CN109986592B - 连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

连杆带轮无级变耦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、两个电机、连杆传动机构、带轮传动机构、自锁传动机构、簧件、限位块、推板等。该装置综合实现了双关节机器人手指耦合捏持与自适应包络抓取的功能：既能耦合联动两个指段去捏持小尺寸物体，抓取快速，也能先后转动第一指段和第二指段去自适应包络抓取不同形状、尺寸的物体；能够调节耦合比例，在快速抓取物体和大范围抓取性能之间进行切换，获得更好的抓取稳定性，抓取范围大；采用欠驱动的方式，在抓取时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、重量轻，制造和维护成本低。

Description

连杆带轮无级变耦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，特别涉及一种连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手是人抓取和搬移物体的主要部件。随着人类对机器人要求的增大，人们对机器人手的期望也越来越高。现有机器人手主要分为仿人多指手、特种手两大类，其中仿人多指手是具有手指的机器人手，又细分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。其中欠驱动手具有耦合、平夹或自适应抓取模式，能够降低控制难度，提高抓取稳定性，抓取适用面宽，成本低。

平夹欠驱动手指主要用于工业抓取领域，耦合欠驱动手指主要用于仿人服务机器人领域，因为耦合抓取的过程比较拟人化，动作自然，抓取小尺寸物体时可以用耦合多关节联动的方式捏持，抓取比较精确，抓取大尺寸物体时又可以采用自适应抓取的方式，实现了对不同形状尺寸物体的适应性，抓取稳定性高。

已有的一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置(中国发明专利CN101664930B)，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机、减速器、四个连杆等。该装置虽然可以实现耦合抓取和自适应抓取，对所抓物体具有自适应效果，但是，在耦合抓取过程中，第二指段绕远关节轴转动的角度始终和第一指段绕近关节轴转动的角度成固定的比例，无法更改耦合比例，耦合抓取过程无法满足快速抓取与大范围抓取之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置，具有多种抓取模式，并且能够调节耦合比例，在快速抓取和大范围抓取性能之间进行切换，获得更好的抓取稳定性。

为实现前述目的本发明采用的技术方案如下：

本发明设计的连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中；所述第一指段套固在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套固在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；

该连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第一连杆、第二连杆、第一可动带轮、第一固定带轮、第二可动带轮、第二固定带轮、带轮、第一簧件、第一电机、第二电机、第一传动机构、第二传动机构、第二簧件、限位块和推板；所述第一电机与基座固接；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端通过第二轴与第二连杆的一端铰接；所述第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一轴套接在基座上；所述第三轴套接在第二指段上；所述第二电机与基座固接；所述第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；所述第二传动机构为自锁传动机构，其输出端与推板相连；所述推板与第一可动带轮相连；所述第一簧件一端与第一指段连接，另一端与第一固定带轮连接；所述第一可动带轮和第一固定带轮套接在近关节轴上；所述第二可动带轮和第二固定带轮套固在远关节轴上；所述带轮分别连接第一可动带轮、第一固定带轮和第二可动带轮、第二固定带轮，传动带呈“O”形，所述传动带、第一可动带轮、第一固定带轮、第二可动带轮、第二固定带轮构成带轮传动关系；所述第二簧件的两端分别连接第一连杆和第二连杆；所述限位块与第二连杆固接；在初始状态时，所述限位块与第一连杆接触；

所述近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴、第一轴符合如下关系：设近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴、第一轴的中心点分别为A、B、C、D、E；线段AB、BC、CE、EA构成“8”字形；点D、A在线段EC的一侧，点B在线段EC的另一侧。

进一步的，所述第二传动机构包括丝杠和螺母，所述第二电机的输出轴与丝杠相连，所述丝杠与螺母螺纹连接，所述螺母与推板固接。

进一步的，所述第一簧件采用卷簧。

进一步的，所述第二簧件采用拉簧、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：

本发明利用两个电机、连杆传动机构、带轮传动机构、自锁传动机构等综合实现了双关节机器人手指耦合捏持与自适应包络抓取的功能：既能耦合联动两个指段去捏持小尺寸物体，抓取快速，也能先后转动第一指段和第二指段去自适应包络抓取不同形状尺寸物体。该装置能够调节耦合比例，在快速抓取物体和大范围抓取性能之间进行切换，获得更好的抓取稳定性，抓取范围大；采用欠驱动的方式，在抓取时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、重量轻，制造和维护成本低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明设计的连杆带轮无级变耦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所示实施例的一个侧面外观图。

图3是图1所示实施例的正面外观图。

图4图3的A-A剖视图。

图5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6是图1所示实施例的正面外观图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。

图7至图10是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图11至图12是图1所示实施例捏持抓取物体过程示意图。

【附图标记】

1-基座 21-第一指段 22-第二指段 31-近关节轴

32-远关节轴 331-第一轴 332-第二轴 333-第三轴

41-第一连杆 42-第二连杆 51-第一可动带轮 52-第一固定带轮

53-第二可动带轮 54-第二固定带轮 55-传动带 56-卷簧

61-第一电机 62-第二电机 71-第一传动机构 72-第二传动机构

81-弹簧 82-限位块 9-推板 10-物体

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31和远关节轴32；所述近关节轴31套设在基座1中；所述第一指段21套固在近关节轴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套固在远关节轴32上；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线平行；

本实施例还包括第一轴331、第二轴332、第三轴333、第一连杆41、第二连杆42、第一可动带轮51、第一固定带轮52、第二可动带轮53、第二固定带轮54、传动带55、卷簧56(即第一簧件)、第一电机61、第二电机62、第一传动机构71、第二传动机构72、弹簧81(即第二簧件)、限位块82和推板9；

所述第一电机61与基座1固接；所述第一电机61的输出轴与第一传动机构71的输入端相连；所述第一传动机构71的输出端与第一连杆41相连；所述第一连杆41的一端套接在第一轴331上，第一连杆41的另一端套接在第二轴332上；所述第二连杆42的一端套接在第二轴332上，第二连杆42的另一端套接在第三轴333上；所述第一轴331套接在基座1上；所述第三轴333套接在第二指段22上；所述第二电机62与基座1固接；所述第二电机62的输出轴与第二传动机构72的输入端相连；所述第二传动机构72为自锁传动机构，其输出端与推板9相连；所述推板9与第一可动带轮相连51；所述卷簧56一端与第一指段21连接，另一端与第一固定带轮52连接；所述第一可动带轮51和第一固定带轮52套接在近关节轴31上，二者共同构成一个传动带轮；所述第二可动带轮53和第二固定带轮54套固在远关节轴32上，二者共同构成另一个传动带轮；所述传动带55分别连接第一可动带轮51、第一固定带轮52和第二可动带轮53、第二固定带轮54，传动带55呈“O”形，所述传动带55、第一可动带轮51、第一固定带轮52、第二可动带轮53、第二固定带轮54构成带轮传动关系；所述弹簧81的两端分别连接第一连杆41和第二连杆42；所述限位块82与第二连杆42固接，在初始状态时，所述限位块82与第一连杆41接触；

本实施例中所述近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴符合如下关系：设近关节轴31、远关节轴32、第三轴333、第二轴332、第一轴331的中心点分别为A、B、C、D、E；线段AB、BC、CE、EA构成“8”字形；点D、A在线段EC的一侧，点B在线段EC的另一侧。

本实施例中，所述第一传动机构71为齿轮传动机构。本发明采用一对相互啮合的锥齿轮，第一电机61的输出轴与一个锥齿轮连接，另一个锥齿轮套接在第一轴331上，并且所述第一连杆41的一端与另一个锥齿轮固接。

本实施例中，所述第二传动机构72包括丝杠和螺母，所述第二电机62的输出轴与安装在基座1中的丝杠连接，所述丝杠与螺母螺纹连接，所述螺母与推板9固接。

本发明所说的弹簧采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述弹簧81采用拉簧。

本实施例的工作原理，结合图8至图12，叙述如下：

本实施例的初始状态如图7、图11所示，类似人的手指伸直状态。

当本实施例抓取物体10时，第二电机62转动，通过第二传动机构72带动推板9在基座1上滑动，通过推板9推动第一可动带轮51沿近关节轴移动，改变带传动比例，实现了耦合抓取过程中第一指段21绕近关节轴31的转动角度与第二指段22绕远关节轴32的转动角度之比为a，达到变比例耦合转动的目的。推板9向左运动时(如图5所示)，比例a变大；反之，推板9向右运动时(如图5所示)，比例a变小。

第一电机61转动，通过第一传动机构71带动第一连杆41逆时针(如图5所示)转动，第二连杆42带动第二指段22绕远关节轴32逆时针转动一个角度β，由于第二指段套固在远关节轴上，远关节轴32同时转动，通过带轮传动，第一指段21绕近关节轴31耦合转动一个角度α且β:α＝a，如图8所示。此时会遇到以下两种情况：

(a)当第二指段22先接触物体被阻挡时，抓取结束，实现了耦合捏持小物体的效果，如图12所示；

(b)当第一指段21先于第二指段22接触物体表面，则第一指段21被阻挡而无法继续转动，如图9所示，此时，带轮继续传动，卷簧56收缩；同时第一连杆41逆时针继续转动，第一连杆41与第二连杆42之间的夹角变大，限位块82离开第一连杆41，弹簧81变形；第二指段22绕远关节轴32逆时针继续转动，直到第二指段22也接触物体为止，抓取结束，实现了自适应包络抓取大物体的效果，如图10所示。

释放物体10的过程：第一电机61反转，后续过程与上述抓取物体10的过程刚好相反，不再赘述。

本发明利用两个电机、连杆传动机构、带轮传动机构、自锁传动机构等综合实现了双关节机器人手指耦合捏持与自适应包络抓取的功能：既能耦合联动两个指段去捏持小尺寸物体，抓取快速，也能先后转动第一指段和第二指段去自适应包络抓取不同形状尺寸的物体。该装置能够调节耦合比例，在快速抓取物体和大范围抓取性能之间进行切换，获得更好的抓取稳定性，抓取范围大；采用欠驱动的方式，在抓取时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、重量轻，制造和维护成本低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的设计和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中；所述第一指段套固在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套固在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；

其特征在于：该连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第一连杆、第二连杆、第一可动带轮、第一固定带轮、第二可动带轮、第二固定带轮、传动带、第一簧件、第一电机、第二电机、第一传动机构、第二传动机构、第二簧件、限位块和推板；所述第一电机与基座固接；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与第一连杆相连；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端通过第二轴与第二连杆的一端铰接；所述第二连杆的另一端套接在第三轴上；所述第一轴套接在基座上；所述第三轴套接在第二指段上；所述第二电机与基座固接；所述第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；所述第二传动机构为自锁传动机构，其输出端与推板相连；所述推板与第一可动带轮相连；所述第一簧件一端与第一指段连接，另一端与第一固定带轮连接；所述第一可动带轮和第一固定带轮套接在近关节轴上；所述第二可动带轮和第二固定带轮套固在远关节轴上；所述传动带分别连接第一可动带轮、第一固定带轮和第二可动带轮、第二固定带轮，传动带呈“O”形，所述传动带、第一可动带轮、第一固定带轮、第二可动带轮、第二固定带轮构成带轮传动关系；所述第二簧件的两端分别连接第一连杆和第二连杆；所述限位块与第二连杆固接，在初始状态时，所述限位块与第一连杆接触；

所述近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴、第一轴符合如下关系：设近关节轴、远关节轴、第三轴、第二轴、第一轴的中心点分别为A、B、C、D、E；线段AB、BC、CE、EA构成“8”字形；点D、A在线段EC的一侧，点B在线段EC的另一侧；

所述第一簧件采用卷簧，所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧。

2.如权利要求1所述的连杆带轮无级变耦自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括丝杠和螺母，所述第二电机的输出轴与丝杠相连，所述丝杠与螺母螺纹连接，所述螺母与推板固接。