CN105583837A - 齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

轴动螺旋同步锁定自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括电机、多个指段、多个关节轴、多个簧件、腱绳、拉绳件、多个关节轮、多套螺母滑块和螺杆、多套轮式传动机构。该装置利用电机、腱绳、簧件、轮式传动机构和螺纹传动机构综合实现自适应抓取和连续同步锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的外形、尺寸；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，防止手指回弹失稳，可以提供较大的抓取力；能够同步锁定多个关节；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，重量轻，控制容易，设计、制造、装配和维护成本低。

Description

齿轮式协同抓取绳簧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，特别涉及一种齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人非常重要的操作部件，是目前机器人手领域研究的热点方向。机器人手可以从模仿人手与否分为拟人手和非拟人手。由于人手自由度多，非常灵活，在仿生学上有很大的研究学习价值，研制与人手相似的拟人机器人手具有很大的应用前景。目前的拟人抓取的机器人手分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

一方面，拟人机器人手需要模仿人手的某些动作功能，实现抓取、搬运不同形状和大小的物体，这对于机器人手的控制精度等方面提出了很高的要求；另一方面，拟人机器人手要求结构尽量简化，大小合适、重量小。这两方面存在矛盾。现有的工业夹持器功能简单，适用范围较小。现有的灵巧手有足够的关节和驱动器来完成各种精准动作，但是所用的驱动器多、传感控制复杂，成本昂贵。而欠驱动手由于自适应抓取功能较好地解决了这一矛盾。自适应欠驱动机器人手体积小、重量轻，在抓取物体的过程中可以改变抓取角度以此自动适应物体的形状，控制简单，抓取较为稳定。

已有的一种自适应抓取物体的机械手装置(发明专利US2006129248A1)，手指部分主要包括基座、四个指段、三个簧件和一根腱绳。抓取物体时，先拉动腱绳使得手指伸直，然后放松腱绳，依靠簧件自身弹性使手指弯曲包络抓取物体。由于每个关节都具有簧件，手指在抓取物体的过程中可以配合物体形状按照相应角度弯曲，具有良好的自适应性。

该装置不足之处在于：

1)该装置的簧件抓取力尽量大与伸直手指所用腱绳的拉力尽量小之间存在较大矛盾。为了保证抓取力较大，需要的簧件劲度系数较大，导致拉动腱绳伸直手指所需的拉力较大；若要腱绳伸直手指所需的拉力较小，采用较弱的簧件，则抓取力过小。

2)该装置难以提供更大范围的抓取力。该装置采用固定的簧件，提供的抓取力局限在固定的较小范围内；该装置在抓取物体过程中主要依靠簧件提供的抓取力，如果簧件比较弱，就无法利用与之相连的手臂的力量，在提取重物时会发生抓取失效，比如提取很沉重的行李箱时，一般采用臂部力量提取，但是手指要有足够的力量确保弯曲的构型。

3)过大劲度系数的簧件可能导致抓取物体时发生手指快速冲撞物体，从而导致挤跑物体的失稳现象。

4)该装置在振动环境下使用会有抓取失效的可能。

已有的一种自锁气动欠驱动机器人手指装置，该装置具有自适应抓取功能，采用棘轮棘爪实现抓取过程中的自锁，并采用电机拉动棘爪实现解锁。

该装置的不足之处在于：

1)该装置需要有推动力才能实现自适应弯曲。此推动力来自手指与物体的相对运动：由物体挤压手指上的滑块，利用气力传动来推动下一指段弯曲。

2)该装置可锁定的关节角度是不连续的。由于棘轮的轮齿有一定的齿距，锁定不连续；如果齿距设计得较大会降低锁定精度，如果齿距设计得较小，则会降低齿高，影响锁定效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置，该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；抓取物体后可以采取锁定关节方式；抓取后锁定关节，可以提供较大的抓取力，防止手指回弹失稳；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，重量轻，控制容易。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、第一关节轴、第二关节轴、电机、第一传动机构、过渡轴、绕绳轮、腱绳、第一滑轮、第二滑轮、第一簧件和第二簧件；所述电机固定安装在基座上，所述电机的输出轴和第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与过渡轴相连，所述过渡轴套设在基座中，所述绕绳轮套固在过渡轴上；所述腱绳的一端固接在绕绳轮的外缘上，腱绳的另一端与第二指段固接；所述腱绳绕过第一滑轮和第二滑轮，腱绳穿过第一指段和第二指段；所述第一关节轴套设在基座中，所述第二关节轴套设在第一指段中；所述第一指段套接在第一关节轴上，所述第二指段套接在第二关节轴上；所述第一滑轮套接在第一关节轴上，所述第二滑轮套接在第二关节轴上；所述第一簧件的两端分别连接基座和第一指段；所述第二簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述第一关节轴、第二关节轴相互平行；其特征在于：该装置还包括主动拨盘、从动拨盘、第二传动机构、第一齿轮、N个中间齿轮、N个中间轴、第二齿轮、第一拨杆、第二拨杆、第三簧件和第四簧件；所述主动拨盘上固接有第一凸块，所述从动拨盘上固接有第二凸块；所述主动拨盘套接在过渡轴上，主动拨盘与绕绳轮固接；所述从动拨盘活动套接在过渡轴上，所述第一凸块在抓取物体的运动过程中接触并推动第二凸块，所述第一凸块在伸直手指的运动过程中离开并撤回对第二凸块的推动力；所述第二传动机构的输入端与从动拨盘相连；所述第二传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第一齿轮套接在第一关节轴上，所述第二齿轮套接在第二关节轴上；所述第一齿轮与第二齿轮通过中间齿轮形成串联的齿轮系，即第一齿轮与第一个中间齿轮啮合，第一个中间齿轮再与相邻的第二个中间齿轮啮合，……，最后一个中间齿轮与第二齿轮啮合；所有所述中间齿轮套接在对应的中间轴上，所有所述中间轴分别套设在第一指段中；所述第三簧件的两端分别连接第一齿轮和第一拨杆，所述第四簧件的两端分别连接第二齿轮和第二拨杆；所述第一拨杆套接在第一关节轴上，所述第二拨杆套接在第二关节轴上；所述第一拨杆在转动过程中接触并推动第一指段；所述第二拨杆在转动过程中接触并推动第二指段；N为奇数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、传动机构、从动拨盘、拨杆、第一齿轮、第二齿轮、N个中间齿轮、N个中间轴、绕绳轮、腱绳和簧件综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸，适应能力强；抓取物体后可以锁定关节，特别对不同材质、重量的物体具有很强的适应能力；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面，可以提供较大的抓取力，锁定后的手指装置可近似看做一个刚体，其承载力方面能够更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对比较沉重物体(比如行李箱)的提取；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，控制容易，制造和维护成本低。

附图说明

图1是本发明提供的齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置的一种实施例的正面剖视图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的反面外观图。

图4是图1所示实施例的左侧面外观图。

图5是图1所示实施例的右侧面外观图。

图6是图1所示实施例的主要组成件爆炸视图。

图7是图1所示实施例的运动传递链组成关系视图。

图8至图11是绕绳轮和从动拨盘之间运动关系的可实施方式的示意图。

图12至图14是所示实施例自适应抓取物体的外观图。

图15至图17是所示实施例自适应抓握大尺寸形状不规则物体的外观图。

图18至图21是所示实施例主动锁定自适应抓取重物(本实施例图示中重物为较重的行李箱)的示意图。

图22至是图24是所示实施例自适应抓取物体过程中从动拨盘与手指相对位置关系的结构示意图。

图25至是图29是所示实施例自适应抓取物体完成后主动锁定过程中从动拨盘、第一齿轮、第二齿轮与手指间位置关系的结构示意图。

图22至图24和图25至图29为去除第一指段一侧板、第二指段同一侧板件、螺钉等紧固件并做相应视图简化处理的结构关系示意图。图中剖面线处理结构为所述第一拨杆81和第二拨杆82；图中过第一关节轴心、第二关节轴心处加粗点画线表示套接在相应关节轴上的第一齿轮和第二齿轮；图中用波浪线表示的结构为第一簧件和第二簧件在其连接零件发生相对运动时的变形结构表示。

在图1至图29中：

1-基座，11-第一指段，12-第二指段，

21-第一关节轴，22-第二关节轴，

3-电机，31-减速器，32-第一锥齿轮，33-第二锥齿轮，

4-过渡轴，41-绕绳轮，42-腱绳，43-主动拨盘，

431-第一凸块，44-从动拨盘，441-第二凸块，45-主动带轮，

46-从动带轮，47-传动带，51-第一滑轮，52-第二滑轮，

61-第一簧件，62-第二簧件，63-第三簧件，64-第四簧件，

71-第一齿轮，72-第二齿轮，731-第一中间齿轮，732-第二中间齿轮

733-第三中间齿轮741-第一中间轴742-第二中间轴743-第三中间轴

81-第一拨杆，82-第二拨杆，

9–物体，91-支承面，92–手提箱，921–抓取手柄。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的齿轮式协同抓取绳簧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和图6所示，取中间齿轮的数量N为3，则中间轴的数量也是3。该实施例，包括基座1、第一指段11、第二指段12、第一关节轴21、第二关节轴22、电机3、第一传动机构、过渡轴4、绕绳轮41、腱绳422、第一滑轮51、第二滑轮52、第一簧件61和第二簧件62；所述电机3固定安装在基座1上，所述电机3的输出轴和第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与过渡轴4相连，所述过渡轴4套设在基座1中，所述绕绳轮41套固在过渡轴4上；所述腱绳422的一端固接在绕绳轮41的外缘上，腱绳422的另一端与第二指段12固接；所述腱绳422绕过第一滑轮51和第二滑轮52，腱绳穿过第一指段11和第二指段12；所述第一关节轴21套设在基座1中，所述第二关节轴22套设在第一指段11中；所述第一指段11套接在第一关节轴21上，所述第二指段12套接在第二关节轴22上；所述第一滑轮51套接在第一关节轴21上，所述第二滑轮52套接在第二关节轴22上；所述第一簧件61的两端分别连接基座1和第一指段11；所述第二簧件62的两端分别连接第一指段11和第二指段12；所述第一关节轴21、第二关节轴22相互平行。

该装置还包括主动拨盘43、从动拨盘44、第二传动机构、第一齿轮71、第二齿轮72、三个中间齿轮(731、732、733)、三个中间轴(741、742、743)、第一拨杆81、第二拨杆82、第三簧件63和第四簧件64；所述主动拨盘43上固接有第一凸块431，所述从动拨盘44上固接有第二凸块441；所述主动拨盘43套接在过渡轴4上，主动拨盘43与绕绳轮41固接；所述从动拨盘44活动套接在过渡轴4上，所述第一凸块431在抓取物体的运动过程中接触并推动第二凸块441，所述第一凸块431在伸直手指的运动过程中离开并撤回对第二凸块441的推动力；所述第二传动机构的输入端与从动拨盘44相连；所述第二传动机构的输出端与第一齿轮71相连；所述第一齿轮71套接在第一关节轴21上，所述第二齿轮72套接在第二关节轴22上；所述第一齿轮71与第二齿轮72通过中间齿轮形成串联的齿轮系，即第一齿轮71与第一个中间齿轮731啮合，第一个中间齿轮731再与相邻的第二个中间齿轮732啮合，第二个中间齿轮732再与相邻的第三个中间齿轮733啮合，第三个中间齿轮733与第二齿轮72啮合,第一齿轮71与第二齿轮72形成传动关系；所述三个中间齿轮(731、732、733)分别对应套接在三个中间轴上(741、742、743)；所述第三簧件63的两端分别连接第一齿轮71和第一拨杆81，所述第四簧件64的两端分别连接第二齿轮72和第二拨杆82；所述第一拨杆81套接在第一关节轴21上，所述第二拨杆82套接在第二关节轴22上；所述第一拨杆81在转动过程中接触并推动第一指段11；所述第二拨杆82在转动过程中接触并推动第二指段12。

本实施例中，第一传动机构包括减速器31、第一锥齿轮32和第二锥齿轮33。其中电机3的输出轴与减速器31的输入轴相连，所述第一锥齿轮32套固在减速器31的输出轴上，所述第一锥齿轮32与第二锥齿轮33啮合，所述第二锥齿轮33套固在过渡轴4上。.

本实施例中，第二传动机构采用带轮传动机构，包括主动带轮45、从动带轮46和传动带47。所述主动带轮45套接在过渡轴4上，主动带轮45与从动拨盘44固接，所述主动带轮45与从动带轮46通过传动带47相连，并且主动带轮45、从动带轮46与传动带47三者形成带轮传动关系，所述从动带轮46套接在第一关节轴21上，从动带轮46与第一齿轮71固接。

本实施例中，所述从动拨盘44转动设置在第一指段1中，轴向中心线和绕绳轮41的轴向中心线重合，所述从动拨盘44上固接的从动拨盘第二凸块441和与绕绳轮41上固接的绕绳轮第一凸块431设置在从动拨盘44和绕绳轮41之间的一侧。

图8至图11主要表达了绕绳轮41和从动拨盘44的几种实施方式。其中位置E和位置F分别为绕绳轮41上固接的绕绳轮第一凸块431和从动拨盘44上固接的从动拨盘第二凸块441的初始接触位置；当绕绳轮第一凸块431由位置E运动到位置E1时，为拉紧腱绳42的过程，位置E1处腱绳42完全拉紧，此时手指处于完全伸直状态，此过程从动拨盘第二凸块441位置F1仍在位置F处；当绕绳轮第一凸块431从位置E1反向运动到E时，腱绳42由完全拉紧至完全放松状态，绕绳轮第一凸块431和从动拨盘第二凸块441开始接触。接着从位置E向位置E2的运动中，绕绳轮41通过绕绳轮第一凸块431推动从动拨盘第二凸块441并带动从动拨盘44运动，经由第二传动机构将运动传递给第一齿轮71、第二齿轮72等部件，最终实现主动锁定第一指段11和第二指段12，此过程中从动拨盘第二凸块441由位置F1运动至F2，位置F2为锁定状态。

本实施例的绕绳轮41和从动拨盘44主要采用图11所示的实施方式。

本实施例的工作原理如图22至图29所示，叙述如下：

图22至图24和图25至图29分别为该手指装置实现自适应抓取以及主动锁定过程中的结构原理示意图。

图12至图14、图15至图17和图18至图21分别为不同抓取工况下抓取过程中手指各指段的相对位置外观示意图。

首先电机3开动，经减速器31、第一锥齿轮32、第二锥齿轮33和过渡轴4带动绕绳轮41转动，使得腱绳42被拉紧，手指由弯曲状态被拉伸至完全伸直状态，准备抓取物体，此时手指的外观示意图见图12，手指主要结构位置示意图见图22；接着电机3反向转动，使得绕绳轮41跟着反向转动，此时腱绳42被放松，第一簧件61和第二簧件62的弹性力使得手指逐渐弯曲。在没有抓取物体的情况下，当腱绳42被完全放松后手指完全弯曲成握紧状态；在抓取物体的情况下手指弯曲接触并自适应包络物体，此时电机3接着转动至腱绳42完全放松状态，此过程中手指外观或结构图见图12至图14、图15至图17和图22至图24。由于第一簧件61、第二簧件62的变形可以是连续的，故手指自适应包络抓握物体结束后中第一拨杆作用面与第二指段接触端面夹角α和第二拨杆作用面与第三指段接触端面夹角β的变化也是连续的。即手指自适应抓握物体的过程是连续的。

之后电机3继续转动，绕绳轮41通过绕绳轮第一凸块431接触从动拨盘第二凸块441并带动从动拨盘44作同向转动，从动拨盘44通过第二传动机构驱动主动带轮45转动。主动带轮45和从动带轮46之间通过传动带47相连，实现同步转动。第二簧件62一端与主动带轮45相连，另一端与第一拨杆81相连。第四簧件64一端与从动带轮46相连，另一端与第二拨杆82相连。

图25至图29表示了绕绳轮第一凸块431在接触从动拨盘第二凸块441的初始状态下，在第一拨杆作用面与第二指段接触端面夹角α小于第二拨杆作用面与第三指段接触端面夹角β的情况下完成锁定过程中各主要结构的位置关系。首先同步传动带47带动主动带轮45、从动带轮46同步转动，在第一拨杆81、第二拨杆82均未接触相应指段时，在第二簧件62和第四簧件64的限制下，拨杆将与通过联动弹簧相接的主动带轮45或从动带轮46联动(即同步转动)；在第一拨杆81接触并压紧在第一指段11上且第二拨杆82尚未接触第二指段12的过程中，第一指段11,完成锁定，第三指段尚未锁定，过程中第一齿轮71仍将继续转动，并通过传动带47带动从动带轮46与第二拨杆82同步转动。此过程中，第二簧件62形变不断增加，第四簧件64仍保持联动时所需初始较小变形，图中忽略此变形示意；当第二拨杆82也运动至接触并压紧在第二指段12，第二指段12锁定完成，此过程中第二簧件62形变继续增大，该指段锁紧力也不断增大，实现了手指稳固抓取。

图27、图28和图29分别表达了手指在只有第一指段11锁定和第一指段11与第二指段12同时锁定两种状态下的结构关系示意图。第一齿轮71和第二齿轮72分别带动第一拨杆81、第二拨杆82先后压紧在第一指段11、第二指段12上停止转动从而完成锁定该指段。第二簧件62和第四簧件64变形使得第一拨杆81与第一齿轮71、第二拨杆82与第二齿轮72之间产生很大的弹性力，使得第一拨杆81.第二拨杆82分别可靠压紧在第一指段11、第二指段12上，所有指段很难接着转动或者回弹，这样就形成了类似锁定手指关节的效果。

本实施例的工作过程如图12至图21所示，表达了本实施例的抓取不同形状、尺寸和重量的情况，具体叙述如下：

第一种情况如图12、图13和图14所示，为抓取较小尺寸物体的过程中手指的外观示意图。首先，拉动腱绳42使手指伸直，接着移动手指使其靠近物体；放松腱绳42，手指逐渐弯曲，基座1和第一指段11先后接触到物体，之后第一簧件61不再回复，第一关节轴21停止转动；当第二指段12完全接触到物体后，整个手指装置便自适应地完成了抓取物体过程。由于物体的体积较小，质量也较小，所以此时不需使用锁定功能也能实施稳定可靠的抓取任务。

第二种情况如图15、图16和图17所示，为不规则形状物体抓取过程。本情况的抓取过程与第一种情况基本类似，且物体也相对轻便小巧，可以使用锁定功能也可以不使用，两种选择都能达到较好的效果。

第三种情况如图18、图19、图20和图21所示，为抓取重量较大物体(本实施例中采用带有抓取手柄331的较重行李箱33)并移动的过程。抓取过程与第一类基本相似，但在这种情况下需要使用锁定功能。当手指已经包络物体以后，接着放松腱绳42；当腱绳42完全放松后便可接着带动从动拨盘44同向转动，最终通过第一拨杆81和第二拨杆82主动锁定两个指段。通过自适应抓取加多关节主动锁定两个过程，使得手指可以抓取较重物体，且抓取过程快速、稳定。

本发明装置利用电机、传动机构、从动拨盘、拨杆、第一齿轮、第二齿轮、N个中间齿轮、N个中间轴、绕绳轮、腱绳和簧件综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸，适应能力强；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式，特别对不同材质、重量的物体具有很强的适应能力；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，一方面防止手指回弹失稳，使得抓取物体时不会出现冲撞物体、挤跑物体；另一方面，可以提供较大的抓取力，锁定后的手指装置可近似看做一个刚体，其承载力方面能够更好地匹配与之相连的手臂装置，实施对比较沉重物体(比如行李箱)的提取；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，控制容易，制造和维护成本低。

Claims (1)

1.一种齿轮式协同抓取绳簧自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、第一关节轴、第二关节轴、电机、第一传动机构、过渡轴、绕绳轮、腱绳、第一滑轮、第二滑轮、第一簧件和第二簧件；所述电机固定安装在基座上，所述电机的输出轴和第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与过渡轴相连，所述过渡轴套设在基座中，所述绕绳轮套固在过渡轴上；所述腱绳的一端固接在绕绳轮的外缘上，腱绳的另一端与第二指段固接；所述腱绳绕过第一滑轮和第二滑轮，腱绳穿过第一指段和第二指段；所述第一关节轴套设在基座中，所述第二关节轴套设在第一指段中；所述第一指段套接在第一关节轴上，所述第二指段套接在第二关节轴上；所述第一滑轮套接在第一关节轴上，所述第二滑轮套接在第二关节轴上；所述第一簧件的两端分别连接基座和第一指段；所述第二簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述第一关节轴、第二关节轴相互平行；其特征在于：该装置还包括主动拨盘、从动拨盘、第二传动机构、第一齿轮、N个中间齿轮、N个中间轴、第二齿轮、第一拨杆、第二拨杆、第三簧件和第四簧件；所述主动拨盘上固接有第一凸块，所述从动拨盘上固接有第二凸块；所述主动拨盘套接在过渡轴上，主动拨盘与绕绳轮固接；所述从动拨盘活动套接在过渡轴上，所述第一凸块在抓取物体的运动过程中接触并推动第二凸块，所述第一凸块在伸直手指的运动过程中离开并撤回对第二凸块的推动力；所述第二传动机构的输入端与从动拨盘相连；所述第二传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第一齿轮套接在第一关节轴上，所述第二齿轮套接在第二关节轴上；所述第一齿轮与第二齿轮通过中间齿轮形成串联的齿轮系，即第一齿轮与第一个中间齿轮啮合，第一个中间齿轮再与相邻的第二个中间齿轮啮合，……，最后一个中间齿轮与第二齿轮啮合；所有所述中间齿轮套接在对应的中间轴上，所有所述中间轴分别套设在第一指段中；所述第三簧件的两端分别连接第一齿轮和第一拨杆，所述第四簧件的两端分别连接第二齿轮和第二拨杆；所述第一拨杆套接在第一关节轴上，所述第二拨杆套接在第二关节轴上；所述第一拨杆在转动过程中接触并推动第一指段；所述第二拨杆在转动过程中接触并推动第二指段；其中，N为奇数。