CN105666509A - 三自由度表面可动机器人手指单元装置 - Google Patents

Abstract

三自由度表面可动机器人手指单元装置，属于机器人手技术领域，包括两个指段、四个锥齿轮、左右两个半轴、左右两个关节驱动器、左右两个关节传动机构、纵轴、纵移驱动器、纵移传动机构和皮肤层等。本发明装置实现了绕关节轴弯曲和绕纵轴自转的关节双自由度正交转动功能，且具有表面纵移功能。该装置适合安装在机器人手指上使用，扩展了拟人机器人手指的功能，而且在运动过程中相邻手指不会发生干涉。该装置具有可以多维移动的手指表面，利用表面的运动可使物体相对运动或者变形，适合拾取物体，特别适合拾取扁平状物体和可变形物体，并可对所抓物体进行位置和姿态的调整操作。该装置结构紧凑、体积小，控制容易，适合安装在机器人手上使用。

Description

三自由度表面可动机器人手指单元装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种三自由度表面可动机器人手指单元装置的结构设计。

背景技术

机器人是帮助人类完成各种费力工作的有益设备，已经有大量的工业机器人被开发出来，几十年来，工业机器人被应用于航空航天、交通运输、海洋探索、生物医药和能源生产等众多行业领域。

机器人手是机器人与环境接触的重要终端，是机器人实现抓取物体、操作物体两大功能的部件，以是否模仿人手来分类，可以分为非拟人机器人手和拟人机器人手。前者不一定有手指，可分为主动吸盘式手爪、被动吸盘式手爪、永磁式手爪和电磁式手爪等，后者带有手指，也称为多指机器人手。

传统的拟人机器人手包括手掌和多个手指，每个手指具有多个指段，各指段通过多个关节串联起来，采用驱动器驱动关节转动，多个指段包络物体实现握持方式的抓取，或者多个指段转动后实现末端指段以捏持方式抓取物体。

常见物体一般位于一个平面上，当物体某个尺寸相对其他尺寸较小时，该物体为一种扁平状物体，例如橡皮、硬币和纸张等。传统的机器人手，包括非拟人的机器人手和拟人的机器人手，均不便于从平面上拾取扁平状物体。

在装配领域，为了将轴类零件以特定的角度安装插入到指定的异形孔中，需要灵活操作物体的位置和姿态，传统的机器人手指无法达到较好的物体位置与姿态调整目的。例如传统的机器人手拿取螺丝刀拧螺钉或者将钥匙正确插入匙孔中都比较困难。

扁平状物体的一个典型就是纸张。传统的打印机具有从固定平面堆叠的纸张上拾取单张纸的功能——即具有拾取特定扁平物体的功能，主要采用的是静电原理，但是该方法无法做到拾取其他物体，例如该技术难以拾取桌面上的橡皮、胶板和硬币等。

可变形的薄壁物体的一个典型是布匹。传统的拟人机器人手不便于拾取放置于桌面上的布匹。虽然纺织领域有众多的机器可以操作布匹，但是这些机器仅具有操作特种物体的功能，而无法达到抓取更多不同形状和大小物体的通用性抓取目的。

综上所述，具有多个手指和关节的传统拟人机器人手不具有沿切向多维移动的手指表面，难以达到较好的拾取物体和操作物体的目的。

已有一种机器人手指两自由度根部关节装置(樊绍巍,刘伊威,金明河,等.HIT/DLRHandII类人形五指灵巧手机构的研究.哈尔滨工程大学学报,2009,30(2):171-177)采用四个锥齿轮和正交布置的双关节轴实现，该装置可以实现类似人手指根部的正交两自由度运动——整个手指绕根部关节轴的弯曲和绕垂直掌面关节轴的侧摆。

该装置的不足之处在于：

1)该装置没有手指表面可以运动的功能；

2)该装置没有手指绕自身纵向轴线自转的功能；

3)该装置仅能用于手指的根部关节，而不能用于指段之间的中间关节，例如食指上的中部关节和末端关节，因为两个相邻手指的中部关节和末端关节的左右侧摆将会发生干涉。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种三自由度表面可动机器人手指单元装置。该装置的关节具有两个自由度；该装置具有可以运动的手指表面，手指表面能够达到多自由度移动的目的；该装置适合从桌面上拾取物体，适合对所抓取物体进行手内操作；能够利用手指表面操作物体使其相对于手指做各种运动；该装置结构紧凑、体积小、控制容易，适合安装在机器人手上使用，而且相邻手指不会发生干涉。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：包括基座指段、末端指段、左锥齿轮、右锥齿轮、上锥齿轮、下锥齿轮、左半轴、左关节驱动器、左传动机构、右半轴、右关节驱动器、右传动机构、纵轴和纵移组件；所述左关节驱动器安装在基座指段中，所述左关节驱动器的输出轴与左传动机构的输入端相连，所述左传动机构的输出端与左半轴相连，所述左半轴套设在基座指段中；所述右关节驱动器安装在基座指段中，所述右关节驱动器的输出轴与右传动机构的输入端相连，所述右传动机构的输出端与右半轴相连，所述右半轴套设在基座指段中；所述左锥齿轮套固在左半轴上，所述右锥齿轮套固在右半轴上，所述上锥齿轮与左锥齿轮啮合，所述上锥齿轮与右锥齿轮啮合，所述下锥齿轮与左锥齿轮啮合，所述下锥齿轮与右锥齿轮啮合；所述上锥齿轮套固在纵轴上，所述下锥齿轮活动套接在纵轴上；所述纵轴的一端固接在末端指段上；所述上锥齿轮的中心线与左锥齿轮的中心线垂直，所述左半轴中心线与右半轴中心线重合；所述纵移组件安装在末端指段上；所述纵移组件包括支承件、纵移驱动器、辅助传动机构、纵移传动机构和皮肤层；所述纵移传动机构包括第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一横轴和第二横轴；所述支承件固接在末端指段上；所述纵移驱动器与支承件固接，所述纵移驱动器的输出轴与辅助传动机构的输入端相连，所述辅助传动机构的输出端与第一横轴相连；所述第一横轴、第二横轴分别套设在支承件上；所述第一横轴的中心线与第二横轴的中心线相互平行；所述第一传动轮套固在第一横轴上，所述第二传动轮套接在第二横轴上，所述传动件连接第一传动轮与第二传动轮，所述第一传动轮、第二传动轮和传动件构成传动关系；所述皮肤层与传动件固接，所述皮肤层位于末端指段的表面。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述左关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述右关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第一横轴的中心线与纵轴的中心线相互垂直。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述纵移驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用双驱动器、传动机构、正交布置的四个锥齿轮、左半轴、右半轴和纵轴等综合实现了绕关节轴弯曲和绕纵轴自转的关节双自由度正交转动功能；该装置利用驱动器、传动件、主从传动轮、两个横轴和皮肤层等综合实现了表面纵移功能；该装置具有可以多维移动的手指表面，适合从桌面上拾取物体，适合对所抓取物体进行位置和姿态的调整操作。该装置适合安装在机器人手指上使用，扩展了拟人机器人手指的功能，而且在运动过程中相邻手指不会发生干涉。该装置利用表面的运动对所抓取物体产生摩擦力，使物体相对手指运动或者发生变形，手指带动物体运动，达到操作物体的目的；该装置结合其他手指或其他关节，方便拾取物体，特别适合拾取扁平状物体和可变形物体等，如橡皮，硬币，纸张和布条。该装置结构紧凑、体积小，控制容易，适合安装在机器人手上使用。

附图说明

图1是本发明提供的三自由度表面可动机器人手指单元装置的一种实施例的前剖视图。

图2是图1所示实施例的立体外观图。(不含末端指段及左侧、右侧皮肤，基座指段右板，基座右板)

图3是图1所示实施例的立体外观图。

图4是图1所示实施例的正面外观图。

图5是图1所示实施例的左侧外观图。

图6是图1所示实施例的俯视图。

图7是图1所示实施例的爆炸图。

图8至图9是图1所示实施例对手内钥匙进行操作的过程示意图。

图10至图12是图1所示实施例抓取布条的过程示意图。

在图1至图12中：

11-基座，12-基座指段，13-末端指段，14-纵轴，

21-基座关节轴，22-基座过渡轴，23-左半轴，24-右半轴，

31-基座关节驱动器，32-基座关节传动机构，33-左关节驱动器，34-左传动机构，

35-右关节驱动器，36-右传动机构，37-纵移驱动器，41-左锥齿轮，

42-右锥齿轮，43-上锥齿轮，44-下锥齿轮，51-第一传动轮，

52-第二传动轮，53-传动件，54-皮肤层，61-第一横轴，

62-第二横轴，71-左侧皮肤，72-右侧皮肤，81-钥匙，

82-锁柜，83-布条，84-手掌，85-桌面，

131-纵轴连接件。

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。

本发明设计的三自由度表面可动机器人手指单元装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座11、基座关节驱动器31、基座关节传动机构32和基座关节轴21。所述基座关节驱动器31安装在基座11上，所述基座关节驱动器31的输出轴与基座关节传动机构32的输入端相连，所述基座关节传动机构32的输出端与基座关节轴21相连。

本实施例还包括基座指段12、末端指段13、左锥齿轮41、右锥齿轮42、上锥齿轮43、下锥齿轮44、左半轴23、左关节驱动器33、左传动机构34、右半轴24、右关节驱动器35、右传动机构36、纵轴14和纵移组件；所述基座指段12套固在基座关节轴22上。

本实施例中，所述左关节驱动器33安装在基座指段12中，所述左关节驱动器33的输出轴与左传动机构34的输入端相连，所述左传动机构34的输出端与左半轴23相连，所述左半轴23套设在基座指段12中；所述右关节驱动器35安装在基座指段12中，所述右关节驱动器35的输出轴与右传动机构36的输入端相连，所述右传动机构36的输出端与右半轴24相连，所述右半轴24套设在基座指段12中；所述左锥齿轮41套固在左半轴23上，所述右锥齿轮42套固在右半轴24上，所述上锥齿轮43与左锥齿轮41啮合，所述上锥齿轮43与右锥齿轮42啮合，所述下锥齿轮44与左锥齿轮41啮合，所述下锥齿轮44与右锥齿轮42啮合；所述上锥齿轮43套固在纵轴14上，所述下锥齿轮44活动套接在纵轴14上；所述纵轴14的一端固接在末端指段13上；所述上锥齿轮43的中心线与左锥齿轮41的中心线垂直，所述左半轴23中心线与右半轴24中心线重合。

本实施例中，所述末端指段13还包括固接的纵轴连接件131，所述纵轴14的一端固接在纵轴连接件131上。

本实施例中，所述纵移组件包括支承件(本实施例中由末端指段充当支承件)、纵移驱动器37、辅助传动机构(本实施例中采用直接传动方式)、纵移传动机构和皮肤层54；所述纵移传动机构包括第一传动轮51、第二传动轮52、传动件53、第一横轴61和第二横轴62；所述支承件固接在末端指段13上；所述纵移驱动器37与支承件固接，所述纵移驱动器37的输出轴与辅助传动机构的输入端相连，所述辅助传动机构的输出端与第一横轴61相连；所述第一横轴61、第二横轴62分别套设在支承件上，所述纵轴连接件131套固在第二转轴62上；所述第一横轴61的中心线与第二横轴62的中心线相互平行；所述第一传动轮51套固在第一横轴61上，所述第二传动轮52套接在第二横轴62上，所述传动件53连接第一传动轮51与第二传动轮52，所述第一传动轮51、第二传动轮52和传动件53构成传动关系；所述皮肤层54与传动件53固接，所述皮肤层54位于末端指段13的表面。

本实施例中，所述第一传动轮51、第二传动轮52和传动件53设计为左右两套，两个传动件53与皮肤层54固接。所述传动件53采用传动带，所述第一传动轮51采用带轮，所述第二传动轮52采用带轮，所述第一传动轮51、第二传动轮52和传动件53构成带轮传动关系。所述基座关节驱动器31采用电机。所述基座关节传动机构32采用锥齿轮与带轮复合传动方式，通过基座过渡轴22传递动力。所述左传动机构34和右传动机构36均采用带轮传动。该实施例中，末端指段的外表面安装有左侧皮肤71和右侧皮肤72，用于辅助抓取和操作。

本实施例中，纵移驱动器37的输出轴与第一横轴61固接。即纵移驱动器37的输出轴即为第一横轴61。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述左关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例，所述左关节驱动器33采用电机。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述右关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。所述右关节驱动器35采用电机。

本实施例中，所述第一横轴的中心线与纵轴的中心线相互垂直。

本发明所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述纵移驱动器采用电机、气缸或液压缸。所述纵移驱动器37采用电机。

本发明装置的工作原理，结合图8至图12，叙述如下：

所述基座关节驱动器31开动，相应的所述基座关节轴21转动，即所述基座指段12和末端指段13绕着基座关节轴21中心线转动；所述左关节驱动器33和右关节驱动器35同时开动，并使所述左半轴23和右半轴24具有相同转速；由于所述左锥齿轮41套固在左半轴23上，所述右锥齿轮42套固在右半轴24上，所述左锥齿轮41与右锥齿轮42也会具有相同转速；若所述左锥齿轮41与右锥齿轮42转向相同，则所述上锥齿轮43与下锥齿轮44会绕着左半轴23的中心线做旋转运动；由于所述上锥齿轮43与纵轴14套固，所述纵轴14与末端指段13固接，因此，所述末端指段13会绕着左半轴23的中心线做旋转运动，从而实现所述末端指段13的弯曲；若所述左锥齿轮41与右锥齿轮42转向相反，则所述上锥齿轮43会绕着其中心线做旋转运动，由于所述上锥齿轮43与纵轴14套固，所述纵轴14末端指段13固接，因此，所述末端指段13会绕着上锥齿轮43的中心线做旋转运动，即实现了所述末端指段13的自转运动。所述纵移驱动器37开动，使带轮传动机构转动，由于所述皮肤层54与带轮传动机构的传动件53固接，从而实现了所述皮肤层54和传动件53的共同沿手指根部方向或者反向的运动。

该装置的初始位置如图7所示时，钥匙81和该装置皮肤层54接触，所述钥匙81需要旋转一个角度才能正确实现与对应锁柜82的匹配。此时所述纵移驱动器37通过减速机构带动第一横轴61转动，从而带动带轮传动机构，实现所述皮肤层54的运动，在所述钥匙81和皮肤层54的摩擦力的作用下，所述钥匙81产生旋转，从而实现所述钥匙81与对应所述锁柜82的正确匹配；开动所述左关节驱动器33和右关节驱动器35，分别通过所述左传动机构34和右传动机构36的传动作用，使所述左半轴23和右半轴24具有相同的转速和相反的转向，即所述左锥齿轮41和右锥齿轮42具有相同的转速和相反的转向，从而使所述末端指段13绕着上锥齿轮43的中心线做旋转运动，在末端指段13旋转过程中，末端指段13会对钥匙81产生向下的摩擦力，使钥匙81向下运动，从而能够将钥匙81插入对应锁柜82当中，如图8所示。

该装置的初始位置如图9所示，所述纵移驱动器37通过减速机构带动所述第一横轴61转动，带动带轮传动机构，使所述皮肤层54运动，从而对与其接触的布条83产生摩擦力，使所述布条83产生较大变形，如图10所示；在所述布条83产生变形的同时，所述基座关节驱动器31开动，通过所述基座关节传动机构32的传动作用，使所述基座关节轴21转动，使所述基座指段12和末端指段13绕着基座关节轴21中心线转动，从而实现抓取。

本发明装置利用双驱动器、传动机构、正交布置的四个锥齿轮、左半轴、右半轴和纵轴等综合实现了绕关节轴弯曲和绕纵轴自转的关节双自由度正交转动功能；该装置利用驱动器、传动件、主从传动轮、两个横轴和皮肤层等综合实现了表面纵移功能；该装置具有可以多维移动的手指表面，适合从桌面上拾取物体，适合对所抓取物体进行位置和姿态的调整操作。该装置适合安装在机器人手指上使用，扩展了拟人机器人手指的功能，而且在运动过程中相邻手指不会发生干涉。该装置利用表面的运动对所抓取物体产生摩擦力，使物体相对手指运动或者发生变形，手指带动物体运动，达到操作物体的目的；该装置结合其他手指或其他关节，方便拾取物体，特别适合拾取扁平状物体和可变形物体等，如橡皮，硬币，纸张和布条。该装置结构紧凑、体积小，控制容易，适合安装在机器人手上使用。

Claims (5)

1.一种三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：包括基座指段、末端指段、左锥齿轮、右锥齿轮、上锥齿轮、下锥齿轮、左半轴、左关节驱动器、左传动机构、右半轴、右关节驱动器、右传动机构、纵轴和纵移组件；所述左关节驱动器安装在基座指段中，所述左关节驱动器的输出轴与左传动机构的输入端相连，所述左传动机构的输出端与左半轴相连，所述左半轴套设在基座指段中；所述右关节驱动器安装在基座指段中，所述右关节驱动器的输出轴与右传动机构的输入端相连，所述右传动机构的输出端与右半轴相连，所述右半轴套设在基座指段中；所述左锥齿轮套固在左半轴上，所述右锥齿轮套固在右半轴上，所述上锥齿轮与左锥齿轮啮合，所述上锥齿轮与右锥齿轮啮合，所述下锥齿轮与左锥齿轮啮合，所述下锥齿轮与右锥齿轮啮合；所述上锥齿轮套固在纵轴上，所述下锥齿轮活动套接在纵轴上；所述纵轴的一端固接在末端指段上；所述上锥齿轮的中心线与左锥齿轮的中心线垂直，所述左半轴中心线与右半轴中心线重合；所述纵移组件安装在末端指段上；所述纵移组件包括支承件、纵移驱动器、辅助传动机构、纵移传动机构和皮肤层；所述纵移传动机构包括第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一横轴和第二横轴；所述支承件固接在末端指段上；所述纵移驱动器与支承件固接，所述纵移驱动器的输出轴与辅助传动机构的输入端相连，所述辅助传动机构的输出端与第一横轴相连；所述第一横轴、第二横轴分别套设在支承件上；所述第一横轴的中心线与第二横轴的中心线相互平行；所述第一传动轮套固在第一横轴上，所述第二传动轮套接在第二横轴上，所述传动件连接第一传动轮与第二传动轮，所述第一传动轮、第二传动轮和传动件构成传动关系；所述皮肤层与传动件固接，所述皮肤层位于末端指段的表面。

2.如权利要求1所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述左关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。

3.如权利要求1所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述右关节驱动器采用电机、气缸或液压缸。

4.如权利要求1所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第一横轴的中心线与纵轴的中心线相互垂直。

5.如权利要求1所述的三自由度表面可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述纵移驱动器采用电机、气缸或液压缸。