CN105150225B - 杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、驱动器、两个传动轮、传动件、连杆、五个轴、拨块和簧件。驱动器驱动连杆，连杆的两端分别套接第一轴和第三轴，第一、第二轴分别套设在基座中，第三轴套设在第二指段中，第四轴套设在第二传动轮上，第五轴套设在第一指段中，第一指段和第一传动轮套在第二轴上，第二传动轮套设在第五轴上，第二指段套接在第四轴上。本发明装置综合实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能合上第二指段向内捏持，也能张开第二指段向外捏持，还能自适应包络握持；抓取范围大，运动死区小；该装置体积小，外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，无需传感和控制系统。

Description

杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的末端执行器，可分为拟人机器人手和通用夹持器两大类。拟人机器人手与人手相似，具有多自由度、体积小、多抓取模式等特点，由于拟人机器人手控制难度高，需要大量的传感系统，系统昂贵，同时力量不大，难以在工业生产中使用，目前多用于民用机器人，尤其是作为假肢供残疾人使用。通用夹持器自由度低，每根手指往往采用一到两个电机控制，系统简单。由于电机数量少，电机的体积和功率可以相应增大，夹持力显著增大。同时结构简单，自动适应不同的环境和被抓物体的形状，无需复杂的传感系统，控制难度大大降低。

机器人手抓取物体的模式主要有两种，一种是捏持，另一种是握持。捏持是用手指的末端去夹取物体，适用于较小的物体或者具有两个对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段去接触物体，多点接触达到了更稳定的效果。

已有的一种双关节同向传动复合欠驱动机器人手指装置，如中国专利CN102161204B，可以实现先耦合转动多个关节，然后再自适应抓取的功能，其不足之处在于，该装置的抓取范围小；抓取物体时要求物体最初必须靠近基座和近指段，降低了抓取效率；无法实施平行捏持，也无法实现向外张开抓取物体。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持第二指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持、向外张开抓取或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置的抓取范围小，多连杆机构体积大，外观不拟人，缺乏柔顺性，制造成本高。

本发明提供的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置具有较多的关节自由度、较少的驱动器，抓取模式多，抓取范围大，自适应性强。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，该装置用一个驱动器驱动两个手指关节，抓取模式多，根据目标物体形状和位置的不同，既能合上第二指段向内捏持，也能张开第二指段向外捏持，还能自适应包络握持；在包络抓取时，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小，外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段和第二指段；其特征在于：该杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置还包括驱动器、第一传动轮、第二传动轮、传动件、连杆、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、拨块和簧件；所述的驱动器与基座固接，驱动器的输出轴与连杆相连；所述的第一轴套设在基座中；所述的第二轴套设在基座中；所述的第一指段活动套接在第二轴上；所述的第三轴套设在第二指段中；所述的连杆的一端套接在第一轴上，连杆的另一端套接在第三轴上；所述的第一传动轮活动套接在第二轴上；所述的簧件的两端分别连接第一传动轮和基座；所述的拨块一端和第一传动轮固接，拨块的另一端与基座活动接触从而受到基座的单向运动限制，所述的簧件使拨块靠向基座；所述的第五轴套设在第一指段中；所述的第二传动轮活动套接在第五轴上；所述的传动件连接第一传动轮和第二传动轮；所述的第四轴套设在第二传动轮上；设第四轴的轴线为轴线E，轴线E与第五轴的轴线平行且不重合；所述的第二指段活动套接在第四轴上；设所述的第二轴的轴线为轴线A，第一轴的轴线为轴线C，第三轴的轴线为轴线D，第五轴的轴线为轴线B；轴线A、轴线C、轴线D和轴线B相互平行，轴线A与轴线C不重合，轴线A与轴线B之间的距离等于轴线C与轴线D之间的距离；在第一指段和第二指段处于伸直状态时，设轴线A和轴线B构成的平面为平面v，设轴线C和轴线D构成的平面为平面w，设轴线A和轴线C构成的平面为平面m，设轴线B和轴线D构成的平面为平面n，平面v与平面w平行，平面m与平面n平行；轴线D和轴线E不重合。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器采用电机。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动轮与第二传动轮之间的传动比为1:1。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用一对传动轮机构、连杆、拨块及簧件等综合实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能合上第二指段向内捏持，也能张开第二指段向外捏持，还能自适应包络握持；根据目标物体形状和位置的不同，该装置具有多种抓取模式；在包络抓取时，该装置第二指段的旋转轴能够移向物体，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小，外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，无需传感和控制系统。

附图说明

图1是本发明提供的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置的实施例的立体图。

图2是图1所示实施例的立体图。

图3是图7的I-I剖视图。

图4是图7的J-J剖视图。

图5是图1所示实施例的左视图。

图6是图5的H-H剖视图。

图7是图1所示实施例的正面外观图。

图8是图1所示实施例的立体外观图。

图9是图1所示实施例的爆炸图。

图10、图11和图12是图1所示实施例的机构示意图。

图13至图22是图1所示实施例抓取物体的一种方式——自适应握持物体过程示意。

图23至图28是图1所示实施例抓取物体的另一种方式——第二指段捏持物体过程示意。

图29至图31是图1所示实施例实现大范围抓取的原理说明图。

在图1至图31中：

1－驱动器， 2－基座， 3－第一指段，

4－第二指段， 5－第一轴， 6－第二轴，

7－第一传动轮， 8－第二传动轮， 9－传动件，

10－连杆， 11－第三轴， 12－第四轴，

13－第五轴， 14－拨块， 15－簧件，

16－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。

本发明设计的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，包括驱动器1、基座2、第一指段3、第二指段4、第一传动轮7、第二传动轮8、传动件9、连杆10、第一轴5、第二轴6、第三轴11、第四轴12、第五轴13、拨块14和簧件15；所述的驱动器1与基座2固接，驱动器1的输出轴与连杆10相连；所述的第一轴5套设在基座2中；所述的第二轴6套设在基座2中；所述的第一指段3活动套接在第二轴6上；所述的第三轴11套设在第二指段4中；所述的连杆10的一端套接在第一轴5上，连杆10的另一端套接在第三轴11上；所述的第一传动轮7活动套接在第二轴6上；所述的簧件15的两端分别连接第一传动轮7和基座2；所述的拨块14一端和第一传动轮7固接，拨块14的另一端与基座2活动接触从而受到基座2的单向运动限制，所述的簧件15使拨块14靠向基座2；所述的第五轴13套设在第一指段3中；所述的第二传动轮8活动套接在第五轴13上；所述的传动件9连接第一传动轮7和第二传动轮8；所述的第四轴12套设在第二传动轮8上；设第四轴12的轴线为轴线E，轴线E与第五轴13的轴线平行且不重合；所述的第二指段4活动套接在第四轴12上；设所述的第二轴6的轴线为轴线A，第一轴5的轴线为轴线C，第三轴11的轴线为轴线D，第五轴13的轴线为轴线B；轴线A、轴线C、轴线D和轴线B相互平行，轴线A与轴线C不重合，轴线A与轴线B之间的距离等于轴线C与轴线D之间的距离；在第一指段3和第二指段4处于伸直状态时，设轴线A和轴线B构成的平面为平面v，设轴线C和轴线D构成的平面为平面w，设轴线A和轴线C构成的平面为平面m，设轴线B和轴线D构成的平面为平面n，平面v与平面w平行，平面m与平面n平行；轴线D和轴线E不重合。

在本实施例中，所述的驱动器1采用电机。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件15采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。在本实施例中，所述的簧件15采用扭簧。

本发明所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件9采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮7采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮8采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件9、第一传动轮7和第二传动轮8三者之间配合形成传动关系。在本实施例中，所述的传动件9采用传动带，所述的第一传动轮7采用带轮，所述的第二传动轮8采用带轮，所述的传动件9、第一传动轮7和第二传动轮8三者之间配合形成传动关系。

在本实施例中，所述的第一传动轮7与第二传动轮8之间的传动比为1:1。

本实施例的工作原理，如图10至图31，叙述如下：

本实施例的机构示意图如图10、图11和图12所示，由于轴线A与轴线B之间的距离等于轴线C与轴线D之间的距离，当第一指段3和第二指段4处于伸直状态时，平面v与平面w平行，平面m与平面n平行，第一传动轮7和第二传动轮8的传动比为1:1，因此当第一传动轮7相对基座2静止时，第二指段4相对基座2的方向始终保持不变。本实施例运动时，驱动器1通过减速机构带动连杆10顺时针旋转，在簧件15和拨块14的作用下，第一传动轮7相对基座2静止，根据前述分析，第二指段4相对基座2的方向始终保持不变。当第一指段3碰到物体16时，第一指段3不能继续运动，但连杆10继续顺时针旋转，带动第二指段4相对轴线E顺时针旋转，同时轴线E绕轴线B顺时针旋转(即第二传动轮8相对轴线B顺时针旋转)，在传动件9的作用下，第一传动轮7顺时针旋转，拨块14与基座2分离，簧件15被拉紧。

图10、图11和图12中的Y箭头代表驱动器1的动力，X箭头代表所抓的物体16的阻挡力。

本实施例的初始位置如图13、图18、图23和图26所示，此时第一指段3相对基座2处于伸直状态，第二指段4相对第一指段3处于伸直状态；在簧件15的作用下，拨块14与基座2接触。

本实施例的抓取方式有两种，分别叙述如下：

(a)第二指段捏持物体过程

如图23、图24和图25所示(图26、图27和图28分别是图23、图24和图25对应的剖视图)，当本实施例抓取物体16时，驱动器1通过减速机构带动连杆10正转，由于拨块14的约束，第一传动轮7在簧件15的作用下相对基座2静止，根据前述分析，在基座2、传动件9、第一传动轮7、第二传动轮8和连杆10等部件的约束下，第一指段3相对基座2正转，第二指段4相对基座2平移，直到第二指段4接触到物体16。

放开物体16的过程如下，驱动器1通过减速机构带动连杆10反转，在拨块14和簧件15的约束下，第一传动轮7相对基座2静止，第一指段3相对基座2反转，第二指段4相对基座2平移，实现放开物体16、回到手指初始的伸直状态。

(b)自适应握持物体过程

如图13、图14、图15、图16和图17所示(图18、图19、图20、图21和图22分别是图13、图14、图15、图16和图17对应的剖视图)，当本实施例抓取物体16时，驱动器1正转，通过减速机构带动连杆10正转，由于拨块14的约束，第一传动轮7在簧件15的作用下相对基座2静止，根据前述分析，在基座2、传动件9、第一传动轮7、第二传动轮8和连杆10等部件的约束下，第一指段3相对基座2正转，第二指段4相对基座2平移，直到第一指段3接触物体16。此时，第一指段3不能继续运动，但驱动器1带动连杆10继续正转，带动第二指段4相对轴线E正转，同时轴线E绕轴线B正转(即第二传动轮8正转)，在传动件9的作用下，第一传动轮7正转，拨块14与基座2分离，簧件15被拉紧，直到第二指段4接触到物体16。该自适应抓取实现了对不同形状大小物体的抓取，减轻了对控制系统的要求。

放开物体16的过程如下，驱动器1反转，通过减速机构带动连杆10反转，簧件15迫使第一传动轮7反转，在传动件9的作用下，第二传动轮8反转(轴线E绕轴线B反转)，同时第二指段4相对轴线E反转，第二指段4与物体16分离并继续反转，直到拨块14与基座2接触，此时第二指段4相对基座2伸直。之后驱动器1继续带动连杆10反转，第一传动轮7在拨块14和簧件15的约束下相对基座2静止。在基座2、传动件9、第一传动轮7、第二传动轮8和连杆10等部件的约束下，第一指段3相对基座2反转，第二指段4相对基座2平移，直到第一指段3相对基座2伸直，回到初始状态。

本实施例具有抓取范围大的特点。如图29、图30和图31所示，本实施例进行包络抓取，当第二指段4相对第四轴12正转时，第四轴12相对第五轴13正转，第四轴12运动到了更加靠近物体16的位置，极大地减小了运动死区。

在另外一个实施例中，所述的第一传动轮7与第二传动轮8之间的传动比为1.5:1，此时第二指段的捏持方式为转动捏持，自适应握持方式与(b)相似。

本发明装置利用一对传动轮机构、连杆、拨块及簧件等综合实现了捏握复合自适应抓取物体的特殊功能：既能合上第二指段向内捏持，也能张开第二指段向外捏持，还能自适应包络握持；根据目标物体形状和位置的不同，该装置具有多种抓取模式；在包络抓取时，该装置第二指段的旋转轴能够移向物体，抓取范围大，运动死区小；同时该装置体积小，外观拟人，具有柔顺性，结构简单、可靠，无需传感和控制系统。

Claims (5)

1.一种杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，包括基座(2)、第一指段(3)和第二指段(4)；其特征在于：该杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置还包括驱动器(1)、第一传动轮(7)、第二传动轮(8)、传动件(9)、连杆(10)、第一轴(5)、第二轴(6)、第三轴(11)、第四轴(12)、第五轴(13)、拨块(14)和簧件(15)；所述的驱动器(1)与基座(2)固接，驱动器(1)的输出轴与连杆(10)相连；所述的第一轴(5)套设在基座(2)中；所述的第二轴(6)套设在基座(2)中；所述的第一指段(3)活动套接在第二轴(6)上；所述的第三轴(11)套设在第二指段(4)中；所述的连杆(10)的一端套接在第一轴(5)上，连杆(10)的另一端套接在第三轴(11)上；所述的第一传动轮(7)活动套接在第二轴(6)上；所述的簧件(15)的两端分别连接第一传动轮(7)和基座(2)；所述的拨块(14)一端和第一传动轮(7)固接，拨块(14)的另一端与基座(2)活动接触从而受到基座(2)的单向运动限制，所述的簧件(15)使拨块(14)靠向基座(2)；所述的第五轴(13)套设在第一指段(3)中；所述的第二传动轮(8)活动套接在第五轴(13)上；所述的传动件(9)连接第一传动轮(7)和第二传动轮(8)；所述的第四轴(12)套设在第二传动轮(8)上；设第四轴(12)的轴线为轴线E，轴线E与第五轴(13)的轴线平行且不重合；所述的第二指段(4)活动套接在第四轴(12)上；设所述的第二轴(6)的轴线为轴线A，第一轴(5)的轴线为轴线C，第三轴(11)的轴线为轴线D，第五轴(13)的轴线为轴线B；轴线A、轴线C、轴线D和轴线B相互平行，轴线A与轴线C不重合，轴线A与轴线B之间的距离等于轴线C与轴线D之间的距离；在第一指段(3)和第二指段(4)处于伸直状态时，设轴线A和轴线B构成的平面为平面v，设轴线C和轴线D构成的平面为平面w，设轴线A和轴线C构成的平面为平面m，设轴线B和轴线D构成的平面为平面n，平面v与平面w平行，平面m与平面n平行；轴线D和轴线E不重合。

2.如权利要求1所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的驱动器(1)采用电机。

3.如权利要求1所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件(15)采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

4.如权利要求1所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件(9)采用传动带、腱绳或链条，所述的第一传动轮(7)采用带轮、绳轮或链轮，所述的第二传动轮(8)采用带轮、绳轮或链轮，所述的传动件(9)、第一传动轮(7)和第二传动轮(8)三者之间配合形成传动关系。

5.如权利要求1所述的杆轮并联式捏握复合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动轮(7)与第二传动轮(8)之间的传动比为1:1。

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