CN107309887A - 一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，采用电机、锥齿轮系传动机构、呈“8”字形钢丝绳传动和变摩擦转矩离合器，并通过设置变摩擦转矩离合器初始摩擦转矩，解决扭簧存在耦合传动误差，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合，即：当手指接触物体前就呈现拟人化多关节耦合传动效果同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指接触物体后就采用一种多关节柔性转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的优点，同时有助于握持方式抓取物体；另外，该装置成本低，控制容易，结构体积小，外观和动作与人手相似，适用于机器人灵巧操作。

Description

一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指机构设计。
背景技术
人类通过手实现多种灵巧、高效的操作，相似地，拟人化仿生灵巧机械手是决定机器人操作的灵巧性、精确性和效率的重要末端执行部件。
近年来，人类对灵巧手的研究取得了丰硕的成果。目前，灵巧手多具有3～5个手指，每个手指具有2～4个自由度，绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能够实现人手的抓持动作和操作动作。国内外已经研制成功许多具有实用价值的仿生手，例如国外研制出来的Hitachi手、Utah/MIT手、Stanford/JPL手、Shadow公司研制的Shadow灵巧手、DLR手、Okada仿生手、UB手和Robonaut手，国内哈尔滨工业大学联合德国宇航局研发的HIT I和HIT II仿生灵巧手和北京航天航空大学研发的BH系列灵巧手比较成熟。仿生灵巧手的主要优点是可以灵活主动的抓取物体，并且具有很好的抓取稳定性，其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取)，造成对传感及控制系统要求高，系统复杂、成本高、可靠性低。
欠驱动手指可以克服灵巧手的纯主动驱动多收指的一些不足，并且能够快速响应与自适应抓取，以此为主设计实现欠驱动的机器人手，在近十年来，得到越来越多的重视。例如，以具有一个电机、两个转动关节的欠驱动手指为例，该手指装置包括基座、近关节、远关节，初始时刻，手指为伸直状态，此时电机转动整个手指绕其基座转动，当中间指段碰触到物体被阻挡不动后，电机继续驱动远指节转动，从而实现一个电机驱动两个关节转动的欠驱动抓取运动。欠驱动机械手指的优点是能够实现自动适应物体形状和尺寸的大小，达到自适应抓取的目的，从而，降低了对传感及控制系统的要求。但是欠驱动手指的初始构形是固定的(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人的手指在抓取某个物体之前，手指在未接触到被抓去物体之前就需要提前运动到某个位置，只有这样才能更好的抓取和提高抓取的速度。例如，在人手抓取小尺寸物体之前，四个手指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节要事先运动到某一位置，直到四指末端与大拇指末端靠近时，再进行抓取。现有中国发明专利CN101444917A、CN 101774175A、CN 101774177A等对这种手指传动模式进行研究，但存在普遍性问题机构结构尺寸大，传动复杂，不便于内置于仿生手指中。
已有的一种预弯曲抓取欠驱动仿生手手指装置，如中国发明专利申请CN101444918A，包括基座、第一电机、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、第一传动机构、第一簧件、第二电机、柔性件和第二簧件。此装置若仅第一电机工作，手指远关节以伸直作为即将抓取物体时的状态，若第二电机先工作，之后第一电机再工作，手指远关节以弯曲作为即将抓取物体时的姿态，若仅第二电机工作，手指用末端指段主动去接触物体。该装置的不足之处在于采用两个电机的配合实现欠驱动的耦合和自适应抓取运动，需要结构空间大，不便于集成到仿生手里。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构体积小，控制容易，外观和动作与人手相似的拟人化仿生灵巧手指，提高机器人操作的灵活性与效率。
本发明的技术方案是，
一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，包括电机、锥齿轮、第一传动链结构、第二传动链结构；
所述第一传动链结构包括与所述锥齿轮啮合的近指节弹簧锥齿轮、变摩擦转矩离合器、近指节弹簧支撑板，以及近指节；
所述第二传动链结构包括与所述锥齿轮啮合的锥齿轮轴、柔性传动机构、指尖轴，以及远指节。
优选地，所述变摩擦转矩离合器包括近指节滑块、固定滑轨、第一摩擦块、第二摩擦块、压簧、弹簧连接块；
所述近指节弹簧锥齿轮与固定滑轨同轴固连，所述固定滑轨与第一摩擦块通过滑动轨道配合，第一摩擦块与弹簧连接块贴合可相对转动，弹簧连接块与压簧的一端固连，压簧的另一端与近指节滑块固连，近指节滑块与近指节弹簧锥齿轮配合且近指节滑块与近指节弹簧支撑板具有滑动副配合使近指节滑块与近指节弹簧锥齿轮只能相对滑动；第一摩擦块与第二摩擦块经摩擦力连接，第二摩擦块与近指节弹簧支撑板固连。
优选地，所述变摩擦转矩离合器传递扭矩与近指节弹簧锥齿轮相对近指节的旋转角度成正比关系，即其中T为传递的扭矩，k为所述压簧的弹性系数，μ为两摩擦块的摩擦系数，x0为压簧的初始压缩量，K为比例系数，θ为近指节弹簧锥齿轮相对近指节旋转角度，第一摩擦块与第二摩擦块接触的工作面内直径为D1，外直径为D2。
优选地，所述柔性传动机构是传动比为2：1，方向相反的绳传动机构、齿轮系传动机构、同步带轮传动机构、连杆传动机构、链条传动机构中的一种或几种的组合。
优选地，所述柔性传动机构包括指中绳轮、钢丝绳和指尖绳轮；所述指尖绳轮固连到指尖轴上，所述指中绳轮与所述锥齿轮轴固连。
优选地，所述指尖绳轮与所述指尖轴通过平键固结；所述平键的连接方式采用胶粘、顶丝、抱箍、涨紧套的一种或几种的组合。
优选地，所述指中绳轮与所述锥齿轮轴通过平键固结；所述平键的连接方式采用胶粘、顶丝、抱箍、涨紧套的一种或几种的组合。
优选地，所述指中绳轮和指尖绳轮通过钢丝绳呈“8”字形传动。
优选地，所述电机与基座固连在一起，近指节支架固连到所述基座上，所述电机的输出轴与所述锥齿轮固连在一起。
优选地，所述锥齿轮轴与所述近指节弹簧锥齿轮共轴且能够相对运动。
本发明还提供了一种机器人，包括机器手，所述机器手包括根据以上技术方案中任一项所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指。
本发明采用从动锥齿轮共轴且能相对转动的电机、锥齿轮系传动机构，以及呈“8”字形钢丝绳传动和簧件的结合，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合。当手指接触物体前就呈现多关节耦合传动效果，非常拟人化，同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指接触物体后就采用一种多关节欠驱动方式转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的好处，同时有助于握持方式抓取物体。另外，本发明成本低、控制容易、结构体积小，外观和动作与人手相似，适用于机器人灵巧操作。
附图说明
图1是本发明的仿生灵巧手指机构剖面图。
图2是图1中的变转矩摩擦离合器剖面图。
图3是图1中的仿生灵巧手指的正视图。
图4是图1中的仿生灵巧手指的侧视图。
图5是与本发明使用的“8”字形钢丝绳传动结构示意图。
图中各个附图标记的含义如下：1-电机，2-电机抱箍，3-锥齿轮，4-第一滑动轴承，5-锥齿轮轴，6-第二滑动轴承，7-指中绳轮，8-近指节支撑板，9-钢丝绳，10-铝销，11-指尖轴，12-第三滑动轴承，13-第一套筒，14-指中平键，15-指尖绳轮，16-远指节，17-第二套筒，18-第四滑动轴承，19-近指节弹簧支撑板，20-近指节后立板，21-第五滑动轴承，22-近指节支架，23-近指节弹簧锥齿轮，24-近指节滑块，25-固定滑轨，26-第一摩擦块，27-第二摩擦块，28-压簧，29-近指节连接轴，30-第六滑动轴承，31-第七滑动轴承，32-基座。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。
本发明设计的一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指机构设计的一种实施例。如图1、图2、图3、图4所示，仿生灵巧手指机构包括电机1、电机抱箍2、锥齿轮3、第一滑动轴承4、锥齿轮轴5、第二滑动轴承6、指中绳轮7、近指节支撑板8、铝销10、指中平键14、近指节弹簧支撑板19、近指节后立板20、第五滑动轴承21、近指节支架22、近指节弹簧锥齿轮23、近指节滑块24、固定滑轨25、第一摩擦块26、第二摩擦块27、压簧28、近指节连接轴29、第六滑动轴承30、第七滑动轴承31、基座32、弹簧固连块33；所述的电机1与基座32通过电机抱箍2使其固连在一起，近指节支架22经内六角螺栓固连到基座32上，锥齿轮3与电机1固连在一起，锥齿轮3与锥齿轮轴5、近指节弹簧锥齿轮23通过齿啮合在一起，其中，近指节弹簧锥齿轮23与固定在近指节支架22的第六滑动轴承30配合，近指节弹簧锥齿轮23与固定滑轨25固连，固定滑轨25与第一摩擦块26通过滑动轨道配合，第一摩擦块26与弹簧连接块33贴合可相对转动，弹簧连接块33与压簧28的一端固连，压簧28的另一端与近指节滑块24固连，近指节滑块24与近指节弹簧锥齿轮23配合且近指节滑块24与近指节弹簧支撑板19具有滑动副配合使近指节滑块24与近指节弹簧锥齿轮23只能相对滑动，第一摩擦块26又与第二摩擦块27经摩擦力连接，第二摩擦块27与近指节弹簧支撑板19固连，近指节弹簧支撑板19与固定在近指节支架22的第五滑动轴承21配合，而近指节弹簧锥齿轮23与近指节连接轴29通过第七滑动轴承31连接，近指节连接轴29与指中绳轮7通过指中平键14固连，近指节连接轴29与锥齿轮轴5固连，锥齿轮轴5与固连在近指节支撑板8的第二滑动轴承6配合，锥齿轮轴5又与固连在基座32上的第一滑动轴承4配合，近指节后立板20通过铝销10把近指节弹簧支撑板19与近指节支撑板8固连起来。
该耦合与自适应运动仿生灵巧手指机构还包括钢丝绳9、指尖轴11、第三滑动轴承12、第一套筒13、指尖绳轮15、远指节16、第二套筒17、第四滑动轴承18，所述的指尖绳轮15与指中绳轮7通过钢丝绳9呈“8”字型连接起来，如图5所示。为了使16远指节与近指节运动为同速，绳传动减速比为2:1，15指尖绳轮通过14指中平键与11指尖轴固连，11指尖轴与16远指节固连，15指尖轴与第一套筒13、第二套筒17固连，指尖轴15分别与固定在近指节支撑板8、近指节弹簧支撑板19的第三滑动轴承12、第四滑动轴承18配合。
如图2所示，所述的变摩擦转矩离合器包括近指节弹簧锥齿轮23、近指节滑块24、固定滑轨25、第一摩擦块26、第二摩擦块27、压簧28、弹簧固连块33，安装关系前文已经描述，此处不再赘述。变摩擦转矩离合器提供的传动转矩表现为线性关系，具体如下：第一摩擦块26与第二摩擦块27接触的工作面的内直径为D1，外直径为D2，两摩擦块的摩擦系数为μ，且近指节弹簧锥齿轮23旋转角度与近指节滑块24平移距离建立具体关系，即x1＝f(θ),其中x1为近指节滑块24平移距离，θ为近指节弹簧锥齿轮23相对近指节旋转角度。当仿生手处于初始位置时，压簧28有初始的压缩量为x0，因此，弹簧压缩量xt＝x0+x1＝x0+f(θ),则第一摩擦块26与第二摩擦块27之间存在压力F＝k*xt，k为压簧的弹性系数。综上所述，变摩擦转矩离合器传递转矩
本发明根据加工难度与功能，针对近指节弹簧锥齿轮旋转角度与近指节滑块平移距离的关系进行优化。所述的变摩擦转矩离合器所起的功能是改善扭簧存在的不足，变摩擦转矩离合器的近指节弹簧锥齿轮23旋转角度与近指节滑块24平移距离可成正比关系，从而使变摩擦转矩离合器传递扭矩与旋转角度成正比。当近指节弹簧锥齿轮23与近指节滑块24实现螺旋配合，可实现旋转角度与平移距离成正比的关系，且螺旋配合的加工是传统加工较为简单。综合以上所述，近指节弹簧锥齿轮23旋转角度与近指节滑块24平移距离成正比关系，即x1＝Kθ,K为比例系数。为了满足自适应的要求，基于确定电机输出转矩的值、第一摩擦块与第二摩擦块接触的工作面内直径D1、外直径D2、摩擦系数μ的大小，以及压簧的弹性系数k、初始压缩量x0的值，通过总结人手指抓取结论，近指节遇到阻碍物时，远指节仍然可以运动30～50°，通过变摩擦转矩离合器转矩公式，优化得到变摩擦转矩离合器比例系数K取值应为0.2～0.5之间。
该装置的初始位置如图3-4所示，此时近指节、远指节与基座32呈一条直线，即相当于人的手指完全伸直的状态，此时近关节和远关节均为伸直状态，且压簧具有一定压缩量，使T>T0，T0为阻力矩，这是整个装置的最初状态。
下面对本发明的仿生灵巧手指的工作过程分几种情况进行说明。
(a)当手指在接触物体之前，电机1转动带动锥齿轮3转动，锥齿轮3与近指节弹簧锥齿轮23啮合从而带动其转动，此时近指节未遇到阻力，近指节弹簧锥齿轮23通过变摩擦离合器(压簧存在预紧力两摩擦片传递摩擦转矩>阻转矩)与近指节弹簧支撑板19(即近指节)的连接可以看作刚性连接，从而近指节弹簧锥齿轮23带动近指节绕指基转动，同时锥齿轮3转动也带动锥齿轮轴5转动(与近指节弹簧锥齿轮23转向相反，近指节弹簧锥齿轮23与锥齿轮轴5通过第七滑动轴承31连接可相对运动)，锥齿轮轴5的转动带动指中绳轮7运动，指中绳轮7与指尖绳轮15呈“8”字形钢丝绳连接，减速比为2：1，运动方向相反。指尖绳轮15带动远指节16运动且此时远指节与近指节同向运动，相对于基座32远指节角速度是近指节角速度两倍，此时为耦合传动。
(b)当近指节接触到被抓取物体时，近指节就会停止运动，电机2继续转动，带动锥齿轮28运动，锥齿轮28带动弹簧锥齿轮轴8运动，此时因为近指节停止运动，因此，簧件7被压缩而使近指节对物体的抓取力加大，同时，锥齿轮28仍然带动锥齿轮轴23运动，锥齿轮轴23带动第二绳轮25转动，第二绳轮25带动第一绳轮17运动从而带动远指节14运动直到远指节14接触到被抓取的物体而停止运动，从而实现自适应抓取运动。
(c)当手指要释放被抓取的物体时，电机1向相反的方向运动，电机1带动锥齿轮3向相反的方向运动，锥齿轮3带动近指节弹簧锥齿轮轴23运动首先释放压簧的变形力，驱使近指节滑块24移动，压簧28恢复到初始压缩为止，再近指节脱离被抓取物体，同时，锥齿轮3带动锥齿轮轴5运动，锥齿轮轴5通过钢丝绳的传动带动远指节16直接脱离被抓取的物体，直到近指节与远指节16回到初始位置而电机1停止运动。
以上对本发明的实施例进行了说明，但是本发明并不局限于上述实施例。在不脱离本发明要旨的范围内，本发明可以进行各种各样的设计变更。

Claims (10)

1.一种耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，包括电机(1)、锥齿轮(3)、第一传动链结构、第二传动链结构；
所述第一传动链结构包括与所述锥齿轮(3)啮合的近指节弹簧锥齿轮(23)、变摩擦转矩离合器、近指节弹簧支撑板(19)，以及近指节；
所述第二传动链结构包括与所述锥齿轮(3)啮合的锥齿轮轴(5)、柔性传动机构、指尖轴(11)，以及远指节(16)。
2.根据权利要求1所述的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述变摩擦转矩离合器包括近指节滑块(24)、固定滑轨(25)、第一摩擦块(26)、第二摩擦块(27)、压簧(28)、弹簧连接块(33)；
所述近指节弹簧锥齿轮(23)与固定滑轨(25)同轴固连，所述固定滑轨(25)与第一摩擦块(26)通过滑动轨道配合，第一摩擦块(26)与弹簧连接块(33)贴合可相对转动，弹簧连接块(33)与压簧(28)的一端固连，压簧(28)的另一端与近指节滑块(24)固连，近指节滑块(24)与近指节弹簧锥齿轮(23)配合且近指节滑块(24)与近指节弹簧支撑板(19)具有滑动副配合使近指节滑块(24)与近指节弹簧锥齿轮(23)只能相对滑动；第一摩擦块(26)与第二摩擦块(27)经摩擦力连接，第二摩擦块(27)与近指节弹簧支撑板(19)固连。
3.根据权利要求1或2所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述变摩擦转矩离合器传递扭矩与近指节弹簧锥齿轮相对近指节的旋转角度成正比关系，即其中T为传递的扭矩，k为所述压簧(28)的弹性系数，μ为两摩擦块的摩擦系数，x0为压簧(28)的初始压缩量，K为比例系数，θ为近指节弹簧锥齿轮(23)相对近指节旋转角度，第一摩擦块(26)与第二摩擦块(27)接触的工作面内直径为D1，外直径为D2。
4.根据权利要求1或2所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述柔性传动机构是传动比为2：1，方向相反的绳传动机构、齿轮系传动机构、同步带轮传动机构、连杆传动机构、链条传动机构中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求4所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述柔性传动机构包括指中绳轮(7)、钢丝绳(9)和指尖绳轮(15)；所述指尖绳轮(15)固连到指尖轴(11)上，所述指中绳轮(7)与所述锥齿轮轴(5)固连。
6.根据权利要求5所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述指尖绳轮(15)与所述指尖轴(11)通过平键固结；所述平键的连接方式采用胶粘、顶丝、抱箍、涨紧套的一种或几种的组合。
7.根据权利要求5所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述指中绳轮(7)与所述锥齿轮轴(5)通过平键固结；所述平键的连接方式采用胶粘、顶丝、抱箍、涨紧套的一种或几种的组合。
8.根据权利要求5所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述指中绳轮(7)和指尖绳轮(15)通过钢丝绳(15)呈“8”字形传动。
9.根据权利要求1或2所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指，其特征在于，所述锥齿轮轴(5)与所述近指节弹簧锥齿轮(23)共轴且能够相对运动。
10.一种机器人，包括机器手，其特征在于，所述机器手包括根据权利要求1-9中任一项所述的耦合与自适应的欠驱动仿生灵巧手指。
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