CN207071940U - 一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，属于机器人手指技术领域，包括基座、第一电机、第一传动机构、第二电机、第二传动机构、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、连接件、转轴、半齿轮、下齿条、上齿条、套筒、中间轴和齿轮。该装置实现了机器人手指平夹主动抓取模式与耦合主动抓取模式可以简单平动切换的功能。该装置既能达到传统耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统耦合手指独立转动单个关节的解耦抓取效果，将两个传统的效果进行有机的融合，使得抓取物体时控制容易、方便；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。

Description

一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置

技术领域

本实用新型属于机器人手指技术领域，特别涉及一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置的结构设计。

背景技术

随着工业化、智能化进程快速的发展，在越来越多的生产生活中使用机器人。机器人手指最重要的功能之一是抓取物体，是目前机器人领域研究的热点。人手具有20个以上的自由度，主要分布在5个指关节上，如果全部采用电机驱动控制，其控制的实时性要求较高，即使抓取一个简单的物体也需要复杂的传感和控制。为了减小控制的难度，一种方法是降低同时控制电机的数量，这样抓取物体的实时性能够更容易保证，但是带来一个问题：如何让较少的电机驱动较多的关节，抓取物体仍然稳定可靠，即如何实现欠驱动。同时，如何在欠驱动的基础上实现正向耦合和反向耦合。

通常有两种方式可以实现欠驱动抓取，一种是自适应欠驱动手指机构，经常简称为自适应手指或欠驱动手指，另一种是耦合欠驱动手指机构，经常简称为耦合手指。耦合抓取模式是指两个关节按一定的比例或者变化的比例同时转动，具体可以分为正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式。正向耦合抓取模式常常简称为耦合抓取，反向耦合抓取模式中按相同比例的抓取模式应用比较广泛，常称为平行夹持耦合抓取模式，常常简称为平夹抓取。如果将欠驱动抓取、正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式结合起来将会是抓取过程更加拟人化，在工业上中不仅能够欠驱动平夹，还能实现欠驱动耦合。

已有的齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置(中国实用新型专利CN102514012)，包括基座、两个电机、近关节轴、远关节轴、中部指段、末端指段、多个带轮传动机构、第一齿轮、第二齿轮和齿条，该装置实现了两自由度的四种抓取模式，能达到耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果和耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，该装置不足之处在于不能够实现欠驱动平夹耦合，当抓取规则物体或者物体体积较大的时候，机器人手指与物体的接触面积较小，对物体施加抓持力较小，因此抓取效果不好。

已有的柔性件平夹耦合切换自适应机器人手指装置(中国实用新型专利CN105835083A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段、弹簧、半轮凸块、转轴等。该装置实现了耦合自适应抓取模式与平夹自适应抓取模式相互转换的功能，传动机构带动中部指段绕近关节轴转动，末端指段会同时转动一个角度，达到近关节轴和远关节轴同时转动的耦合转动效果；当转动半轮至对面，又可以实现平夹自适应抓取模式。该装置不足之处在于柔性腱绳易弯曲，会导致传动不平稳现象，因此抓取效果不好。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人 手指装置，该装置具有多种抓取模式，该装置可以实现耦合自适应抓取模式，在切换半齿轮和链条后，又可以实现平夹自适应抓取模式；该装置既能平动第二指段平行夹持物体，两个关节也能同时正向弯曲耦合捏持物体，还可以先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；不需要复杂的传感和控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，包括基座、第一电机、第一传动机构、第二电机、第二传动机构、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中，中部指段套接在近关节轴上，所述远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行，末端指段套固在远关节轴上，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，第一传动机构的输出端与中部指段相连；所述第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；其特征在于：该齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置还包括连接件、转轴、半齿轮、下齿条、上齿条、套筒、中间轴和齿轮；第二传动机构的输出端与近关节轴相连；所述连接件套固在近关节轴；所述转轴套设在连接件上；所述转轴的中心线与近关节轴的中心线垂直；所述半齿轮套接在转轴上；所述半齿轮与近关节轴同心；所述齿轮套固在远关节轴上；所述上齿条滑动镶嵌在中部指段中；所述下齿条与半齿轮啮合，所述上齿条与齿轮啮合；所述上齿条的下端与中间轴固接，所述下齿条的上端与套筒固接；所述中间轴套设在套筒中；近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成的平面U；所述中间轴的中心线在平面U上且垂直于近关节轴的中心线；所述中间轴与转轴共面；所述第二传动机构采用具有自锁特性的减速传动机构。

上述技术方案中，其特征在于：所述第一传动机构包括第一带轮、第一传动带、第二带轮；所述第一带轮套固在第一电机的输出轴上，第二带轮套接在近关节轴上，第一带轮与第二带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系；所述第二带轮与中部指段固接。

上述技术方案中，所述第二传动机构包括第三带轮、第二传动带和第四带轮；所述第三带轮套固在第二电机的输出轴上，第四带轮套固在近关节轴上，第三带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系。

本实用新型与现有技术比较，具有以下优点及有益效果：

本实用新型装置实现了两自由度的七种抓取模式：1)双关节耦合转动抓取模式；2)双关节独立转动抓取模式；3)双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式；4)双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式；5)双关节平动抓取模式；6)双关节先平夹，之后再独立转动的抓取模式；7)双关节先独立转动，之后再平夹主动的抓取模式。该装置既能达到传统耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统耦合手指独立转动单个关节的解耦抓取效果，将两个传统的效果进行有机的融合，使得抓取物体时控制容易、方便；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。

附图说明

图1是本实用新型提供的齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置的一种实施例的综合外 观图。

图2是本实施例的正视图。

图3是本实施例的侧视图。

图4是本实施例的内部传动结构正视图。

图5是与图3、图4对应的半齿轮啮合点A、齿轮啮合点B、半齿轮中心O₁和齿轮中心O₂这四个点的连线图。

图6是平夹捏持物体半齿轮啮合点A、齿轮啮合点B、半齿轮中心O₁和齿轮中心O₂这四个点的连线图。

图7是本实施例的三维外观图。

图8、图9、图10和图11是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。

图12是本实施例捏持物体的情况示意图。

在图1至图12中：

1—基座， 2—中部指段， 3—末端指段，

4—近关节轴， 5—远关节轴，

61—半齿轮， 62—齿轮， 63—下齿条，

64—上齿条， 65—套筒， 66—中间轴

71—第一电机， 72—第二电机，

73—第一传动机构， 741第三带轮， 742第二传动带、

743第四带轮， 74—第二传动机构， 741第三带轮，

742第二传动带， 743第四带轮， 8—连接件，

9—转轴。

具体实施方式

下面结合附图及实例进一步介绍本实用新型的具体结构、工作原理。

本实用新型设计的一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，包括基座1、第一电机71、第一传动机构73、第二电机72、第二传动机构74、中部指段2、末端指段3、近关节轴4和远关节轴5；所述近关节轴4套设在基座1中，中部指段2套接在近关节轴4上，所述远关节轴5套设在中部指段2中，近关节轴4和远关节轴5平行，末端指段3套固在远关节轴5上，所述第一电机71与基座1固接，所述第一电机71的输出轴与第一传动机构73的输入端相连，第一传动机构73的输出端与中部指段2相连；所述第二电机72与基座1固接，第二电机72的输出轴与第二传动机构74的输入端相连；其特征在于：该齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置还包括连接件8、转轴9、半齿轮61、下齿条63、上齿条64、套筒65、中间轴66和齿轮62；第二传动机构74的输出端与近关节轴4相连；所述连接件8套固在近关节轴4；所述转轴9套设在连接件8上；所述转轴9的中心线与近关节轴4的中心线垂直；所述半齿轮61套接在转轴9上；所述半齿轮61与近关节轴4同心；所述齿轮62套固在远关节轴5上；所述上齿条64滑动镶嵌在中部指段2中；所述下齿条63与半齿轮61啮合，所述 上齿条64与齿轮62啮合；所述上齿条64的下端与中间轴66固接，所述下齿条63的上端与套筒65固接；所述中间轴66套设在套筒65中；近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线构成的平面U；所述中间轴66的中心线在平面U上且垂直于近关节轴4的中心线；所述中间轴66与转轴9共面；所述第二传动机构74采用具有自锁特性的减速传动机构。

本实用新型所述齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构73包括第一带轮731、第一传动带732、第二带轮733；所述第一带轮731套固在第一电机71的输出轴上，第二带轮733套接在近关节轴4上，第一带轮731与第二带轮733之间通过第一传动带732连接且三者形成带传动关系；所述第二带轮733与中部指段2固接。

本实用新型所述齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构74包括第三带轮741、第二传动带742、第四带轮743；所述第三带轮套741固在第二电机72的输出轴上，第四带轮743套固在近关节轴4上，第三带轮741与第四带轮743之间通过第二传动带742连接且三者形成带传动关系。

本实施例的工作原理，结合附图7至图11，叙述如下：

本实施例采用半齿轮齿条、齿轮齿条传动机构、两套电机和减速器综合实现了两自由度机器人手指的8种抓取模式，包括：

1)双关节平夹转动抓取模式：此时第一电机71转动，中部指段2向前转动α，末端指段3相对于中部指段2向前转动α；

2)双关节独立转动抓取模式：此时第一电机71和第二电机72同时转动，第一电机71会使得手指产生平夹联动，第二电机72可以在此基础上任意改变末端指段的角度；

3)双关节先平夹转动，之后再独立转动的抓取模式：此时先转动第一电机71，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机71，再转动第二电机72；

4)双关节先独立转动，之后再平夹转动的抓取模式：此时先同时启动两个电机，然后停止第二电机72，第一电机71继续转动；

5)双关节耦合转动抓取模式：此时第一电机71转动，第二电机72不转动；

6)双关节独立转动抓取模式：此时两个电机同时转动，第一电机71使得手指产生耦合联动，第二电机72在此基础上任意改变末端指段的角度；

7)双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式：先转动第一电机71，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机71，再转动第二电机72；

8)双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式：两个电机同时启动，然后停止第二电机72，再转动第一电机71；

下面对常用的抓取模式进一步举例解释其动作原理。该装置采用第七种抓取模式抓取物体的过程：双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式阶段。

该装置的初始位置如图8所示，此时中部指段2和末端指段3与基座1呈手指伸直状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体时，转动半齿轮齿条使得齿轮圆心O₂、齿轮齿条啮合点B、半齿轮齿条啮合点A、转轴中心O₁所构成图形ABO₁O₂为形‘8’字形。此时，转动第一电机71，中部指段相对于基座转动角度α，末端指段相对于中部指段向相同方向转动角度α，即相对于基座装转动角度2α。然后停止第一电机71，转动第二电机72，末端指段继续转动，直到接触物体为止。

本实用新型装置利用电机、半齿轮齿条机构、齿轮齿条传动机构、转轴、半齿轮连接件等，既能达到耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，抓取物体时控制容易；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。无需复杂的传感和控制系统；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。

Claims (3)

1.一种齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，包括基座、第一电机、第一传动机构、第二电机、第二传动机构、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中，中部指段套接在近关节轴上，所述远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行，末端指段套固在远关节轴上，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，第一传动机构的输出端与中部指段相连；所述第二电机与基座固接，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；其特征在于：该齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置还包括连接件、转轴、半齿轮、下齿条、上齿条、套筒、中间轴和齿轮；第二传动机构的输出端与近关节轴相连；所述连接件套固在近关节轴；所述转轴套设在连接件上；所述转轴的中心线与近关节轴的中心线垂直；所述半齿轮套接在转轴上；所述半齿轮与近关节轴同心；所述齿轮套固在远关节轴上；所述上齿条滑动镶嵌在中部指段中；所述下齿条与半齿轮啮合，所述上齿条与齿轮啮合；所述上齿条的下端与中间轴固接，所述下齿条的上端与套筒固接；所述中间轴套设在套筒中；近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成的平面U；所述中间轴的中心线在平面U上且垂直于近关节轴的中心线；所述中间轴与转轴共面；所述第二传动机构采用具有自锁特性的减速传动机构。

2.如权利要求1所述齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一带轮、第一传动带、第二带轮；所述第一带轮套固在第一电机的输出轴上，第二带轮套接在近关节轴上，第一带轮与第二带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系；所述第二带轮与中部指段固接。

3.如权利要求1所述齿条平夹耦合转换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第三带轮、第二传动带和第四带轮；所述第三带轮套固在第二电机的输出轴上，第四带轮套固在近关节轴上，第三带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系。