CN109176565B - 末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括底座、基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机、三个传动机构、两个簧件、凸轮、推杆、滚轮、增程机构和拨块。该装置既能实现耦合运动，达到捏持物体的效果，也能实现自适应运动，达到包络握持不同形状、尺寸物体的效果；在耦合运动阶段，第二指段的末端相对于基座沿直线运动，适合在工作台上耦合捏持物体，无需调整机器人手的整体高度，减小机械臂控制难度，提高了工作效率；该装置采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；结构紧凑、体积小、成本低，适用于机器人手。

Description

末端沿直线运动的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，特别涉及一种末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手作为机器人的重要部件，是机器人研究的热点和难点。有些手被设计成人手的形状去模仿人手的运动，也有些手被开发出来用于工业作业中，例如工业夹持器、欠驱动手、灵巧手和特种手等。欠驱动机器人手是利用少量电机驱动多个关节，相对于全主动控制的机器人手每个关节都由电机驱动，欠驱动机器人手巧妙地利用了弹簧作为储能元件和传动机构变形，有效地降低整个机械手的控制复杂性和重量，并且电机可以藏在基座中，减少了运动手指部件的重量，提高了机器人手的抓取力，利用机械式的反馈系统减少了控制难度，降低了制造成本。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489B)，包括基座、电机、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、带轮传动机构和簧件等。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，能够适应不同形状尺寸的物体。该欠驱动两关节机器人手指装置的不足之处为：1)抓取方式只能为握持方式，难实现弯曲远关节的末端捏持抓取效果；2)该装置抓取物体的过程不拟人，该装置在未碰触物体前始终呈现伸直的状态。

人手作为人身上最为灵活的部位之一，能够实现各种功能。在实现抓取功能时，可以根据抓取的姿态分为多指合作握持、两指面对面平行夹持、两指点对点末端捏持等。以食指为例，当弯曲食指时，食指上的三个关节同时发生转动，不同的关节角度之间呈现一种耦合联动的关系。当食指上下两个指段中某一个指段在接触到物体被阻挡时，未被阻挡的指段还能继续围绕着所连接的关节转动，直到整个手指的不同指段均已贴合到物体表面，自动适应物体的形状与大小，并形成强大的抓取力。目前耦合自适应机器人手已经成为仿人机器人手领域的研究热点。

已有一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国专利CN101633171B)主要包括基座、电机、减速器、近关节轴、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构、和多个簧件综合实现了耦合抓取和自适应欠驱动抓取效果的融合。该双关节并联欠驱动机器人手指装置的不足在于：1)簧件使用过多，在抓取过程中不能很好的实现各簧件之间的耦合平衡，抓取力过小；2)该机器人手指在耦合抓取的过程中，其第二指段的末端相对于基座运动轨迹为圆弧，当桌面存在平薄小物体时，需要移动机械臂才可以实现捏持抓取的过程，增加了额外的控制复杂度。

在桌面上捏持物体时，可以使用耦合手指去抓取。为了在抓取的最后阶段手指的末端位于物体所处的高度上从而实现稳定捏取，目前只能利用机械臂控制机器人手整体进行位置调整，随着手指耦合弯曲的过程不断调节机器人手的整体高度，大大增加了机器人在抓取时控制难度和编程需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置。该装置可实现直线耦合捏持及自适应抓取的功能，既能同时转动两个指段实现耦合运动，达到捏持物体的效果，也能在第一指段接触物体被阻挡后继续转动第二指段实现自适应运动，达到包络握持不同形状、尺寸物体的效果；在耦合运动阶段，第二指段的末端相对于基座沿直线运动。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、近关节轴、第二指段、远关节轴、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构和电机；所述电机固接在基座中；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；所述远关节轴活动套设在第一指段中，远关节轴的中心线与近关节轴中心线平行；所述第二指段套固在远关节轴上；所述第一传动机构包括第一主动轮、第一传动件和第一从动轮；所述第一主动轮活动套接在近关节轴上；所述第一从动轮套固在远关节轴上；所述第一传动件连接第一主动轮与第一从动轮，第一传动件、第一主动轮与第一从动轮三者形成传动关系；设从第一主动轮到第一从动轮的传动比为k，k<0；所述第二传动机构包括第二主动轮、第二传动件和第二从动轮；所述第二主动轮活动套接在近关节轴上；所述第二从动轮套固在远关节轴上；所述第二传动件连接第二主动轮与第二从动轮，第二传动件、第二主动轮与第二从动轮三者形成传动关系；设从第二主动轮到第二从动轮的传动比为j，j＞0；所述电机的输出端与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第二主动轮相连；其特征在于：该末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置还包括底座、第一簧件、第二簧件、凸轮、推杆、滚轮、拨块和增程机构；所述基座滑动套接在底座上；所述拨块与第一主动轮固接，拨块与基座活动接触从而受到基座的单向运动限制；所述增程机构包括第一齿条、第一齿轮、第二齿轮、第二齿条和传动轴；所述推杆滑动镶嵌在基座中；所述滚轮活动套接在推杆顶端；所述第一齿条固接在推杆上；所述传动轴活动套设在基座中；所述第一齿轮套固在传动轴上，第一齿轮与第一齿条相啮合；所述第二齿轮套固在传动轴上，第二齿轮的分度圆直径与第一齿轮的分度圆直径之比为m；所述第二齿条与底座固接，第二齿条与第二齿轮相啮合，第二齿条与第一齿条相对于基座处于同向运动；所述凸轮活动套接在近关节轴上，凸轮与第一指段相固接；所述第一簧件两端分别连接拨块与基座；所述第二簧件的两端分别连接推杆和基座，第二簧件使滚轮与凸轮的外缘面始终相切；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第二指段的末端点为C；在初始状态时，线段AB与线段BC共线；线段AB的长度为a，线段BC的长度为b，凸轮的基圆半径为r，凸轮的轮廓线参数方程为R＝r+(a+b-a cosθ-b cos[(k-1)θ])/m；在初始状态时，θ＝0，R＝r。

本发明所述的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮；所述第一传动件可以采用传动带、绳、链条或多个齿轮；所述第一主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮。

本发明所述的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮；所述第二传动件可以采用传动带、绳、链条、多个齿轮；所述第二主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮。

本发明所述的末端沿直线运动的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、压簧、扭簧。

本发明所述的末端沿直线运动的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、压簧、扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用在底座上的可滑动的基座、多个传动机构、双簧件、凸轮、推杆、滚轮、增程机构和拨块等实现了末端沿直线运动的耦合与自适应复合抓取功能。该装置既能同时转动两个指段实现耦合运动，达到捏持物体的效果，也能在第一指段接触物体被阻挡后继续转动第二指段实现自适应运动，达到包络握持不同形状、尺寸物体的效果；在耦合运动阶段，第二指段的末端相对于基座沿直线运动，适合在工作台上多指段同时转动去耦合捏持物体，由于末端始终沿直线运动，无需调整机器人手的整体高度，减小机械臂控制难度，提高了工作效率；该装置采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，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是本发明设计的末端沿直线运动的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所示实施例的左视图。

图4是图1所示实施例的内部结构图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的爆炸图。

图6、图7和图9是图1所示实施例耦合抓取过程中，某一时刻第一指段、第二指段和基座相对底座的位置关系图。

图8是图1所示实施例耦合抓取过程中，某一时刻内部结构图。

图10是图1所示实施例在以耦合捏持的方式抓取物体的动作过程叠加图，所述第二指段末端轨迹为直线。

图11至图14是图1所示实施例在第一指段先碰触物体后以自适应包络的方式握持物体的过程图。

图15是图1所示实施例在以耦合自适应抓取的方式抓取物体的动作过程叠加图。

图16是图1所示实施例第一第二指段在耦合抓取过程中，第一指段与第二指段相对位置示意图，近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第二指段的末端点为C，点A'、B'、C'分别为在第一指段、第二指段分别转动θ角后，点A、B、C相对于基座的位置，A”、B”、C”是点A、B、C相对于底座的位置，线段AB的长度为a，线段BC的长度为b，初始位置时第二指段末端与近关节轴中心点之间的距离为H，B'相对于A'在竖直方向上的高度差为P，C'相对于B'在竖直方向上的高度差为Q，C点相对于基座下降的距离为Δh。

图17是图1所示实施例中凸轮的外轮廓图，R为凸轮的外缘到圆心的距离，r为基圆半径，ΔR＝R-r。

图18是图1所示实施例第一指段转动θ角度时，滚轮、推杆与凸轮三者之间的相对位置关系图。

图19至图20是图1所示实施例在第一主动轮、拨块、第一簧件相对于基座的位置关系。

在图1至图20中：

1－底座， 11－基座， 12－电机， 2－第一指段，

21－近关节轴， 3－第二指段， 31－远关节轴， 4－第一传动机构，

41－第一主动轮， 42－第一传动件， 43－第一从动轮， 5－第二传动机构，

51－第二主动轮， 52－第二传动件， 53－第二从动轮， 61－第一簧件，

62－第二簧件， 63－拨块， 7－增程机构， 71－凸轮，

72－推杆， 73－第一齿条， 74－第一齿轮， 75－第二齿轮，

76－第二齿条， 77－传动轴， 78－滚轮 8－第三传动机构，

81－第一锥齿轮， 82－第二锥齿轮， 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。

本发明设计的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1-5所示，一种末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，包括基座11、第一指段2、近关节轴21、第二指段3、远关节轴31、第一传动机构4、第二传动机构5、第三传动机构8和电机12；所述电机12固接在基座11中；所述近关节轴21活动套设在基座11中；所述第一指段2活动套接在近关节轴21上；所述远关节轴31活动套设在第一指段2中，远关节轴31的中心线与近关节轴21中心线平行；所述第二指段3套固在远关节轴31上；所述第一传动机构4包括第一主动轮41、第一传动件42和第一从动轮43；所述第一主动轮41活动套接在近关节轴21上；所述第一从动轮43套固在远关节轴31上；所述第一传动件42连接第一主动轮41与第一从动轮43，第一传动件42、第一主动轮41与第一从动轮43三者形成传动关系；设从第一主动轮41到第一从动轮43的传动比为k，k<0；所述第二传动机构5包括第二主动轮51、第二传动件52和第二从动轮53；所述第二主动轮51活动套接在近关节轴21上；所述第二从动轮53套固在远关节轴31上；所述第二传动件52连接第二主动轮51与第二从动轮53，第二传动件52、第二主动轮51与第二从动轮53三者形成传动关系；设从第二主动轮51到第二从动轮53的传动比为j，j＞0；所述电机12的输出端与第三传动机构8的输入端相连，所述第三传动机构8的输出端与第二主动轮51相连；该末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置还包括底座1、第一簧件61、第二簧件62、凸轮71、推杆72、滚轮78、拨块63和增程机构7；所述基座11滑动套接在底座1上；所述拨块63与第一主动轮41固接，拨块63与基座11活动接触从而受到基座11的单向运动限制；所述增程机构7包括第一齿条73、第一齿轮74、第二齿轮75、第二齿条76和传动轴77；所述推杆72滑动镶嵌在基座11中；所述滚轮78活动套接在推杆72顶端；所述第一齿条73固接在推杆72上；所述传动轴77活动套设在基座11中；所述第一齿轮74套固在传动轴77上，第一齿轮74与第一齿条73相啮合；所述第二齿轮75套固在传动轴77上，第二齿轮75的分度圆直径与第一齿轮74的分度圆直径之比为m；所述第二齿条76与底座1固接，第二齿条76与第二齿轮75相啮合，第二齿条76与第一齿条73相对于基座11处于同向运动；所述凸轮71活动套接在近关节轴21上，凸轮71与第一指段2相固接；所述第一簧件61两端分别连接拨块63与基座11；所述第二簧件62的两端分别连接推杆72和基座11，第二簧件62使滚轮78与凸轮71的外缘面始终相切；设近关节轴21的中心点为A，远关节轴31的中心点为B，第二指段3的末端点为C；在初始状态时，线段AB与线段BC共线；线段AB的长度为a，线段BC的长度为b，凸轮71的基圆半径为r，凸轮71的轮廓线参数方程为R＝r+(a+b-a cosθ-b cos[(k-1)θ])/m；在初始状态时，θ＝0，R＝r。

本发明所述的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一主动轮41可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮；所述第一传动件42可以采用传动带、绳、链条或多个齿轮；所述第一从动轮41可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮。所述第二主动轮51可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮；所述第二传动件52可以采用传动带、绳、链条、多个齿轮；所述第二从动轮51可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮。所述第一簧件61采用拉簧、压簧、扭簧。所述第二簧件62采用拉簧、压簧、扭簧。

本实施例中，所述第一主动轮41采用带轮，第一传动件42采用传动带，第一从动轮43采用带轮，第二主动轮51采用带轮，第二传动件52采用传动带，第二从动轮53采用带轮，第一簧件61采用拉簧，第二簧件62采用压簧。本实施例中，k＝-1，j＝1，m＝5。

本实施例中，考虑到装置的工作空间，对凸轮71上半部分被切除，被切除部分不在本实施例的工作范围内，因此没有影响。

本实施例中，第三传动机构8包括第一锥齿轮81和第二锥齿轮82。

本实施例的工作原理结合附图6至图20，叙述如下：

本实施例的初始状态如图6所示，第一指段2和第二指段3相对于基座11处于竖直状态，电机12转动，通过第三传动机构8带动第二主动轮51相对于基座11转动角度2θ，在第二传动件52的传动下，第二从动轮53同样相对于基座11转动角度2θ，由于第二指段3、第二从动轮53和第一从动轮43均与远关节轴31均套固在远关节轴31上，故第二指段3和第一从动轮43均相对于基座11转动角度2θ，在第一簧件61的作用下，第一主动轮41和拨块63仿佛固接在基座11上一样，因此第一主动轮41不发生转动，如图19所示，在第一传动件42的传动下，第一指段2相对基座11转动角度θ，因此，第二指段相对于第一指段转动的角度为θ，如图7、图8所示。此时，相对于基座11，B点转到B'点，C点转到C'点，H为初始位置时第二指段3末端与近关节轴21中心点之间的距离，P为B'相对于A'在竖直方向上的高度差，Q为C'相对于B'在竖直方向上的高度差，第二指段3末端相对于基座11下降的距离为Δh，如图16所示：

Δh＝H-P-Q＝a+b-a cosθ-b cos2θ (1)

由于凸轮71与第一指段2固接在一起，此时凸轮71相对于基座11同样转动角度θ，凸轮71将会推动与滚轮78向下运动，推杆72也会同时在基座11的滑槽中向下运动，第二簧件62被压缩，连带着第一齿条73也会向下运动，凸轮71推动推杆72向下运动的距离为ΔR，如图17至图18所示：

ΔR＝R-r＝(a+b-a cosθ-b cos2θ)/m (2)

第一齿条73向下运动会使之啮合的第一齿轮74以及与第一齿轮74固接的传动轴77转动，固接在传动轴77上的第二齿轮75也将同步转动，第二齿轮75的转动带动着第二齿条76向下运动，从而使底座1向下运动。在这个过程中，因为第二齿轮75的分度圆与第一齿轮74的分度圆之比为m，那么就有由第一齿轮74、第一齿条73、第二齿轮75、第二齿条76传动轴77组成的增程机构7其增程比为m，因此底座1下降的距离L:

L＝mΔR＝a+b-a cosθ-b cos2θ＝Δh (3)

因此当底座1固定时，基座11相对于底座1上升的距离与第二指段3末端相对于基座11下降的距离相等，第二指段3末端相对于底座1的垂直距离未发生变化，第二指段3末端沿直线运动，点A、B、C相对于底座运动到A”、B”、C”的位置，直至第二指段3接触到物体9，耦合过程结束如图9所示。这一过程实现了第二指段3末端直线运动，并且第一指段2与第二指段3耦合转动的效果，可以捏持桌面上的薄板物体9。整个耦合过程运动迭加图如图10所示。

当第一指段2先于第二指段3接触物体9时，第一指段2将不会在继续转动。电机12继续转动，第三传动机构8将动力传递至第二主动轮51，第二主动轮51转动带动着第二从动轮53转动，与第二从动轮53一同固接在远关节轴31上的第二指段3以及第一从动轮43也将转动相同角度。第一从动轮43将通过第一传动件42带动着第一主动轮41转动，此时拨块63将远离基座11，第一簧件61将会被拉伸，如图19至图20所示，直至第二指段3也接触到物体9，完成自适应包络的过程。整个过程如图11至图15所示。

释放物体9的过程与上述过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用在底座上的可滑动的基座、多个传动机构、双簧件、凸轮、推杆、滚轮、增程机构和拨块等实现了末端沿直线运动的耦合与自适应复合抓取功能。该装置既能同时转动两个指段实现耦合运动，达到捏持物体的效果，也能在第一指段接触物体被阻挡后继续转动第二指段实现自适应运动，达到包络握持不同形状、尺寸物体的效果；在耦合运动阶段，第二指段的末端相对于基座沿直线运动，适合在工作台上多指段同时转动去耦合捏持物体，由于末端始终沿直线运动，无需调整机器人手的整体高度，减小机械臂控制难度，提高了工作效率；该装置采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，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 (5)

1.一种末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、近关节轴、第二指段、远关节轴、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构和电机；所述电机固接在基座中；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；所述远关节轴活动套设在第一指段中，远关节轴的中心线与近关节轴中心线平行；所述第二指段套固在远关节轴上；所述第一传动机构包括第一主动轮、第一传动件和第一从动轮；所述第一主动轮活动套接在近关节轴上；所述第一从动轮套固在远关节轴上；所述第一传动件连接第一主动轮与第一从动轮，第一传动件、第一主动轮与第一从动轮三者形成传动关系；设从第一主动轮到第一从动轮的传动比为k，k<0；所述第二传动机构包括第二主动轮、第二传动件和第二从动轮；所述第二主动轮活动套接在近关节轴上；所述第二从动轮套固在远关节轴上；所述第二传动件连接第二主动轮与第二从动轮，第二传动件、第二主动轮与第二从动轮三者形成传动关系；设从第二主动轮到第二从动轮的传动比为j，j>0；所述电机的输出端与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第二主动轮相连；其特征在于：该末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置还包括底座、第一簧件、第二簧件、凸轮、推杆、滚轮、拨块和增程机构；所述基座滑动套接在底座上；所述拨块与第一主动轮固接，拨块与基座活动接触从而受到基座的单向运动限制；所述增程机构包括第一齿条、第一齿轮、第二齿轮、第二齿条和传动轴；所述推杆滑动镶嵌在基座中；所述滚轮活动套接在推杆顶端；所述第一齿条固接在推杆上；所述传动轴活动套设在基座中；所述第一齿轮套固在传动轴上，第一齿轮与第一齿条相啮合；所述第二齿轮套固在传动轴上，第二齿轮的分度圆直径与第一齿轮的分度圆直径之比为m；所述第二齿条与底座固接，第二齿条与第二齿轮相啮合，第二齿条与第一齿条相对于基座处于同向运动；所述凸轮活动套接在近关节轴上，凸轮与第一指段相固接；所述第一簧件两端分别连接拨块与基座；所述第二簧件的两端分别连接推杆和基座，第二簧件使滚轮与凸轮的外缘面始终相切；设近关节轴的中心点为A，远关节轴的中心点为B，第二指段的末端点为C；在初始状态时，线段AB与线段BC共线；线段AB的长度为a，线段BC的长度为b，凸轮的基圆半径为r，凸轮的轮廓线参数方程为R＝r+(a+b-acosθ-bcos[(k-1)θ])/m；在初始状态时，θ＝0，R＝r。

2.根据权利要求1所述的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮；所述第一传动件可以采用传动带、绳、链条或多个齿轮；所述第一从动轮可以采用带轮、绳轮、链轮或齿轮。

3.根据权利要求1所述的末端沿直线运动的耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二主动轮可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮；所述第二传动件可以采用传动带、绳、链条、多个齿轮；所述第二从动轮可以采用带轮、绳轮、链轮、齿轮。

4.根据权利要求1所述的末端沿直线运动的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、压簧、扭簧。

5.根据权利要求1所述的末端沿直线运动的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、压簧、扭簧。

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