CN105583836B - 双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

双环柔性件平行开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、两个关节轴、驱动器、两套柔性件轮系传动机构、凸块拨盘、簧件和限位凸块等。该装置利用单个驱动器、合理设置传动比的两套轮系传动机构、簧件、凸块拨盘、限位凸块和活动套接指段等综合实现了平行开合捏持及自适应包络抓持的功能，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置采用两套柔性件传动轮系主从驱动的方式，抓取范围大，无运动死区；同时采用欠驱动的方式，仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

双环柔性件平行开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，特别涉及一种双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。但传统的欠驱动机器人手多采用连杆机构，由于机构的限制，指段靠向物体的过程中具有极限位置，从而产生运动死区，自适应性受到大大削弱。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。工业夹持器一般采用捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取；耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。上述三种手均有很大的提升空间。现实中很需要一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。

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，该装置有运动死区，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。

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，开始阶段保持末端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或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置采用连杆机构，具有运动死区，抓取范围小，机构体积大，外观不拟人，缺乏柔顺性，制造成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既能平动第二指段捏持物体，也能先后合上第一指段和第二指段包络物体；抓取范围大，无运动死区，体积小，外观拟人；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器；所述驱动器与基座固接；所述近关节轴套设在基座中；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一传动轮、第二传动轮、第一传动件、第三传动轮、第四传动轮、第二传动件、凸块拨盘、簧件和限位凸块；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮活动套接在近关节轴上，所述第一传动轮与第一传动件相连，所述第一传动件与第二传动轮相连；所述第二传动轮活动套接在远关节轴上，所述第二传动轮与第二指段固接；所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系，所述第一传动件的传动使得第二传动轮与第一传动轮的转动方向一致；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上；所述第四传动轮套接在远关节轴上，第四传动轮与第二指段固接；所述第二传动件连接第三传动轮和第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者之间配合形成传动关系，所述第二传动件的传动使得第四传动轮与第三传动轮的转动方向一致；所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上，所述凸块拨盘与第三传动轮固接；所述限位凸块与基座固接；所述凸块拨盘与限位凸块相接触或离开一段距离；所述簧件的两端分别连接第三传动轮和基座，所述簧件使凸块拨盘靠向限位凸块；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块拨盘与限位凸块接触，设此时凸块拨盘相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，凸块拨盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，凸块拨盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述限位凸块限制凸块拨盘的转动角度只能为正；在所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者所构成的传动系统中，相对于第一指段，从所述第三传动轮到第四传动轮的传动比为1；在第一传动轮、第一传动件和第二传动轮三者所构成的传动系统中，相对于第一指段，从所述第一传动轮到第二传动轮的传动比小于1，即第一传动轮的转速小于通过第一传动件传动的第二传动轮的转速；所述第一传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第一传动件形成“0”字形；所述第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第三传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第四传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第二传动件形成“0”字形。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用驱动器、合理设置传动比的两套柔性件传动机构、簧件、凸块拨盘、限位凸块和活动套接中部指段等综合实现了平行开合捏持及自适应包络抓持的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置采用两套传动轮系的主从驱动的方式，抓取范围大，无运动死区；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的右视图)。

图5是图1所示实施例的爆炸视图。

图6是图1所示实施例的内部立体视图(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例的正面视图(未画出基座外壳、第一指段前板和第一指段表面板)。

图8至图13是图1所示实施例动作过程示意图(未抓取物体时)。

图14至图22是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图23至图25是图1所示实施例抓取物体的另一种方式——平行开合用第二指段捏持物体的动作过程示意图。

图26至图29是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程示意图(部分零件未画出)，主要展示出在几个关键位置时，凸块拨盘与限位凸块的相对位置的变化情况。

在图1至图29中：

1－基座， 111－基座外壳， 112－基座骨架， 2－第一指段，

21－第一指段骨架， 22－第一指段支承件， 23－第一指段前板， 24－第一指段表面板，

3－第二指段， 31－第二指段骨架， 32－第二指段表面板， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 6－第一传动轮， 7－第二传动轮， 8－第一传动件，

9－第三传动轮， 10－第四传动轮， 11－第二传动件， 12－凸块拨盘，

13－簧件， 14－驱动器(电机)， 141－减速器， 142－第一锥齿轮，

143－第二锥齿轮， 144－第一过渡轴， 145－第一过渡齿轮， 146－第二过渡齿轮，

147－第二过渡轴， 148－第三过渡齿轮， 17－物体， 18－限位凸块。

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。

本发明设计的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和驱动器14；所述驱动器14与基座1固接；所述近关节轴4套设在基座1中；所述远关节轴5套设在第一指段2中；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行。

本实施例还包括传动机构、第一传动轮6、第二传动轮7、第一传动件8、第三传动轮9、第四传动轮10、第二传动件11、凸块拨盘12、簧件13和限位凸块18；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述驱动器14的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一传动轮6相连；所述第一传动轮6活动套接在近关节轴4上，所述第一传动轮6与第一传动件8相连，所述第一传动件8与第二传动轮7相连；所述第二传动轮7活动套接在远关节轴5上，所述第二传动轮7与第二指段3固接；所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系，所述第一传动件8的传动使得第二传动轮7与第一传动轮6的转动方向一致；所述第三传动轮9活动套接在近关节轴4上；所述第四传动轮10套接在远关节轴5上，第四传动轮10与第二指段3固接；所述第二传动件11连接第三传动轮9和第四传动轮10，所述第二传动件11、第三传动轮9和第四传动轮10三者之间配合形成传动关系，所述第二传动件11的传动使得第四传动轮10与第三传动轮9的转动方向一致；所述凸块拨盘12活动套接在近关节轴4上，所述凸块拨盘12与第三传动轮9固接；所述限位凸块18与基座1固接；所述凸块拨盘12与限位凸块18相接触或离开一段距离；所述簧件13的两端分别连接第三传动轮9和基座1，所述簧件13使凸块拨盘12靠向限位凸块18；设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块拨盘12与限位凸块18接触，设此时凸块拨盘122相对基座1的旋转角度为0度，从该位置开始，凸块拨盘12朝近关节正方向旋转时(小于180度)的转动角度为正，凸块拨盘12朝近关节反方向旋转时(小于180度)的转动角度为负；所述限位凸块18限制凸块拨盘12的转动角度只能为正；在所述第二传动件11、第三传动轮9和第四传动轮10三者所构成的传动系统中，相对于第一指段2，从所述第三传动轮9到第四传动轮10的传动比为1。

本实施例中，所述第二传动轮7与第二指段3固接；在第一传动轮6、第一传动件8和第二传动轮7三者所构成的传动系统中，相对于第一指段2，从所述第一传动轮6到第二传动轮7的传动比小于1，从所述第一传动轮6到第二传动轮7的传动为增速传动，即第一传动轮6的转速小于通过第一传动件8传动的第二传动轮7的转速，所述第二传动轮7相对第一指段2旋转的角度大于第一传动轮6相对第一指段2旋转的角度。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件8采用传动带、腱绳或链条，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第一传动件8形成“0”字形。本实施例中，所述第一传动件8采用传动带，所述第一传动轮采用带轮，所述第二传动轮7采用带轮，所述第一传动件9、第一传动轮6和第二传动轮7三者之间配合形成带轮传动关系，所述第一传动件8形成“0”字形。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第三传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第四传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第二传动件形成“0”字形。在图1所示实施例中，所述第二传动件11采用传动带，所述第三传动轮9采用带轮，所述第四传动轮10采用带轮，所述第二传动件11、第三传动轮9和第四传动轮10三者之间配合形成带轮传动关系，所述第二传动件形成“0”字形。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器14采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器14采用电机。

本发明所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述簧件13采用拉簧，其两端分别连接凸块拨盘12和基座1。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座外壳111和基座骨架112；所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段支承件22、第一指段前板23和第一指段表面板24)；所述第二指段3包括固接在一起的第二指段骨架31和第二指段表面板32。

本实施例中，所述传动机构包括减速器141，第一锥齿轮142、第二锥齿轮143、第一过渡轴144、第一过渡齿轮145、第二过渡齿轮146和第二过渡轴147；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述第一锥齿轮142套固在减速器141的输出轴上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合，所述第二锥齿轮143套固在第一过渡轴144上，所述第一过渡齿轮145套固在第一过渡轴144上，所述第一过渡轴144套设在基座1中；所述第一过渡齿轮145与第二过渡齿轮146啮合，所述第二过渡齿轮146套固在第二过渡轴147上，所述第二过渡轴147套设在基座1中，所述第二过渡齿轮146与第三过渡齿轮148啮合，所述第三过渡齿轮148活动套接在近关节轴4上，所述第三过渡齿轮148与第一传动轮6固接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

凸块拨盘12转角与第二指段3运动的关系介绍如下：

1)当凸块拨盘12的旋转角度为0度时，无论第一指段2处于何位置，由于凸块拨盘12与第三传动轮9固接，所以第三传动轮9相对基座1的位置不变，由于第三传动轮9和第四传动轮10的传动比为1，在第二传动件11的作用下，所以第四传动轮10相对基座1的只进行平移运动而不会旋转，由于第四传动轮10与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转。

2)当凸块拨盘12的旋转角度为正时，由于第三传动轮9和第四传动轮10的传动比为1，在第二传动件11的作用下，第四传动轮10的旋转角度等于凸块拨盘12的旋转角度。

当本实施例抓取物体17时，驱动器14通过传动机构带动第一传动轮6正转，第一传动轮6相对基座1的转角为α。在第一传动件8的作用下，第一传动轮6相对第一指段2的转角与第二传动轮7相对第一指段2的转角有一定的关系。设从第一传动轮6通过第一传动件8传动到第二传动轮7的传动比为i，该传动比是相对于第一指段2，第一传动轮6转速与第二传动轮7转速之比。由于是增速传动，输出速度大于输入速度，故i小于1(例如i＝0.7)。设第一指段2绕近关节轴4转角为δ。由于第二传动轮7与第二指段3固接，本实施例装置将平衡于满足下面的公式1的位置：

α＝δ(1-i) (公式1)

由于i小于1，可以得出(公式1)是可以满足的，δ为正的某个角度，因此开始阶段的平行开合是能够实现的，第二指段3始终是一个姿态。当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动，进入自适应包络阶段，这时电机14驱动第二传动轮7转动，将通过第二传动件11拉动簧件13发生变形，此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线转动，直到第二指段3接触物体17为止。

图8至图13是图1所示实施例动作过程示意图(未抓取物体时)。

图14至图22是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体17的动作过程示意图，其中，图14为初始状态，图14至图18为第一指段2接触到物体17之前的动作过程——平行开合方式动作，图19为第一指段2刚接触到物体的情况，图19至图22为第一指段2接触到物体17之后的动作过程——自适应包络物体，直到第二指段3接触物体，如图22所示，抓取结束。

图23至图25是图1所示实施例抓取物体17的另一种可能方式——平行捏持物体的典型动作过程，直到第二指段3接触物体17，如图25所示，抓取结束。

图26至图29是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程中的几个关键位置，展示出凸块拨盘12与限位凸块18的相对位置的变化情况：1)图26与图14情况相似，此时实施例处在初始位置，簧件13使凸块拨盘12与限位凸块18相接触，第二指段3处于竖直的初始姿态；2)图27与图18情况相似，此时实施例运动到即将用第一指段2接触待抓物体，簧件13仍然使凸块拨盘12与限位凸块18相接触，第二指段3一直处于竖直的姿态——与初始姿态相同；3)图28与图21情况相似，此时实施例的第一指段2已经接触到物体17被阻挡而不能运动，在电机14的驱动和第一传动件8的传动等作用下，第二指段3已经绕远关节轴5转动一个角度(不再保持竖直的初始姿态)，通过第二传动件11拉动簧件12发生了变形，凸块拨盘12离开了原来一直接触的限位凸块18；4)直到图29的情况，图29与图22的情况相似，此时实施例完成对物体的两个指段的接触——实现包络抓取，此时凸块拨盘12转动了更大的角度，离开限位凸块18更多了。

本发明装置利用驱动器、合理设置传动比的两套柔性件传动机构、簧件、凸块拨盘、限位凸块和活动套接中部指段等综合实现了平行开合捏持及自适应包络抓持的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置采用两套传动轮系的主从驱动的方式，抓取范围大，无运动死区；同时采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Claims (3)

1.一种双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器；所述驱动器与基座固接；所述近关节轴套设在基座中；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一传动轮、第二传动轮、第一传动件、第三传动轮、第四传动轮、第二传动件、凸块拨盘、簧件和限位凸块；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮活动套接在近关节轴上，所述第一传动轮与第一传动件相连，所述第一传动件与第二传动轮相连；所述第二传动轮活动套接在远关节轴上，所述第二传动轮与第二指段固接；所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成传动关系，所述第一传动件的传动使得第二传动轮与第一传动轮的转动方向一致；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上；所述第四传动轮套接在远关节轴上，第四传动轮与第二指段固接；所述第二传动件连接第三传动轮和第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者之间配合形成传动关系，所述第二传动件的传动使得第四传动轮与第三传动轮的转动方向一致；所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上，所述凸块拨盘与第三传动轮固接；所述限位凸块与基座固接；所述凸块拨盘与限位凸块相接触或离开一段距离；所述簧件的两端分别连接第三传动轮和基座，所述簧件使凸块拨盘靠向限位凸块；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块拨盘与限位凸块接触，设此时凸块拨盘相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，凸块拨盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，凸块拨盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述限位凸块限制凸块拨盘的转动角度只能为正；在所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者所构成的传动系统中，相对于第一指段，从所述第三传动轮到第四传动轮的传动比为1；在第一传动轮、第一传动件和第二传动轮三者所构成的传动系统中，相对于第一指段，从所述第一传动轮到第二传动轮的传动比小于1，即第一传动轮的转速小于通过第一传动件传动的第二传动轮的转速；所述第一传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第一传动件形成“0”字形；所述第二传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第三传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第四传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述第二传动件形成“0”字形。

2.如权利要求1所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

3.如权利要求1所述的双环柔性件平行开合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。