CN105773607B - 表面二维可动机器人手指单元装置 - Google Patents

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Abstract

表面二维可动机器人手指单元装置，属于机器人手技术领域，包括基座指段、末端指段、关节轴、横转组件和纵移组件等。该装置实现了皮肤二维运动——手指表面可沿手指纵向滑移和横向转动的功能。该装置在抓取物体时具有可以二维运动的手指表面，适合对所抓取物体进行手内操作；该装置便于从桌面上拾取物体，尤其是扁平物体如橡皮、硬币、纸张和布帛等；此外，该装置配合不同皮肤的切换能实现更多功能；该装置结构简单，控制容易，适合安装在机器人手上使用。

Description

表面二维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，特别涉及一种表面二维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装置，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食品、航空航天、石油开采、汽车制造、海洋探索、深空开发等众多行业领域。
机器人手是机器人与环境接触的重要装置，是机器人实现抓取物体、操作物体两大功能的终端部件，一般以模仿人手与否来分类，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、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(如电机、液压缸或气缸)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。
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，但是无法做到拾取其他物体，例如这种技术难以拾取桌面上的橡皮、胶板、硬币。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种表面二维可动机器人手指单元装置，该装置具有可以二维运动的手指表面，适合从平面上拾取物体，适合对所抓取物体进行手内操作，适合驱动物体使其相对于手指做各种复杂运动；该装置结构简单，控制容易，适合安装在机器人手上使用。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供的一种表面二维可动机器人手指单元装置，包括基座指段、末端指段和关节轴；所述关节轴套设在基座指段中，所述末端指段套接在关节轴上；其特征在于：该表面二维可动机器人手指单元装置，还包括横转组件和纵移组件；所述末端指段包括末端指段支承件和末端指段外壳；所述末端指段支承件套接在关节轴上；所述横转组件包括纵轴、第一驱动器和第一传动机构；所述第一驱动器安装在末端指段支承件上且所述第一传动机构的输出端与末端指段外壳相连，或者，所述第一驱动器固定安装在末端指段外壳上且所述第一传动机构的输出端与末端指段支承件相连；所述第一驱动器的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述纵轴套设在末端指段支承件中，所述末端指段外壳套接在纵轴上；所述纵移组件包括支承件、第二驱动器、第二传动机构、第三传动机构和皮肤层；所述第三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外壳上；所述第二驱动器与支承件固接，所述第二驱动器的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二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外壳的表面；所述纵轴的中心线与第一横轴的中心线相互垂直。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述传动件采用传动带、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，所述第一传动轮、第二传动轮和传动件构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层安装有吸盘、磁铁、不干胶或搭扣中的任一一种或多种。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层的表面具有纹路。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层采用弹性材料。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述纵轴的中心线垂直于关节轴的中心线。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置利用设置在多关节手指末端的两个独立驱动器、传动机构、正交转轴和皮肤层等综合实现了皮肤二维运动——手指表面可沿手指纵向滑移和横向转动的特殊功能；该装置在抓取物体时具有可以二维运动的手指表面，适合对所抓取物体进行手内操作；该装置利用传动件的旋转可以对物体产生向手指根部方向或反向移动的摩擦力，物体会向手指根部方向或反向移动，利用末端指段外壳的横转可以对物体产生沿表面切线方向或者反向的摩擦力，物体会沿着表面切线方向或者反向移动，两种运动的复合可达到操作物体的目的；该装置便于从桌面上拾取物体，尤其是扁平物体如橡皮、硬币、纸张和布帛等；此外，该装置配合不同皮肤的切换能实现更多功能；该装置结构简单，控制容易，适合安装在机器人手上使用。
附图说明
图1是本发明提供的表面二维可动机器人手指单元装置的第一种实施例的后剖视图。
图2是图1所示实施例的左剖视图。
图3是图1所示实施例的立体图。
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所示实施例的爆炸图。
图7是本发明提供的表面二维可动机器人手指单元装置的第二种实施例的立体图。
图8是图7所示实施例的俯视图。
图9是图7所示实施例的立体图。
图10至图11是图7所示实施例对手内钥匙进行操作的过程示意图。
图12至图14是图7所示实施例抓取布条的过程示意图。
图15至图17是图7所示实施例拾取硬币的第一种方法示意图。
图18至图20是图7所示实施例拾取硬币的第二种方法示意图。
在图1至图20中：
11-基座， 12-基座指段(第一指段)， 13-末端指段外壳(第二指段外壳)，
14-末端指段支承件(第二指段支承件)， 15-纵轴，
21-第一关节轴， 22-关节轴(第二关节轴)， 23-第一过渡轴， 24-第二过渡轴，
31-关节驱动器， 32-关节传动机构， 41-第一驱动器， 42-第二驱动器，
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， 63-第三转轴，
71-第一传动齿轮， 72-第二传动齿轮， 73-第三传动齿轮，
81-左侧皮肤， 82-右侧皮肤， 83-第一皮肤， 84-第二皮肤，
91-钥匙， 92-锁柜， 93-布条， 94-硬币，
95-手掌， 96-桌面。
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。
本发明设计的表面二维可动机器人手指单元装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括一个基座11、第一指段、第二指段、第一关节轴21、第二关节轴、两个关节传动机构32和两个关节驱动器31。本实施例中的第一指段同时就是本发明装置所述基座指段12，第二指段同时就是本发明装置所述末端指段。本实施例中的第二关节轴同时就是本发明装置所述关节轴22。
本实施例中，所述基座指段(第一指段)12通过第一关节轴21与基座11相连，所述基座指段12通过关节轴(第二关节轴)22与末端指段(第二指段)相连；所述两个关节驱动器31分别设置在基座11和基座指段12中，所述关节驱动器31的输出轴与关节传动机构32的输入轴相连，所述两个关节传动机构32的输出轴分别于第一关节轴21、关节轴22相连；所述第一关节轴21和关节轴22的中心线相互平行。
该实施例还包括；所述关节轴22套设在基座指段12中，所述末端指段套接在关节轴22上；该表面二维可动机器人手指单元装置，还包括横转组件和纵移组件。所述末端指段包括末端指段支承件14和末端指段外壳13。所述末端指段支承件14套接在关节轴22上。所述横转组件包括纵轴15、第一驱动器41和第一传动机构；所述第一驱动器41固定安装在末端指段外壳13上且所述第一传动机构的输出端与末端指段支承件14相连；所述第一驱动器41的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述纵轴15套设在末端指段支承件14中，所述末端指段外壳13套接在纵轴15上。所述纵移组件包括支承件、第二驱动器42、第二传动机构、第三传动机构和皮肤层54；所述第三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外壳13上，在本实施例中直接采用末端指段外壳13作为支承件；所述第二驱动器42与支承件固接，所述第二驱动器42的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第一横轴61相连；在本实施例中第二传动机构就是直接传动方式，因此第二驱动器42的输出轴与第一横轴61固接；所述第一横轴61、第二横轴62分别套设在支承件上；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活动套接在第二横轴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位于末端指段外壳13的表面；所述纵轴15的中心线与第一横轴61的中心线相互垂直。
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。所述两个关节驱动器31均采用电机。
本实施例中，第一驱动器的输出轴与第二横轴固接，第二驱动器的输出轴与第一横轴固接。所述两个关节传动机构32均采用锥齿轮传动机构和带轮传动机构，分别通过第一过渡轴23、第二过渡轴24传递动力。所述第一传动机构包括第三横轴63、第一传动齿轮71、第二传动齿轮72和第三传动齿轮73；所述第一传动齿轮71套固在第二横轴；所述第二传动齿轮72套固在第三横轴63上，所述第二传动齿轮72与第三传动齿轮73啮合；所述第三传动齿轮73套接在纵轴15上且所述第三传动齿轮73与末端指段支承件14固接。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述传动件采用传动带、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，所述第一传动轮、第二传动轮和传动件构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系。本实施例中，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。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述第一驱动器41采用电机。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述第二驱动器42采用电机。
第二种实施例，如图7、图8、图9所示，所述皮肤层的表面具有纹路，类似于汽车轮胎的横向的纹路，所述皮肤层采用弹性材料，所述皮肤层采用橡胶材料；该实施例中，所述皮肤层54包括第一皮肤83和第二皮肤84。此外，该实施例在末端指段外壳13的外表面还安装有左侧皮肤81和右侧皮肤82，用于辅助抓取和操作。
图1所示的实施例中，所述纵轴15的中心线垂直于关节轴22的中心线。
本发明所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层安装有吸盘、磁铁、不干胶或搭扣中的任一一种或多种。又一种实施例中，所述皮肤层安装多个小吸盘有利于拿取玻璃等光滑物体，避免打滑。
以第二种实施例为例介绍本发明装置的工作原理，结合图10至图20，叙述如下：
该装置的第一个关节驱动器31开动，相应的第一关节轴21转动，即基座指段12和末端指段绕着第一关节轴21中心线转动；第二个关节驱动器31开动，相应的关节轴22转动，即末端指段绕着关节轴22的中心线转动；第二驱动器42开动，使带轮机构转动，由于第一皮肤83和第二皮肤84分别与带轮传动机构的传动件53固接，从而实现了第一皮肤83、第二皮肤84和传动件53的共同沿手指根部方向或者反向的运动；第一驱动器41开动，使直齿轮传动机构转动，锥齿轮传动机构转动，由于第三传动齿轮73固定安装在末端指段支承件14上，第二传动齿轮72会沿着第三传动齿轮73的中心线转动，由于第二传动齿轮72与末端指段外壳13相对位置固定，纵轴15与末端指段外壳13套固，与末端指段支承件14套设，且其中心线与第三传动齿轮73的中心线重合，因此实现了末端指段外壳13绕着末端指段支承件14以纵轴15为旋转轴的转动。
该装置的初始位置如图10所示时，钥匙91和该装置第一皮肤83接触，钥匙91需要旋转一个角度才能正确实现与对应锁柜92的匹配。此时第二驱动器42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，实现该装置第一皮肤83沿手指末端方向运动，在钥匙91和该装置第一皮肤83的摩擦力的作用下，钥匙91产生旋转，从而实现钥匙91与对应锁柜92的正确匹配；开动第一驱动器41，使减速机构和直齿轮锥齿轮复合传动机构运动，从而使末端指段外壳13绕着纵轴15转动，由于该装置的俯视图是圆形，因此在第二指段外壳13旋转过程中，会对钥匙91产生向下的摩擦力，使钥匙91向下运动，从而能够将钥匙91插入对应锁柜92当中，如图11所示。
该装置的初始位置如图12所示，第二驱动器42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，实现该手指装置第一皮肤83沿手指根部方向的运动，从而对与其接触的布条93产生摩擦力，使布条93产生较大变形，如图13所示；在布条93产生变形的同时，关节驱动器31开动，通过减速器带动关节传动机构32，实现相应关节轴的转动，即相应指段的弯曲，实现抓取操作，如图14所示。
该装置的初始位置如图15所示，第二驱动器42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，实现该手指装置第一皮肤83沿手指末端方向的运动，从而对与其接触的硬币94产生摩擦力，使硬币94一端翘起，如图16所示；在硬币94翘起的同时，关节驱动器31开动，通过减速器带动关节传动机构32，实现相应关节轴的转动，即相应指段的弯曲，实现抓取操作，如图17所示。
该装置的初始位置如图18所示，此时该装置第二皮肤84接触上硬币94的一端；关节驱动器31开动，通过减速器带动关节传动机构32，实现相应关节轴的转动，即相应指段的弯曲，使得另一个手指装置的第二皮肤84接触上硬币94的另一端，开动第二驱动器42，第二驱动器42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，实现该手指装置第二皮肤84沿手指根部方向的运动，由于第二皮肤84表面是齿型花纹，在第二皮肤84和硬币94的摩擦力的作用下，能够通过齿的间隙顶住硬币，如图19所示；关节驱动器31开动，通过减速器带动关节传动机构32，实现相应关节轴的转动，即相应指段的弯曲，实现抓取操作，如图20所示。
本发明装置利用设置在多关节手指末端的两个独立驱动器、传动机构、正交转轴和皮肤层等综合实现了皮肤二维运动——手指表面可沿手指纵向滑移和横向转动的特殊功能；该装置在抓取物体时具有可以二维运动的手指表面，适合对所抓取物体进行手内操作；该装置利用传动件的旋转可以对物体产生向手指根部方向或反向移动的摩擦力，物体会向手指根部方向或反向移动，利用末端指段外壳的横转可以对物体产生沿表面切线方向或者反向的摩擦力，物体会沿着表面切线方向或者反向移动，两种运动的复合可达到操作物体的目的；该装置便于从桌面上拾取物体，尤其是扁平物体如橡皮、硬币、纸张和布帛等；此外，该装置配合不同皮肤的切换能实现更多功能；该装置结构简单，控制容易，适合安装在机器人手上使用。

Claims (8)

1.一种表面二维可动机器人手指单元装置，包括基座指段、末端指段和关节轴；所述关节轴套设在基座指段中，所述末端指段套接在关节轴上；其特征在于：该表面二维可动机器人手指单元装置，还包括横转组件和纵移组件；所述末端指段包括末端指段支承件和末端指段外壳；所述末端指段支承件套接在关节轴上；所述横转组件包括纵轴、第一驱动器和第一传动机构；所述第一驱动器安装在末端指段支承件上且所述第一传动机构的输出端与末端指段外壳相连，或者，所述第一驱动器固定安装在末端指段外壳上且所述第一传动机构的输出端与末端指段支承件相连；所述第一驱动器的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述纵轴套设在末端指段支承件中，所述末端指段外壳套接在纵轴上；所述纵移组件包括支承件、第二驱动器、第二传动机构、第三传动机构和皮肤层；所述第三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外壳上；所述第二驱动器与支承件固接，所述第二驱动器的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二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外壳的表面；所述纵轴的中心线与第一横轴的中心线相互垂直。
2.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述传动件采用传动带、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，所述第一传动轮、第二传动轮和传动件构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系。
3.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。
4.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。
5.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层安装有吸盘、磁铁、不干胶或搭扣中的任一一种或多种。
6.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层的表面具有纹路。
7.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述皮肤层采用弹性材料。
8.如权利要求1所述的表面二维可动机器人手指单元装置，其特征在于：所述纵轴的中心线垂直于关节轴的中心线。
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