CN110076810A - 摆动锁定触发自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

摆动锁定触发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、远关节轴以及驱动机构；所述近关节轴套设在基座中，第一指段活动套接在近关节轴上，远关节轴活动套设在第一指段中，第二指段活动套接在该远关节轴上，近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行；还包括第一过渡轴、第二过渡轴、第三过渡轴、第四过渡轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第一摩擦轮、第二摩擦轮、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、触动板、棘爪、棘轮、电磁铁、推杆和限位块。本发明对物体形状及大小具有自动适应的特性，且触发力量小，具备抓取稳定、抓取动作拟人等优势。

Description

摆动锁定触发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，特别涉及一种摆动锁定触发自适应机器人手指装置。

背景技术

机器人手是机器人最重要的组件之一，机器人手的结构设计和功能改进等关键技术对机器人来说至关重要。现有的机器人手主要可分为拟人手和非拟人手，两者都拥有非常广泛的应用。由于人的手非常灵活，功能强大，在仿生学上有很大的研究学习价值，拟人机器人手的开发有很大的前景。目前的拟人机器人手主要分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

一方面，机器人手需要实现抓取、搬运和操作不同形状和大小的复杂物体，这对于机器人手的控制精度等方面要求较高；另一方面，拟人机器人手要求大小合适、重量小等特点。现有的工业夹持器功能简单，适用范围较小。现有的灵巧手有足够的关节和驱动器来完成各种精准动作，但是非常复杂和昂贵。而欠驱动手由于自身的自适应性等特点在一定程度上解决了这一矛盾。

带有自适应等特点的欠驱动手体积小、重量轻，在抓取物体的过程中可以改变抓取角度以此自动适应物体的形状，控制简单、准确、稳定。

已有的一种带轮欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101234489B)，其包括基座、电机、减速器、第一齿轮、第二齿轮、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、主动带轮、同步带、从动带轮和簧件；中部指段套接在近关节轴上，簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。该装置能够实现自适应欠驱动功能。该装置的不足之处为：该装置在物体不挤压中部指段时，末端指段将回复伸直的初始状态，因此该装置无法实施在抓取过程中反作用面撤销的物体抓取。例如一个物体放置在桌面上，当安装在机械臂上的手指靠向物体，电机驱动第一关节转动，物体会阻挡和挤压中部指段，从而同步带机构会导致手指的第二关节弯曲，但是当机械臂离开桌面时，此时物体不再挤压中部指段，末端指段将回复伸直的初始状态，手指的弯曲不能保持，于是物体脱落，抓取失败。另一方面该装置在抓取物体时虽然达到了外形上的一种自适应包络效果，但是没有产生抓持力，从而并未实现力封闭稳定抓取，只有同时具有形状封闭和力封闭两种包络才能达到稳定的抓持。在只有形状封闭时，如果遇到振动干扰，物体在某时刻对中部指段的挤压力突然减小，就会导致末端指段迅速放开物体，产生失稳现象。

已有的一种腱络欠驱动机械手指装置(中国发明专利CN100450731C)，包括基座、电机、近关节轴、远关节轴、第一指段、第二指段、推杆和簧件等。该装置自身不带驱动器，间接利用手部其他手指、其他关节的主动驱动力作为驱动源，利用腱络转动实现第二指转动。该装置不足之处在于：抓取物体时，手指转动后压迫物体，物体挤压滑块沿垂直手指表面第一指段里平移d，同时把推杆压向第一指段底板，若挤压滑块d距离较小时，推杆拉动与之固接的第二指段角度转动α较小，则第二指段的抓取力小，不能很好的抓取物体。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提供一种摆动锁定触发自适应机器人手指装置，该装置用于抓取物体，对物体的形状及大小具有自动适应的特性，实现触发自适应抓取，且触发力量需要很小，具备抓取稳定、抓取动作拟人、对控制要求低等优势。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的摆动锁定触发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、远关节轴以及驱动机构；所述近关节轴套设在基座中，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，第二指段活动套接在该远关节轴上，所述近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行；前述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置还包括第一过渡轴、第二过渡轴、第三过渡轴、第四过渡轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第一摩擦轮、第二摩擦轮、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、触动板、棘爪、棘轮、电磁铁、推杆和限位块；

所述驱动机构固设在基座内，且驱动机构的输出轴与第五齿轮相连；所述第一簧件套设在驱动机构的输出轴上且一端与第五齿轮相连、另一端与第一齿轮相连，该第一齿轮活动套接在驱动机构的输出轴上并与第二齿轮啮合，所述第二齿轮与第一指段固接；所述第三齿轮与第四齿轮固接，且第三齿轮、第四齿轮均套接在近关节轴上；所述第五齿轮与第三齿轮啮合；

所述第二簧件的两端分别连接第一指段和触动板，该触动板活动套接在第一过渡轴上，该第一过渡轴设于第一指段内，所述第二过渡轴、第三过渡轴、第四过渡轴分别套设在触动板中；所述第六齿轮安装在第一过渡轴上并分别与第四齿轮、第七齿轮啮合，所述第七齿轮安装在第二过渡轴上并与第八齿轮啮合，该第八齿轮安装在第三过渡轴上并与第九齿轮啮合，该第九齿轮安装在第四过渡轴上并与第一摩擦轮固接；所述第一摩擦轮套接在第四过渡轴上，所述第二摩擦轮套接在远关节轴上，且该第二摩擦轮与第二指段固接；在初始状态下，所述第一摩擦轮与第二摩擦轮分离，在触动板被物体挤压朝第一指段内摆动过程中，该第一摩擦轮与第二摩擦轮相接触并配合形成传动关系；

所述棘轮套接在远关节轴上，且该棘轮与所述第二摩擦轮固接，所述棘爪活动套接在棘爪轴上，所述棘爪轴安装在第一指段中；所述电磁铁的输出端与推杆的一端相连，推杆的另一端与棘爪相连，所述第三簧件的两端分别连接第一指段和棘爪；在初始状态时，所述棘爪在第三簧件的拉力作用下与棘轮啮合；所述第四簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述限位块与第二指段固接，在初始状态时，所述第一指段与限位块相接触。

本发明的目的还采用以下技术措施来进一步实现。

前述的机器人手指装置，其中所述驱动机构包括相连接的电机和减速器。

前述的机器人手指装置，其中所述第三齿轮为锥齿轮。

前述的机器人手指装置，其中所述第五齿轮为锥齿轮。

前述的机器人手指装置，其中所述第二齿轮呈弧形，且其一端面用于与第一指段固接、另一端面按圆周均布多个齿以便于和第一齿轮啮合。

前述的机器人手指装置，其中所述第四簧件为扭簧。

前述的机器人手指装置，其中所述第一摩擦轮、第二摩擦轮的外缘为橡胶材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明利用电机和减速器组成的驱动机构、各个相互啮合的齿轮组成的传动机构、触动板和各摩擦轮等组成的触发机构以及棘爪、棘轮等零件组成的锁定机构综合实现了触发自适应抓取功能，可自动适应抓取不同形状、尺寸的物体，并且易控制。第一指段转动碰触物体后，不需要很大的推力，触动板轻轻向第一指段内部摆动即可驱动第二指段并配合第一指段包围握持物体，抓取力大；锁定机构使抓取更加稳定，达到形状封闭和力封闭的稳定抓取，防止在抓取过程中因为振动干扰导致的失稳现象。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能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是本发明的正面剖视结构示意图。

图2是本发明的立体结构示意图。

图3是本发明的正视示意图。

图4是本发明的侧视示意图。

图5是本发明的内部结构立体图。

图6是图5中A部分放大图。

图7是本发明的内部结构立体图。

图8是图7中B部分放大图。

图9是本发明的爆炸结构示意图。

图10是本发明中的第二指段未锁定状态的剖视图。

图11是本发明中的第二指段锁定状态的剖视图。

图12至图14是本发明在自适应抓取物体的动作过程示意图。

图中主要元器件说明：

1－基座， 12－电机， 121-减速器， 2－第一指段，

3－第二指段， 4－近关节轴， 5－远关节轴， 61－第一齿轮，

62－第二齿轮， 621－第一簧件， 63－第三齿轮， 64－第四齿轮，

65－第五齿轮， 71－第一过渡轴， 711－第六齿轮， 72－第二过渡轴，

721－第七齿轮， 73－第三过渡轴， 731－第八齿轮， 74－第四过渡轴，

741－第九齿轮 742－第一摩擦轮， 75－第二簧件， 76－触动板，

77－第二摩擦轮， 81－电磁铁， 82－第三簧件， 83－棘爪轴，

831－棘爪， 84－棘轮， 85－推杆， 91－限位块，

92－第四簧件。

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。

请参阅图1至图9，本发明设计的一种摆动锁定触发自适应机器人手指装置，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5以及相连的电机12、减速器121；所述近关节轴4可转动地安装在基座1中，所述第一指段2活动套接在近关节轴4上，所述远关节轴5活动套设在第一指段2中，第二指段3活动套接在远关节轴5上，所述近关节轴4的轴线与远关节轴5的轴线平行。该摆动锁定触发自适应机器人手指装置还包括第一过渡轴71、第二过渡轴72、第三过渡轴73、第四过渡轴74、第一齿轮61、第二齿轮62、第三齿轮63、第四齿轮64、第五齿轮65、第六齿轮711、第七齿轮721、第八齿轮731、第九齿轮741、第一摩擦轮742、第二摩擦轮77、第一簧件621、第二簧件75、第三簧件82、第四簧件92、触动板76、棘爪轴83、棘爪831、棘轮84、推杆85、电磁铁81和限位块91。

所述电机12、减速器121均固设在基座1内，且电机12输出轴与减速器输入轴相连，减速器输出轴与第五齿轮65固接；所述第一簧件621套设在减速器输出轴上且顶端与第五齿轮65端面固接、底端与第一齿轮61端面固接，该第一齿轮61活动套接在减速器121的输出轴上并与第二齿轮62啮合，所述第二齿轮62固定在第一指段2内。所述第三齿轮63与第四齿轮64固接，且第三齿轮63、第四齿轮64均套接在近关节轴上4；所述第五齿轮65与第三齿轮63啮合。

所述第二簧件75的两端分别连接第一指段2和触动板76，该触动板76活动套接在第一过渡轴71上，该第一过渡轴71设于第一指段内，所述第二过渡轴72和第三过渡轴73和第四过渡轴74均安装于触动板76中；所述第六齿轮711安装在第一过渡轴71上并分别与第四齿轮64、第七齿轮721啮合，所述第七齿轮721安装在第二过渡轴72上并与第八齿轮731啮合，该第八齿轮731安装在第三过渡轴73上并与第九齿轮741啮合，该第九齿轮741安装在第四过渡轴74上并与第一摩擦轮742固接；所述第一摩擦轮742套接在第四过渡轴74上并与前述的第九齿轮同轴安装，所述第二摩擦轮77套接在远关节轴5上，且该第二摩擦轮77与第二指段固接；在初始状态下，所述第一摩擦轮742与第二摩擦轮77分离，在触动板76接触物体后并被物体挤压朝第一指段内摆动过程中，该第一摩擦轮742与第二摩擦轮77相接触并配合形成传动关系。

所述棘轮84套接在远关节轴5上，且该棘轮84与所述第二摩擦轮77固接且二者同轴安装于前述远关节轴上，所述棘爪831活动套接在棘爪轴83上，所述棘爪轴83安装在第一指段2中；所述电磁铁81的输出端与推杆85的一端相连，推杆85的另一端与棘爪831相连，所述第三簧件82的两端分别连接第一指段2和棘爪831；在初始状态时，所述棘爪831在第三簧件82的拉力作用下与棘轮84啮合。所述第四簧件92的两端分别连接第一指段2和第二指段3；所述限位块91与第二指段3固接，在初始状态时，所述第一指段2与限位块91相接触。

进一步而言，所述第三齿轮63和第五齿轮65均为锥齿轮；所述第二齿轮呈弧形，且其一端面用于与第一指段2固接、另一端面按圆周均布多个齿以便于和第一齿轮61啮合；所述第四簧件92为扭簧。

较佳的，在本实施例中，所述第一摩擦轮、第二摩擦轮的外缘为橡胶材料以增大摩擦力。

本发明的工作原理具体如下所述：

抓取物体动作过程示意如图12至图14所示，电机12转动并通过减速器121带动第五齿轮65转动，由于第一簧件621两端分别连接第五齿轮65与第一齿轮61，则第五齿轮65通过第一簧件621带动第一齿轮61转动，第二齿轮62随着第一齿轮61的转动而转动，进而带动第一指段2转动。第五齿轮65与第三齿轮64啮合，第三齿轮64随着第五齿轮65的转动而转动，与第三齿轮固接的第四齿轮64转动，然后第六齿轮711随着第四齿轮64转动而转动，第六齿轮711带动第七齿轮721转动，第七齿轮721带动第八齿轮731转动，第八齿轮731带动第九齿轮741转动，当触动板76没有接触物体时，在第二簧件75的作用下，第一摩擦轮742不与第二摩擦轮77接触，各齿轮转动皆为空转。当第一指段2正转接触到物体时，物体轻轻碰触触动板76，则第一摩擦轮742就会与第二摩擦轮77相接触，第二摩擦轮77随着第九齿轮的转动而转动，进而带动第二指段3转动，第二指段3接触物体后则不再转动；在此过程中，第四簧件92的变形量逐渐变大。上述自适应抓取物体动作过程示意如图12至图14所示。

初始状态时，第一指段2与限位块91相抵接，第三簧件82为拉伸状态，棘爪831在第三簧件82的拉力作用下始终靠向棘轮84，并约束棘轮84限制第二指段2不轻易转动；抓持物体过程中，第二摩擦轮77转动带动棘轮84转动，在前述棘轮棘爪配合作用下只允许棘轮84正向旋转(如图1为顺时针旋转)，且不能反向转动，保证当物体不再挤压第一指段时第二指段3不会反转，保持稳定抓取效果。本实施例中的第二指段3未锁定状态如图10所示，第二指段3锁定状态如图11所示。

至此，本发明的机器人手指装置抓紧了物体。

当放开物体时，电机反向转动并通过第二齿轮62带动第一指段1恢复到伸直位置，电磁铁81将推杆85推出，推杆85将棘爪831一端顶起并使棘爪另一端与棘轮84分离，棘轮84不再受棘爪831的约束。同时通过各齿轮的传动使第二指段3也反转，当触动板76与物体分离时在第二簧件75作用下第一摩擦轮742与第二摩擦轮77分离，最后借由第四簧件92的扭簧复位力使第二指段3也恢复到伸直位置，至此，完全恢复初始伸直状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.摆动锁定触发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、远关节轴以及驱动机构；所述近关节轴套设在基座中，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，第二指段活动套接在该远关节轴上，所述近关节轴的轴线与远关节轴的轴线平行，其特征在于：还包括第一过渡轴、第二过渡轴、第三过渡轴、第四过渡轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第一摩擦轮、第二摩擦轮、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、触动板、棘爪、棘轮、电磁铁、推杆和限位块；

所述驱动机构固设在基座内，且驱动机构的输出轴与第五齿轮相连；所述第一簧件套设在驱动机构的输出轴上且一端与第五齿轮相连、另一端与第一齿轮相连，该第一齿轮活动套接在驱动机构的输出轴上并与第二齿轮啮合，所述第二齿轮与第一指段固接；所述第三齿轮与第四齿轮固接，且第三齿轮、第四齿轮均套接在近关节轴上；所述第五齿轮与第三齿轮啮合；

所述第二簧件的两端分别连接第一指段和触动板，该触动板活动套接在第一过渡轴上，该第一过渡轴设于第一指段内，所述第二过渡轴、第三过渡轴、第四过渡轴分别套设在触动板中；所述第六齿轮安装在第一过渡轴上并分别与第四齿轮、第七齿轮啮合，所述第七齿轮安装在第二过渡轴上并与第八齿轮啮合，该第八齿轮安装在第三过渡轴上并与第九齿轮啮合，该第九齿轮安装在第四过渡轴上并与第一摩擦轮固接；所述第一摩擦轮套接在第四过渡轴上，所述第二摩擦轮套接在远关节轴上，且该第二摩擦轮与第二指段固接；在初始状态下，所述第一摩擦轮与第二摩擦轮分离，在触动板被物体挤压朝第一指段内摆动过程中，该第一摩擦轮与第二摩擦轮相接触并配合形成传动关系；

所述棘轮套接在远关节轴上，且该棘轮与所述第二摩擦轮固接，所述棘爪活动套接在棘爪轴上，所述棘爪轴安装在第一指段中；所述电磁铁的输出端与推杆的一端相连，推杆的另一端与棘爪相连，所述第三簧件的两端分别连接第一指段和棘爪；在初始状态时，所述棘爪在第三簧件的拉力作用下与棘轮啮合；所述第四簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述限位块与第二指段固接，在初始状态时，所述第一指段与限位块相接触。

2.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述驱动机构包括相连接的电机和减速器。

3.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述第三齿轮为锥齿轮。

4.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述第五齿轮为锥齿轮。

5.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述第二齿轮呈弧形，且其一端面用于与第一指段固接、另一端面按圆周均布多个齿以便于和第一齿轮啮合。

6.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述第四簧件为扭簧。

7.根据权利要求1所述的摆动锁定触发自适应机器人手指装置，其特征在于所述第一摩擦轮、第二摩擦轮的外缘为橡胶材料。