CN209095580U

CN209095580U - 齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置

Info

Publication number: CN209095580U
Application number: CN201821622118.8U
Authority: CN
Inventors: 姜卓男; 张文增
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2028-09-30

Abstract

齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括底座、基座、两个指段、两个关节轴、电机、拨轮、齿轮传动机构、中间拨盘、两个簧件、限位块、齿轮齿条机构、摆杆、滚轴、滑槽件和滑杆。该装置实现了双关节机器人手指直线平行夹持及自适应复合抓取的功能：利用可移动的基座在底座上协同升降消除第一指段圆弧转动的高度差影响，达到第二指段始终沿精确直线轨迹平动。在抓取物体时，第一指段、第二指段均可以正常接触物体，接触面积不减小；实现末端指段直线轨迹的机构位于滑动基座中，不占用第一指段、第二指段中部空间；传动精确、平稳，抓取稳定、可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，成本低。

Description

齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置

技术领域

本实用新型属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

随着自动化技术的发展，机器人技术迎来了新的高峰，机器人手作为机器人的一种末端执行器，也引起更多的关注，在机器人手方面的研究也越来越多。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、特种手、钳状手(工业夹持器)等。

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

人手的另一个重要特征是实现混合抓取模式，既可以实现握持也可以实现捏持。大多数欠驱动的手采用自适应包络物体的方式，能够实现对一个物体的包络式抓握。然而，这样的手不能捏持，即利用末端手指的指尖部分去夹取物体。如采用两个点或两个指段软面去接触物体，这种捏持方式主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体。

已有的一种具有直线轨迹平动夹持功能的机器人手指装置(世界专利WO2016063314A1)，包括电机、传动机构、8连杆机构和8个转轴。该装置采用全转动关节实现了末端指段的直线平动，能够以直线轨迹平行夹持物体。其不足之处在于：该装置无法实现自适应抓取功能，无法用多个接触点包络抓取不同形状、尺寸的物体，而且连杆和转轴数量多，机构比较复杂。

已有的具有两种抓取模式的欠驱动手(中国实用新型专利CN 105798936B)已经被开发出来。该装置实现了两种抓取模式，既可以实现自适应包络抓取，也可以实现平行夹持(简称平夹)功能。其不足之处在于：该装置无法实现平行夹持阶段末端指段沿直线轨迹平动的直线平行夹持功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置。该装置能够实现捏持和握持两种抓取模式：该装置能在捏持物体时，实现末端指段沿精确的直线轨迹运动的直线平行夹持效果，适合抓取桌面物体，避免手指末端与桌面的干涉碰撞，降低抓取不同物体时的控制难度；可以实现自适应包络抓取不同形状尺寸物体。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型设计的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹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、电机、传动机构、拨轮、第一齿轮、第二齿轮、传动齿轮组、中间拨盘、第一簧件、第二簧件和限位块；所述电机与基座固接；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与拨轮相连；所述拨轮活动套接在近关节轴上；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮啮合；通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；所述中间拨盘活动套接在近关节轴上，所述中间拨盘与第一齿轮固接；所述中间拨盘上有固定的凸块和从动拨块；所述限位块与基座固接；在初始状态时，所述凸块与限位块相接触；所述拨轮包括固接的主动拨块；所述第一簧件的两端分别连接中间拨盘和基座；在初始状态时，所述从动拨块与主动拨块相隔一段角度距离；在拨轮转动范围内，主动拨块会接触到从动拨块；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段；其特征在于：该齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座、摆杆、滚轴、滑杆、滑槽件、第一齿条、第二齿条、第三齿轮、第四齿轮和齿轮轴；所述基座滑动镶嵌在底座上；所述滑杆固接在底座上；所述滑槽件滑动套接在滑杆上，滑杆的中心线与近关节轴的中心线垂直；所述滑槽件上具有固定的滑槽；所述摆杆活动套接在近关节轴上，摆杆与第一指段固接；所述滚轴套设在摆杆的下端，滚轴滑动镶嵌在滑槽件中，滚轴在滑槽中的滑动方向与滑杆的中心线垂直；所述滑槽件与第一齿条固接，所述第一齿条与第三齿轮啮合；所述第三齿轮、第四齿轮均套设在齿轮轴上；所述齿轮轴套设在基座中；所述齿轮轴与近关节轴的中心线平行；所述第三齿轮和第四齿轮固接；所述第一齿条的分度线、第二齿条的分度线与滑杆的中心线平行；所述第四齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条固接在底座上；设近关节轴、远关节轴、滚轴的中心点分别为Q、K、S，线段QK与线段QS共线，线段QK的长度为m，线段QS的长度为n，n与m的比值为k；第三齿轮与第四齿轮的齿数之比为k；设近关节轴的中心线与齿轮轴的中心线构成的平面为H，第一齿条和第二齿条分别位于平面H的两侧。

本实用新型所述的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、过渡轮和传动件；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，所述第二锥齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述过渡轮套固在过渡轴上，所述传动件连接过渡轮、拨轮，所述过渡轮、传动件和拨轮形成传动关系。

本实用新型所述的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧或压簧。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本实用新型装置利用摆杆、滚轴、滑槽、两个齿轮、两个齿条和滑杆等综合实现了双关节机器人手指直线平行夹持及自适应复合抓取的功能。该装置利用在第一指段转动时，可移动的基座在固定的底座上协同升降消除第一指段圆弧转动带来的末端高度影响，从而达到第二指段始终沿精确直线轨迹平动的效果。为了补偿第一指段转动中第二指段的高度差，该装置利用摆杆滑槽和齿轮齿条机构实现滑动基座在底座上的整体抬升或下降；在抓取物体时，第一指段、第二指段均可以正常接触物体，接触面积不减小；实现末端指段直线轨迹的机构位于滑动基座中，不占用第一指段、第二指段中部空间；该装置传动精确、平稳，抓取稳定、可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统；结构简单、体积小，成本低，适用于通用抓取的机器人。

附图说明

图1是本实用新型设计的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的正视图。

图2是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的侧视图(未画出部分零件)。

图5至图7是图1所示实施例在以自适应包络握持的方式抓取物体时第二簧件附近的零件位置变化过程示意图。

图8至图12是图1所示实施例在以自适应包络握持的方式抓取物体时拨轮上的主动拨块与从动拨块之间位置变化过程示意图。

图13基座在底座上滑动对于第一指段转动的高度差补偿的原理图。

在图1至图13中：

1－底座， 11－滑杆， 2－基座， 20－限位块，

21－电机， 22－减速器， 23－第一锥齿轮， 24－第二锥齿轮，

25－过渡轴， 26－过渡轮， 27－传动件， 28－拨轮，

281－主动拨块， 3－第一指段， 4－第二指段， 51－近关节轴，

52－远关节轴， 61－第一齿轮， 611－中间拨盘， 612－从动拨块，

613－凸块， 62－第二齿轮， 71－第一中间齿轮轴，72－第二中间齿轮轴，

73－第三中间齿轮轴，81－第一中间齿轮，82－第二中间齿轮， 83－第三中间齿轮，

91－第一簧件， 92－第二簧件， 100－摆杆， 110－滑槽件，

120－滚轴， 130－第三齿轮， 131－第一齿条， 140－第四齿轮，

141－第二齿条， 160－齿轮轴。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本实用新型的具体结构、工作原理的内容。

本实用新型设计的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8所示，包括基座2、第一指段3、第二指段4、近关节轴51、远关节轴52、电机21、传动机构、拨轮28、第一齿轮61、第二齿轮62、传动齿轮组、中间拨盘611、第一簧件91、第二簧件92和限位块31；所述电机21与基座2固接；所述近关节轴51的中心线与远关节轴52的中心线平行；所述近关节轴51活动套设在基座2中；所述远关节轴52活动套设在第一指段3中；所述第一指段3活动套接在近关节轴51上；所述第二指段4套接在远关节轴52上；所述电机21的输出轴与传动机构的输入端相连；所述传动机构的输出端与拨轮28相连；所述拨轮28活动套接在近关节轴51上；所述第一齿轮61活动套接在近关节轴51上；所述第二齿轮62套接在远关节轴52上，第二齿轮62与第二指段4固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮61啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮62啮合；通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮61到第二齿轮62的传动是同向传动且传动比等于1；因为，本实施例中第一齿轮61与第二齿轮62的齿数相同，且从第一齿轮61经过传动齿轮组到第二齿轮62的齿轮为纯齿轮传动且为串联齿轮传动，齿轮的个数(包括第一齿轮、第二齿轮)为奇数个，因此可以满足从第一齿轮到第二齿轮为同向传动且传动比为1；所述中间拨盘611活动套接在近关节轴51上，所述中间拨盘611与第一齿轮61固接；所述中间拨盘上有固定的从动拨块612和凸块613；所述限位块21与基座2固接；在初始状态时，所述凸块613与限位块21相接触；所述拨轮28包括固接的主动拨块281；所述第一簧件91的两端分别连接中间拨盘611和基座2；在初始状态时，所述从动拨块612与主动拨块281相隔一段角度距离；在拨轮28转动范围内，主动拨块281会接触到从动拨块612；所述第二簧件92的两端分别连接拨轮28和第一指段3。

本实施例还包括底座1、摆杆100、滚轴120、滑杆11、滑槽件110、第一齿条131、第二齿条141、第三齿轮130、第四齿轮140和齿轮轴160；所述基座2滑动镶嵌在底座1上；所述滑杆11固接在底座1上；所述滑槽件110滑动套接在滑杆11上，滑杆11的中心线与近关节轴51的中心线垂直；所述滑槽件110上具有固定的滑槽；所述摆杆100活动套接在近关节轴51上，摆杆100与第一指段3固接；所述滚轴120套设在摆杆100的下端，滚轴120滑动镶嵌在滑槽件110中，滚轴120在滑槽中的滑动方向与滑杆11的中心线垂直；所述滑槽件110与第一齿条131固接，所述第一齿条131与第三齿轮130啮合；所述第三齿轮130、第四齿轮140均套设在齿轮轴160上；所述齿轮轴160套设在基座2中；所述齿轮轴160与近关节轴51的中心线平行；所述第三齿轮130和第四齿轮140固接；所述第一齿条131的分度线、第二齿条141的分度线与滑杆11的中心线平行；所述第四齿轮140与第二齿条141啮合；所述第二齿条141固接在底座1上；设近关节轴51、远关节轴52、滚轴120的中心点分别为Q、K、S，线段QK与线段QS共线，线段QK的长度为m，线段QS的长度为n，n与m的比值为k；第三齿轮130与第四齿轮140的齿数之比为k；设近关节轴51的中心线与齿轮轴160的中心线构成的平面为H，第一齿条131和第二齿条141分别位于平面H的两侧。

本实施例中，所述传动机构包括减速器22、第一锥齿轮23、第二锥齿轮24、过渡轴25、过渡轮26和传动件27；所述电机21的输出轴与减速器22的输入轴相连，所述第一锥齿轮23套固在减速器22的输出轴上，所述第二锥齿轮24套固在过渡轴25上，所述第一锥齿轮26与第二锥齿轮24啮合；所述过渡轴25套设在基座2中，所述过渡轮26套固在过渡轴25上，所述传动件27连接过渡轮26和拨轮28，所述传动件27、过渡轮26和拨轮28形成传动关系。

本实施例中，所述传动齿轮组包括第一中间齿轮轴71、第二中间齿轮轴72、第三中间齿轮轴73第一中间齿轮81、第二中间齿轮82和第三中间齿轮83；所述第一中间齿轮81与第一齿轮啮合，所述第二中间齿轮82与第一中间齿轮81啮合，所述第三中间齿轮83与第二中间齿轮82啮合，所述第二齿轮与第三中间齿轮83啮合；所述第一中间齿轮81、第二中间齿轮82和第三中间齿轮83分别套接在第一中间齿轮轴71、第二中间齿轮轴72和第三中间齿轮轴73上。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

a)直线平行夹持抓取模式

本实施例处于初始状态时，如图1所示。

电机21转动，通过减速机22带动第一锥齿轮23，带动第二锥齿轮24，带动过渡轴25，带动过渡轮26，通过过渡件27驱动拨轮28转动。

拨轮28转动，通过第二簧件92拉动第一指段3绕近关节轴51转动，实现近关节转动；

此时，主动拨块281还没有接触从动拨块612，第一簧件91拉着中间拨盘611使其紧靠在限位块21上，由于中间拨盘611与第一齿轮61固接，所以第一齿轮61相对于基座保持初始姿态不变；

此时，在第一齿轮61、传动齿轮组、第二齿轮62和第一指段3的作用下，第二齿轮62和第二指段4相对于基座将仍然保持初始姿态，原因是：

通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮61到第二齿轮62的传动是同向传动且传动比等于1，所以当第一指段3绕近关节轴51转动且第一齿轮61不动时，第二齿轮62相对基座2只进行平动而不会旋转，由于第二齿轮62与第二指段4固接，所以第二指段4相对基座2只进行平动而不会旋转，始终保持着原有的姿态。

如果此时第二指段4接触物体，则是平行夹持抓取模式。电机21继续转动，拨轮28继续转动但主动拨块281还没有接触从动拨块612时，第二簧件92发生较大变形，第二簧件92的变形弹力(该力称为F₁)，通过第一指段3、远关节轴51等施加到了第二指段4对物体的抓持力中，如果抓持力足够，电机21停转，抓取结束。

在上述过程之后，如果抓持力不够，拨轮28继续转动一个角度，此时第二簧件92发生了更大变形，F₁更大；同时，主动拨块281接触从动拨块612并施加一个力(该力称为F₂)给从动拨块612，F₂通过第一齿轮61、传动齿轮组和第二齿轮62施加到了第二指段4对物体的抓持力中，电机21停转，抓取结束。

平行夹持抓取模式适合以第二指段4去夹持物体，或者通过外张的方式用第二指段4去从内向外撑取物体。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。

同时，第一指段3的正转带动摆杆100转动，滚轴120在滑槽件110滑动，由于滑杆150固接在底座1上，使得滚轴120带动滑槽件110在滑杆150上向上滑动，第一齿条131上移，使得第三齿轮130顺时针(图4)反转，第四齿轮140顺时针(图4)反转，由于第二齿条141固接在底座1上，使得第四齿轮140上移，带动齿轮轴160上移，进而带动基座2整体相对于底座上移。

设线段QK的长度为m，线段QS的长度为n,则：

m＝n/k (公式1)

基座在底座中移动的高度刚好能够补偿第一指段在绕近关节轴转动过程中带来的远关节轴的高度变化，从而达到在平行夹持过程中，第二指段的末端始终沿直线轨迹运动的平动。

下面解释原理：

在图13中，设某个时刻时，第二指段的末端点为W，此时，线段QK相对于竖直线的夹角为β。当线段QK逆时针转动角度α之后，本实施例的基座会相应向下滑动一段距离Δh₁，从而实现：点Q运动到Q'，点K运动到K'，点S运动到S'，点W运动到W'。

为了说明末端点W沿着直线运动的原理，先不考虑基座运动，则会有：点Q不动，点K运动到K”，点S运动到S”，点W运动到W”，Δh₁是此运动过程中第二指段末端点W的高度差(也是远关节轴的中心点K的高度差)，Δh₂是此运动过程中滚轴的中心点S的高度差。根据几何原理可得：

Δh₁＝mcos(β-α)-mcosβ (公式2)

Δh₂＝ncos(β-α)-ncosβ (公式3)

将(公式1)代入(公式3)得：

Δh₂＝kmcos(β-α)-kmcosβ (公式4)

即：

Δh₂＝k[mcos(β-α)-mcosβ] (公式5)

将(公式2)代入(公式5)得：

Δh₂＝kΔh₁ (公式6)

因此，从第一齿条经过第三齿轮、第四齿轮到第二齿条的传动将第一齿条和滑槽件的高度位移放大了k倍后实现了基座在底座上的大行程位移，该位移刚好等于末端点的位移补偿量。

b)自适应抓取模式

第一阶段的平夹抓取与第二阶段的自适应抓取合称为平夹自适应抓取模式。

当第一指段3接触物体而被物体阻挡不能再转动，将自动进入自适应抓取阶段。电机21继续转动，拨轮28继续转动，但主动拨块281还没有接触从动拨块612时，第二簧件92发生较大变形，第二簧件92的变形弹力(该力称为F₁)，施加到第一指段3对物体的抓持力中。

电机21继续转动，拨轮28继续转动一个角度，此时第二簧件92发生了更大变形，F₁更大；同时，主动拨块281接触从动拨块612并推动从动拨块612，中间拨盘611和第一齿轮61在克服第一簧件91变形弹力发生转动，通过传动齿轮组带动第二齿轮62和第二指段4绕远关节轴52转动，直到第二指段4接触物体并施加抓持力，电机21停转，抓取结束，完成第一指段3和第二指段4均接触物体的抓取，由于该抓取对不同形状尺寸物体能够适应，达到了自适应抓取效果。如图5至图7，如图8至图12。

针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体。

在上述过程中，当中间拨盘611的旋转角度为正时，在传动齿轮组的作用下，第二齿轮62和第二指段4相对于第一指段3的旋转角度等于第一齿轮61和中间拨盘611相对于第一指段3的旋转角度。

释放物体的过程：电机21反转，后续过程与上述抓取物体的过程刚好相反，不再赘述。

Claims

1.一种齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹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、电机、传动机构、拨轮、第一齿轮、第二齿轮、传动齿轮组、中间拨盘、第一簧件、第二簧件和限位块；所述电机与基座固接；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与拨轮相连；所述拨轮活动套接在近关节轴上；所述第一齿轮活动套接在近关节轴上；所述第二齿轮套接在远关节轴上，第二齿轮与第二指段固接；所述传动齿轮组的输入端与第一齿轮啮合，所述传动齿轮组的输出端与第二齿轮啮合；通过传动齿轮组的传动，从第一齿轮到第二齿轮的传动是同向传动且传动比等于1；所述中间拨盘活动套接在近关节轴上，所述中间拨盘与第一齿轮固接；所述中间拨盘上有固定的凸块和从动拨块；所述限位块与基座固接；在初始状态时，所述凸块与限位块相接触；所述拨轮包括固接的主动拨块；所述第一簧件的两端分别连接中间拨盘和基座；在初始状态时，所述从动拨块与主动拨块相隔一段角度距离；在拨轮转动范围内，主动拨块会接触到从动拨块；所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段；其特征在于：该齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置还包括底座、摆杆、滚轴、滑杆、滑槽件、第一齿条、第二齿条、第三齿轮、第四齿轮和齿轮轴；所述基座滑动镶嵌在底座上；所述滑杆固接在底座上；所述滑槽件滑动套接在滑杆上，滑杆的中心线与近关节轴的中心线垂直；所述滑槽件上具有固定的滑槽；所述摆杆活动套接在近关节轴上，摆杆与第一指段固接；所述滚轴套设在摆杆的下端，滚轴滑动镶嵌在滑槽件中，滚轴在滑槽中的滑动方向与滑杆的中心线垂直；所述滑槽件与第一齿条固接，所述第一齿条与第三齿轮啮合；所述第三齿轮、第四齿轮均套设在齿轮轴上；所述齿轮轴套设在基座中；所述齿轮轴与近关节轴的中心线平行；所述第三齿轮和第四齿轮固接；所述第一齿条的分度线、第二齿条的分度线与滑杆的中心线平行；所述第四齿轮与第二齿条啮合；所述第二齿条固接在底座上；设近关节轴、远关节轴、滚轴的中心点分别为Q、K、S，线段QK与线段QS共线，线段QK的长度为m，线段QS的长度为n，n与m的比值为k；第三齿轮与第四齿轮的齿数之比为k；设近关节轴的中心线与齿轮轴的中心线构成的平面为H，第一齿条和第二齿条分别位于平面H的两侧。

2.如权利要求1所述的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述传动机构包括减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、过渡轴、过渡轮和传动件；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，所述第二锥齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述过渡轮套固在过渡轴上，所述传动件连接过渡轮、拨轮，所述过渡轮、传动件和拨轮形成传动关系。

3.如权利要求1所述的齿轮空程传动摆杆滑槽直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧或压簧。