CN108908382B - 腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置 - Google Patents

Abstract

腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，属于机器人技术领域，包括手爪基座、三个双腱绳串联式耦合自适应手指、手爪传动机构、驱动器和单输入三输出差速器等。该装置实现了机器人手指耦合快速收拢抓取与自适应抓取的功能和整个手爪自适应抓取功能。该装置根据物体形状和位置的不同，能驱动各手指快速耦合转动自适应夹持物体，还能在当其中任意一个或两个手指被阻挡后继续驱动其余手指继续运动直至稳定的夹住物体，达到各手指和整个手爪自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动三个手指；该装置具有高度适应性，抓取力大，抓取稳定可靠，适用于各种机器人。

Description

腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置的结构设计。

背景技术

随着智能技术的发展，机器人技术成为当今的研究热点，机器人手爪作为机器人的一种末端执行器，也引起越来越多研究人员的关注。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、欠驱动手、夹持器等。研制能具有高度灵活性、多种感知能力、结构紧凑、抓持力大，能够抓取多种形状性质各异的物体，完成各种任务的机器人手一直是机器人手研究的共同目标。现有的机器人灵巧手控制复杂，且抓持力较小，成本昂贵使得灵巧手的应用受到极大地限制。

手指适应物体表面抓取主要采用各手指表面对物体表面形成多点接触，各点的作用力与物体受到的外力达到力学平衡，进而物体达到静力平衡状态，从而实现对物体的抓取。手指的构型对物体形成几何约束，由于不需要较大的摩擦力与物体受到的外力平衡的过程，各手指表面对物体表面的作用力远小于依靠摩擦约束物体对物体表面的作用力，适应物体表面抓取也被称为强力抓取。

手在抓住物体的同时需要限制物体的六个自由度才能稳定的抓住物体。为了协助机器人完成更多的任务，机器人手需要能够最大限度的适应抓取多种不同形状尺寸的物体。

自适应抓取模式是指采用柔性关节或弹簧等部件使得机器人手指在抓取物体时各指节能够根据物体表面发生相对运动，达到自适应物体表面包络抓取物体效果的抓取模式，例如SARAH手和Southampton手就是采用自适应抓取模式。

现有的灵巧手和欠驱动手能够实现适应物体表面抓取模式。灵巧手虽然在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取，但其成本较高，控制复杂，需要经常进行维护。现有的灵巧手关节驱动器(如电机、空气肌肉等)产生的驱动力较小，而灵巧手各指节的运动由灵巧手关节驱动器直接驱动，使得灵巧手负载能力较弱，这些使得灵巧手不能广泛的投入生产实践和日常生活中。

为此，欠驱动拟人机器人手应运而生，欠驱动手是驱动器数目少于关节自由度的机器人手，加拿大Laval大学较早的提出了欠驱动机器人手理论和一种经典的四连杆-弹簧结构的欠驱动机器人手。理论和实践证明，欠驱动机器人手由于驱动器较少控制简单，抓取力大，结构紧凑，具有很高的应用价值。此后，涌现了大量关于欠驱动手的研究成果，欠驱动手也被大量装备于服务机器人、工业机器人人、空间机器人等。

面向空间在轨服务、捕获失效翻转卫星等操作任务需要空间机器人能够完成稳定的抓取以实现较大强度的连接，此过程无需手的操作，而且太空中舱外环境复杂，较大的温差和射线会对精密的机械设备和传感器造成较大的损坏，因此灵巧手在该类任务中的应用受到极大的限制。设计大抓取力、高适应性、高可靠性、质量轻的抓持器成为空间抓取研究的重点之一。

传统的工业夹持器结构简单，抓取力大，但传统的二指平夹式工业夹持器在抓捕卫星的过程中，限制的自由度较少，需要施加巨大的夹持力，由于卫星本体结构多为薄壁结构，巨大的抓持力会造成卫星本体的破坏。为此，欠驱动手由于其自适应性、传感控制系统简单、抓取力较大、可靠性好等优势，适用于空间应用等工况恶劣、高负载的抓取的任务。

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、中部指节、末端指节和平行带轮式传动机构等。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在于：带轮传动需要复杂的张紧装置，装配难度大，且带传动作为小负载传动，产生的抓持力较小，传动带具有较大的弹性。随着科学技术的发展，大抗拉强度延展性接近0的腱绳已被开发出来，腱绳传动的欠驱动手具有明显的优势。

具有平夹自适应的抓取模式的欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座保持末端指节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夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，(1)该装置末端指节平行运动，手指收敛速度较慢，易造成抓取过程中空间中运动物体逃逸；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置。该装置能够实现耦合与自适应复合抓取模式，既能耦合转动两个指节夹持物体，也能在转动第一指节碰触物体的情况下自动转动第二指节包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。

本发明的技术方案如下：

一种腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，包括手爪基座、驱动器和手爪传动机构；所述驱动器与手爪基座固接，所述驱动器的输出端与手爪传动机构的输入端相连；该腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置还包括单输入三输出差速器和三个双腱绳串联式耦合自适应手指；所述单输入三输出差速器固定在手爪基座上，并由手爪传动机构驱动；所述三个双腱绳串联式耦合自适应手指固定在手爪基座上，均由单输入三输出差速器驱动。

进一步的，所述单输入三输出差速器，包括第一输出轴、第二输出轴、第三输出轴和输入轴、第一行星架、第二行星架、第三行星架、第一太阳轮、第二太阳轮、第三太阳轮、第四太阳轮、第五太阳轮、第六太阳轮、至少一个第一行星轮、至少一个第二行星轮、至少一个第三行星轮、至少一个第四行星轮、至少一个第五行星轮；所述第一输出轴、第一太阳轮、第一行星架、第二太阳轮、第二输出轴、第三太阳轮、第二行星架、第四太阳轮、第三输出轴、第五太阳轮、第六太阳轮、第三行星架和输入轴从上至下依次转动连接在手爪基座的中心轴上；

所述第一太阳轮与第一输出轴相连；所述第二太阳轮与第二输出轴相连；所述第三太阳轮与第二输出轴相连；所述第四太阳轮与第三输出轴相连；所述第一行星架的中心轴与第六太阳轮相连；第二行星架的中心轴与第五太阳轮相连；第三行星架与输入轴相连；所述第一行星轮转动连接在第一行星架的上部边缘转轴上，第一行星轮与第一太阳轮啮合，第一行星轮、第一太阳轮和第一行星架构成行星齿轮传动关系；所述第二行星轮转动连接在第一行星架的下部边缘转轴上，第二行星轮与第二太阳轮啮合，第二行星轮、第二太阳轮和第一行星架构成行星齿轮传动关系；所述第三行星轮转动连接在第二行星架的上部边缘转轴上，第三行星轮与第三太阳轮啮合，第三行星轮、第三太阳轮和第二行星架构成行星齿轮传动关系；所述第四行星轮转动连接在第二行星架的下部边缘转轴上，第四行星轮与第四太阳轮啮合，第四行星轮、第四太阳轮和第二行星架构成行星齿轮传动关系；所述第五行星轮转动连接在第三行星架的内部转轴上，第五行星轮与第五太阳轮啮合，第五行星轮、第五太阳轮和第三行星架构成行星齿轮传动关系，第五行星与第六太阳轮啮合，第五行星轮、第六太阳轮和第三行星架构成行星齿轮传动关系。

进一步的，所述双腱绳串联式耦合自适应手指，包括基座、第一指节、第二指节、第一关节轴、第二关节轴、第二槽轮、三个传动机构、第一簧件、至少一个第一槽轮、至少一个第三槽轮；所述基座与手爪基座固接；所述第一关节轴转动设置在基座中，所述第一指节固定连接在第一关节轴上，所述第二关节轴转动设置在第一指节中，所述第二指节固定连接在第二关节轴上，所述第一关节轴的中心线与第二关节轴的中心线平行；所述第一槽轮和第三槽轮分别转动连接在第一关节轴上；所述第二槽轮转动连接在第二关节轴上，所述第二槽轮的外圆面设置有至少两个沟槽；所述第一簧件的两端分别连接在第一指节和基座上；所述三个传动机构安装在手爪基座的三个通孔内；该双腱绳串联式耦合自适应手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、调节螺母、第二簧件、滑块和调节螺杆、至少一个第四槽轮、至少一根第一腱绳、至少一根第二腱绳；所述第一轴转动连接在基座中，所述第四槽轮转动连接在第一轴上；所述第二轴转动连接在基座中，所述第三轴转动连接在第一指节中，所述第四轴转动连接在第二指节中，所述第五轴转动连接在第二指节中；所述第一腱绳的一端与所述第二指节连接，第一腱绳的另一端依次绕过第二指节的第四轴、所述第二槽轮的相对应沟槽、第一槽轮以及第二轴后与所述滑块连接，所述第一腱绳在第一槽轮的沟槽和第二槽轮的沟槽中并呈‘S’型缠绕；通过第一腱绳的传动，第一槽轮和第二槽轮构成传动关系且传动比小于0；所述第二腱绳的一端与第二指节连接，第二腱绳的另一端依次绕过第二指节的所述第四轴、第二槽轮中的相对应沟槽、第三轴、第三槽轮以及第四槽轮后与传动机构的输出端连接；通过第二腱绳的传动，第二槽轮和第三槽轮构成传动关系且传动比大于0；所述调节螺母滑动镶嵌在基座中，所述滑块滑动镶嵌在调节螺杆上；所述调节螺杆套设在基座的通孔中；调节螺母螺纹连接在调节螺杆上，调节螺母与调节螺杆构成螺旋传动关系；所述第二簧件的一端与滑块连接，另一端与调节螺母连接。

进一步的，所述第一输出轴、第二输出轴和第三输出轴分别与三个双腱绳串联式耦合自适应手指的传动机构的输入端相连；所述输入轴与手爪传动机构的输出端相连。

进一步的，所述第一腱绳和第二腱绳分别为两根，所述第一槽轮和第三槽轮分别为两个，所述两个第一槽轮并列转动设置在第一关节轴的中间，所述两个第三槽轮分别转动设置在第一关节轴上并位于所述第一槽轮的两端，所述第二槽轮的外圆面设置有四个沟槽，所述第四槽轮为两个，所述两根第一腱绳的一端并列固定在第二指节的第五轴的中间，所述两根第一腱绳的另一端并列依次绕过第二指节的第四轴、所述第二槽轮的中间两个沟槽、两个第一槽轮以及第二轴后与所述滑块固定连接，所述两根第二腱绳的一端分别固定在第二指节的第五轴上并位于所述第一腱绳的两侧，所述两根第二腱绳的另一端并列依次绕过所述第二指节的第四轴、第二槽轮两端的沟槽、第三轴、两个第三槽轮以及两个第四槽轮后与传动机构的输出端固定连接。

进一步的，所述第一腱绳采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第二腱绳采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第一槽轮采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述第二槽轮采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第三槽轮采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述传动机构采用齿轮传动机构和丝杠传动机构的组合传动机构；所述第一簧件采用扭簧；所述第二簧件采用压簧。

进一步的，所述第一行星轮和第一太阳轮均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第二行星轮和第二太阳轮均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第三行星轮和第三太阳轮均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第四行星轮和第四太阳轮均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第五行星轮和第五太阳轮均采用锥齿轮；所述第六太阳轮采用锥齿轮。

进一步的，所述驱动器采用电机、气缸或液压缸；所述手爪传动机构采用齿轮传动机构、带传动机构、连杆传动机构、链传动机构的一种或多种的组合。

进一步的，所述第一行星轮为三个，所述第二行星轮为三个，所述第三行星轮为三个，所述第四行星轮为三个，所述第五行星轮为两个。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用三个双腱绳串联式耦合自适应手指和单输入三输出差速器等综合实现了机器人手指耦合快速收拢与自适应复合抓取功能和整个手爪自适应抓取功能。采用两根腱绳、多个槽轮、两个指节、两个关节轴、调节螺杆、调节螺母、滑块、驱动器、传动机构和两个簧件等综合实现了机器人手爪的手指能够完成耦合与自适应复合抓取，既能耦合转动两个指节快速夹持物体并锁紧，也能在转动第一指节碰触物体的情况下自动转动第二指节包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。采用多组行星齿轮传动的组合实现将单个动力分布到三个输出轴上，同时具有三轴差动的功能，即三个输出轴中任意一个或两个被阻挡，其余输出轴能够继续转动。该装置根据物体形状和位置的不同，能驱动各手指快速耦合转动自适应夹持物体，还能在当其中任意一个或两个手指被阻挡后继续驱动其余手指继续运动直至稳定的夹住物体，达到各手指和整个手爪自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动三个手指；该装置具有高度适应性，抓取力大，抓取稳定可靠，适用于各种工况下的大负载抓取任务。

附图说明

图1是本发明设计的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪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所示实施例的爆炸图。

图4是图1所示实施例的双腱绳串联式耦合自适应手指的机构原理图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的双腱绳串联式耦合自适应手指的爆炸图。

图6是图1所示实施例的在快速耦合抓取阶段第二指节相对第一指节耦合转动的示意图，双点划线代表运动过程中的两个状态。

图7至图10是图1所示实施例自适应抓取物体的动作过程图，该抓取过程中，第一指节被物体阻挡不能再运动，第二指节在电机作用下继续绕第二关节轴转动，从而达到自适应抓取物体的目的。

图11是图1所示实施例的单输入三输出差速器的爆炸图(未画出部分零件)。

图12是图1所示实施例的单输入三输出差速器的机构原理图(未画出部分零件)。

在图1至图12中：

111－双腱绳串联式耦合自适应手指，117单输入三输出差速器，700手爪基座，

100驱动器，101手爪传动机构，1－基座，2－第一指节，

3－第二指节，4－传动机构，5－驱动器，6－第一簧件，

11－第一关节轴，12－第二关节轴，13－第一轴，14－第二轴，

15－第三轴，16－第四轴，17－第五轴，81－第一槽轮，

82－第二槽轮，83－第三槽轮，84－第四槽轮，51－第一腱绳，

52－第二腱绳，71－调节螺母，72－第二簧件，73－滑块，

74－调节螺杆，300－物体，70A－第一行星架，70B－第二行星架，

70C－第三行星架，71A－第一行星轮，72A－第二行星轮，73A－第三行星轮，

74A－第四行星轮，75A－第五行星轮，71B－第一太阳轮、72B－第二太阳轮，

73B－第三太阳轮，74B－第四太阳轮，75B－第五太阳轮，75C－第六太阳轮，

701－第一输出轴，702－第二输出轴，703－第三输出轴，704－输入轴。

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。

本发明设计的一种腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，包括手爪基座700、驱动器100和手爪传动机构101；所述驱动器100与手爪基座700固接，所述驱动器100的输出端与手爪传动机构101的输入端相连；该腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置还包括单输入三输出差速器117和三个双腱绳串联式耦合自适应手指111；所述单输入三输出差速器117固定在手爪基座700上，并由手爪传动机构101驱动；所述三个双腱绳串联式耦合自适应手指111固定在手爪基座700上，均由单输入三输出差速器117驱动。

进一步的，所述单输入三输出差速器117，包括第一输出轴701、第二输出轴702、第三输出轴703和输入轴704、第一行星架70A、第二行星架70B、第三行星架70C、第一太阳轮71B、第二太阳轮72B、第三太阳轮73B、第四太阳轮74B、第五太阳轮75B、第六太阳轮75C、至少一个第一行星轮71A、至少一个第二行星轮72A、至少一个第三行星轮73A、至少一个第四行星轮74A、至少一个第五行星轮75A；所述第一输出轴701、第一太阳轮71B、第一行星架70A、第二太阳轮72B、第二输出轴702、第三太阳轮73B、第二行星架70B、第四太阳轮74B、第三输出轴703、第五太阳轮75B、第六太阳轮75C、第三行星架70C和输入轴704从上至下依次转动连接在手爪基座700的中心轴上；

所述第一太阳轮71B与第一输出轴701相连；所述第二太阳轮72B与第二输出轴702相连；所述第三太阳轮73B与第二输出轴702相连；所述第四太阳轮74B与第三输出轴703相连；所述第一行星架70A的中心轴与第六太阳轮75C相连；第二行星架70B的中心轴与第五太阳轮75B相连；第三行星架70C与输入轴704相连；所述第一行星轮71A转动连接在第一行星架70A的上部边缘转轴上，第一行星轮71A与第一太阳轮71B啮合，第一行星轮71A、第一太阳轮71B和第一行星架70A构成行星齿轮传动关系；所述第二行星轮72A转动连接在第一行星架70A的下部边缘转轴上，第二行星轮72A与第二太阳轮72B啮合，第二行星轮72A、第二太阳轮72B和第一行星架70A构成行星齿轮传动关系；所述第三行星轮73A转动连接在第二行星架70B的上部边缘转轴上，第三行星轮73A与第三太阳轮73B啮合，第三行星轮73A、第三太阳轮73B和第二行星架70B构成行星齿轮传动关系；所述第四行星轮74A转动连接在第二行星架70B的下部边缘转轴上，第四行星轮74A与第四太阳轮74B啮合，第四行星轮74A、第四太阳轮74B和第二行星架70B构成行星齿轮传动关系；所述第五行星轮75A转动连接在第三行星架70C的内部转轴上，第五行星轮75A与第五太阳轮75B啮合，第五行星轮75A、第五太阳轮75B和第三行星架70C构成行星齿轮传动关系，第五行星75A与第六太阳轮75C啮合，第五行星轮75A、第六太阳轮75C和第三行星架70C构成行星齿轮传动关系。

进一步的，所述双腱绳串联式耦合自适应手指111，包括基座1、第一指节2、第二指节3、第一关节轴11、第二关节轴12、第二槽轮82、三个传动机构4、第一簧件6、至少一个第一槽轮81、至少一个第三槽轮83；所述基座1与手爪基座700固接；所述第一关节轴11转动设置在基座1中，所述第一指节2固定连接在第一关节轴11上，所述第二关节轴12转动设置在第一指节2中，所述第二指节3固定连接在第二关节轴12上，所述第一关节轴11的中心线与第二关节轴12的中心线平行；所述第一槽轮81和第三槽轮83分别转动连接在第一关节轴11上；所述第二槽轮82转动连接在第二关节轴12上，所述第二槽轮82的外圆面设置有至少两个沟槽；所述第一簧件6的两端分别连接在第一指节2和基座1上；所述三个传动机构4安装在手爪基座700的三个通孔内；该双腱绳串联式耦合自适应手指装置还包括第一轴13、第二轴14、第三轴15、第四轴16、第五轴17、调节螺母71、第二簧件72、滑块73和调节螺杆74、至少一个第四槽轮84、至少一根第一腱绳51、至少一根第二腱绳52；所述第一轴13转动连接在基座1中，所述第四槽轮84转动连接在第一轴13上；所述第二轴14转动连接在基座1中，所述第三轴15转动连接在第一指节2中，所述第四轴16转动连接在第二指节3中，所述第五轴17转动连接在第二指节3中；所述第一腱绳51的一端与所述第二指节3连接，第一腱绳51的另一端依次绕过第二指节3的第四轴16、所述第二槽轮82的相对应沟槽、第一槽轮81以及第二轴14后与所述滑块73连接，所述第一腱绳51在第一槽轮81的沟槽和第二槽轮82的沟槽中并呈‘S’型缠绕；通过第一腱绳51的传动，第一槽轮81和第二槽轮82构成传动关系且传动比小于0；所述第二腱绳52的一端与第二指节3连接，第二腱绳52的另一端依次绕过第二指节3的所述第四轴16、第二槽轮82中的相对应沟槽、第三轴15、第三槽轮83以及第四槽轮84后与传动机构4的输出端连接；通过第二腱绳52的传动，第二槽轮82和第三槽轮83构成传动关系且传动比大于0；所述调节螺母71滑动镶嵌在基座1中，所述滑块73滑动镶嵌在调节螺杆74上；所述调节螺杆74套设在基座1的通孔中；调节螺母71螺纹连接在调节螺杆74上，调节螺母71与调节螺杆74构成螺旋传动关系；所述第二簧件72的一端与滑块73连接，另一端与调节螺母71连接。

进一步的，所述第一输出轴701、第二输出轴702和第三输出轴703分别与三个双腱绳串联式耦合自适应手指111的传动机构4的输入端相连；所述输入轴704与手爪传动机构101的输出端相连。

进一步的，所述第一腱绳51和第二腱绳52分别为两根，所述第一槽轮81和第三槽轮83分别为两个，所述两个第一槽轮81并列转动设置在第一关节轴11的中间，所述两个第三槽轮83分别转动设置在第一关节轴11上并位于所述第一槽轮81的两端，所述第二槽轮82的外圆面设置有四个沟槽，所述第四槽轮84为两个，所述两根第一腱绳51的一端并列固定在第二指节3的第五轴17的中间，所述两根第一腱绳51的另一端并列依次绕过第二指节3的第四轴16、所述第二槽轮82的中间两个沟槽、两个第一槽轮81以及第二轴14后与所述滑块73固定连接，所述两根第二腱绳52的一端分别固定在第二指节3的第五轴17上并位于所述第一腱绳51的两侧，所述两根第二腱绳52的另一端并列依次绕过所述第二指节3的第四轴16、第二槽轮82两端的沟槽、第三轴15、两个第三槽轮83以及两个第四槽轮84后与传动机构4的输出端固定连接。

进一步的，所述第一腱绳51采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第二腱绳52采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第一槽轮81采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述第二槽轮82采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第三槽轮83采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述传动机构4采用齿轮和丝杠的组合传动机构4；所述第一簧件6采用扭簧；所述第二簧件72采用压簧。本实施例中，第一腱绳51采用柔性绳；第二腱绳52采用柔性绳，第一槽轮81采用滑轮，第二槽轮82采用滑轮，第三槽轮83采用滑轮。

进一步的，所述第一行星轮71A和第一太阳轮71B均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第二行星轮72A和第二太阳轮72B均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第三行星轮73A和第三太阳轮73B均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第四行星轮74A和第四太阳轮74B均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第五行星轮75A和第五太阳轮75B均采用锥齿轮；所述第六太阳轮75C采用锥齿轮。本实施例中，第一行星轮71A采用直齿轮，第二行星轮72A采用直齿轮，第三行星轮73A采用直齿轮，第四行星轮74A采用直齿轮，第一太阳轮71B采用直齿轮，第二太阳轮72B采用直齿轮，第三太阳轮73B采用直齿轮，第四太阳轮74B采用直齿轮，第五行星轮75A采用锥齿轮，五太阳轮采用锥齿轮，第六太阳轮75C采用锥齿轮。

进一步的，所述驱动器100采用电机、气缸或液压缸；所述手爪传动机构101采用齿轮传动机构、带传动机构、连杆传动机构、链传动机构的一种或多种的组合。本实施例中，驱动器100采用电机，手爪传动机构101采用谐波齿轮传动。

进一步的，所述第一行星轮71A为三个，所述第二行星轮72A为三个，所述第三行星轮73A为三个，所述第四行星轮74A为三个，所述第五行星轮75A为两个。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

(1)单输入三输出差速器117的工作原理：

单输入三输出差速器117的第五太阳轮75B、第六太阳轮75C和第三行星架70C构成了两轴输出的锥齿轮差速器，驱动器100通过手爪传动机构101带动第三行星架70C转动，在第五太阳轮75B和第六太阳轮75C的负载相同的情况下，驱动器100的动力被平均分配到第五太阳轮75B和第六太阳轮75C上；当第五太阳轮75B和第六太阳轮75C受到的负载不同时，受到较大负载的太阳轮转速变慢，受到较小负载的太阳轮转速加快；当其中一个太阳轮堵转时，另一个太阳轮仍然能够继续转动。

第一行星轮71A、第一太阳轮71B、第二行星轮72A、第二太阳轮72B和第一行星架70A五者构成了直齿轮差速器，第一行星架70A与第六太阳轮75C相连，第六太阳轮75C驱动第一行星架70A转动。在第一太阳轮71B和第二太阳轮72B的负载相同的情况下，驱动器100的动力被平均分配到第一太阳轮71B和第二太阳轮72B上；当第一太阳轮71B和第二太阳轮72B受到的负载不同时，受到较大负载的太阳轮转速变慢，受到较小负载的太阳轮转速加快；当其中一个太阳轮堵转时，另一个太阳轮仍然能够继续转动。

第三行星轮73A、第三太阳轮73B、第四行星轮74A、第四太阳轮74B和第二行星架70B五者构成了直齿轮差速器，第二行星架70B与第五太阳轮75B相连，第五太阳轮75B驱动第二行星架70B转动。在第三太阳轮73B和第四太阳轮74B的负载相同的情况下，驱动器100的动力被平均分配到第三太阳轮73B和第四太阳轮74B上；当第三太阳轮73B和第四太阳轮74B受到的负载不同时，受到较大负载的太阳轮转速变慢，受到较小负载的太阳轮转速加快；当其中一个太阳轮堵转时，另一个太阳轮仍然能够继续转动。

第一太阳轮71B与第一输出轴701相连，第二太阳轮72B与第二输出轴702相连，第三太阳轮73B与第二输出轴702相连，第四太阳轮74B与第三输出轴703相连。在三个输出轴均未受到载荷的情况下，驱动器100的动力以1：2：1的比率被平均分配到第一输出轴701、第二输出轴702、第三输出轴703上。当其中任意一个或者两个输出轴被堵转时，其余输出轴能够继续转动。

(2)双腱绳串联式耦合自适应手指111的工作原理：

为了保证腱绳传动的刚度、合理布置腱绳线路和增大手指运动范围，本实施例中在双腱绳串联式耦合自适应手指111上增加了第一轴13、第二轴14、第三轴15、第四轴16、第五轴17和第四槽轮84作为腱绳的引导和连接装置。所述第一轴13转动连接在基座1中；第四槽轮84转动连接在第一轴13上，所述第二轴14转动连接在基座1中；所述第三轴15转动连接在第一指节2中；所述第四轴16转动连接在第二指节3中；第五轴17固接在第二指节3中。

本实施例中的双腱绳串联式耦合自适应手指111处于初始状态时，第一指节2在第一簧件6的弹簧力作用下被按压与基座1上设置的机械限位结构接触，滑块73在第二簧件72的弹簧力作用下向下运动拉动第一腱绳51的一端向下运动(其中下方向为图4中所示的下方向，下同)，通过第一腱绳51，由于第一腱绳51的另一端与第二指节3连接，第二腱绳52的另一端拉动第二指节3。由于第一腱绳51、第一槽轮81和第二槽轮82构成的反向传动关系，第二腱绳52的另一端拉动第二指节3相对第一指节2逆时针转动(其中逆时针为图4中所示的逆时针)，直至第二指节3上的机械限位结构与第一指节2的机械限位结构接触，手指完全打开。

上述输出轴(第一输出轴701、第二输出轴702或第三输出轴703)通过传动机构4拉动第二腱绳52的一端向下运动，第二腱绳52的拉力在第二指节3上产生第二指节3绕第二关节轴12旋转的力矩，第二指节3相对第一指节2逆时针转动，第二指节3拉动第一腱绳51与第二腱绳52的连接端绕第二关节轴12逆时针转动，第一腱绳51在第二槽轮82上的缠绕的长度增加。由于第二簧件72的弹簧力作用，滑块73相对于基座1保持相对静止，第一腱绳51与滑块73的连接端相对于基座1保持相对静止，因此第一腱绳51与第一槽轮81的缠绕长度减少，第一腱绳51相对于第一槽轮81发生逆时针渐开滚动。由于第二腱绳52的拉力和第一腱绳51的拉力的合力在第二关节轴12处产生逆时针方向的力矩，第一指节2克服第一簧件6的弹簧力作用并绕第一关节轴11相对于基座1逆时针转动。由于第一腱绳51在第一指节2中的部分相对于第一指节2的几何关系未发生改变，第一指节2与第一腱绳51在第一指节2中的部分保持相对静止，并且绕第一关节轴11逆时针转动，第一簧件6被逆时针扭转。即在第一指节2相对基座1逆时针转动的同时，第二指节3相对第一指节2耦合转动。该过程为耦合抓取过程。

当上述过程中第一指节2首先接触物体300，第二指节3未接触物体300，第一指节2被阻挡不能继续转动，驱动器5通过传动机构4继续带动第二腱绳52和传动机构4的输出端的连接端继续向下运动，第二指节3相对第一指节2绕第二关节轴12继续逆时针转动，第二腱绳52在第二线轮上缠绕的长度继续变短，第一腱绳51在第二线轮上缠绕的长度继续变长，第一腱绳51与滑块73的连接端相对基座1向上运动(其中上方向为图4中所示的上方向，下同)，滑块73向上运动，第二簧件72被进一步压缩，直至第二指节3与物体300稳定接触。此过程即自适应抓取过程，如图7至图10所示，该抓取过程中，在第一指节2接触物体300被阻挡后，自动转动第二指节3去接触物体300。

通过旋拧调节螺杆74可调节滑块73在基座1中的相对位置，从而调节手指初始构型，进行第一腱绳51和第二腱绳52的预紧。由于第一腱绳51和第二腱绳52均与第二指节3连接，故手指的传动链为串联式。

第一输出轴701、第二输出轴702和第三输出轴703分别通过三个传动机构4驱动三个双腱绳串联式耦合自适应手指111，实现了三个双腱绳串联式耦合自适应手指111能够差速运动也能同步运动，当三个手指中的任意一个或两个被阻挡时，其余手指能够继续弯曲直至稳定抓取物体300，实现了整个手爪对被抓取物体300的适应性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用三个双腱绳串联式耦合自适应手指111和单输入三输出差速器117等综合实现了机器人手指耦合快速收拢与自适应复合抓取功能和整个手爪自适应抓取功能。采用两根腱绳、多个槽轮、两个指节、两个关节轴、调节螺杆74、调节螺母71、滑块73、驱动器100、传动机构4和两个簧件等综合实现了机器人手爪的手指能够完成耦合与自适应复合抓取，既能耦合转动两个指节快速夹持物体并锁紧，也能在转动第一指节2碰触物体的情况下自动转动第二指节3包络握持物体300，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。采用多组行星齿轮传动的组合实现将单个动力分布到三个输出轴上，同时具有三轴差动的功能，即三个输出轴中任意一个或两个被阻挡，其余输出轴能够继续转动。该装置根据物体形状和位置的不同，能驱动各手指快速耦合转动自适应夹持物体300，还能在当其中任意一个或两个手指被阻挡后继续驱动其余手指继续运动直至稳定的夹住物体300，达到各手指和整个手爪自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器100驱动三个手指；该装置具有高度适应性，抓取力大，抓取稳定可靠，适用于各种工况下的大负载抓取任务。

Claims (8)

1.一种腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，包括手爪基座(700)、驱动器(100)和手爪传动机构(101)；所述驱动器(100)与手爪基座(700)固接，所述驱动器(100)的输出端与手爪传动机构(101)的输入端相连；其特征在于：该腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置还包括单输入三输出差速器(117)和三个双腱绳串联式耦合自适应手指(111)；所述单输入三输出差速器(117)固定在手爪基座(700)上，并由手爪传动机构(101)驱动；所述三个双腱绳串联式耦合自适应手指(111)固定在手爪基座(700)上，均由单输入三输出差速器(117)驱动；

所述单输入三输出差速器(117)，包括第一输出轴(701)、第二输出轴(702)、第三输出轴(703)和输入轴(704)、第一行星架(70A)、第二行星架(70B)、第三行星架(70C)、第一太阳轮(71B)、第二太阳轮(72B)、第三太阳轮(73B)、第四太阳轮(74B)、第五太阳轮(75B)、第六太阳轮(75C)、至少一个第一行星轮(71A)、至少一个第二行星轮(72A)、至少一个第三行星轮(73A)、至少一个第四行星轮(74A)、至少一个第五行星轮(75A)；所述第一输出轴(701)、第一太阳轮(71B)、第一行星架(70A)、第二太阳轮(72B)、第二输出轴(702)、第三太阳轮(73B)、第二行星架(70B)、第四太阳轮(74B)、第三输出轴(703)、第五太阳轮(75B)、第六太阳轮(75C)、第三行星架(70C)和输入轴(704)从上至下依次转动连接在手爪基座(700)的中心轴上；

所述第一太阳轮(71B)与第一输出轴(701)相连；所述第二太阳轮(72B)与第二输出轴(702)相连；所述第三太阳轮(73B)与第二输出轴(702)相连；所述第四太阳轮(74B)与第三输出轴(703)相连；所述第一行星架(70A)的中心轴与第六太阳轮(75C)相连；第二行星架(70B)的中心轴与第五太阳轮(75B)相连；第三行星架(70C)与输入轴(704)相连；所述第一行星轮(71A)转动连接在第一行星架(70A)的上部边缘转轴上，第一行星轮(71A)与第一太阳轮(71B)啮合，第一行星轮(71A)、第一太阳轮(71B)和第一行星架(70A)构成行星齿轮传动关系；所述第二行星轮(72A)转动连接在第一行星架(70A)的下部边缘转轴上，第二行星轮(72A)与第二太阳轮(72B)啮合，第二行星轮(72A)、第二太阳轮(72B)和第一行星架(70A)构成行星齿轮传动关系；所述第三行星轮(73A)转动连接在第二行星架(70B)的上部边缘转轴上，第三行星轮(73A)与第三太阳轮(73B)啮合，第三行星轮(73A)、第三太阳轮(73B)和第二行星架(70B)构成行星齿轮传动关系；所述第四行星轮(74A)转动连接在第二行星架(70B)的下部边缘转轴上，第四行星轮(74A)与第四太阳轮(74B)啮合，第四行星轮(74A)、第四太阳轮(74B)和第二行星架(70B)构成行星齿轮传动关系；所述第五行星轮(75A)转动连接在第三行星架(70C)的内部转轴上，第五行星轮(75A)与第五太阳轮(75B)啮合，第五行星轮(75A)、第五太阳轮(75B)和第三行星架(70C)构成行星齿轮传动关系，第五行星(75A)与第六太阳轮(75C)啮合，第五行星轮(75A)、第六太阳轮(75C)和第三行星架(70C)构成行星齿轮传动关系。

2.如权利要求1所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述双腱绳串联式耦合自适应手指(111)，包括基座(1)、第一指节(2)、第二指节(3)、第一关节轴(11)、第二关节轴(12)、第二槽轮(82)、三个传动机构(4)、第一簧件(6)、至少一个第一槽轮(81)、至少一个第三槽轮(83)；所述基座(1)与手爪基座(700)固接；所述第一关节轴(11)转动设置在基座(1)中，所述第一指节(2)固定连接在第一关节轴(11)上，所述第二关节轴(12)转动设置在第一指节(2)中，所述第二指节(3)固定连接在第二关节轴(12)上，所述第一关节轴(11)的中心线与第二关节轴(12)的中心线平行；所述第一槽轮(81)和第三槽轮(83)分别转动连接在第一关节轴(11)上；所述第二槽轮(82)转动连接在第二关节轴(12)上，所述第二槽轮(82)的外圆面设置有至少两个沟槽；所述第一簧件(6)的两端分别连接在第一指节(2)和基座(1)上；所述三个传动机构(4)安装在手爪基座(700)的三个通孔内；该双腱绳串联式耦合自适应手指装置还包括第一轴(13)、第二轴(14)、第三轴(15)、第四轴(16)、第五轴(17)、调节螺母(71)、第二簧件(72)、滑块(73)和调节螺杆(74)、至少一个第四槽轮(84)、至少一根第一腱绳(51)、至少一根第二腱绳(52)；所述第一轴(13)转动连接在基座(1)中，所述第四槽轮(84)转动连接在第一轴(13)上；所述第二轴(14)转动连接在基座(1)中，所述第三轴(15)转动连接在第一指节(2)中，所述第四轴(16)转动连接在第二指节(3)中，所述第五轴(17)转动连接在第二指节(3)中；所述第一腱绳(51)的一端与所述第二指节(3)连接，第一腱绳(51)的另一端依次绕过第二指节(3)的第四轴(16)、所述第二槽轮(82)的相对应沟槽、第一槽轮(81)以及第二轴(14)后与所述滑块(73)连接，所述第一腱绳(51)在第一槽轮(81)的沟槽和第二槽轮(82)的沟槽中并呈‘S’型缠绕；通过第一腱绳(51)的传动，第一槽轮(81)和第二槽轮(82)构成传动关系且传动比小于0；所述第二腱绳(52)的一端与第二指节(3)连接，第二腱绳(52)的另一端依次绕过第二指节(3)的所述第四轴(16)、第二槽轮(82)中的相对应沟槽、第三轴(15)、第三槽轮(83)以及第四槽轮(84)后与传动机构(4)的输出端连接；通过第二腱绳(52)的传动，第二槽轮(82)和第三槽轮(83)构成传动关系且传动比大于0；所述调节螺母(71)滑动镶嵌在基座(1)中，所述滑块(73)滑动镶嵌在调节螺杆(74)上；所述调节螺杆(74)套设在基座(1)的通孔中；调节螺母(71)螺纹连接在调节螺杆(74)上，调节螺母(71)与调节螺杆(74)构成螺旋传动关系；所述第二簧件(72)的一端与滑块(73)连接，另一端与调节螺母(71)连接。

3.如权利要求1所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述第一输出轴(701)、第二输出轴(702)和第三输出轴(703)分别与三个双腱绳串联式耦合自适应手指(111)的传动机构(4)的输入端相连；所述输入轴(704)与手爪传动机构(101)的输出端相连。

4.如权利要求2所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述第一腱绳(51)和第二腱绳(52)分别为两根，所述第一槽轮(81)和第三槽轮(83)分别为两个，所述两个第一槽轮(81)并列转动设置在第一关节轴(11)的中间，所述两个第三槽轮(83)分别转动设置在第一关节轴(11)上并位于所述第一槽轮(81)的两端，所述第二槽轮(82)的外圆面设置有四个沟槽，所述第四槽轮(84)为两个，所述两根第一腱绳(51)的一端并列固定在第二指节(3)的第五轴(17)的中间，所述两根第一腱绳(51)的另一端并列依次绕过第二指节(3)的第四轴(16)、所述第二槽轮(82)的中间两个沟槽、两个第一槽轮(81)以及第二轴(14)后与所述滑块(73)固定连接，所述两根第二腱绳(52)的一端分别固定在第二指节(3)的第五轴(17)上并位于所述第一腱绳(51)的两侧，所述两根第二腱绳(52)的另一端并列依次绕过所述第二指节(3)的第四轴(16)、第二槽轮(82)两端的沟槽、第三轴(15)、两个第三槽轮(83)以及两个第四槽轮(84)后与传动机构(4)的输出端固定连接。

5.如权利要求4所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述第一腱绳(51)采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第二腱绳(52)采用钢丝、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第一槽轮(81)采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述第二槽轮(82)采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第三槽轮(82)采用滑轮、带轮中的一种或多种的组合；所述传动机构(4)采用齿轮传动机构和丝杠传动机构的组合传动机构；所述第一簧件(6)采用扭簧；所述第二簧件(72)采用压簧。

6.如权利要求1所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述第一行星轮(71A)和第一太阳轮(71B)均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第二行星轮(72A)和第二太阳轮(72B)均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第三行星轮(73A)和第三太阳轮(73B)均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第四行星轮(74A)和第四太阳轮(74B)均采用直齿轮或均采用斜齿轮；所述第五行星轮(75A)和第五太阳轮(75B)均采用锥齿轮；所述第六太阳轮(75C)采用锥齿轮。

7.如权利要求1所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述驱动器(100)采用电机、气缸或液压缸；所述手爪传动机构(101)采用齿轮传动机构、带传动机构、连杆传动机构、链传动机构的一种或多种的组合。

8.如权利要求1所述的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置，其特征在于：所述第一行星轮(71A)为三个，所述第二行星轮(72A)为三个，所述第三行星轮(73A)为三个，所述第四行星轮(74A)为三个，所述第五行星轮(75A)为两个。

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