CN106393161A - 双齿条平夹间接自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

双齿条平夹间接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、电机、三个齿轮、两个齿条、滑块、凸块拨盘、簧件和限位凸块等。该装置综合实现了平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑住，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

双齿条平夹间接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，特别涉及一种双齿条平夹间接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。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双齿条平夹间接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：

本发明设计的双齿条平夹间接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、远关节轴和电机；所述电机与基座固接；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：该双齿条平夹间接自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、滑块、凸块拨盘、簧件和限位凸块；所述第一指段套固在近关节轴上；所述第二指段套固在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；所述电机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近关节轴相连；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中间轴上，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮与第一齿条啮合，所述第一齿条固接在滑块的下方，所述第二齿条固接在滑块的上方，所述第二齿条与第三齿轮啮合，所述滑块滑动镶嵌在第一指段中；所述第三齿轮套固在远关节轴上，所述第三齿轮与第二指段固接；所述中间轴套设在第一指段中；所述第一齿轮与凸块拨盘固接，所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上；所述限位凸块与基座固接；所述凸块拨盘与限位凸块相接触或离开一段距离；所述簧件的两端分别连接凸块拨盘和基座；所述第一齿轮与第二齿轮的传动比为1，所述第二齿轮与第三齿轮的分度圆直径相等。

本发明所述的双齿条平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、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：

本发明装置利用电机、齿轮传动机构、两个齿条、滑块、簧件、凸块拨盘和限位凸块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的双齿条平夹间接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所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的右视图)。

图5是图2的A-A剖视图。

图6是图2的B-B剖视图。

图7是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)，与图7的观察角度不同。

图9至图13是图1所示实施例在以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所示实施例抓取物体的另一种方式——平行开合用第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图17至图19是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程中几个关键位置时，凸块拨盘、簧件与限位凸块的相对位置的变化情况。

在图1至图19中：

1－基座，2－第一指段，21－第一指段表面板，3－第二指段，

4－近关节轴，5－远关节轴，6－第一齿轮，7－第二齿轮，

71－中间轴，8－第三齿轮，9－第一齿条，10－第二齿条，

11－滑块，12－凸块拨盘，13－簧件，14－电机，

141－减速器，142－第一锥齿轮，143－第二锥齿轮，144－过渡轴，

145－第一带轮，146－第二带轮，147－传动带，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。

本发明设计的双齿条平夹间接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和电机14；所述电机14与基座1固接；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；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；该双齿条平夹间接自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一齿轮6、第二齿轮7、第三齿轮8、第一齿条9、第二齿条10、滑块11、凸块拨盘12、簧件13和限位凸块18；所述第一指段2套固在近关节轴4上；所述第二指段3套固在远关节轴5上；所述传动机构设置在基座1中；所述电机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近关节轴4相连；所述第一齿轮6活动套接在近关节轴4上，所述第二齿轮7套接在中间轴71上，所述第二齿轮7与第一齿轮6啮合，所述第二齿轮7与第一齿条9啮合，所述第一齿条9固接在滑块11的下方，所述第二齿条10固接在滑块11的上方，所述第二齿条10与第三齿轮8啮合，所述滑块11滑动镶嵌在第一指段2中；所述第三齿轮8套固在远关节轴5上，所述第三齿轮8与第二指段3固接；所述中间轴71套设在第一指段2中；所述第一齿轮6与凸块拨盘12固接，所述凸块拨盘12活动套接在近关节轴4上；所述限位凸块18与基座1固接；所述凸块拨盘12与限位凸块18相接触或离开一段距离；所述簧件13的两端分别连接凸块拨盘12和基座1；所述第一齿轮6与第二齿轮7的传动比为1，所述第二齿轮7与第三齿轮8的分度圆直径相等。

本发明所述的双齿条平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述簧件13采用拉簧。

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、过渡轴144、第一带轮145、第二带轮146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套固在过渡轴144上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合；所述过渡轴144套设在基座1中，所述第一带轮145套固在过渡轴144上，所述第二带轮146套固在近关节轴4上，所述传动带147连接第一带轮145和第二带轮146，所述传动带147、第一带轮145和第二带轮146形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。

本实施例的工作原理，结合附图9至图19，叙述如下：

本实施例中，将初始位置设置为手指伸直的状态(如图9所示)。

本实施例中，当电机14开始转动，通过第一锥齿轮142和第二锥齿轮143的传动，带动第一带轮145转动，第一带轮145与第二带轮146通过传动带147相连，由于第二带轮146固接在近关节轴4上，第二带轮146带动近关节轴4正转，第一指段2绕近关节轴正转；由于第一齿轮6与凸块拨盘12固接，凸块拨盘12与限位凸块18分别连接在簧件13的两端；由于簧件13的拉动，凸块拨盘12不动，第一齿轮6在第一指段2正转时不会转动，由于第二齿轮7与第一齿轮6呈齿轮啮合关系，第二齿轮7会随第一指段2的正转而正转；由于第二齿轮7与第一齿条9啮合，第二齿轮7正转会使第一齿条9正向平移(相对于第一指段，第一齿条会发生向手指外凸出的平动)，由于第一齿条9与第二齿条10分别固接在滑块11的上下两侧，当第一齿条9向外(正向)平移时，通过滑块11的传递，第二齿条10同时向外(正向)平移，由于第二齿条10与第三齿轮8啮合，第三齿轮8会随第二齿条10的向外(正向)平移而反向转动，由于本实施例中，第一齿轮6到第三齿轮8的传动比为1，所以第一齿轮6正向转动的角度与第三齿轮8反向转动的角度相等，所以第二指段3相对于基座1只进行平移运动而不会旋转，始终保持着原有的姿态。这是平行夹持的阶段(如图9、图10、图11、图14、图15、图16、图17)。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体17，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体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。

当第一指段表面板21接触物体17而被物体17挤压，滑块11向手指内部收缩时，将进入自适应包络的第二阶段(如图12、图13、图18和图19所示)，这时电机14通过传动机构的传动，带动近关节轴4转动，第一指段2继续向物体转动，物体反作用力挤压第一指段表面板21，第一指段表面板21向手指内部收缩，滑块11向内滑动，由于第一齿条9和第二齿条10分别固接在滑块11上下两侧，第二齿条10使第三齿轮8绕远关节轴5正向转动，由于第二指段3与远关节轴5固接，第二指段3正向转动；通过滑块11带动第一齿条9，第一齿条9带动第二齿轮7反向转动，第二齿轮7与第一齿轮6啮合，第一齿轮6随第二齿轮7的反向转动而正向转动，第一齿轮6带动凸块拨盘12绕近关节轴4转动，簧件13发生变形(如图12、图18所示)，此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线继续正向转动，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。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。

图9至图13是图1所示实施例以包络握持的方式抓取物体17的动作过程示意图，其中，图9为初始状态，图9至图11为第一指段2接触到物体17之前的动作过程——平行开合方式动作，图11为第一指段2刚接触到物体的情况，图12至图13为第一指段2接触到物体17之后的动作过程——自适应包络物体，直到第二指段3接触物体，如图13所示，抓取结束。

图14至图16是图1所示实施例抓取物体17的另一种可能方式——平行捏持物体的典型动作过程，直到第二指段3接触物体14，如图16所示，抓取结束。

图17至图19是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程中的几个关键位置，展示出凸块拨盘12与限位凸块18的相对位置的变化情况：1)图17所示的情况是图9、图10、图11、图14、图15和图16的凸块拨盘的位置情况，此时本实施例处在初始位置或者仅弯曲了第一指段，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的固定姿态(例如本实施例中的竖直的初始姿态)，这种情况一直持续到图16的夹持抓取结束，或者持续到图11的包络抓取开始；2)图18对应于图12的情况，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，在电机14与被抓取物体反作用力的驱动作用下，通过传动机构、第一齿轮6、第二齿轮7、第一齿条9、滑块11、第二齿条10和第三齿轮8的传动，第二指段3已经绕远关节轴5正向转动一个角度(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，通过第二齿轮7、滑块11、第一齿条9和凸块拨盘12,，拉动簧件12发生了变形，凸块拨盘12离开了原来一直接触的限位凸块18；3)图19对应于图13的凸块拨盘的位置情况，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18的情况相比，图19中的凸块拨盘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。

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。

本发明装置利用电机、齿轮传动机构、两个齿条、滑块、簧件、凸块拨盘和限位凸块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持及自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Claims (2)

1.一种双齿条平夹间接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、远关节轴和电机；所述电机与基座固接；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：该双齿条平夹间接自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、滑块、凸块拨盘、簧件和限位凸块；所述第一指段套固在近关节轴上；所述第二指段套固在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；所述电机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近关节轴相连；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中间轴上，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮与第一齿条啮合，所述第一齿条固接在滑块的下方，所述第二齿条固接在滑块的上方，所述第二齿条与第三齿轮啮合，所述滑块滑动镶嵌在第一指段中；所述第三齿轮套固在远关节轴上，所述第三齿轮与第二指段固接；所述中间轴套设在第一指段中；所述第一齿轮与凸块拨盘固接，所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上；所述限位凸块与基座固接；所述凸块拨盘与限位凸块相接触或离开一段距离；所述簧件的两端分别连接凸块拨盘和基座；所述第一齿轮与第二齿轮的传动比为1，所述第二齿轮与第三齿轮的分度圆直径相等。

2.如权利要求1所述的双齿条平夹间接自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。