CN107243915B - 一种双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

一种双联齿条平夹耦合切换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、电机、半齿轮、齿轮、连接件、转轴、下齿条、上齿条、中间轴、两个限位块、套筒和簧件等。该装置实现了机器人手指平夹抓取、耦合抓取和自适应抓取多种抓取模式。该装置利用半齿轮实现了平夹与耦合的平稳切换，并且半齿轮的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度，利用齿轮齿条机构的自适应功能精简了机构，利用簧件与限位滑块的配合避免了平夹或耦合状态与自适应状态的矛盾；抓取范围大；利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；结构简单、体积小，成本低。

Description

一种双联齿条平夹耦合切换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，特别涉及一种双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

欠驱动机器人手是指关节自由度数目多于所使用的电机数目的一类机器人手，这类机器人手所具有的自适应抓取功能能够抓取多种不同尺寸、不同形状的物体，能够在不使用复杂的传感和控制模块的情况下实现准确、稳定的抓取效果。欠驱动机器人手的机械结构简洁、成本低廉、功能强大，可以适应工业机器人、社会服务机器人或人体义肢等不同领域中，对机器人手的抓取需求。

具有两个关节自由度的欠驱动机器人手的两个基本抓取类别是耦合抓取模式和自适应抓取模式。耦合抓取模式即：机器人手的两个关节按照一定的比例关系进行运动。耦合抓取模式分为正向耦合和反向耦合。正向耦合通常也称为耦合抓取，耦合抓取的弯曲运动效果具有拟人性，且可以实现对细棒状物体的钩取；反向耦合在运动比例为1比1时称为平夹抓取，可以实现对具有两个平行表面的物体的平行夹持。自适应抓取是指，机器人手的最终运动姿态受被抓物体的外形和尺寸影响，可以实现对物体的包络。

通过对基本抓取模式的组合，形成了两种复合抓取模式：耦合自适应抓取模式和平夹自适应抓取模式。这两种复合抓取模式在抓取的过程中分为两个阶段，第一阶段机器人手分别按照耦合抓取和平夹抓取的模式运动，可以进行对物体的抓取，也可以作为对第二阶段的预备运动；第二阶段机器人手进行自适应抓取。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国专利CN101633171B)，包括基座、电机、两个关节轴、两个指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件。该装置实现了耦合自适应抓取模式，当手指碰触物体前就呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化，同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指碰触物体后就采用一种多关节欠驱动方式转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的好处。其不足之处在于，该装置仅能实现耦合自适应抓取模式，无法实现平夹自适应抓取模式；此外，机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件解耦调和耦合传动机构与自适应传动机构之间的矛盾，常常使得多个簧件形变较大，导致过大且不必要的能量损耗。

已有一种柔性件平夹耦合切换自适应机器人手指装置(中国专利CN105835083A)，能够实现手动切换平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式，采用了半齿轮、连接件、限位凸块、两套柔性件传动机构和两个簧件。其不足在于：由于在第一指段绕近关节轴的中心线的正转过程中，腱绳只有下方一部分处于半齿轮的圆弧外缘上，而有相当一部分腱绳以最短折线的方式连接半齿轮上部与第一指段的中部过渡轮，导致在平夹抓取阶段，传动不平稳，且传动存在较大误差(即存在控制死区)，在第一指段转动过程中第二指段有一段时间没有任何动作，从而不能准确保证第二指段的平动，因此，不是精确的平行夹持；此外，组成零件数量多，结构复杂，体积大，成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置。该装置可以实现平夹自适应抓取模式，在简单手动切换后，又可以实现耦合自适应抓取模式；该装置既能平动第二指段平行夹持物体，也能两个关节同时正向弯曲去耦合捏持物体，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；该装置通过齿轮齿条啮合传动的方式，使机构简洁，成本低廉；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的是一种双联齿条平夹耦合切换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、第一带轮、第二带轮和传动带；所述近关节轴活动套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套设在第一指段中，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平行；所述电机与基座固接，所述传动机构设置在基座中，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第一带轮相连；所述第一带轮活动套接在近关节轴上，所述第二带轮套固在远关节轴上；所述第二带轮与第二指段固接；所述传动带连接第一带轮和第二带轮；所述传动带、第一带轮和第二带轮三者之间配合形成带轮传动关系；所述带轮传动件形成“O”字形；所述第一带轮的传动半径大于第二带轮的传动半径；其特征在于：该双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置还包括半齿轮、齿轮、连接件、转轴、下齿条、上齿条、中间轴、第一限位块、第二限位块、套筒和簧件；所述连接件套接在近关节轴上，所述转轴套设在连接件中；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；所述下齿条与半齿轮啮合；所述下齿条的上端与套筒固接；所述中间轴套设在套筒中；所述上齿条的下端与中间轴固接；所述上齿条与齿轮啮合；所述上齿条滑动镶嵌在第一指段中；所述簧件的两端分别连接半齿轮和基座；所述半齿轮的传动半径与齿轮的传动半径相等；设所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成平面U，所述转轴位于平面U上；所述中间轴与转轴共面；第一限位块、第二限位块分别与基座固接；在初始状态时，当半齿轮位于一侧时，半齿轮与第一限位块接触，当半齿轮位于另一侧时，半齿轮与第二限位块接触。

本发明所述的双联齿条平夹耦合切换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：

本发明装置利用基座、两个指段、两个关节轴、电机、半齿轮、齿轮、连接件、转轴、下齿条、上齿条、中间轴、两个限位块、套筒和簧件等。该装置实现了机器人手指平夹抓取、耦合抓取和自适应抓取多种抓取模式。该装置利用半齿轮实现了平夹与耦合的平稳切换，并且半齿轮的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度，利用齿轮齿条机构的自适应功能精简了机构，利用簧件与限位滑块的配合避免了平夹或耦合状态与自适应状态的矛盾；抓取范围大；采用欠驱动方式，利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；结构简单、体积小，成本低。该装置结构简单、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2、图3是图1所示实施例的侧面外观图。

图4是本实施例的三维爆炸图(未画出部分零件)。

图5至图8是图1所示实施例在平夹自适应模式下自适应包络抓取物体的动作过程示意图。

图9至图11是图1所示实施例在平夹自适应模式下平动第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图12至图14是图1所示实施例在耦合自适应模式下自适应包络抓取物体的动作过程示意图。

图15至图16是图1所示实施例在耦合自适应模式下耦合抓取物体的动作过程示意图。

在图1至图16中：

1－基座，14－电机 2－第一指段，3－第二指段，4－近关节轴，41－转轴，5－远关节轴，61－第一带轮，62－第二带轮，71－半齿轮，72－齿轮，81－下齿条，82－上齿条，821－中间轴轴，9－弹簧。

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。

本发明设计的双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置一种实施例，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、第一带轮、第二带轮和传动带；所述近关节轴活动套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套设在第一指段中，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平行；所述电机与基座固接，所述传动机构设置在基座中，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第一带轮相连；所述第一带轮活动套接在近关节轴上，所述第二带轮套固在远关节轴上；所述第二带轮与第二指段固接；所述传动带连接第一带轮和第二带轮；所述传动带、第一带轮和第二带轮三者之间配合形成带轮传动关系；所述带轮传动件形成“O”字形；所述第一带轮的传动半径大于第二带轮的传动半径；本实施例还包括半齿轮、齿轮、连接件、转轴、下齿条、上齿条、中间轴、第一限位块、第二限位块、套筒和簧件；所述连接件套接在近关节轴上，所述转轴套设在连接件中；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；所述下齿条与半齿轮啮合；所述下齿条的上端与套筒固接；所述中间轴套设在套筒中；所述上齿条的下端与中间轴固接；所述上齿条与齿轮啮合；所述上齿条滑动镶嵌在第一指段中；所述簧件的两端分别连接半齿轮和基座；所述半齿轮的传动半径与齿轮的传动半径相等；设所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成平面U，所述转轴位于平面U上；所述中间轴与转轴共面；第一限位块、第二限位块分别与基座固接；在初始状态时，当半齿轮位于一侧时，半齿轮与第一限位块接触，当半齿轮位于另一侧时，半齿轮与第二限位块接触。

本发明所述的双联齿条平夹耦合切换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。

本实施例还采用了若干轴承、若干套筒、若干螺钉和若干销钉等零件，属于公知常用技术，不赘述。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

该装置具有两种抓取模式：一种是耦合自适应抓取模式，另一种是平夹自适应抓取模式，两种模式的切换可以由半齿轮绕转轴以及下齿条绕中间轴的转动来实现。

平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式的手动切换方法为：

将半齿轮绕转轴旋转180度，将与半齿轮啮合着的下齿条绕中间轴旋转180度。

1)平夹自适应抓取模式的实现

将半齿轮拨动到靠向后方的一侧，这时下齿条、半齿轮、上齿条、套筒、中间轴与齿轮构成了同向等速传动。下面针对平夹自适应抓取模式进行详细说明：

初始位置为手指伸直状态。

当电机14开始正转，通过传动机构带动第一带轮61转动，通过传动带，欲使第二带轮62转动，而由于第二带轮、第二指段和齿轮固接，因此受到齿轮保持姿态的影响，第一指段2绕近关节轴4正转，第二指段保持初始状态的姿态。

当半齿轮71绕近关节轴的旋转角度为0度时，半齿轮相对基座1的位置不变；由于半齿轮71与齿轮72的传动半径相等(即两者转角相同，传动比为1)，在下齿条、套筒、中间轴和上齿条的作用下，无论第一指段2处于何位置，齿轮72始终与半齿轮71保持同一角度，齿轮72相对基座1的只进行平移运动而不会旋转，由于齿轮72与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转；当半齿轮绕近关节轴的旋转角度为正时，齿轮72的转角等于半齿轮71的转角。

当本实施例抓取物体17时，驱动器14通过传动机构的传动，使得第一带轮61正转，第一带轮61相对基座1的转角为α。在传动带的作用下，第一带轮6相对第一指段2的转角与第二带轮62相对第一指段2的转角有一定比例的关系。设从第一带轮61通过传动带传动到第二带轮62的传动比为i，该传动比是第一带轮61的转速(相对于第一指段2)与第二带轮62的转速(相对于第一指段2)之比，它等于第二带轮62的传动半径与第一带轮61的传动半径之比。由于第一带轮61的传动半径大于第二带轮62的传动半径，因此是增速传动，输出速度大于输入速度，故传动比i小于1。设第一指段2绕近关节轴4的转角为δ。由于第二带轮62与第二指段3固接，而第二指段3相对于基座1没有发生转动，因此此时第二带轮62也就相对于基座1没有发生转动，于是可以推导得出本实施例装置将平衡于满足如下(公式1)的位置：

α＝δ(1-i)   (公式1)

由于i小于1，可以求出一个α和δ分别为正的不同角度(其中α小于δ)。因此当驱动器14通过传动机构的传动，第一带轮61转动了一个角度α，此时，第一指段2绕近关节轴4转过了一个角度δ，第二指段3相对于基座1始终是同一个姿态，只是位置发生了变化。这是平行夹持的阶段(如图4、图5、图6、图12)。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体17，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体17。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。

当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动，将进入自适应包络的第二阶段(如图4、图5、图10、图11、图13所示)，这时驱动器14通过传动机构的传动，带动第一带轮6，使固接在一起的第二指段3、第二带轮62和齿轮72同时绕远关节轴5转动，通过下齿条81带动半齿轮71绕近关节轴4转动，簧件9发生变形，此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线继续转动，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够通用抓取多种物体。

释放物体17的过程：驱动器14反转，后续过程与上述抓取物体17的过程刚好相反，不赘述。

2)耦合自适应抓取模式的实现

将半齿轮71拨动到靠向抓取物体17的一侧(前方)，下齿条81、半齿轮71与齿轮72构成了反向等速传动。

下面针对耦合自适应抓取模式进行介绍。

当驱动器14通过第一带轮61、传动带和第二带轮62带动第一指段2正向转动靠向物体17时，由于半齿轮9始终靠向限位凸块而没有发生转动，此时第一指段2相对于半齿轮71的转动会使得下齿条81部分离开半齿轮71，此时簧件9将第一指段3拉向抓取物体17一侧，从而收紧下齿条81，第二指段3靠向物体17方向转动。此时会有：

α＝δ(1+i)   (公式2)

释放物体17的过程与上述过程相反，不赘述。

本发明装置利用驱动器、带传动机构、齿轮齿条传动机构、簧件、半齿轮、转轴、半齿轮连接件、半齿轮凸块和限位凸块等综合实现了机器人手指平夹自适应抓取模式与耦合自适应抓取模式可以简单切换的功能：该装置可以实现平夹自适应抓取模式，在简单手动切换后，又可以实现耦合自适应抓取模式。在平夹自适应抓取模式中，该装置既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；在耦合自适应抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在第一指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段；抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，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 (1)

1.一种双联齿条平夹耦合切换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、第一带轮、第二带轮和传动带；所述近关节轴活动套设在基座中，所述第一指段套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套设在第一指段中，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平行；所述电机与基座固接，所述传动机构设置在基座中，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第一带轮相连；所述第一带轮活动套接在近关节轴上，所述第二带轮套固在远关节轴上；所述第二带轮与第二指段固接；定义抓取物体的一侧为该双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方；所述传动带连接第一带轮和第二带轮；所述传动带、第一带轮和第二带轮三者之间配合形成带轮传动关系；所述带轮传动件形成“O”字形；所述第一带轮的传动半径大于第二带轮的传动半径；其特征在于：该双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置还包括半齿轮、齿轮、连接件、转轴、下齿条、上齿条、中间轴、第一限位块、第二限位块、套筒和簧件；所述连接件套接在近关节轴上，所述转轴套设在连接件中；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；所述下齿条与半齿轮啮合；所述下齿条的上端与套筒固接；所述中间轴套设在套筒中；所述上齿条的下端与中间轴固接；所述上齿条与齿轮啮合；所述上齿条滑动镶嵌在第一指段中；所述簧件的两端分别连接半齿轮和基座；所述半齿轮的传动半径与齿轮的传动半径相等；设所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成平面U，所述转轴位于平面U上；所述中间轴与转轴共面；第一限位块、第二限位块分别与基座固接；在初始状态时，当半齿轮位于一侧时，半齿轮与第一限位块接触，当半齿轮位于另一侧时，半齿轮与第二限位块接触；所述簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧；

所述双联齿条平夹耦合切换自适应机器人手指装置具有两种抓取模式：一种是耦合自适应抓取模式，另一种是平夹自适应抓取模式，两种抓取模式的切换由半齿轮绕转轴以及下齿条绕中间轴的转动来实现。

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