CN1365875A - 自适应欠驱动机械手指装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于拟人机器人技术领域,涉及一种自适应欠驱动机械手指装置。包括第一指节、主动板、第二指节、欠驱动关节;欠驱动关节包括大齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴、弹簧;大齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合;该三个齿轮轴均套设在第一指节上;大齿轮轴与主动板固接;小齿轮轴与第二指节骨架固接;弹簧连接在第一指节与第二指节之间。本发明自身不带驱动器,外形与人手的手指相似,结构简单、可靠,体积小、重量轻,仅需要较低的控制系统要求。可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分,用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度,并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。

Description

自适应欠驱动机械手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种自适应欠驱动机械手指装置结构设计。

背景技术

与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。设计自适应欠驱动机械手指装置能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。

已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如美国发明专利US5762390，包括第一指节、第二指节、第三指节、电机、带轮传动机构、丝杠传动机构、底座、连杆机构、弹簧。第一指节、第二指节、第三指节与底座串连绞接在一起，并且两两之间设有弹簧和连杆相连，形成3个四连杆机构，电机、带轮传动机构、丝杠传动机构相串连设置在底座里。该装置由自身携带的电机驱动，由带轮传动机构、丝杠传动机构将电机的转动转化为连杆机构的运动。其工作原理为：电机转动，通过带轮传动机构和丝杠传动机构的运动，推动第一个四连杆机构运动，从而推动第一、二、三指节同时转动。当第一指节接触到物体时，第一指节不再转动，电机继续转动，推动第一、二2个四连杆机构运动，从而推动第二、三指节继续转动。当第二指节也接触到物体，第二指节不再转动，电机继续转动，推动第一、二、三3个四连杆机构运动，从而推动第三指节继续转动，直到第三指节也接触物体为止。

该装置的不足之处为：该装置的电机、带轮传动机构、丝杠传动机构不仅装置复杂，而且较重、体积较大，不能安装于手指指节中，只能安装在手掌底座里，造成手掌底座体积很大；实现手指指节依次转动的多个四连杆机构装置复杂、制造成本高；不适合安装在拟人机器人上使用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种自适应欠驱动机械手指装置。该装置自身不带驱动器，外形与人手的手指相似，结构简单、可靠，体积小、重量轻，仅需要较低的控制系统要求。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。

本发明设计的自适应欠驱动机械手指装置，包括第一指节、主动板、第二指节、欠驱动关节；第一指节、主动板与第二指节之间套设该欠驱动关节；所说的欠驱动关节包括大齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴、弹簧。大齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合。三个齿轮轴均套设在第一指节上。大齿轮轴与主动板固接。小齿轮轴与第二指节骨架固接。弹簧连接在第一指节与第二指节之间。

第一指节包括第一指节中部板、左轴承板、右轴承板，三者固接在一起。

主动板包括主动板骨架、左侧板、右侧板、主动板表面板，主动板骨架与左侧板、右侧板固接在一起。主动板表面板固接在主动板骨架的表面。

第二指节包括第二指节骨架、第二指节表面板、后盖板。第二指节骨架与后盖板固接。第二指节表面板固接在第二指节骨架表面上。主动板表面板和第二指节表面板采用有适当弹性的工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。

第一指节、第二指节和主动板的主要材料采用尼龙610，较大程度的减轻了重量，同时由于尼龙610具有一定的润滑作用，省去了各齿轮轴与第一指节之间的滑动轴承零件。

本发明设计的自适应欠驱动机械手指装置的工作原理为：

当手指伸直时，让弹簧受拉，第一指节与主动板之间的初始角度最好呈3～30度的角度。

当抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压第一指节主动板，带动与主动板固接的大齿轮轴转动，带动双联齿轮轴转动，带动小齿轮轴转动，从而驱动与小齿轮轴固接的第二指节转动，直到第二指节接触物体，因而具有对物体大小、形状的适应性。由于从大齿轮轴到小齿轮轴的二级齿轮传动为增速传动，所以第二指节转动的角度远大于主动板转动的角度，使得第二指节转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的；当放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫第一指节主动板，第一指节和第二指节之间连接的弹簧将第二指节拉回到原始伸直的位置，通过齿轮传动，带动第一指节主动板也恢复原位。另外，如果抓取的物体直径较小，不适合接触到第一指节主动板，则可以采用其他手指的最末尾一个指节与此自适应欠驱动手指的第二指节接触的方式抓取，此时，欠驱动关节不会转动，也同样能够很好的抓取物体。

本发明的特点为：

本发明的装置自身不带驱动器，间接利用手部其他手指对物体的抓取力作为驱动源，并利用齿轮传动实现手指指节转动，对所抓物体形状、大小具有很强的自适应，降低了抓取物体时需要的控制精度，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与人手的手指相似，结构简单、可靠，体积小、重量轻，可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分，用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、大小物体的很强的自适应性。

附图说明

图1是本发明的一种自适应欠驱动机械手指实施例的正面结构图，未画出左侧板8、主动板骨架17、右侧板18、主动板表面板19。

图2是本实施例自适应欠驱动机械手指的侧面结构图。

图3是图1中的C-C剖面图。

图4是图2中的B向视图，仅画出左侧板8、主动板骨架17、右侧板18、主动板表面板19。

图5是本实施例自适应欠驱动机械手指抓握物体的示意图。

图6是应用了本实施例的一种机器人拟人手结构的侧面外观图，此时拇指已摆动到与手掌正对的位置。

图7是应用了本实施例的一种机器人拟人手结构的正面外观图，此时拇指已摆动到与手掌的侧面。

图8是应用了本实施例的一种机器人拟人手捏持小尺寸圆柱物体的示意图。

图9是应用了本实施例的一种机器人拟人手握持小尺寸圆柱物体的示意图。

在图1至图9中：

1是第一指节，       2是第二指节，         3是欠驱动关节，

4主动板，           5是第一指节中部板，   6是右轴承板，

7是左轴承板，       8是左侧板，           9是第二指节后盖板，

10是弹簧，          11是第二指节骨架，    12是第二指节表面板，

13是大齿轮轴，      14是双联齿轮轴，      15是小齿轮轴，

16是圆锥销，        17是主动板，          18是右侧板，

19是主动板表面板，  20是物体，

21是手掌，          22是食指第一指节，    23是食指第二指节，

24是拇指第一指节，  25是拇指第二指节，    26是食指第一关节，

27是食指第二关节，  28是拇指第一关节，    29是拇指第二关节。

具体实施方式

本发明的内容结合实施例及附图详细描述如下：

本发明设计的一种自适应欠驱动机械手指装置实施例如图1、2、3、4所示，主要包括第一指节1、主动板4、第二指节2、欠驱动关节3。第一指节1、主动板4与第二指节2之间套设有欠驱动关节3。

第一指节1包括第一指节中部板5、左轴承板7、右轴承板6。三者通过螺钉固接在一起。

主动板4包括主动板骨架17、左侧板8、右侧板18、主动板表面板19。主动板骨架17与左侧板8、右侧板18通过螺钉固接在一起。主动板表面板19用胶水粘接在主动板骨架17的表面。

第二指节2包括第二指节骨架11、第二指节表面板12、后盖板9。第二指节骨架11与后盖板9通过螺钉固接。第二指节表面板12用胶水粘接在第二指节骨架11表面上。

欠驱动关节3包括大齿轮轴13、双联齿轮轴14、小齿轮轴15、圆锥销16、弹簧10。大齿轮轴13、小齿轮轴15分别与双联齿轮轴14的小齿轮、大齿轮啮合。三个齿轮轴13、14、15均套设在第一指节1上。大齿轮轴13与小齿轮轴15同轴。大齿轮轴13通过圆锥销16与主动板17固接。小齿轮轴15通过圆锥销16与第二指节骨架11固接。弹簧10连接在第一指节中部板5与第二指节骨架11之间。当手指伸直时，让弹簧10受拉，第一指节1与主动板4之间的初始角度β最好呈3～30度的角度。

主动板4和第二指节2的表面均覆盖有适当弹性的工业橡皮作为表面板19、12，这样在抓取物体时，手指表面与所抓物体20之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体20的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。

本实施例的主要材料采用尼龙610，较大程度的减轻了重量，同时由于尼龙610具有一定的润滑作用，省去了各齿轮轴13、14、15与第一指节1之间的滑动轴承零件。

本实施例的工作原理，如图5所示，叙述如下：

当机器人拟人手抓取物体20时，其他手指在电机转动下压紧物体20，此时物体20挤压第一指节主动板4，带动与主动板4固接的大齿轮轴13转动，带动双联齿轮轴14转动，带动小齿轮轴15转动，从而驱动与小齿轮轴15固接的第二指节2转动，直到第二指节2接触物体，因而具有对物体20大小、形状的适应性。由于从大齿轮轴13到小齿轮轴15的二级齿轮传动为增速传动，所以第二指节2转动的角度φ远大于主动板4转动的角度θ，使得第二指节2转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体20，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的；当放开物体20时，其他手指在电机转动下离开物体20，物体20也就不再压迫第一指节主动板4，第一指节1和第二指节2之间连接的弹簧10将第二指节2拉回到原始伸直的位置，通过齿轮传动，带动第一指节主动板4也恢复原位。

另外，如果抓取的物体20直径较小，不适合接触到第一指节主动板4，则可以利用其他手指的最末尾一个指节与此自适应欠驱动手指的第二指节2接触的方式抓取，此时，欠驱动关节不会转动，也同样能够很好的抓取物体。

本实施例用于机器人拟人手的结构如图6、7所示。

应用本实施例的机器人拟人手包括手掌21、食指第一指节22、食指第二指节23、拇指第一指节24、拇指第二指节25、食指第一关节26、食指第二关节27、拇指第一关节28、拇指第二关节29、手腕连接板30。

其中，拇指第一指节24、拇指第二关节29、拇指第二指节25、主动板4应用了本实施例结构，其中，拇指第二关节29作为欠驱动关节。食指第一关节、食指第二关节、拇指第一关节均为电机驱动的主动关节。

应用本实施例的机器人拟人手抓取小尺寸物体的原理如图8所示。转动拇指第一关节28，使拇指24、29、25转到手掌21正对面，转动食指第一指节22和食指第二指节23，利用食指第二指节23和拇指第二指节25表面接触物体20，此时，拇指第二关节29并不转动，实现抓取物体20。

应用本实施例的机器人拟人手抓取大尺寸物体的原理如图9所示。转动拇指第一关节28，使拇指24、29、25转到手掌21正对面，转动食指第一指节22和食指第二指节23，利用食指第一、二指节24、25压迫物体20，物体20压迫主动板4，经过齿轮传动，实现拇指第二指节转动后紧紧扣住物体20，实现抓取物体20。

Claims (6)

1、一种自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：包括第一指节、主动板、第二指节、欠驱动关节；第一指节、主动板与第二指节之间套设该欠驱动关节；所说的欠驱动关节包括大齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴、弹簧；所说的大齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合；该三个齿轮轴均套设在所说的第一指节上；大齿轮轴与主动板固接；该小齿轮轴与第二指节固接；所说的弹簧连接在第一指节与第二指节之间。

2、如权利要求1所述的自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：所说的第一指节包括第一指节中部板、左轴承板、右轴承板，三者固接在一起。

3、如权利要求1所述的自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：所说的主动板包括主动板骨架、左侧板、右侧板、主动板表面板，所说的主动板骨架与左侧板、右侧板固接在一起；该主动板表面板固接在主动板骨架的表面。

4、如权利要求1所述的自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：所说的第二指节包括第二指节骨架、第二指节表面板、后盖板；该第二指节骨架与后盖板固接；该第二指节表面板固接在第二指节骨架的表面上。

5、如权利要求3或4所述的自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：所说的主动板表面板和第二指节表面板采用有适当弹性的工业橡皮材料。

6、如权利要求1所述的自适应欠驱动机械手指装置，其特征在于：所说的第一指节、第二指节、主动板的主要材料采用尼龙610。

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