时具有形状封闭和力封闭两种包络才能达到稳定的抓持。在只有形状封闭时，如果遇到振动干扰，物体在某时刻对中部指段的挤压力突然减小，就会导致末端指段迅速放开物体，产生失稳现象。 

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置。该装置可以安装到机械臂上，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取，具有对所抓物体的形状、大小的自适应能力，抓取物体达到形状封闭和力封闭的稳定抓取，防止在抓取过程中因为振动干扰导致关节回复的失稳现象，该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。 

本发明的技术方案如下： 

本发明提供的一种齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、第一传动机构、近关节轴、中部指段、主动齿轮、齿条、从动齿轮、远关节轴、末端指段和第一簧件； 所述电机与基座固接，电机的输出轴与第一传动机构的输入轴相连，第一传动机构的输出轴与近关节轴相连，所述近关节轴活动套设在基座中，所述远关节轴活动套设在中部指段中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，所述末端指段套固在远关节轴上；所述齿条镶嵌在中部指段中，所述齿条与主动齿轮啮合，所述齿条与从动齿轮啮合，所述第一簧件的两端分别连接中部指段和末端指段；其特征在于：该装置还包括第二传动机构、棘爪、棘爪轴、棘轮、第二簧件、第三簧件和第四簧件；所述主动齿轮活动套接在近关节轴上；所述从动齿轮活动套接在远关节轴上，所述近关节轴与第二传动机构的输入端相连，第二传动机构的输出端与棘爪相连，所述棘爪活动套接在棘爪轴上，棘爪轴固定套设在中部指段中，所述棘轮活动套接在远关节轴上，所述棘轮与从动齿轮固接，第二簧件的两端分别连接中部指段和棘爪，所述第三簧件的两端分别连接棘轮和末端指段，所述第四簧件的两端分别连接近关节轴和主动齿轮。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括套筒和柔性件；所述套筒套固在近关节轴上；所述柔性件的一端连接在套筒上，另一端连接在棘爪上。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括摆杆、连杆、第一销轴和第二销轴，所述摆杆固定套接在近关节轴上，所述摆杆上设有长槽；所述连杆的一端套接在第一销轴上，另一端套接在第二销轴上；所述第一销轴插入摆杆的长槽中，第二销轴套设在棘爪的末端。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第四簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括减速器、第一齿轮和第二齿轮。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果： 

该装置适合安装于机械臂末端作为拟人机器人手或手的一部分，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取；具有对所抓物体的形状、大小的自适应能力，抓取物体达到形状封闭和力封闭的稳定抓取，防止在抓取过程中因为振动干扰导致关节回复的失稳现象；该装置利用反作用面对物体的作用力来挤压中部指段，再配合齿条机构等实现手指第二关节的弯曲，采用棘轮棘爪实现手指第二关节只允许正向弯曲而不能反向伸直，防止在机械臂撤离反作用面时物体脱落；采用第三簧件的变形产生末端指段对物体施加稳定的抓持力；采用电机实现在需要释放物体时解除棘爪对棘轮的单向约束作用，实现释放物体；该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。 

附图说明

图1是本发明提供的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置的实施例的立体外观图。 

图2是本实施例的正面剖视图。 

图3是本实施例的爆炸视图。 

图4是本实施例的侧面外观。 

图5是图2的左侧视图（未画出部分零件）。 

图6是图2的右侧视图（未画出部分零件）。 

在图1至图6中： 

1－基座，        11－电机，         12－第一传动机构， 

121－减速器，    122－第一齿轮，    123－第二齿轮， 

2－近关节轴， 

3－中部指段，    31-主动齿轮，      32－齿条， 

33－从动齿轮， 

4－远关节轴，    5－末端指段，      6－第一簧件， 

71－第四簧件，   72－第二传动机构， 722－套筒， 

723－腱绳，      73－棘爪，         731－摆杆， 

732－连杆，      733－第一销轴，    734－第二销轴， 

74－棘爪轴，     75-棘轮，          76－第二簧件， 

8－第三簧件，    10－所抓取的物体。 

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、工作原理的内容。 

本发明设计的一种齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，包括基座1、电机11、第一传动机构13、近关节轴2、中部指段3、主动齿轮31、齿条32、从动齿轮33、远关节轴4、末端指段5和第一簧件6；所述电机11与基座1固接，电机11的输出轴与第一传动机构12的输入轴相连，第一传动机构12的输出轴与近关节轴2相连，所述近关节轴2活动套设在基座1中，所述远关节轴4活动套设在中部指段3中，所述中部指段3活动套接在近关节轴2上，所述末端指段5套固在远关节轴4上；所述齿条32镶嵌在中部指段3中，所述齿条32与主动齿轮31啮合，所述齿条32与从动齿轮33啮合，所述第一簧件6的两端分别连接中部指段3和末端指段5；该装置还包括第二传动机构72、棘爪73、棘爪轴74、棘轮75、第二簧件76、第三簧件8和第四簧件71；所述主动齿轮31活动套接在近关节轴2上，所述从动齿轮33活动套接在远关节轴4上，所述近关节轴2与第二传动机构72的输入端相连，第二传动机构72的输出端与棘爪73相连，所述棘爪73活动套接在棘爪轴74上，棘爪轴74固定套设在中部指段3中，所述棘轮75活动套接在远关节轴4上，棘轮75与从动齿轮33固接，第二簧件76的两端分别连接中部指段3和棘爪73，所述第三簧件8的两端分别连接棘轮75和末端指段5，所述第四簧件71的两端分别连接近关节轴2和主动齿轮31。 

本实施例中，所述第二传动机构72包括套筒722和柔性件；所述套筒722套固在近关节 轴上；所述柔性件的一端连接在套筒722上，另一端连接在棘爪73上；所述柔性件为腱绳723。 

本发明的另一种实施例为：所述第二传动机构72包括摆杆731、连杆732、第一销轴733和第二销轴734，所述摆杆731固定套接在近关节轴2上，所述摆杆731上设有长槽；所述连杆732的一端套接在第一销轴733上，另一端套接在第二销轴734上；所述第一销轴733插入摆杆731的长槽中，第二销轴734套设在棘爪73的末端。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，所述第一簧件6采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第二簧件76采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第三簧件8采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第四簧件71采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。 

本实施例中，所述第一簧件6采用扭簧，所述第二簧件76采用扭簧，所述第三簧件8采用扭簧，所述第四簧件71采用扭簧。 

本发明所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，所述第一传动机构12包括减速器121、第一齿轮122和第二齿轮123。 

本实施例的工作原理，结合图1至图6，叙述如下： 

该装置的初始位置是中部指段3和末端指段5与基座1呈一直线，即相当于人的手指伸直的状态。当使用装有本实施例的机器人手抓取物体10时，电机11的输出轴转动，通过减速器121、第一齿轮122带动固接有第二齿轮123的近关节轴2转动，使主动齿轮31转动。由于第一簧件6的约束作用，中部指段3与末端指段5仿佛固接在一起，因此主动齿轮31的转动将通过齿条32和从动齿轮33，优先使得中部指段3和末端指段5一起绕着近关节轴2转动，此过程直到中部指段3碰到物体10。 

当中部指段3碰到物体10被阻挡而无法继续旋转时，此时主动齿轮31将使齿条32移动，让从动齿轮33转动，使得棘轮75转动，通过第三簧件带动末端指段5克服第一簧件6的弹力而转动，同时第一簧件6变形量增大。此过程直到末端指段5也碰到物体。 

此时，电机11使主动齿轮31继续转动一个角度，从而让棘轮75跟随多转动一个角度，第三簧件8发生变形，此变形量带来的弹力形成末端指段5对物体10施加的抓持力。 

由于棘爪73在第二簧件76的作用下，始终靠向棘轮75，并约束棘轮75，只允许棘轮75正向旋转，不能反向转动，当物体10不再挤压中部指段3时手指远关节不会反转，保持稳定抓取效果。 

至此，本实施例装置抓紧了物体。 

即使物体形状大小不同，该装置也能顺利包络物体。如果该装置中部指段3和末端指段5同时旋转时，末端指段5优先于中部指段3接触到物体10表面，由于末端指段5受到中部指段3的阻挡而难以反转，因此该装置将不再运动而牢牢用末端指段5抓紧物体10。 

当放开物体时，电机11反向转动，通过第一传动机构12带动近关节轴2反向转动；近关节轴2通过第四簧件71，带动主动齿轮31转动，由于棘爪73对棘轮75的约束，从动齿轮33无法反转，此时，可能发生两种情况： 

I）如果物体与末端指段5的摩擦力较大，整个手指不能由主动齿轮31的反转而反转，近关节轴2的转动将使得第四簧件71发生变形，近关节轴2的转动也同时通过第二传动机构72拉动棘爪73，将棘爪73拨动离开棘轮75表面，棘轮75和从动齿轮33遂不再受棘爪73约束而在第三簧件8、第四簧件71的作用下反向转动，末端指段5反向转动到与中部指段3伸直的位置，电机11反转，将带动中部指段3和末端指段5两者整体反向绕近关节轴2转回到伸直的初始位置。 

II）如果物体与末端指段5的摩擦力较小，整个手指则由主动齿轮31的反转而反转，此时末端指段5仍为弯曲，直到中部指段3已经伸直，不能再反转，此时，近关节轴2继续反转，第四簧件71发生变形，近关节轴2的反转通过第二传动机构72拉动棘爪73，将棘爪73拨动离开棘轮75表面，棘轮75和从动齿轮33遂不再受棘爪73约束而在第三簧件8、第四簧件71的作用下反向转动，末端指段5反向转动到与中部指段3伸直的位置，至此，完全恢复初始伸直状态。 

该装置适合安装于机械臂末端作为拟人机器人手或手的一部分，配合机械臂的主动运动实施反作用面撤离的物体抓取；具有对所抓物体的形状、大小的自适应能力，抓取物体达到形状封闭和力封闭的稳定抓取，防止在抓取过程中因为振动干扰导致关节回复的失稳现象；该装置利用反作用面对物体的作用力来挤压中部指段，再配合齿条机构等实现手指第二关节的弯曲，采用棘轮棘爪实现手指第二关节只允许正向弯曲而不能反向伸直，防止在机械臂撤离反作用面时物体脱落；采用第三簧件的变形产生末端指段对物体施加稳定的抓持力；采用电机实现在需要释放物体时解除棘爪对棘轮的单向约束作用，实现释放物体；该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。 

Claims (5)

1.一种齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，包括基座（1）、电机（11）、第一传动机构（12）、近关节轴（2）、中部指段（3）、主动齿轮（31）、齿条（32）、从动齿轮（33）、远关节轴（4）、末端指段（5）和第一簧件（6）；所述电机（11）与基座（1）固接，电机的输出轴与第一传动机构的输入轴相连，第一传动机构的输出轴与近关节轴（2）相连，所述近关节轴活动套设在基座中，所述远关节轴（4）活动套设在中部指段中，所述中部指段（3）活动套接在近关节轴（2）上，所述末端指段（5）套固在远关节轴（4）上；所述齿条（32）镶嵌在中部指段（3）中，所述齿条与主动齿轮啮合，所述齿条与从动齿轮啮合，所述第一簧件的两端分别连接中部指段和末端指段；其特征在于：该装置还包括第二传动机构（72）、棘爪（73）、棘爪轴（74）、棘轮（75）、第二簧件（76）、第三簧件（8）和第四簧件（71）；所述主动齿轮活动套接在近关节轴上；所述从动齿轮活动套接在远关节轴（4）上，所述近关节轴（2）与第二传动机构（72）的输入端相连，第二传动机构的输出端与棘爪（73）相连，所述棘爪活动套接在棘爪轴（74）上，棘爪轴固定套设在中部指段中，所述棘轮活动套接在远关节轴上，所述棘轮与从动齿轮固接，第二簧件（76）的两端分别连接中部指段和棘爪，所述第三簧件（8）的两端分别连接棘轮和末端指段，所述第四簧件（71）的两端分别连接近关节轴和主动齿轮。

2.如权利要求1所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括套筒（722）和柔性件；所述套筒套固在近关节轴上；所述柔性件的一端连接在套筒上，另一端连接在棘爪上。

3.如权利要求2所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括摆杆（731）、连杆（732）、第一销轴（733）和第二销轴（734），所述摆杆固定套接在近关节轴上，摆杆上设有长槽；所述连杆的一端套接在第一销轴上，另一端套接在第二销轴上；所述第一销轴插入摆杆的长槽中，第二销轴套设在棘爪的末端。

4.如权利要求1所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳；所述第四簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。

5.如权利要求1所述的齿条止回自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括减速器、第一齿轮和第二齿轮。

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