CN105798933B - 齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿条式多关节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、多套齿轮齿条机构、多套轮式传动机构。该装置利用电机、腱绳、簧件、轮式传动机构和齿轮齿条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

齿条式多关节同步锁定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，特别涉及一种齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人最重要的组件之一，机器人手的结构设计和功能改进等关键技术对机器人来说至关重要。现有的机器人手主要可分为拟人手和非拟人手，两者都拥有非常广泛的应用。由于人的手非常灵活，功能强大，在仿生学上有很大的研究学习价值，拟人机器人手的开发有很大的前景。目前的拟人机器人手主要分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

一方面，机器人手需要实现抓取、搬运和操作不同形状和大小的复杂物体，这对于机器人手的控制精度等方面要求较高；另一方面，拟人机器人手要求大小合适、重量小等特点。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，但是非常复杂和昂贵。而欠驱动手由于自身的自适应性等特点在一定程度上解决了这一矛盾。

带有自适应等特点的欠驱动手体积小、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、准确、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、三个簧件和一个腱绳。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(发明专利CN103659825A)，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，提出一种齿条式多关节同步锁定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或不锁定方式；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,具有自锁效果；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，重量轻，控制容易。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个簧件和N-1个关节轮；所述电机与第一个指段固接；所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器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和拉绳件相连；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳的一端与拉绳件相连，腱绳的另一端与最后一个指段相连；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；第i个关节轴套设在第i个指段中，第i+1个指段套固在第i个关节轴上，第i个关节轮套接在第i个关节轴上，第i个簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括N-1个齿轮、N-1个齿条、N-1个滑块、第二传动机构、N-2个主动轮、N-2个从动轮和N-2个传动件；所述减速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关节轴相连，第j个主动轮套接在第j个关节轴上，第j个从动轮套接在第j+1个关节轴上，第j个传动件连接第j个主动轮与第j个从动轮；所述第j个传动件采用传动带、传动绳或链条；所述第j个主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个传动件、第j个主动轮和第j个从动轮三者之间能够配合形成传动关系；第i个齿轮套接在第i个关节轴上，第j个齿轮与第j个主动轮固接，第N-1个齿轮与第N-2个从动轮固接；第i个齿条与第i个齿轮形成啮合传动关系；第i个滑块滑动镶嵌在第i个指段中，所述第i个滑块与第i个齿条固接；所述第i个滑块与第i个关节轴相接触或离开一段距离；其中，N为大于1的自然数，i为1、2……或N-1，j为1、2……或N-2。

本发明所述齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，其特征在于：所述滑块的整体或局部采用弹性材料。

本发明所述齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，其特征在于：所述滑块的局部表面为粗糙表面。

本该装置利用电机、腱绳、簧件、轮式传动机构和齿轮齿条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，锁定装置具有自锁效果，锁定后的手指装置可近似看作一个刚体，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；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。

附图说明

图1是本发明提供的齿条式多关节同步锁定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A-A剖视图。

图3是图1所示实施例的后面外观图。

图4是图1所示实施例的右侧面外观图。

图5至图7是图1所示实施例的腱绳拉动示意图。

图8是图1所示实施例的立体爆炸视图。

图9是图1所示实施例的立体外观图。

图10是图1所示实施例第二簧件剖视图。

图11是第二关节轴上锁定装置的立体示意图。

图12至图13是第二关节轴处未锁定和锁定状态剖视图。

图14至图16是所示实施例自适应抓取物体的示意图。

图17至图19是所示实施例自适应抓握大尺寸不同形状物体的示意图。

图20至图22是所示实施例同步锁定自适应抓取重物的示意图。

在图1至图22中：

11-第一指段， 12-第二指段， 13-第三指段，

21-电机， 22-减速器， 23-主动锥齿轮， 24-从动锥齿轮，

25-过渡轴， 26-第一过渡轮， 27-第二过渡轮， 28-过渡传动件，

31-腱绳， 32-拉绳件，

41-第一簧件， 42-第二簧件，

51-第一主动轮 52-第一从动轮， 53-第一传动件，

61-第一关节轴， 62-第二关节轴，

63-轴承，

711-第一齿轮， 712-第一滑块， 713-第一齿条， 721-第二齿轮，

722-第二滑块， 723-第二齿条

81–物体， 82-支承面。

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。

本发明提供的齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个簧件和N-1个关节轮；所述电机与第一个指段固接；所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器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和拉绳件相连；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳的一端与拉绳件相连，腱绳的另一端与最后一个指段相连；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；第i个关节轴套设在第i个指段中，第i+1个指段套固在第i个关节轴上，第i个关节轮套接在第i个关节轴上，第i个簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括N-1个齿轮、N-1个齿条、N-1个滑块、第二传动机构、N-2个主动轮、N-2个从动轮和N-2个传动件；所述减速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关节轴相连，第j个主动轮套接在第j个关节轴上，第j个从动轮套接在第j+1个关节轴上，第j个传动件连接第j个主动轮与第j个从动轮；所述第j个传动件采用传动带、传动绳或链条；所述第j个主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个传动件、第j个主动轮和第j个从动轮三者之间能够配合形成传动关系；第i个齿轮套接在第i个关节轴上，第j个齿轮与第j个主动轮固接，所述第N-1个齿轮与第N-2个从动轮固接；第i个齿条与第i个齿轮形成啮合传动关系；第i个滑块滑动镶嵌在第i个指段中，所述第i个滑块与第i个齿条固接；所述第i个滑块与第i个关节轴相接触或离开一段距离；其中，N为大于1的自然数，i为1、2……或N-1，j为1、2……或N-2。

取N＝3，下面给出实施例进行详细说明。

本发明设计的齿条式多关节同步锁定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8和图9所示，包括第一指段11、第二指段12、第三指段13、电机21、减速器22、第一传动机构、腱绳31、拉绳件32、第一簧件41、第二簧件42、第一关节轴61、第二关节轴62和2个关节轮(本实施例中直接采用关节轴作为关节轮)；所述电机21与第一指段11固接；所述电机21的输出轴和减速器22的输入轴相连，所述减速器22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和拉绳件32相连；所述拉绳件32转动设置在第一指段11中；所述腱绳31的一端与拉绳件32相连，腱绳32的另一端与第三指段13相连；所述腱绳31绕过所有关节轮(本实施例中的关节轮直接采用关节轴)，腱绳31绕过第一关节轴61和第二关节轴62，腱绳31穿过中间的所有指段；所述第一关节轴61套设在第一指段11中，所述第二关节轴62套设在第二指段12中；所述第二指段12套固在第一关节轴61上，所述第三指段13套固在第二关节轴62上；所述第一簧件41的两端分别连接第一指段11和第二指段12，所述第二簧件42的两端分别连接第二指段12和第三指段13；所有所述关节轴相互平行；该装置还包括第一齿轮711、第二齿轮721、第一滑块712、第二滑块块722、第一齿条713、第二齿条723、第一过渡轮26、第二过渡轮27、过渡传动件28、第一主动轮51、第一从动轮52、第一传动件53；所述减速器22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关节轴61相连，所述第一主动轮51套接在第一关节轴61上，所述第一从动轮52套接在第二关节轴62上，所述第一传动件53连接第一主动轮51与第一从动轮52；所述第一传动件53采用传动带；所述第一主动轮51采用带轮，所述第一从动轮52采用带轮，所述第一传动件53、第一主动轮51和第一从动轮52三者之间能够配合形成传动关系；所述第一齿轮711与第一主动轮51固接，所述第二齿轮721与第一从动轮52固接；所述第一齿轮711套接在第一关节轴61上，第一齿轮711与第一主动轮51固接，所述第二齿轮721套接在第二关节轴62上，第二齿轮721与第一从动轮52固接；所述第一齿条713滑动镶嵌在第一指段11中，第一齿条713与第一齿轮711形成啮合传动关系；所述第一滑块712滑动镶嵌在第一指段11中，第一齿条713与第一滑块712固接；所述第二齿条723滑动镶嵌在第二指段12中，第二齿条723与第二齿轮721形成啮合传动关系；所述第二滑块722滑动镶嵌在第二指段12中，第二齿条723与第二滑块722固接；所述第一滑块712与第一关节轴61接触或离开一定距离，所述第二滑块722与第二关节轴62接触或离开一定距离。

所述第一滑块712滑动镶嵌在第一指段11中，是指：所述第二滑块712只能沿垂直于第一关节轴61的中心线方向滑动。

同理，所述第二滑块722滑动镶嵌在第二指段12中，即：所述第二滑块722只能沿垂直于第二关节轴62的中心线方向滑动。

本实施例中，不妨以第二指段12和第三指段13为例，第二滑块722滑动镶嵌在第二指段12中，第二滑块722与第二关节轴62接触挤压后产生很大的静摩擦力，使得第二关节轴62无法相对于第二指段12发生转动。因为第三指段13与第二关节轴62固接，所以在锁定后第三指段13无法相对于第二指段12发生转动。

本实施例中，不论抓取完成后指段之间角度位置如何，第二滑块722与第二关节轴62之间的距离和第一滑块712与第一关节轴61之间的距离始终不变，因此本装置在完成抓取后可达到同步锁定效果。

本实施例中，所述第一簧件41和第二簧件42均为扭簧，所述拉绳件32为绕线筒。

本发明所述齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，其特征在于：所述滑块部分或全部采用弹性材料。本实施例中，所述滑块全部采用弹性材料。

又一种实施例中，所述滑块局部表面为粗糙表面。

本实施例中，所述第一传动机构包括主动锥齿轮23、从动锥齿轮24和过渡轴25；所述过渡轴25套设在第一指段11中，所述拉绳件32固接在过渡轴25上，所述腱绳31的一端固接在拉绳件32的外缘；所述第一过渡轮26套接在过渡轴25上。

本实施例中，所述第二传动机构包括主动锥齿轮23、从动锥齿轮24、过渡轴25、第一过渡轮26、第二过渡轮27和过渡传动件28；所述过渡轴25套设在第一指段11中，所述第一过渡轮26固接在过渡轴25上，所述第二过渡轮27套接在第一关节轴61上；所述第一过渡轮26、第二过渡轮27和过渡从动件28三者之间能够配合形成传动关系。

本实施例的工作原理如图5、图6、图7、图10、图11、图12和图13所示，叙述如下：

图4至图6主要表达了该手指装置抓取物体的过程原理示意图。首先电机21开动，经减速器22、主动锥齿轮23、从动锥齿轮24和过渡轴25带动拉绳件32转动，使得腱绳31被拉紧，手指由弯曲状态被拉伸至伸直状态，准备抓取物体；接着电机21反向转动，使得拉绳件跟着反向转动，此时腱绳31被放松，第一簧件41和第二簧件42的弹性力使得手指逐渐弯曲；当腱绳31被完全放松后，在没有抓取物体的情况下手指完全弯曲成握紧状态，此时电机21接着转动，通过第二传动系统带动第一齿轮711和第二齿轮721反向转动，使得第一齿条713和第一滑块712沿垂直于第一关节轴61方向滑动，第二齿条723和第二滑块722沿垂直于第二关节轴62的方向滑动；第一滑块712与第一关节轴61接触挤压，第二滑块722与第二关节轴62接触挤压产生很强的静摩擦力，以此来锁定相应的关节，使得整个手指各相邻指段相对固定，可维持现有形状不变化；当电机21再次正向转动时，第一齿轮711和第二齿轮721正向转动，使得滑块垂直于关节轴轴线向远离关节轴方向滑动，相应的滑块和关节轴不再接触，以此便完成了解除锁定的过程。

图7表达了第二簧件42的具体所在位置的剖面示意图，在本实施例中，簧件为扭簧，簧件套设在第二关节轴62上，径向伸出的两部分一个部分与第三指段13相连，另一部分与第二指段12相连。初始状态下径向伸出的两部分互相垂直，使得手指呈弯曲形态，当腱绳31被完全拉紧后扭簧伸出的两部分共线，此时手指呈伸直形态。图7所示的是手指伸直时第二簧件42所呈现的状态。第一簧件41和图7中的第二簧件情况类似。

图8是第二关节轴上各部件的相对位置关系图，第二关节轴62套设在第二指段12上，第一从动轮52套接在第二关节轴62上，第二齿轮721套接在第二关节轴62上，第二齿轮721与第一从动轮52固接；第二齿条723与第二齿轮721之间形成啮合传动关系，第二齿条723滑动镶嵌在第二指段12中；第二滑块722与第二齿条723固接，第二滑块722滑动镶嵌在第二指段中，第二滑块722与第三指段13接触或离开一定距离。

图9和图10分别表达了手指在未锁定和锁定两种状态下的第二关节处的剖视图。当电机21通过第二传动机构带动第一齿轮711、第二齿轮721反向转动，使得第二齿条723带动第二滑块722向第二关节轴62滑动，直至第二滑块722与第二关节轴62接触挤压。由于两者表面在本实施例中采用弹性材料，故两者会产生很强的静摩擦力，使得第二指段12和第三指段13很难接着互相转动，这样就形成了锁定关节的效果。

本实施例的工作过程如图14至图22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14、图15、图16所示，为较小尺寸物体抓取过程。首先，拉动腱绳31使手指伸直，接着移动手指使其靠近物体；放松腱绳31，手指逐渐弯曲，第一指段11和第二指段12先后接触到物体以后，第一簧件不再回复，第一关节轴61停止转动；当第三指段13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17、图18、图19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。该装置先自适应包络(包裹)抓取物体，然后，在其他手指的配合下，可以将物体较好的拿取。

第三种情况如图20、图21、图22所示，为抓取重量较大物体并移动的过程。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31；当腱绳31完全放松后，电机21通过第二传动机构带动第一齿轮711，第二齿轮721继续转动，第一齿条713和第一滑块712、第二齿条723和第二滑块722分别向第一关节轴61、第二关节轴62靠近直至两者接触挤压，此时两个关节被锁定。通过自适应抓取加多关节同步锁定两个过程，使得手指可以抓取较重物体，且抓取过程快速、稳定。

该装置利用电机、腱绳、簧件、轮式传动机构和齿轮齿条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，锁定装置具有自锁效果，锁定后的手指装置可近似看作一个刚体，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；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。

Claims (3)

1.一种齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，包括电机、减速器、第一传动机构、腱绳、拉绳件、N个指段、N-1个关节轴、N-1个簧件和N-1个关节轮；所述电机与第一个指段固接；所述电机的输出轴和减速器的输入轴相连，所述减速器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和拉绳件相连；所述拉绳件滑动或转动设置在第一指段中；所述腱绳的一端与拉绳件相连，腱绳的另一端与最后一个指段相连；所述腱绳绕过所有关节轮，腱绳穿过中间的所有指段；第i个关节轴套设在第i个指段中，第i+1个指段套固在第i个关节轴上，第i个关节轮套接在第i个关节轴上，第i个簧件的两端分别连接第i个指段和第i+1个指段；所有所述关节轴相互平行；其特征在于：该装置包括N-1个齿轮、N-1个齿条、N-1个滑块、第二传动机构、N-2个主动轮、N-2个从动轮和N-2个传动件；所述减速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关节轴相连，第j个主动轮套接在第j个关节轴上，第j个从动轮套接在第j+1个关节轴上，第j个传动件连接第j个主动轮与第j个从动轮；所述第j个传动件采用传动带、传动绳或链条；所述第j个主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第j个传动件、第j个主动轮和第j个从动轮三者之间能够配合形成传动关系；第i个齿轮套接在第i个关节轴上，第j个齿轮与第j个主动轮固接，第N-1个齿轮与第N-2个从动轮固接；第i个齿条与第i个齿轮形成啮合传动关系；第i个滑块滑动镶嵌在第i个指段中，所述第i个滑块与第i个齿条固接；所述第i个滑块与第i个关节轴相接触或离开一段距离；其中，N为大于1的自然数，i为1、2……或N-1，j为1、2……或N-2。

2.如权利要求1所述齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，其特征在于：所述滑块的整体或局部采用弹性材料。

3.如权利要求1所述齿条式多关节同步锁定自适应机器人手指装置，其特征在于：所述滑块的局部表面为粗糙表面。