CN108453768B

CN108453768B - 杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN108453768B
Application number: CN201810194921.4A
Authority: CN
Inventors: 黄敦华; 张文增; 周宝海; 庄严; 张强
Original assignee: Beijing Polytechnic
Current assignee: Beijing Polytechnic
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: CN108453768A

Abstract

杆轮并联竞速包络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、多个轴、多个齿轮、多个连杆和两个簧件等。该装置利用单个电机、多个齿轮、多个连杆和两个簧件等综合实现了包络自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，第一指段和第二指段能灵活转动，达到捏持或包络不同形状、尺寸的物体；该装置抓取范围大，抓取力大，抓取稳定；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，适用于需要抓取的各类机器人。

Description

杆轮并联竞速包络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，特别涉及一种杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人是一种利用传感、控制、执行和人机交互等功能构成的闭环控制机电一体化系统，其设计目的是帮助操作者更好地对环境进行处理。机器人与环境的交互离不开灵巧的机器人手——一种实现临时抓取和释放的抓持器。机器人手分为仿人型的多指机器人手和非仿人型的特种机器人手。人手经过千百万年的进化已经成为一种适合抓取不同形状和尺寸物体的终端。仿人型的多指机器人手又可以细分为手指中部无关节的工业夹持器、主要依靠控制算法的多电机驱动灵巧手和仅具有少量电机的多关节欠驱动手。其中，欠驱动机器人手定义为电机数量少于关节数量的多指机器人手。

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。

(1)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。

(2)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捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取。传统的自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取。耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。

上述三种手均有很大的提升空间。现实中很需要一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置。综合实现包络自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，第一指段和第二指段能灵活转动，达到捏持或包络不同形状、尺寸的物体；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。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的杆轮并联竞速包络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、电机和传动机构；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，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；所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第一簧件；所述近关节轴、第一轴、第二轴、第三轴和第四轴的中心线平行；所述第一轴套设在基座中，所述第一齿轮活动套接在第一轴上，所述传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第二轴套设在基座中，所述第二齿轮套接在第二轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第三齿轮套接在近关节轴上，所述第二齿轮与第三齿轮啮合；所述第一传动轮套接在近关节轴上，第三齿轮和第一传动轮固接；所述第二传动轮套接在远关节轴上；所述传动件连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件采用传动带、腱绳或链条，所述传动件、第一传动轮与第二传动轮三者构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述传动件呈封闭的“O”形；通过传动件的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动比为1:1；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二连杆的一端套接在第三轴上，第二连杆的另一端套接在第四轴上；所述第三连杆的一端套接在第四轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上，第三连杆和第一指段固接；设第一轴的中心点为A，近关节轴的中心点为B，第四轴的中心点为C，第三轴的中心点为D，线段AB、线段BC、线段CD、线段DA构成平行四边形；所述第一簧件的两端分别连接第一齿轮和第一连杆；从所述第一齿轮通过第二齿轮到第三齿轮的传动为增速传动。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括第二簧件，所述第二簧件的两端分别连接第二传动轮和第二指段。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧。

本发明所述的杆轮并联竞速包络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和过渡齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述过渡齿轮与第一齿轮啮合。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：从所述第一齿轮通过第二齿轮到第三齿轮的传动比为1:2。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单个电机、多个齿轮、多个连杆和两个簧件等综合实现了包络自适应抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，第一指段和第二指段能灵活转动，达到捏持或包络不同形状、尺寸的物体；该装置抓取范围大，抓取力大，抓取稳定；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，适用于需要抓取的各类机器人。

附图说明

图1是本发明设计的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的一个侧面图(图1的左视图，未画出部分零件)。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是图1所示实施例的爆炸视图。

图6至图8是图1所示实施例第一指段21优先碰触物体9抓取物体动作过程示意图。

图9至图11是图1所示实施例抓取物体的另一种方式——第二指段22优先碰触物体9以末端捏持抓取物体动作过程示意图。

在图1至图11中：

1－基座， 11－电机， 12－传动机构， 121－减速器，

122－过渡齿轮， 13－基座底板， 14－基座左板， 15－基座右板，

16－基座前板， 17－基座后板， 21－第一指段， 211－第一指段内板，

212－第一指段外板， 213－第一指段左板， 214－第一指段右板， 22－第二指段，

221－第二指段内板， 31－近关节轴， 32－远关节轴， 41－第一传动轮，

42－第二传动轮， 43－传动件， 51－第一轴， 52－第二轴，

53－第三轴， 54－第四轴， 61－第一齿轮， 62－第二齿轮，

63－第三齿轮， 71－第一连杆， 72－第二连杆， 73－第三连杆，

81－第一簧件， 82－第二簧件， 83－轴承， 9－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。

本发明设计的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32、电机11和传动机构12；所述电机11与基座1固接；所述电机11的输出轴与传动机构12的输入端相连；所述近关节轴31套设在基座1中，所述第一指段21套接在近关节轴31上，所述远关节轴32套设在第一指段21中，所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述近关节轴31与远关节轴32的中心线平行；该杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置还包括第一传动轮41、第二传动轮42、传动件43、第一轴51、第二轴52、第三轴53、第四轴54、第一齿轮61、第二齿轮62、第三齿轮63、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73和第一簧件81；所述近关节轴31、第一轴51、第二轴52、第三轴53和第四轴54的中心线平行；所述第一轴51套设在基座1中，所述第一齿轮61活动套接在第一轴51上，所述传动机构12的输出端与第一齿轮61相连；所述第二轴52套设在基座1中，所述第二齿轮62套接在第二轴52上，所述第一齿轮61与第二齿轮62啮合；所述第三齿轮63套接在近关节轴31上，所述第二齿轮62与第三齿轮63啮合；所述第一传动轮41套接在近关节轴31上，第三齿轮63和第一传动轮41固接；所述第二传动轮42套接在远关节轴32上；所述传动件43连接第一传动轮41、第二传动轮42，所述第一传动轮41采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮42采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件43采用传动带、腱绳或链条，所述传动件43、第一传动轮41与第二传动轮42三者构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述传动件43呈封闭的“O”形；通过传动件43的传动，从第一传动轮41到第二传动轮42的传动比为1:1；所述第一连杆71的一端套接在第一轴51上，第一连杆71的另一端套接在第三轴53上；所述第二连杆72的一端套接在第三轴53上，第二连杆72的另一端套接在第四轴54上；所述第三连杆73的一端套接在第四轴54上，第三连杆73的另一端套接在近关节轴31上，第三连杆73和第一指段21固接；设第一轴51的中心点为A，近关节轴31的中心点为B，第四轴54的中心点为C，第三轴53的中心点为D，线段AB、线段BC、线段CD、线段DA构成平行四边形；所述第一簧件81的两端分别连接第一齿轮61和第一连杆71；从所述第一齿轮61通过第二齿轮62到第三齿轮63的传动为增速传动。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括第二簧件82，所述第二簧件82的两端分别连接第二传动轮42和第二指段22。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件81采用扭簧。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构12包括减速器121和过渡齿轮122；所述电机11的输出轴与减速器121的输入轴相连，所述过渡齿轮122套固在减速器121的输出轴上，所述过渡齿轮122与第一齿轮61啮合。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：从所述第一齿轮61通过第二齿轮62到第三齿轮63的传动比为1:2。

本发明所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件82采用扭簧。

本实施例的工作原理，结合附图6至图11，叙述如下：

第一指段21与第二指段22运动的关系介绍如下：

本实施例中，将初始位置设置为如图6所示的状态。(也可以将初始位置设置为其他位置。)

电机11通过传动机构12带动第一齿轮61转动，通过第二齿轮62使第三齿轮63和第一传动轮41快速转动，通过传动件43，带动第二传动轮42快速转动，通过第二簧件82使第二指段22快速转动。因此，第一齿轮61逆时针旋转，第二齿轮62顺时针旋转，第三齿轮63逆时针旋转，第一传动轮41逆时针旋转，第二传动轮42逆时针旋转，第二指段22绕着远关节轴32逆时针旋转。

同时，第一连杆71通过第一簧件81跟随第一齿轮61转动，通过第二连杆72带动第三连杆73，使第一指段21转动，因为线段AB、线段BC、线段CD、线段DA是平行四边形，无论第一指段21处于哪个位置，第一连杆71始终与第三连杆73平行；第一指段21的转速与第一齿轮61转速相同。

综合上述两方面，在第一指段21绕近关节轴31转动的同时，第二指段22相对于第一指段21绕远关节轴32转动了一个角度，达到了两个指段同时转动的欠驱动的效果。

在上述过程中，当第二指段22碰触物体9，抓取结束，这是一种末端捏持物体的抓取方式；当第一指段21优先碰触物体9而第二指段22还未接触物体9时，第一指段21被阻挡不再转动，第一连杆71不再转动，电机11继续转动，通过传动机构12使第一齿轮61转动，第一簧件81发生变形，通过第二齿轮62和第三齿轮63，带动第一传动轮41，通过传动件43拉动第二传动轮42，通过第二簧件82使第二指段22绕远关节轴32继续转动一个角度，直到第二指段22也接触物体9，第二簧件82发生变形，抓取结束，达到了两个指段均接触物体的包络抓取效果。这种抓取方式对不同形状、尺寸的物体都能适应。

释放物体9的过程：电机11反转，后续过程与上述抓取物体9的过程刚好相反，不再赘述。

Claims

1.一种杆轮并联竞速包络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、电机和传动机构；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，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；所述近关节轴与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、传动件、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第一簧件；所述近关节轴、第一轴、第二轴、第三轴和第四轴的中心线平行；所述第一轴套设在基座中，所述第一齿轮活动套接在第一轴上，所述传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第二轴套设在基座中，所述第二齿轮套接在第二轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第三齿轮套接在近关节轴上，所述第二齿轮与第三齿轮啮合；所述第一传动轮套接在近关节轴上，第三齿轮和第一传动轮固接；所述第二传动轮套接在远关节轴上；所述传动件连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件采用传动带、腱绳或链条，所述传动件、第一传动轮与第二传动轮三者构成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系，所述传动件呈封闭的“O”形；通过传动件的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动比为1:1；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第三轴上；所述第二连杆的一端套接在第三轴上，第二连杆的另一端套接在第四轴上；所述第三连杆的一端套接在第四轴上，第三连杆的另一端套接在近关节轴上，第三连杆和第一指段固接；设第一轴的中心点为A，近关节轴的中心点为B，第四轴的中心点为C，第三轴的中心点为D，线段AB、线段BC、线段CD、线段DA构成平行四边形；所述第一簧件的两端分别连接第一齿轮和第一连杆；从所述第一齿轮通过第二齿轮到第三齿轮的传动为增速传动。

2.如权利要求1所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括第二簧件，所述第二簧件的两端分别连接第二传动轮和第二指段。

3.如权利要求1所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧。

4.如权利要求1所述的杆轮并联竞速包络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和过渡齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述过渡齿轮与第一齿轮啮合。

5.如权利要求1所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：从所述第一齿轮通过第二齿轮到第三齿轮的传动比为1:2。

6.如权利要求2所述的杆轮并联竞速包络自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用扭簧。