CN105798936B

CN105798936B - 空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN105798936B
Application number: CN201610346371.4A
Authority: CN
Inventors: 齐景辰; 马艺妮; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: CN105798936A

Abstract

空程接触式齿轮平夹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、齿轮传动机构、凸块拨盘、拨轮、两个簧件和限位凸块。该装置利用驱动器、齿轮传动机构、两个簧件、凸块拨盘、限位凸块和拨轮等综合实现了双关节机器人手指平行夹持与自适应抓取的功能；由于拨轮上的传动凸块与凸块拨盘上的第二凸块之间有一段空程，在第一指段转动时第二指段保持平动而不相对于基座转动，达到了平行夹持抓取功能；当第一指段接触物体被阻挡后，经过一段很小的时间，拨轮上的传动凸块会接触并拨动凸块拨盘上的第二凸块，从而驱动第一齿轮转动，经过齿轮组、第二齿轮的传动，带动第二指段转动，达到了自适应抓取功能。

Description

空程接触式齿轮平夹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，特别涉及一种空程接触式齿轮平夹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。

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末端平行的夹持方式，难以具有包络握持功能，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，但是无法实施末端平行夹持抓取，例如，已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。该欠驱动机械手指装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端平行夹持抓取效果。

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、弹簧和机械约束等。该装置实现了平夹自适应抓取模式。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，该装置仅能实现平夹自适应抓取模式，无法实现耦合自适应抓取模式；此外，它采用非常复杂的多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既能平动第二指段夹持物体，也能先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的空程接触式齿轮平夹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；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置还包括传动机构、拨轮、第一齿轮、第二齿轮、传动齿轮组、凸块拨盘、第一簧件、第二簧件和限位凸块；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；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拨轮相连；所述拨轮活动套接在近关节轴上；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮啮合；通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上，所述凸块拨盘与第一齿轮固接；所述凸块拨盘包括拨盘、第一凸块和第二凸块；所述第一凸块、第二凸块分别与拨盘固接；所述限位凸块与基座固接；所述第一凸块与限位凸块相接触或离开一段距离；所述拨轮包括固接的传动凸块；所述第二凸块与传动凸块相接触或离开一段距离；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；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一凸块与限位凸块接触，设此时凸块拨盘相对基座的旋转角度为0度，从该初始状态的位置开始，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；所述第一簧件的两端分别连接凸块拨盘和基座；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述第二凸块与传动凸块离开一段距离；在拨轮转动范围内，传动凸块会接触到第二凸块；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹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。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧、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、齿轮传动机构、两个簧件、凸块拨盘、限位凸块和拨轮等综合实现了双关节机器人手指平行夹持与自适应抓取的功能；由于拨轮上的传动凸块与凸块拨盘上的第二凸块之间有一段空程，在第一指段转动时第二指段保持平动而不相对于基座转动，达到了平行夹持抓取功能；当第一指段接触物体被阻挡后，经过一段很小的时间，拨轮上的传动凸块会接触并拨动凸块拨盘上的第二凸块，从而驱动第一齿轮转动，经过齿轮组、第二齿轮的传动，带动第二指段转动，达到了自适应抓取功能。该装置根据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自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大，抓取稳定可靠；仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统；该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的空程接触式齿轮平夹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所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的正视图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。

图5是图1所示实施例中部分零件位置图。

图6是图1所示实施例中部分零件位置图。

图7是图1所示实施例中部分零件位置图。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9至图13是图1所示实施例在以自适应包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图14至图16是图1所示实施例在以平行夹持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图17、图18是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，凸块拨盘、第一簧件与限位凸块的相对位置的变化情况。

图19至图22是图1所示实施例在自适应包络握持方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，拨轮、凸块拨盘的相对位置的变化情况。

在图1至图22中：

1－基座，111－基座前板，112－基座后板，113－基座左侧板，

114－基座右侧板，115－基座表面板，116－基座底板，2－第一指段，

21－第一指段表面板， 22－第一指段左侧板， 23－第一指段右侧板，24－第一指段前板，

25－第一指段后板，3－第二指段，4－近关节轴，5－远关节轴，

83－轴承，84－套筒，85－螺钉，86－销钉，

9－第一齿轮，10－第二齿轮，11－传动齿轮组，91－第一中间齿轮，

92－第二中间齿轮，93－第三中间齿轮，911－第一中间齿轮轴，921－第二中间齿轮轴，

931－第三中间齿轮轴，

12－凸块拨盘，121－第一凸块，122－第二凸块，

13－第一簧件，14－驱动器(电机)，141－减速器，142－第一锥齿轮，

143－第二锥齿轮，144－过渡齿轮轴，145－过渡带轮，147－传动带，

15－拨轮，151－传动凸块，16－第二簧件，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。

本发明设计的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8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、拨轮15、第一齿轮9、第二齿轮10、传动齿轮组11、凸块拨盘12、第一簧件13、第二簧件16和限位凸块18；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述传动机构设置在基座1中；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拨轮相连；所述拨轮活动套接在近关节轴4上。

本实施例中，所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮啮合；通过传动齿轮组11的传动，从第一齿轮9到第二齿轮10的传动是同向传动且传动比等于1。

本实施例中，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与第一齿轮9固接。所述凸块拨盘包括拨盘、第一凸块和第二凸块；所述第一凸块、第二凸块分别与拨盘固接；所述限位凸块18与基座1固接；所述第一凸块与限位凸块18相接触或离开一段距离，如图6、图17和图18所示；所述拨轮包括固接的传动凸块。所述第二凸块与传动凸块相接触或离开一段距离，如图7、图19、图20、图21和图22所示；设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向(如图9中的顺时针的箭头方向)，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态(如图9、图14所示的伸直状态)时，第一凸块与限位凸块18接触，设此时凸块拨盘12相对基座1的旋转角度为0度(如图6所示)，从该初始状态的位置开始，凸块拨盘12朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，凸块拨盘12朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述限位凸块18限制凸块拨盘12的转动角度只能为正，即凸块拨盘12只能沿着如图17所示的箭头指示方向转动。所述第一簧件13的两端分别连接凸块拨盘12和基座1，第一簧件13使凸块拨盘12靠向限位凸块18；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述第二凸块与传动凸块离开一段距离，如图7所示；在拨轮转动范围内，传动凸块会接触到第二凸块，如图19至图22所示；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段，如图4所示。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹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。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第一簧件13采用拉簧。

本发明所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第二簧件16采用扭簧。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115和基座底板116。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段表面板21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23、第一指段前板24和第一指段后板25。

本实施例中，所述传动齿轮组11包括第一中间齿轮91、第二中间齿轮92、第三中间齿轮93、第一中间齿轮轴911、第二中间齿轮轴921和第三中间齿轮轴931。所述第一中间齿轮91与第一齿轮啮合，所述第二中间齿轮92与第一中间齿轮91啮合，所述第三中间齿轮93与第二中间齿轮92啮合，所述第二齿轮与第三中间齿轮93啮合；所述第一中间齿轮91、第二中间齿轮92和第三中间齿轮93分别套接在第一中间齿轮轴911、第二中间齿轮轴921和第三中间齿轮轴931上。

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、过渡齿轮轴144、过渡带轮145和传动带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，所述第二锥齿轮143套固在过渡齿轮轴144上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合；所述过渡齿轮轴144套设在基座1中，所述过渡带轮145套固在过渡齿轮轴144上，所述传动带147连接过渡带轮145和拨轮15，所述传动带147、过渡带轮145和拨轮15形成带轮传动关系。

本实施例中，所述传动机构可以是其他的很多种常规的传动机构，例如齿轮传动机构、带轮传动机构等等，还可以是一级传动机构或二级以上的传动机构，只要将驱动器(电机)的动力传递给拨轮即可。

本实施例还包括若干轴承83、若干套筒84、若干螺钉85和若干销钉86等，属公知技术，不赘述。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图1、图5、图6和图7所示。

电机14转动，通过减速机141带动第一锥齿轮142，带动第二锥齿轮143，带动过渡齿轮轴144，带动过渡带轮145，通过传动带147驱动拨轮15转动，通过第二簧件16拉动第一指段2绕关节轴4转动，实现第一关节转动；此时，传动凸块151还没有接触第二凸块122，第一簧件13拉着凸块拨盘12使其紧靠在限位凸块18上，由于凸块拨盘12与第一齿轮9固接，所以第一齿轮9保持初始姿态不变；此时，在第一齿轮9、第二齿轮10、传动齿轮组11和第一指段2的作用下，第二齿轮10和第二指段3仍然保持初始姿态，原因是：通过传动齿轮组11的传动，从第一齿轮9到第二齿轮10的传动是同向传动且传动比等于1，所以当第一指段2绕近关节轴4转动且第一齿轮9不动时，第二齿轮10相对基座1只进行平移运动而不会旋转，由于第二齿轮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，始终保持着原有的姿态。

a)第二指段2接触物体17的平行夹持(也称平行开合或平夹)抓取模式：

如果此时第二指段2接触物体17，则是平行夹持抓取模式。动作过程如图14至图16所示。

电机14继续转动，拨轮15继续转动但传动凸块151还没有接触第二凸块122时，第二簧件16发生较大变形，第二簧件16的变形弹力(该力称为F₁)，通过第一指段2、远关节轴5等施加到了第二指段3对物体17的抓持力中，如果抓持力足够，电机14停转，抓取结束。

在上述过程之后，如果抓持力不够，拨轮15继续转动一个角度，此时第二簧件16发生了更大变形，F₁更大；同时，传动凸块151接触第二凸块122并施加一个力(该力称为F₂)给第二凸块122，F₂通过第一齿轮9、传动齿轮组11和第二齿轮10施加到了第二指段3对物体17的抓持力中(需要扣除第一簧件的变形弹力对抓持力的影响)，电机14停转，抓取结束。

平行夹持抓取模式适合以第二指段3去夹持物体17，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外撑取物体17。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。

b)第一指段2接触物体17的自适应抓取模式：

第一阶段的平夹抓取与第二阶段的自适应抓取合称为平夹自适应抓取模式。

当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动，将自动进入自适应抓取阶段。电机14继续转动，拨轮15继续转动，但传动凸块151还没有接触第二凸块122时，第二簧件16发生较大变形，第二簧件16的变形弹力(该力称为F₁)，施加到第一指段2对物体17的抓持力中。

电机14继续转动，拨轮15继续转动一个角度，此时第二簧件16发生了更大变形，F₁更大；同时，传动凸块16接触第二凸块122并推动第二凸块122，凸块拨盘12和第一齿轮9在克服第一簧件13变形弹力发生转动，通过传动齿轮组11带动第二齿轮10和第二指段3绕远关节轴5转动，直到第二指段3接触物体17并施加抓持力，电机14停转，抓取结束，完成自适应包络抓取物体的效果。动作过程如图9至13所示。

针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体。

在上述过程中，当凸块拨盘12的旋转角度为正时，在传动齿轮组11的作用下，第二齿轮10和第二指段3相对于第一指段2的旋转角度等于第一齿轮9和凸块拨盘12相对于第一指段2的旋转角度。

图6是图9、图10和图11的凸块拨盘12、限位凸块18和第一簧件的情况。此时本实施例处在初始位置或者仅弯曲了第一指段，第一簧件13使凸块拨盘12与限位凸块18相接触，第二指段3处于相对于基座1的固定初始姿态，这种情况一直持续到图11的包络抓取开始，或者图16的夹持抓取结束。

图17是图12的凸块拨盘12、限位凸块18和第一簧件的相对位置变化情况。此时本实施例的第一指段2已经接触到物体17被阻挡而不能运动，在驱动器14的驱动作用下，第二指段3已经绕远关节轴5转动一个角度(相对于基座1转动)，第二指段3已经不再保持原来竖直的初始姿态，凸块拨盘12离开了原来一直接触的限位凸块18。

图18是图13的凸块拨盘12、限位凸块18和第一簧件的相对位置变化情况。此时本实施例完成对物体的两个指段的接触——实现自适应包络抓取，对不同形状尺寸的物体能够自动包络抓取，抓取稳定；与图17的情况相比，凸块拨盘12转动到了更大的角度，离开限位凸块18更远的距离，第二指段3也转动了与凸块拨盘12的转角相同的角度。

图19、图20是图11的传动凸块和第二凸块的位置情况。图21是图12的传动凸块和第二凸块的位置情况。图22是图13的传动凸块和第二凸块的位置情况。

释放物体17的过程：电机14反转，后续过程与上述抓取物体17的过程刚好相反，不再赘述。

Claims

1.一种空程接触式齿轮平夹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；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置还包括传动机构、拨轮、第一齿轮、第二齿轮、传动齿轮组、凸块拨盘、第一簧件、第二簧件和限位凸块；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；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拨轮相连；所述拨轮活动套接在近关节轴上；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮啮合；通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上，所述凸块拨盘与第一齿轮固接；所述凸块拨盘包括拨盘、第一凸块和第二凸块；所述第一凸块、第二凸块分别与拨盘固接；所述限位凸块与基座固接；所述第一凸块与限位凸块相接触或离开一段距离；所述拨轮包括固接的传动凸块；所述第二凸块与传动凸块相接触或离开一段距离；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；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一凸块与限位凸块接触，设此时凸块拨盘相对基座的旋转角度为0度，从该初始状态的位置开始，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；所述第一簧件的两端分别连接凸块拨盘和基座；在该空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述第二凸块与传动凸块离开一段距离；在拨轮转动范围内，传动凸块会接触到第二凸块；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段。

2.如权利要求1所述的空程接触式齿轮平夹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所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

4.如权利要求1所述的空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。