CN106671113A

CN106671113A - 平动空程传动耦合自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN106671113A
Application number: CN201710073932.2A
Authority: CN
Inventors: 党丽楠; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: CN106671113B

Abstract

平动空程传动耦合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、传动机构、三个齿轮、三个齿条、两个簧件、两个拨杆和两个凸块。该装置综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；该装置传动精确平稳，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；同时结构简单、传动链短、零件数量少，体积小、重量轻，装配容易、制造成本低。

Description

平动空程传动耦合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，特别涉及一种平动空程传动耦合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是一个重要的终端部件，用于抓取物体和操作物体，它一般具有多个手指和手掌，核心是如何更好地抓取物体。现有的欠驱动机器人手技术主要是采用少量电机驱动多个关节，分为两种主要的方法：当关节同时转动时机器人手指可以获得稳定的末端捏持抓取效果，这种驱动是精确抓取模式，也称为耦合转动模式；当需要较大力量时，一般需要多个指段接触包络物体，这种驱动是力量型抓取模式，也称为自适应抓取模式。这两种抓取模式各有优缺点，它们都能够实现一个电机驱动两个关节，减少控制难度，降低对系统的传感与控制需求，成本低，同时，这类机器人手重量小，体积小，应用领域广。

已有将耦合与自适应两种抓取模式结合起来的机器人手被设计出来(中国发明专利CN106041920A)。耦合与自适应相结合的复合抓取模式是将耦合过程安排在自适应抓取之前，这样，该手指的双关节先同时转动成比例角度，在物体碰触近指段后再转动末端指段达到包络的效果(如果物体在耦合阶段先接触末端指段，则抓取结束)。这种机器人手分别具备耦合抓取效果和自适应抓取效果，而且还具有先耦合再自适应的复合抓取模式，是一种很好的机器人手。该机器人手指装置包括两根柔性件、主动传动轮、从动传动轮、一对齿轮传动机构、一对带轮传动机构和一对具有空行程凸块的传动件、两个簧件等，综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，但是存在以下不足：1)柔性件容易松弛变形，传动不精确，需要张紧和经常调节，容易疲劳，寿命短；2)该装置传动链长、传动复杂，零件数量多，体积大、重量大，装配复杂，制造成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种平动空程传动耦合自适应机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合抓取模式，既能联动两个关节用末端捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；无需复杂的传感和控制系统；同时结构简单、传动链短、零件数量少、传动精确平稳、体积小、重量轻、装配容易、制造成本低。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种平动空程传动耦合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、驱动器和传动机构；所述近关节轴活动套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述驱动器与基座固接；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近关节轴相连；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：该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置还包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第一拨杆、第二拨杆、第一簧件、第二簧件、第一凸块和第二凸块；所述第一齿轮套固在近关节轴上，所述第二齿轮活动套接在近关节轴上，所述第三齿轮套接在远关节轴上，所述第三齿轮与第二指段固接；所述第一齿条滑动镶嵌在第一指段中；所述第二齿条滑动镶嵌在第一指段中，第一齿条、第二齿条各自在第一指段中的滑动方向相同；所述第一齿条与第一齿轮啮合，所述第二齿条与第二齿轮啮合，所述第三齿条与第三齿轮啮合；所述第二齿条与第三齿条固接；设所述第一齿条与第一齿轮的啮合点为A点，所述第二齿条与第二齿轮的啮合点为B点，第三齿条与第三齿轮的啮合点为C点，近关节轴的中心点为M点，远关节轴的中心点为N点，线段MB、BC、CN、NM构成“8”字形，A点、B点位于近关节轴的两侧；所述第一凸块与基座固接，所述第二凸块与第二齿轮固接；所述第一拨杆与第一齿条固接，所述第二拨杆与第三齿条固接；所述第一凸块与第二凸块接触或离开一段距离，所述第一拨杆与第二拨杆在行程范围内接触；在该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一凸块与第二凸块接触，第一拨杆与第二拨杆离开一段距离；所述第一簧件的两端分别连接近关节轴和第一指段，所述第二簧件的两端分别连接基座和第二齿轮并使得第二凸块靠向第一凸块。

本发明所述的平动空程传动耦合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。

本发明所述的平动空程传动耦合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或扭簧。

本发明所述的平动空程传动耦合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或扭簧。

本发明所述的平动空程传动耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一带轮、第二带轮和传动带；所述驱动器的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一带轮套固在减速器的输出轴上，所述第二带轮套固在近关节轴上，所述传动带分别连接第一带轮和第二带轮，所述传动带、第一带轮和第二带轮三者之间配合形成带轮传动关系；所述传动带形成“O”字形。

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、传动机构、三个齿轮、三个齿条、两个簧件、两个拨杆和两个凸块等综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；该装置传动精确平稳，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；同时结构简单、传动链短、零件数量少，体积小、重量轻，装配容易、制造成本低。

附图说明

图1是本发明设计的平动空程传动耦合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的右视图)。

图4是图1所示实施例中的立体外观图(未画出基座前板、基座右侧板、第一指段前板、第一指段右侧板)。

图5是图1所示实施例的正视图(未画出基座前板、第一指段前板)。

图6是图2所示实施例中A－A剖视图。

图7是图3所示实施例中B－B剖视图。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9至图12是图1所示实施例在以耦合与自适应复合抓取方式抓取物体的动作过程示意图。

图13是图9至图12所示实施例几个关键位置时，从第一指段视角观察第一齿条、第二齿条、第三齿条、第一拨杆与第二拨杆的相对位置的变化情况，其中线段PQ为近关节轴的中心线。

图14是图1所示实施例在初始状态以及耦合抓取阶段时，第二凸块接触第一凸块的状态。

图15是图1所示实施例在自适应抓取阶段时，第二凸块相对于第一凸块转动离开了一个角度的情况，此时，第二簧件被拉伸。

图16至图18是图1所示实施例在以单纯耦合方式捏持物体的动作过程示意图，第二指段接触物体。

图19是图1所示实施例的机构原理示意图。

在图1至图19中：

1－基座，101－基座前板，102－基座左侧板，103－基座右侧板，

104－基座后板，105－基座底板，11－第一凸块，12－电机，

2－第一指段，201－第一指段前板，202－第一指段左侧板，203－第一指段右侧板，

204－第一指段后板，205－第一指段骨架板，3－第二指段，4－近关节轴，

5－远关节轴，61－减速器，62－第一带轮，63－传动带，

64－第二带轮，71－第一齿轮，72－第二齿轮，721－第二凸块，

73－第三齿轮，81－第一齿条，82－第二齿条，83－第三齿条，

811－第一拨杆，831－第二拨杆，91－第一簧件，92－第二簧件，

99－物体。

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。

本发明设计的平动空程传动耦合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12和传动机构；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述远关节轴5套设在第一指段2中；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述驱动器12与基座1固接；所述传动机构设置在基座1中；所述驱动器12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；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置还包括第一齿轮71、第二齿轮72、第三齿轮73、第一齿条81、第二齿条82、第三齿条83、第一拨杆811、第二拨杆831、第一簧件91、第二簧件92、第一凸块11和第二凸块721；所述第一齿轮71套固在近关节轴4上，所述第二齿轮72活动套接在近关节轴4上，所述第三齿轮73套接在远关节轴5上，所述第三齿轮73与第二指段3固接；所述第一齿条81滑动镶嵌在第一指段2中；所述第二齿条82滑动镶嵌在第一指段2中，第一齿条81、第二齿条82各自在第一指段2中的滑动方向相同；所述第一齿条81与第一齿轮71啮合，所述第二齿条82与第二齿轮72啮合，所述第三齿条83与第三齿轮73啮合；所述第二齿条82与第三齿条83固接；设所述第一齿条81与第一齿轮71的啮合点为A点，所述第二齿条82与第二齿轮72的啮合点为B点，第三齿条83与第三齿轮73的啮合点为C点，近关节轴4的中心点为M点，远关节轴5的中心点为N点，线段MB、BC、CN、NM构成“8”字形，A点、B点位于近关节轴4的两侧；所述第一凸块11与基座1固接，所述第二凸块721与第二齿轮72固接；所述第一拨杆811与第一齿条81固接，所述第二拨杆831与第三齿条83固接；所述第一凸块11与第二凸块721接触或离开一段距离，所述第一拨杆811与第二拨杆831在行程范围内接触；在该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一凸块11与第二凸块721接触，第一拨杆811与第二拨杆831离开一段距离；所述第一簧件91的两端分别连接近关节轴4和第一指段2，所述第二簧件92的两端分别连接基座1和第二齿轮72并使得第二凸块721靠向第一凸块11。

本发明所述的平动空程传动耦合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。本实施例中，所述驱动器采用电机12。

本发明所述的平动空程传动耦合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或扭簧。本实施例中，所述第一簧件91采用拉簧。

本发明所述的平动空程传动耦合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或扭簧。本实施例中，所述第二簧件92采用扭簧。

本实施例中，所述传动机构包括减速器61、第一带轮62、传动带63和第二带轮64；所述驱动器12的输出轴与减速器61的输入轴相连，所述第一带轮62套固在在减速器61的输出轴上，所述第二带轮64套固在近关节轴4上，所述传动带63分别连接第一带轮62和第二带轮64，所述传动带63、第一带轮62和第二带轮64三者之间配合形成带轮传动关系；所述传动带形成“O”字形。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板101、基座左侧板102、基座右侧板103和基座后板104。

本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段前板201、第一指段左侧板202、第一指段右侧板203、第一指段后板204和第一指段骨架板205。

本实施例的机构原理示意图如图19所示。

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，在初始状态时，该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置呈伸直状态，如图1所示，此时第二簧件92拉动第二凸块721使其紧靠在第一凸块11上，第二凸块721与第一凸块11接触，由于第二凸块721与第二齿轮72固接，所以第二齿轮72保持初始状态，暂时“固定”于基座上。

电机12正转，通过减速器61带动第一带轮62转动，通过传动带63驱动第二带轮64转动，通过第一簧件91拉动第一指段2绕近关节轴4正转，第一指段2转动靠向抓取物体99。

此时，由于第二簧件92的作用，第二齿轮72与第二凸块721相对于基座1保持初始姿态不变；同时，由于第二齿轮72，第三齿轮73，第二齿条82，第三齿条83，第一指段2构成特殊的齿条传动机构，其中线段MB、BC、CN、NM构成“8”字形，就会使得第一指段2正转一个角度时，第三齿轮73耦合转动一个角度，当第二齿轮72和第三齿轮73分度圆直径相等时，达到1:1耦合。

由于第二指段3与第三齿轮73固接，第二指段3将相对于第一指段2正转一个角度，达到第二指段3与第一指段2同时转动的耦合效果。此耦合抓取过程如图9至11所示，在此阶段，第二凸块721在第二簧件92作用下保持接触第一凸块11，如图14所示。

如果第二指段3接触物体99，则达到了耦合捏持的效果，抓取结束，此抓取过程如图16至图18所示。

如果上述过程中，第一指段2先接触物体99，第二指段3还未接触到物体99，此时自动进入第二抓取模式——自适应抓取模式：此时，电机12继续正转一个角度，通过传动机构使得第一齿轮71继续转动，第一指段2被物体99阻挡不能再继续转动，第一簧件91发生更大变形，在第一齿轮71的转动作用下，第一齿条81和第一拨杆811向下滑动一段距离，经过一段距离的空行程，直到第一拨杆811与第二拨杆831接触并拉动第二拨杆831和第三齿条83向下滑动，第三齿条83与第二齿条82固接，带动第二齿轮72向第二凸块721离开第一凸块11的方向转动，同时使得第三齿轮73继续正转，从而使得第二指段3继续正转，直到第二指段3接触物体99，抓取结束。该抓取过程可以适应不同形状尺寸的物体，是一种自适应抓取模式。此自适应抓取过程如图11至图12所示，在此自适应抓取阶段，第二凸块721离开第一凸块11，第二凸块721绕近关节轴4转动一个角度α，第二簧件92被拉伸变形，如图15所示。最终包络抓取物体99的情形如图12所示，第一指段2绕近关节轴4转动一个角度α，第二指段3绕远关节轴5转动一个角度α+β。

从初始状态开始，耦合抓取阶段为I阶段，在第一指段2接触物体99后第一齿条81向下平动且未接触第三齿条83的阶段称为II阶段，此II阶段为过渡阶段，之后，自适应抓取阶段为III阶段，在I阶段、II阶段和III阶段的第一齿条81、第二齿条82、第三齿条83相对于第一指段2的位置变化情况如图13所示，其中线段PQ为近关节轴4的中心线。图13中，在I阶段，第一齿条81相对于第一指段2不动，第二齿条82和第三齿条83相对于第一指段2向下平动一段距离d；在II阶段，第一齿条81相对于第一指段2向下平动一段距离d，第二齿条82和第三齿条83相对于第一指段2不动；在III阶段，第一齿条81接触并拨动第二齿条82和第三齿条83，所以第一齿条81、第二齿条82和第三齿条83三者相对于第一指段2向下平动一段距离s。

本实施例释放物体99时，电机12反转，后续过程与上述过程刚好相反，不再赘述。

Claims

1.一种平动空程传动耦合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、驱动器和传动机构；所述近关节轴活动套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述驱动器与基座固接；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近关节轴相连；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：该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置还包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第一拨杆、第二拨杆、第一簧件、第二簧件、第一凸块和第二凸块；所述第一齿轮套固在近关节轴上，所述第二齿轮活动套接在近关节轴上，所述第三齿轮套接在远关节轴上，所述第三齿轮与第二指段固接；所述第一齿条滑动镶嵌在第一指段中；所述第二齿条滑动镶嵌在第一指段中，第一齿条、第二齿条各自在第一指段中的滑动方向相同；所述第一齿条与第一齿轮啮合，所述第二齿条与第二齿轮啮合，所述第三齿条与第三齿轮啮合；所述第二齿条与第三齿条固接；设所述第一齿条与第一齿轮的啮合点为A点，所述第二齿条与第二齿轮的啮合点为B点，第三齿条与第三齿轮的啮合点为C点，近关节轴的中心点为M点，远关节轴的中心点为N点，线段MB、BC、CN、NM构成“8”字形，A点、B点位于近关节轴的两侧；所述第一凸块与基座固接，所述第二凸块与第二齿轮固接；所述第一拨杆与第一齿条固接，所述第二拨杆与第三齿条固接；所述第一凸块与第二凸块接触或离开一段距离，所述第一拨杆与第二拨杆在行程范围内接触；在该平动空程传动耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一凸块与第二凸块接触，第一拨杆与第二拨杆离开一段距离；所述第一簧件的两端分别连接近关节轴和第一指段，所述第二簧件的两端分别连接基座和第二齿轮并使得第二凸块靠向第一凸块。

2.如权利要求1所述的平动空程传动耦合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所述的平动空程传动耦合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或扭簧。

4.如权利要求1所述的平动空程传动耦合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或扭簧。

5.如权利要求1所述的平动空程传动耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一带轮、第二带轮和传动带；所述驱动器的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一带轮套固在减速器的输出轴上，所述第二带轮套固在近关节轴上，所述传动带分别连接第一带轮和第二带轮，所述传动带、第一带轮和第二带轮三者之间配合形成带轮传动关系；所述传动带形成“O”字形。