CN109202943B - 限位协同双模态灵巧机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

限位协同双模态灵巧机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、两个驱动器、腱绳、两个传动机构、限位组件、扭矩限制器、第一簧件、第二簧件和第三簧件。该装置利用驱动器、腱绳、传动机构、簧件、和限位组件综合实现了灵巧控制和自适应抓取两种模态。在手指受到被抓取物体压力后可自动由灵巧控制模态切换为自适应抓取模态。例如可根据目标物体形状和尺寸的不同，控制改变手指的抓取姿态，以最适合的姿势抓取物体；同时由于该装置利用了腱绳驱动方式的优点，在手指接触物体后可提供稳定的抓取；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。

Description

限位协同双模态灵巧机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种限位协同双模态灵巧机器人手指装置的结构设计。

背景技术

手作为人身上拥有最多自由度的部位，拥有极高的灵活性，是人身上最为重要的器官之一。同样的，对于机器人手的研究成为了拟人机器人最为重要的研究方向，其抓取力度、稳定性以及其体积重量等都直接影响拟人机器人的性能。

人们最开始研究的方向便是灵巧手，希望通过模拟人手的运动方式来实现人手的功能。因为灵巧手能够完全的控制每一个关节自由度，可以做到人手所能做到的任何动作，它在代替人手进行工作的时候有着巨大的优势。多年来灵巧手的研究取得了很大的进展，例如国外Utah/MIT手，Shadow公司的C5手；国内哈工大的HIT手等等。灵巧手在灵活操控方面有着很好的表现，但在用于抓取物体时却不能保证很好的抓取稳定性。这是因为灵巧手是通过多个驱动器驱动各个关节的，而在实际抓取过程中如何平衡这每一个驱动器的力度大小是一个很大的问题。这对于其传感以及控制系统的要求很高。而且为了提供足够的抓取力，每一个驱动器都需要承受高负载，这提高了该类手的制造成本，也降低了其实际使用的可靠性。

为了使机器人手能够自适应物体的形状以及尺寸，实现自动平衡各关节力度的功能，人们开始了对于欠驱动手的研究。欠驱动手指利用其结构的设计，使得其在抓取物体时各指段能依次贴紧物体表面，实现自适应的功能。这很大程度上提高了抓取的稳定性，并降低了制造成本以及控制复杂度，使得21世纪以来欠驱动手的研究得到了很大的重视。但欠驱动手的缺点在于，控制一个手指的电机数小于手指的自由度数，这使得该手指无法像灵巧手一样做出任意的动作。也就是说欠驱动手无法像实际中人手一样能适应多种不同的使用环境。例如在很多情况下，欠驱动手在碰触物体之前的抓取轨迹是固定的，现在研究最多的平夹自适应机器人手和耦合自适应机器人手都有这一特点，这使得同一款机器人手能稳定抓取的物体尺寸范围固定，对于小于或大于该范围的物体的抓取稳定性会大大下降。

而人手在实际生活与工作过程中，既需要具有灵巧性，可以灵活完成对物体的操作工作；同时也需要其能够稳定抓取物体的能力，能将物体稳稳的抓取在手中。因而希望机器人手替代人手，则必须要同时满足这两方面的需求。

已有的一种协同符合抓取机器人手指装置(中国发明专利CN102909727B)，包括基座、中部指段、第一电机、第一减速器、末端指段、第一关节轴、第二关节轴、第二电机、第二减速器、第三电机、第三减速器、锥齿轮、主动轮、从动轮、传动件、单向第二传动机构和簧件。该装置在多个电机的配合下实现了从耦合抓取到自适应抓取的切换；同时可以通过基座中的电机为最终抓取提供抓取力，降低了对于手指内电机的要求。

该装置的不足之处在于：

1)该装置使用了三个电机来控制两个关节，在控制过程中的各个阶段只使用了部分电机作为驱动器，而其它电机则处于停止状态。这造成了电机在使用中的浪费；

2)该装置在抓取物体之前仍然只能以耦合抓取的模式弯曲，每两个相邻指段间的夹角相等，手指无法做到像灵巧手一样达到任意需要的姿态。

已有的一种欠驱动机器人手指锁定装置(中国发明专利CN107953353A)，包括基座、指段、关节轴、电机、第二传动机构、滑动架、主动轴、主动轮、从动轮、连杆组件。该装置实现了对机械手指多个关节任意角度位置即时同步锁定的功能。可以在手指处于不同姿态时，将欠驱动手指的全部关节锁定，辅助手指进行抓取。

该装置的不足之处在于：

1)该装置为欠驱动手指外附的辅助装置，占用了过大的手外空间，影响其他手指在手掌上的分布；

2)该装置用于改变手指抓取模式的方式为锁紧各个手指关节，由于锁紧关节以及关节的解锁需要一定的时间，这使得手指在控制上十分不灵活，无法迅速的进行锁定与解锁功能，适用于机械重复的抓取工作，而难以实现灵巧手的自由操控的功能。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种限位协同双模态灵巧机器人手指装置，该装置可以同时实现灵巧手自由改变手指姿态的功能和欠驱动手稳定抓取的功能；该装置结构简单，生产成本低，控制容易。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、第一关节轴和第二关节轴；所述第一关节轴活动套设在基座中，所述第一指段活动套接在第一关节轴上；所述第二关节轴活动套设在第一指段中，所述第二指段活动套接在第二关节轴上；所述第一关节轴和第二关节轴相互平行；其特征在于：该限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第一驱动器、第一传动机构、腱绳、第二驱动器、第二传动机构、限位组件、第一簧件和第二簧件；所述第一驱动器固接在基座中，第一驱动器的输出端与第一传动机构的输入端相连，所述腱绳的一端与第一传动机构的输出端相连，腱绳穿过第一指段，腱绳的另一端固接在第二指段上；所述限位组件包括扭矩限制器、槽轮、限位凸块和第三簧件，所述扭矩限制器活动套接在第二关节轴上，所述槽轮活动套接在第二关节轴上，所述限位凸块固接在第二指段上，所述槽轮设有固定的齿槽，所述限位凸块的顶端嵌入在齿槽中，所述限位凸块的顶端在齿槽中有一定角度的活动范围，所述扭矩限制器的输出端与槽轮固接；所述第二驱动器固接在第一指段中，所述第二传动机构的输入端与第二驱动器输出端相连，第二传动机构的输出端与扭矩限制器的输入端固接；所述第一簧件的两端分别连接基座和第一指段，所述第二簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述第三簧件的两端分别连接槽轮和限位凸块；所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第三指段、第三关节轴、第三传动机构；所述第三关节轴活动套设在第二指段中，所述第三指段活动套接在第三关节轴上；所述第三传动机构包括第一转轮、第二转轮和连杆，所述第一转轮固接在第一指段上，所述第二转轮固接在第三指段上，所述连杆分别与第一转轮、第二转轮铰接，使得第三指段能与第二指段能耦合转动。

本发明所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机；所述第二传动机构采用蜗轮蜗杆传动机构，第二传动机构包括蜗轮和蜗杆；所述蜗轮活动套接在第二关节轴上，所述蜗杆套固在第二驱动器的输出端上，所述蜗轮与蜗杆啮合；所述蜗轮与扭矩限制器的输入端固接。

本发明所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第三簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用限位组件的协同配合，实现了手指的灵巧控制与自适应抓取双模态的功能；在灵巧控制模态时，通过藏于第一指段的驱动器、传动装置和限位组件实现了对于第二指段转动角度的控制，配合第一驱动器和腱绳，可任意改变手指的姿态，从而实现灵巧手的功能，可任意的改变手指姿态，完成人手能做出的各种操作；在自适应抓取模态时，采用腱绳驱动的方式，使得手指在抓取物体时有着很好的抓取稳定性，同时可以提供足够的抓取力；当手指接触物体手指表面受到压力时，因为簧件的特性，该装置将自动切换到自适应抓取模态，增强抓取的稳定性；在该装置中，手指能够提供的抓取力大小不受第二驱动器的影响，而仅受第一驱动器的影响，因而仅需对第一驱动器进行调整就可以获得相应的抓取力，而尺寸较小的第二驱动器不需要提供很大的力；两个电机之间无内部干涉和能量损耗；在该装置中，扭矩限制器可在使用过程中限制第二驱动器上的扭矩，防止第二驱动器因过大的负载而损坏。

附图说明

图1是本发明的限位协同双模态灵巧机器人手指装置的第一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的侧面外观图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图1所示实施例的正面外观图。

图5是图4的B-B剖视图。

图6是图1所示实施例的第二指段和第三指段的连接示意图。

图7是扭矩限制器的横截面剖视图。

图8是扭矩限制器的俯视图。

图9、图10、图11和图12是图1所示实施例抓握物体过程的示意图。

图13是图1所示实施例直立触碰物体的示意图。

图14、图15和图16是图1所示实施例限位凸块与槽轮配合实现限位的示意图。

在图1至图16中：

1－第三指段， 10－基座， 20－第一指段， 30－第二指段，

11－第一关节轴， 21－第二关节轴， 31－第三关节轴， 16－基座轴，

12－第一簧件， 22－第二簧件， 57－第三簧件， 15－套线筒，

13－第一电机， 14－第一减速器， 55－第二电机， 56－第二减速器，

41－第一转轮， 42－连杆， 43－第二转轮， 17－腱绳，

51－蜗杆， 52－蜗轮， 53－槽轮， 54－限位凸块，

23－近端表面， 33－中部表面， 2－物体， 900－扭矩限制器，

910－壳体， 920－旋转构件， 930－旋转轴， 940－滚珠，

950－压力弹簧。

具体实施方式

下面结合附图及多个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。

本发明设计的限位协同双模态灵巧机器人手指装置的第一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，包括基座10、第一指段20、第二指段30、第一关节轴11和第二关节轴21；所述第一关节轴11活动套设在基座10中，所述第一指段20活动套接在第一关节轴11上；所述第二关节轴21活动套设在第一指段20中，所述第二指段30活动套接在第二关节轴21上；所述第一关节轴11和第二关节轴21相互平行；其特征在于：该限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第一驱动器、第一传动机构、腱绳17、第二驱动器、第二传动机构、限位组件、第一簧件12和第二簧件22；所述第一驱动器固接在基座10中，第一驱动器的输出端与第一传动机构的输入端相连，所述腱绳17的一端与第一传动机构的输出端相连，腱绳17穿过第一指段20，腱绳17的另一端固接在第二指段30上；所述限位组件包括扭矩限制器900、槽轮53、限位凸块54和第三簧件57，所述扭矩限制器900活动套接在第二关节轴21上，所述槽轮53活动套接在第二关节轴21上，所述限位凸块54固接在第二指段30上，所述槽轮53设有固定的齿槽，所述限位凸块54的顶端嵌入在齿槽中，所述限位凸块54的顶端在齿槽中有一定角度的活动范围，所述扭矩限制器900的输出端与槽轮53固接；所述第二驱动器固接在第一指段20中，所述第二传动机构的输入端与第二驱动器输出端相连，第二传动机构的输出端与扭矩限制器900的输入端固接；所述第一簧件12的两端分别连接基座10和第一指段20，所述第二簧件22的两端分别连接第一指段20和第二指段30；所述第三簧件57的两端分别连接槽轮53和限位凸块54。

本实施例中，所述限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第三指段1、第三关节轴31、第三传动机构；所述第三关节轴31活动套设在第二指段30中，所述第三指段1活动套接在第三关节轴31上；所述第三传动机构包括第一转轮41、第二转轮43和连杆42，所述第一转轮41固接在第一指段20上，所述第二转轮43固接在第三指段1上，所述连杆42分别与第一转轮41、第二转轮43铰接，使得第三指段1能与第二指段30能耦合转动。

本实施例中，所述第一驱动器为第一电机13；所述第二驱动器为第二电机55。

本实施例中，所述第一传动机构采用套线筒15。

本实施例中，所述第二传动机构采用蜗轮蜗杆传动机构，第二传动机构包括蜗轮52和蜗杆51；所述蜗轮52活动套接在第二关节轴21上，所述蜗杆51套固在第二驱动器的输出端上，所述蜗轮52与蜗杆51啮合；所述蜗轮52与扭矩限制器900的输入端固接。

本实施例中，所述第一簧件12采用扭簧；所述第二簧件22采用扭簧；所述第三簧件57采用压簧。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示的第一种实施例为例介绍本发明装置的工作原理，结合图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15和图16，叙述如下：

该装置的初始位置如图9所示，此时第一指段20、第二指段30和第三指段1保持直立状态。此时该装置处于灵巧控制模态，当控制本实施例的机器人手时，第一电机13的输出轴转动，通过套线筒15拉动腱绳17，带动手指弯曲。与此同时，第二电机55的输出轴转动，通过蜗杆51和蜗轮52带动扭矩限制器900转动，进而扭矩限制器900可以带动槽轮53转动，从而改变槽轮53的角度，时刻限制第二指段30的转角。此时由于在第一簧件12、第二簧件22和第三簧件57的作用下消除了限位凸块54与槽轮53之间的间隙，限位凸块54将紧贴着槽轮53的内侧，即槽轮53转过的角度即为第二指段30相对于第一指段20转过的角度。于是在此期间，第二电机55可以通过控制槽轮53转角来控制第二指段30的转动角度。因为第二指段30转过的角度确定，第一电机13便可通过拉动腱绳17的距离控制第一指段20相对于基座10的转动角度。于是在第二电机55的协同控制下，两电机可配合实现整个手指的灵巧手功能，可完成各种人手能实现的各种操作。而在抓取物体时，则可以通过改变手指的姿态，让手指可以以合适姿态靠近物体，手指运动过程中的姿态如图10和图11所示。

当手指到达合适位置后，如图11所示，第二电机55继续转动，通过第二传动机构带动槽轮53继续转动。当第二指段30和第三指段1接触物体后，如图12所示，由于物体对第二指段30和第三指段1的作用力，作用在限位凸块54上的力将减小，同时作用在第三簧件57上的压力将增大，第三簧件57长度将缩短，限位凸块54与槽轮53内侧将不再紧贴，从而逐渐解除了限位凸块54对槽轮53的限制。此时手指进入自适应抓取模态，第二指段30可直接受到腱绳17拉力的作用，从而整个手指的受力状态与腱绳17驱动的欠驱动手指相似，可以在腱绳17的拉动下完成对物体的自适应抓取，提高手指抓取的力度和稳定性。

由于第二电机55的尺寸较小，仅做精度要求而电机的负载能力差，若是受到较大的载荷会发生损坏。在限位组件生效的时候，如果腱绳17上的拉力过大，限位凸块54将对槽轮53产生很大的扭矩作用，而由于扭矩限制器900的作用，可以限制该扭矩的大小，防止藏于第一指段20内的第二电机55被损坏。

当手指以完全伸直的状态运动时，手指可以最大范围碰触物体，在此期间限位凸块54一直限制槽轮53的转动，从而限制第二指段30的转动，其碰触物体的效果如图13所示。

限位组件的具体工作原理如图14、图15和图16所示。在第三簧件57的作用下，限位凸块54与槽轮53内侧可无间隙的接触，从而限位凸块54可以限制槽轮53的转动，如图14所示。通过改变槽轮53的转角，如图15所示，若第二指段30和第三指段1未接触物体，此时该装置仍处于灵巧控制模态，则第二指段30可继续转动，在第三簧件57以及腱绳17的作用下，第二指段30将会绕第二关节轴21旋转，限位凸块54将会重新与槽轮53内侧相接触，从而能控制第二指段30的转过的角度，如图16所示。若第二指段30和第三指段1已与物体接触而不能继续转动，则该装置进入自适应抓取模态，限位组件的状态仍为图15所示，此时限位齿不受槽轮53的限制，第二指段30可以在腱绳17的拉动下完成对物体的自适应抓取，提高手指抓取的力度和稳定性。

本发明装置利用限位组件的协同配合，实现了手指的灵巧控制与自适应抓取双模态的功能；在灵巧控制模态时，通过藏于第一指段的驱动器、传动装置和限位组件实现了对于第二指段转动角度的控制，配合第一驱动器和腱绳，可任意改变手指的姿态，从而实现灵巧手的功能，可任意的改变手指姿态，完成人手能做出的各种操作；在自适应抓取模态时，采用腱绳驱动的方式，使得手指在抓取物体时有着很好的抓取稳定性，同时可以提供足够的抓取力；当手指接触物体手指表面受到压力时，因为簧件的特性，该装置将自动切换到自适应抓取模态，增强抓取的稳定性；在该装置中，手指能够提供的抓取力大小不受第二驱动器的影响，而仅受第一驱动器的影响，因而仅需对第一驱动器进行调整就可以获得相应的抓取力，而尺寸较小的第二驱动器不需要提供很大的力；两个电机之间无内部干涉和能量损耗；在该装置中，扭矩限制器可在使用过程中限制第二驱动器上的扭矩，防止第二驱动器因过大的负载而损坏。

Claims (4)

1.一种限位协同双模态灵巧机器人手指装置，包括基座(10)、第一指段(20)、第二指段(30)、第一关节轴(11)和第二关节轴(21)；所述第一关节轴(11)活动套设在基座(10)中，所述第一指段(20)活动套接在第一关节轴(11)上；所述第二关节轴(21)活动套设在第一指段(20)中，所述第二指段(30)活动套接在第二关节轴(21)上；所述第一关节轴(11)和第二关节轴(21)相互平行；其特征在于：该限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第一驱动器、第一传动机构、腱绳(17)、第二驱动器、第二传动机构、限位组件、第一簧件(12)和第二簧件(22)；所述第一驱动器固接在基座(10)中，第一驱动器的输出端与第一传动机构的输入端相连，所述腱绳(17)的一端与第一传动机构的输出端相连，腱绳(17)穿过第一指段(20)，腱绳(17)的另一端固接在第二指段(30)上；所述限位组件包括扭矩限制器(900)、槽轮(53)、限位凸块(54)和第三簧件(57)，所述扭矩限制器(900)活动套接在第二关节轴(21)上，所述槽轮(53)活动套接在第二关节轴(21)上，所述限位凸块(54)固接在第二指段(30)上，所述槽轮(53)设有固定的齿槽，所述限位凸块(54)的顶端嵌入在齿槽中，所述限位凸块(54)的顶端在齿槽中有一定角度的活动范围，所述扭矩限制器(900)的输出端与槽轮(53)固接；所述第二驱动器固接在第一指段(20)中，所述第二传动机构的输入端与第二驱动器输出端相连，第二传动机构的输出端与扭矩限制器(900)的输入端固接；所述第一簧件(12)的两端分别连接基座(10)和第一指段(20)，所述第二簧件(22)的两端分别连接第一指段(20)和第二指段(30)；所述第三簧件(57)的两端分别连接槽轮(53)和限位凸块(54)；所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置还包括第三指段(1)、第三关节轴(31)、第三传动机构；所述第三关节轴(31)活动套设在第二指段(30)中，所述第三指段(1)活动套接在第三关节轴(31)上；所述第三传动机构包括第一转轮(41)、第二转轮(43)和连杆(42)，所述第一转轮(41)固接在第一指段(20)上，所述第二转轮(43)固接在第三指段(1)上，所述连杆(42)分别与第一转轮(41)、第二转轮(43)铰接，使得第三指段(1)能与第二指段(30)耦合转动。

2.如权利要求1所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。

3.如权利要求1所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机；所述第二传动机构采用蜗轮蜗杆传动机构，第二传动机构包括蜗轮(52)和蜗杆(51)；所述蜗轮(52)活动套接在第二关节轴(21)上，所述蜗杆(51)套固在第二驱动器的输出端上，所述蜗轮(52)与蜗杆(51)啮合；所述蜗轮(52)与扭矩限制器(900)的输入端固接。

4.如权利要求1所述的限位协同双模态灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件(12)采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件(22)采用拉簧、压簧或扭簧；所述第三簧件(57)采用拉簧、压簧或扭簧。

Images