CN111761599B

CN111761599B - 齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN111761599B
Application number: CN202010635147.3A
Authority: CN
Inventors: 程思宇; 张文增; 李卫国
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2023-02-10
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111761599A

Abstract

齿轮竞速双驱动平夹与耦合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、多个齿轮、主动轴、传动轮、传动拨块和簧件等。该装置实现了平行夹持与耦合自适应抓取功能，具有平行夹持、耦合抓取和自适应抓取三种抓取模式，能够通过分别驱动不同电机实现不同抓取模式，第一电机开动时获得平行夹持功能，第二电机开动时获得耦合与自适应复合抓取功能；抓取范围大；在抓取过程中，仅开动一个电机，无需复杂的传感和控制系统；结构紧凑，体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

Description

齿轮竞速双驱动平夹与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，特别涉及一种齿轮竞速双驱动平夹与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重要的执行终端，在各种任务中发挥着不可或缺的作用。由于人手非常灵巧，动作繁杂，适应能力特别强，导致研究机器人手成为一个难点和热点。已经有了众多仿人机器人手被研制开发出来，有的结构精巧，有的成本低廉，有的比较接近人手的外观，有的比较注重抓取的有效性和稳定性……在这些已开发的机器人手中，有一个比较折中且很活跃的领域就是欠驱动机器人手。欠驱动机器人手由于采用较少的驱动器来实现更多的关节自由度，不仅结构仿人手，而且成本控制在合理的范围内，得到了很多研究者的青睐，成为机器人手研究领域目前比较重要的前沿热点。

通常对物体抓取有两种形式，一种是使用末端手指的指尖部分去夹取物体，这种抓取方式类似于常见的工业夹持器，采用两个点或两个面与物体接触，常用于较小物体的抓取情况，另一种抓取方式是通过手指各关节弯曲包络环绕，采用多个点或多个面与物体接触，这种抓取方式更稳定，但通常受到指段长度限制，有局限范围，无法对更小的物体进行抓取。

结合上述模式，现有欠驱动机器人手进一步可以分为平行夹持机器人手(可以做到平行夹持抓取，简称平夹抓取)、耦合抓取机器人手(可以做到耦合包络抓取)、自适应机器人手(可以适应不同形状尺寸物体)等多个类别，也有将两种功能融合的复合机器人手，例如：平夹与自适应手、耦合与自适应手。

一种带有形状自适应的多功能机械手(专利US5378033)，包括多个指段、多个关节轴、多个齿轮、多个连杆等，可以实现耦合动作——同时弯曲多个关节达到很好的拟人化抓取效果，抓取方式为末端捏持或者包络抓握。其不足之处在于：该装置无法实现相对于手掌基座保持末端指段不变的平行夹持抓取模式，捏持抓取物体时末端指段的接触面小，抓取不稳定。

一种柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置(专利CN105773606A)，包括两个指段、两个关节轴、驱动器、柔性传动件、传动轮、齿轮、凸块拨盘、两个簧件和两个限位凸块等，可以实现平行夹持与自适应两种抓取模式。其不足之处在于：该装置无法实现双关节耦合动作，无法用拟人化的耦合多关节联动去抓取物体，包络抓取物体速度慢，效率低，因为需要从平行夹持的状态进入到包络自适应状态，这一过程第二指段转动的幅度较大，影响了抓取效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置。该装置具有平行夹持、耦合抓取和自适应抓取三种抓取模式，该装置既能够用第二指段相对基座不变姿态的去平动夹持物体，也能够同时转动第一指段和第二指段去抓取物体，还能够在第一指段接触物体后第二指段继续转动抓取物体，达到对不同形状、尺寸物体的适应性；抓取范围大。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的齿轮竞速双驱动平夹与耦合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、第一电机、第一传动机构、近齿轮、中间传动机构和远齿轮；所述第一电机固接在基座中；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行；所述近齿轮套接在近关节轴上，所述远齿轮套接在远关节轴上；所述中间传动机构设置在第一指段中；所述中间传动机构的输入端与近齿轮相连，中间传动机构的输出端与远齿轮相连；所述近齿轮与远齿轮的分度圆半径相等；通过中间传动机构的传动，从近齿轮到远齿轮的传动为同向且等速传动；其特征在于：该齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置还包括第二电机、第二传动机构、主动轴、传动轮、传动拨块、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和簧件；所述传动轮套接在近关节轴上；所述第一传动机构的输出端与传动轮相连；所述传动拨块与传动轮固接；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，所述第二传动机构的输出端与主动轴相连；所述主动轴套设在基座中，主动轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一齿轮、第三齿轮分别套固在主动轴上；所述第二齿轮、第四齿轮分别套接在近关节轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第三齿轮与第四齿轮啮合；所述簧件的两端分别连接第二齿轮和第一指段；所述第四齿轮与近齿轮固接；在初始状态时，所述传动拨块与第一指段相接触，设所述第一齿轮和第二齿轮之间传动比为a，所述第三齿轮和第四齿轮之间的传动比小于a。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一蜗杆、第一蜗轮、过渡轴和过渡齿轮；所述过渡轴套设在基座中，所述过渡轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一蜗杆套固在第一减速器的输出轴上，所述第一蜗杆与第一蜗轮啮合，所述第一蜗轮套固在过渡轴上，所述过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡齿轮与传动轮啮合，所述传动轮为齿轮。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合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第二减速器、第二蜗杆和第二蜗轮；所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第二蜗杆套固在第二减速器的输出轴上，所述第二蜗杆与第二蜗轮啮合，所述第二蜗轮套固在主动轴上。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括串联啮合的奇数个齿轮。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括第一中间齿轮、第二中间齿轮、第三中间齿轮、第一中间轴、第二中间轴和第三中间轴；所述第一中间齿轮套接在第一中间轴上，所述第二中间齿轮套接在第二中间轴上，所述第三中间齿轮套接在第三中间轴上；所述近齿轮与第一中间齿轮啮合，所述第一中间齿轮与第二中间齿轮啮合，所述第二中间齿轮与第三中间齿轮啮合，所述第三中间齿轮与远齿轮啮合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用两个电机、多个齿轮、主动轴、传动轮、传动拨块和簧件等综合实现了平行夹持与耦合自适应抓取功能，该装置具有平行夹持、耦合抓取和自适应抓取三种抓取模式，能够通过分别驱动不同电机实现不同抓取模式；该装置既能够用第二指段相对基座不变姿态的去平动夹持物体，也能够同时转动第一指段和第二指段去抓取物体，还能够在第一指段接触物体后第二指段继续转动抓取物体，达到对不同形状、尺寸物体的适应性；该装置抓取范围大；在抓取过程中，仅开动一个电机，属于欠驱动的方式驱动两个关节自由度，无需复杂的传感和控制系统；该装置将多数的驱动和传动部件藏入手指基座，在近关节轴和远关节轴之间仅有一条传动路径，结构紧凑，提高了手指的控制响应效果，降低了能耗；该装置体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮竞速双驱动平夹与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所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的正面内部视图(未画出部分零件)。

图4是图3的A-A剖视图(未画出部分零件)。

图5是图3的B-B剖视图(未画出部分零件)。

图6是图3的C-C剖视图(未画出部分零件)。

图7是图2的D-D剖视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的内部立体视图(未画出部分零件)。

图9是图1所示实施例的爆炸视图。

图10是图1所示实施例的机构简图。

图11是图1所示实施例以平行夹持的方式抓取物体的过程示意图。

图12是图11的机构简图。

图13是图1所示实施例以耦合与自适应方式抓取物体的过程示意图。

图14是图13的机构简图。

在图1至图14中：

1－基座， 21－第一指段， 22－第二指段， 31－近关节轴，

32－远关节轴， 41－过渡轴， 42－主动轴， 411－第一电机，

412－第一减速器， 413－第一蜗杆， 414－第一蜗轮， 421－第二电机，

422－第二减速器， 423－第二蜗杆， 424－第二蜗轮， 51－过渡齿轮，

52－传动轮， 61－第一齿轮， 62－第二齿轮， 63－第三齿轮，

64－第四齿轮， 71－近齿轮， 72－中间传动机构， 73－远齿轮，

521－传动拨块， 8－簧件， 99－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。

本发明设计的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图12所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32、第一电机411、第一传动机构、近齿轮71、中间传动机构72和远齿轮73；所述第一电机411固接在基座1中；所述第一电机411的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述近关节轴31套设在基座1中；所述第一指段21活动套接在近关节轴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套接在远关节轴32上；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线相互平行；所述近齿轮71套接在近关节轴31上，所述远齿轮73套接在远关节轴32上；所述中间传动机构72设置在第一指段21中；所述中间传动机构72的输入端与近齿轮71相连，中间传动机构72的输出端与远齿轮73相连；所述近齿轮71与远齿轮73的分度圆半径相等；通过中间传动机构72的传动，从近齿轮72到远齿轮73的传动为同向且等速传动；该齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置还包括第二电机421、第二传动机构、主动轴42、传动轮52、传动拨块521、第一齿轮61、第二齿轮62、第三齿轮63、第四齿轮64和簧件8；所述传动轮52套接在近关节轴31上；所述第一传动机构的输出端与传动轮52相连；所述传动拨块521与传动轮52固接；所述第二电机421与基座1固接；所述第二电机421的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与主动轴42相连；所述主动轴42套设在基座1中，主动轴42的中心线与近关节轴31的中心线平行；所述第一齿轮61、第三齿轮63分别套固在主动轴42上；所述第二齿轮62、第四齿轮64分别套接在近关节轴31上；所述第一齿轮61与第二齿轮62啮合，所述第三齿轮63与第四齿轮64啮合；所述簧件8的两端分别连接第二齿轮62和第一指段21；所述第四齿轮64与近齿轮71固接；在初始状态时，所述传动拨块521与第一指段21相接触，设所述第一齿轮61和第二齿轮62之间传动比为a，所述第三齿轮63和第四齿轮64之间的传动比小于a。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件8采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述簧件8采用扭簧。

本实施例中，所述第一传动机构包括第一减速器412、第一蜗杆413、第一蜗轮414、过渡轴41和过渡齿轮51；所述过渡轴41套设在基座1中，所述过渡轴41的中心线与近关节轴31的中心线平行；所述第一电机411的输出轴与第一减速器412的输入轴相连，所述第一蜗杆413套固在第一减速器412的输出轴上，所述第一蜗杆413与第一蜗轮414啮合，所述第一蜗轮414套固在过渡轴41上，所述过渡齿轮51套固在过渡轴41上，所述过渡齿轮51与传动轮52啮合，所述传动轮52为齿轮。

本实施例中，所述第二传动机构包括第二减速器422、第二蜗杆423和第二蜗轮424；所述第二电机421的输出轴与第二减速器422的输入轴相连，所述第二蜗杆423套固在第二减速器422的输出轴上，所述第二蜗杆423与第二蜗轮424啮合，所述第二蜗轮424套固在主动轴42上。

本发明所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构72包括串联啮合的奇数个齿轮。本实施例中，所述中间传动机构72包括串联啮合的3个齿轮。

本实施例中，所述中间传动机构72包括第一中间齿轮721、第二中间齿轮722、第三中间齿轮723、第一中间轴701、第二中间轴702和第三中间轴703；所述第一中间齿轮721套接在第一中间轴701上，所述第二中间齿轮722套接在第二中间轴702上，所述第三中间齿轮723套接在第三中间轴703上；所述近齿轮71与第一中间齿轮721啮合，所述第一中间齿轮721与第二中间齿轮722啮合，所述第二中间齿轮722与第三中间齿轮723啮合，所述第三中间齿轮723与远齿轮73啮合。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

本实施例的初始状态如图3所示。在本实施例抓取物体99时，如果希望采用平行夹持方法抓取物体99时，启动第一电机411(此时不启动第二电机421)，第一电机411通过第一传动机构和过渡齿轮51带动传动轮52，在传动拨块521的作用下带动第一指段21转动。此时，由于第二电机421未启动，第二传动机构未动，近齿轮71相对于基座1保持不动，第一指段21的转动的效果相当于近齿轮71相对于第一指段21反向转动了一个角度，于是通过中间传动机构72使得远齿轮73相对于第一指段21反向转动了一个同样的角度，于是远齿轮73相对于基座1没有发生转动。

本实施例中，中间传动机构72为3个齿轮，通过中间传动机构，从近齿轮71到远齿轮73的传动为同向等速传动。于是，远齿轮73相对与基座1保持不变，则第二指段22相对于基座1的姿态保持不动，仅进行位置平动而没有发生姿态转动，实现第二指段22平行夹持(如图11中1、2、3位置)，当第二指段22接触物体99，抓取结束(如图11中3位置)，实现第二指段22平行夹持功能。

在本实施例抓取物体99时，如果希望采用耦合包络方法抓取物体99，启动第二电机421(此时不启动第一电机411)，第二电机421通过第二传动机构、第一齿轮61和第三齿轮63分别带动第二齿轮62和第四齿轮64。第二齿轮62通过簧件8带动第一指段21正转，同时第四齿轮64与近齿轮71转动，通过中间传动机构72带动远齿轮73正向转动，第二指段22相对于基座1转动的速度高于第一指段21相对于基座1的转动速度，第二指段22相对于第一指段21有姿态的改变(如图13中1、2位置)。当第一指段21触碰到物体99时，第一指段受到物体99阻挡无法继续转动，此时进入自适应阶段，簧件8变形量增大，第二电机421的动力将让第二指段22继续转动(如图13中3位置)，直到第二指段22接触物体99(如图13中4位置)，完成两个指段均接触物体99的自适应抓取功能。

图11、图12是图1所示实施例开动第一电机411的运动过程示意图，通过平行夹持方式抓取物体99。

图13、图14是图1所示实施例开动第二电机421的运动过程示意图，通过耦合自适应方式抓取物体99。

Claims

1.一种齿轮竞速双驱动平夹与耦合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、第一电机、第一传动机构、近齿轮、中间传动机构和远齿轮；所述第一电机固接在基座中；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中；所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行；所述近齿轮套接在近关节轴上，所述远齿轮套接在远关节轴上；所述中间传动机构设置在第一指段中；所述中间传动机构的输入端与近齿轮相连，中间传动机构的输出端与远齿轮相连；所述近齿轮与远齿轮的分度圆半径相等；通过中间传动机构的传动，从近齿轮到远齿轮的传动为同向且等速传动；其特征在于：该齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置还包括第二电机、第二传动机构、主动轴、传动轮、传动拨块、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和簧件；所述传动轮套接在近关节轴上；所述第一传动机构的输出端与传动轮相连；所述传动拨块与传动轮固接；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，所述第二传动机构的输出端与主动轴相连；所述主动轴套设在基座中，主动轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一齿轮、第三齿轮分别套固在主动轴上；所述第二齿轮、第四齿轮分别套接在近关节轴上；所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第三齿轮与第四齿轮啮合；所述簧件的两端分别连接第二齿轮和第一指段；所述第四齿轮与近齿轮固接；在初始状态时，所述传动拨块与第一指段相接触，设所述第一齿轮和第二齿轮之间传动比为a，所述第三齿轮和第四齿轮之间的传动比小于a。

2.如权利要求1所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

3.如权利要求1所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一蜗杆、第一蜗轮、过渡轴和过渡齿轮；所述过渡轴套设在基座中，所述过渡轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一蜗杆套固在第一减速器的输出轴上，所述第一蜗杆与第一蜗轮啮合，所述第一蜗轮套固在过渡轴上，所述过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡齿轮与传动轮啮合，所述传动轮为齿轮。

4.如权利要求1所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合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第二减速器、第二蜗杆和第二蜗轮；所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第二蜗杆套固在第二减速器的输出轴上，所述第二蜗杆与第二蜗轮啮合，所述第二蜗轮套固在主动轴上。

5.如权利要求1所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括串联啮合的奇数个齿轮。

6.如权利要求5所述的齿轮竞速双驱动平夹与耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述中间传动机构包括第一中间齿轮、第二中间齿轮、第三中间齿轮、第一中间轴、第二中间轴和第三中间轴；所述第一中间齿轮套接在第一中间轴上，所述第二中间齿轮套接在第二中间轴上，所述第三中间齿轮套接在第三中间轴上；所述近齿轮与第一中间齿轮啮合，所述第一中间齿轮与第二中间齿轮啮合，所述第二中间齿轮与第三中间齿轮啮合，所述第三中间齿轮与远齿轮啮合。