专利名称：机器人拟人手变抓取力机械手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种机器人拟人手变抓取力机械手指装置结构设计。
背景技术：
机器人拟人手的主要功能是抓取物体。根据物体的质量轻重程度、表面软硬程度，机器人手在抓取时应该采用不同的抓取力，即机器人拟人手的抓取力应该具有一定的可控性。因而设计机器人拟人手变抓取力机械手指具有重要意义。
一种已有的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，如美国发明专利US4946380，由电机、第一、二关节、第一、二指节、腱绳、装有小动滑轮和大定滑轮的连杆及压簧构成，该装置采用电机驱动，带动第一关节转动(即可带动手指第一指节转动)，牵动腱绳，牵动第二关节转动(即可带动手指第二指节转动)。在腱绳绕过两个关节的中途，还要绕过装在连杆上的小动滑轮和大定滑轮，其中，大定滑轮的轴固接在手指第一指节上，连杆中间的铰链固接在大定滑轮上，连杆一端上的小动滑轮与手指第一指节之间设有压簧。抓取物体时，当手指第二指节接触物体不再转动，此时，电机继续转动，使得腱绳张紧，腱绳的张紧力使装有小动滑轮的连杆转动，从而使压簧的变形，当电机停止转动后，变形压簧的反弹力将使手指第二指节对物体保持住已产生的恒定的抓取力。通过控制电机在手指第二指节接触物体后继续转动的角度的大小，可以控制抓取物体时不同的抓取力。
这种装置不足之处为该装置仅适合安装在采用腱络传动的机器人拟人手上；该装置机构复杂，对制造水平要求高，造价高，可靠性低；腱绳的变形将使抓取力控制精度降低，除非采用特制的几乎不变形的材料，这样一来，将使整个手的造价更加昂贵。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种机器人拟人手变抓取力机械手指装置。该装置的传动机构可以是齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动。该装置装置简单、易加工、可靠，可以作为机器人拟人手的手指或手指的一部分，用于实现机器人拟人手抓取物体时产生不同的抓取力，抓取力的控制精度高。
本发明设计的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，包括基础指节、变抓取力关节、变抓取力指节；所说的基础指节与变抓取力指节均为中空结构，所说的变抓取力关节套设于基础指节与变抓取力指节之间；所说的变抓取力关节包括电机、减速器、传动机构、关节轴、滑动轴承、拨块、板簧；其连接关系为所说的关节轴套设于基础指节与变抓取力指节之间，电机的输出轴与减速器相连，设置在基础指节中，且平行于关节轴；所说的减速器输出轴与传动机构相连，传动机构与关节轴相连；所说的拨块套固在关节轴上；所说的板簧一端与拨块固接，另一端插入变抓取力指节内。板簧在安装好后，有一定的初始弯曲变形量，从而保证板簧与变抓取力指节之间没有间隙。
所说的传动机构可以采用齿轮传动机构，也可以采用带轮传动机构，链轮传动机构，连杆传动机构或腱络传动机构等。
所说的变抓取力关节可包括扭簧，其两端分别与关节轴和基础指节相连，用于消除传动过程中产生的间隙；在关节轴的一端可装有电位器，用于检测关节轴转动的角度位置，可以实现位置闭环控制。
在电机的尾部可安装有编码器，用于检测电机输出轴转动的速度，可以实现速度闭环控制。
所说的基础指节可包括基础指节骨架、轴承板、齿轮盖，三者固接在一起。
所说的变抓取力指节可包括变抓取力指节骨架、垫块，二者固接在一起。
本发明的工作原理为当机器人拟人手抓取物体时，假设基础指节已经接触了物体表面，通过电机输出轴转动，带动减速器输出轴转动，带动传动机构运动，带动关节轴转动，带动拨块转动，带动板簧的转动，板簧的另一端拨动变抓取力指节绕关节轴的轴心转动，直到变抓取力指节接触物体，此时关节轴、拨块、板簧和变抓取力指节转过了相同的角度θ。此时，电机的继续转动，将带动关节轴和拨块继续转过了角度α。板簧与拨块固接的一端也转过了角度α，而板簧的另一端与变抓取力指节因为物体的阻挡约束，不能转动，因而板簧发生弯曲变形，产生反弹力，通过变抓取力指节施加给物体，从而产生变抓取力指节对物体施加的压紧力F。随着电机转动，板簧弯曲变形角度α增大，压紧力F也随之增大。通过控制电机转动，就可以实现抓取力的控制。当电机停止转动时，板簧的弯曲变形产生的反弹力，既产生使变抓取力指节对物体施加抓取力F，又有拨动关节轴反向转动的趋势。由于减速器的减速比较大(几百比一)，且电机具有一定的转动惯量，该转动惯量在大减速比的减速传动中放大了许多倍，因而板簧不可能实现拨动关节轴反向转动，于是板簧的弯曲变形被保持住，变抓取力指节对物体的压紧力F也就被保持住了。由于存在此压紧力F和因其产生的摩擦力f，此时机器人拟人手可以拿起物体。
放开物体时，电机输出轴反转，带动减速器输出轴反转，带动传动机构反向运动，带动关节轴反转，带动拨块反转，使得板簧的弯曲变形逐渐减小，变抓取力指节对物体的施加的压紧力F也逐渐减小，当拨块反转了角度α，则板簧恢复了初始的小弯曲变形状态，此时变抓取力指节对物体的压紧力F已经减小为零。电机继续转动，带动拨块转动，通过板簧拨动变抓取力指节反转而离开物体表面。
利用在关节轴与基础指节之间连接的扭簧，消除传动机构的间隙。通过编码器，可以检测到电机转动的速度，从而可以实现变抓取力手指转动的速度闭环控制。通过电位器，可以检测到关节轴、拨块转动的角度位置，可以实现关节轴、拨块的角度位置闭环控制。
本发明的特点为机器人拟人手变抓取力机械手指装置。该装置包括基础指节、变抓取力关节、变抓取力指节，其传动机构可以是齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动。该装置简单、易加工、可靠。可以作为机器人拟人手上的手指或手指的一部分，用于实现机器人拟人手抓取物体时产生不同的抓取力，抓取力的控制精度高。
图2是本实施例机器人拟人手变抓取力机械手指装置的正面外观图。
图3是本实施例机器人拟人手变抓取力机械手指装置抓取物体时的示意图。
图4是本实施例应用于机器人拟人手侧面外观图，此时拇指已摆动到与手掌正对的位置。
图5是本实施例应用于机器人拟人手正面外观图，此时拇指已摆动到手掌的侧面。
图6是本实施例机器人拟人手握持圆柱物体的示意图。
在
图1至图8中1是基础指节， 2是变抓取力指节， 3是变抓取力关节，4是齿轮罩， 5是变抓取力指节骨架， 6是垫块，7是板簧， 8是基础指节骨架， 9是电机，10是编码器，11是轴承，12是电位器，13是扭簧， 14是套筒，15是拨块，16是圆锥销，17是关节齿轮轴， 18是小齿轮，19是减速器，20是轴承板， 21是轴承板，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，30是手腕连接板，31是物体。
基础指节1包括基础指节骨架8、轴承板20、齿轮盖4，三者通过螺钉固接在一起。
变抓取力指节2包括变抓取力指节骨架5、垫块6，二者通过螺钉固接在一起。
变抓取力关节3包括电机9、减速器19、小齿轮18、关节齿轮轴17、滑动轴承11、圆锥销16、套筒14、电位器12、编码器10、扭簧13、拨块15、板簧7。其连接关系为所说的关节齿轮轴17套设于基础指节1与变抓取力指节2之间。电机9的输出轴与减速器19相连，设置在基础指节1中最靠近关节齿轮轴的位置，且平行于关节齿轮轴。减速器19输出轴与小齿轮18通过紧定螺钉固接，小齿轮与关节齿轮轴啮合。扭簧13分别与关节齿轮轴17和基础指节骨架8相连。拨块15通过圆锥销16套固在关节齿轮轴上。板簧7一端与拨块通过螺钉固接，另一端插入变抓取力指节内，与垫块6接触。在基础指节1与关节齿轮轴17之间设有滑动轴承11。在关节齿轮轴17的远离齿轮的一端装有电位器12。套筒14套在关节齿轮轴上。编码器10安装在电机的尾部。由于垫块较厚，板簧7在安装好后，有一定的初始弯曲变形量，从而保证板簧7与变抓取力指节2之间没有间隙。
本实施例的工作原理，参考图3，叙述如下当机器人拟人手抓取物体时，假设基础指节1已经接触了物体36表面，通过电机9输出轴转动，带动减速器19输出轴转动，带动小齿轮18转动，带动关节齿轮轴17转动，带动拨块15转动，带动板簧7的转动，板簧的另一端压迫垫块6，拨动变抓取力指节2绕关节齿轮轴17的轴心转动，直到变抓取力指节2接触物体，此时关节齿轮轴17、拨块16、板簧7和变抓取力指节2转过了相同的角度θ。此时，电机9的继续转动，将带动关节齿轮轴17和拨块15继续转过了角度α。板簧7与拨块15固接的一端也转过了角度α，而板簧7的另一端与变抓取力指节2因为物体36的阻挡约束，不能转动，因而板簧7发生弯曲变形，产生反弹力，通过垫块6、变抓取力指节骨架5施加给物体，从而产生变抓取力指节2对物体36施加的压紧力F。随着电机9转动，板簧7弯曲变形角度α增大，压紧力F也随之增大。通过控制电机9转动，就可以实现抓取力的控制。当电机9停止转动时，板簧7的弯曲变形产生的反弹力，既产生使变抓取力指节2对物体施加抓取力F，又有拨动关节齿轮轴17反向转动的趋势。由于减速器19的减速比较大(几百比一)，且电机9具有一定的转动惯量，该转动惯量在大减速比的减速传动中放大了许多倍，因而板簧7不可能实现拨动关节齿轮轴17反向转动，于是板簧7的弯曲变形被保持住，变抓取力指节2对物体36的压紧力F也就被保持住了。由于存在此压紧力F和因其产生的摩擦力f，此时机器人拟人手可以拿起物体。
放开物体时，电机9输出轴反转，带动减速器19输出轴反转，带动小齿轮18反转，带动关节齿轮轴17反转，带动拨块15反转，使得板簧7的弯曲变形逐渐减小，变抓取力指节2对物体36的施加的压紧力F也逐渐减小，当拨块15反转了角度α，则板簧7恢复了初始的小弯曲变形状态，此时变抓取力指节2对物体36的压紧力F已经减小为零。电机9继续转动，带动拨块15转动，通过板簧7拨动变抓取力指节2反转而离开物体36表面。
利用在关节齿轮轴17与基础指节骨架5之间连接的扭簧13，消除齿轮传动的间隙。通过编码器10，可以检测到电机9转动的速度，从而可以实现变抓取力手指2的转动速度闭环控制。通过电位器12，可以检测到关节齿轮轴17、拨块15转动的角度位置，可以实现关节齿轮轴17、拨块15的转动角度的位置闭环控制。
本实施例用于机器人拟人手的结构如图4、5所示。
应用本实施例的两个结构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，手掌21、食指第一关节26和食指第一指节22应用了一个本实施例结构，其中，手掌21作为基础指节，食指第一关节26是变抓取力关节，食指第一指节22是变抓取力指节。
食指第一指节22、食指第二关节27和食指第二指节23应用了又一个本实施例结构，其中，食指第一指节22作为基础指节，食指第二关节27作为变抓取力关节23作为变抓取力指节。
应用本实施例的两个结构的机器人拟人手抓取物体的原理如图6所示。转动食指第一指节22和食指第二指节23，配合拇指第一指节24、拇指第二指节25，实现抓取物体31。
权利要求
1.一种机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于包括基础指节、变抓取力关节、变抓取力指节；所说的基础指节与变抓取力指节均为中空结构，所说的变抓取力关节套设于基础指节与变抓取力指节之间；所说的变抓取力关节包括电机、减速器、传动机构、关节轴、滑动轴承、拨块、板簧；其连接关系为所说的关节轴套设于基础指节与变抓取力指节之间，电机的输出轴与减速器相连，设置在基础指节中，且平行于关节轴；所说的减速器输出轴与传动机构相连，传动机构与关节轴相连；所说的拨块套固在关节轴上；所说的板簧一端与拨块固接，另一端插入变抓取力指节内。
2.如权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于所说的传动机构采用齿轮传动机构、带轮传动机构、链轮传动机构、连杆传动机构或腱络传动机构之一种。
3.如权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于所说的变抓取力关节包括扭簧，其两端分别与关节轴和基础指节相连。
4.权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于在所说的关节轴的一端装有电位器。
5.如权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于在电机的尾部安装有编码器。
6.如权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于所说的基础指节包括基础指节骨架、轴承板、齿轮盖，三者固接在一起。
7.如权利要求1所述的机器人拟人手变抓取力机械手指装置，其特征在于所说的变抓取力指节包括变抓取力指节骨架、垫块，二者固接在一起。
全文摘要
本发明属于拟人机器人技术领域,涉及一种机器人拟人手变抓取力机械手指装置。包括基础指节、变抓取力关节、变抓取力指节;基础指节与变抓取力指节均为中空结构;变抓取力关节包括电机、减速器、传动机构、关节轴、拨块、板簧;关节轴套设于基础指节与变抓取力指节之间,电机的输出轴与减速器相连,设置在基础指节中,且平行于关节轴;减速器输出轴与传动机构相连,传动机构与关节轴相连;拨块套固在关节轴上;板簧一端与拨块固接,另一端插入变抓取力指节内。本发明的传动机构可以是齿轮传动、腱络传动、带轮传动、链轮传动、连杆传动。该装置简单、易加工、可靠,可以作为机器人拟人手上的不同手指和手指的一部分,用于实现抓取物体时产生不同的抓取力,抓取力的控制精度高。
文档编号B25J15/08GK1365876SQ0210373
公开日2002年8月28日 申请日期2002年3月15日 优先权日2002年3月15日
发明者陈强, 张文增, 徐济民 申请人:清华大学