专利名称：楔块式仿生手指装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人手技术领域，特别涉及一种楔块式仿生手指装置的结构。
背景技术：
目前已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)， 主要包括基座、电机、第一指段、第二指段和“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1 1角度的耦合运动。已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果。但该类耦合抓取式机械手指装置存在一些不足之处各关节以固定角度比例转动，不能有自由的角度比例转动，在抓取物体时一般以捏持方式，很难以恰好适应物体表面大小尺寸的方式实现握持抓取方式，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自动适应性，抓取效果不好。已有的一种具有形状自适应的欠驱动机械手指装置(中国发明专利 CN02153489.6)，包括第一指节、第二指节、主动滑块、关节齿轮轴、齿条、弹簧等。该装置实现了欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。但该类欠驱动机械手指装置也存在一些不足之处手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化不够；抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是提供一种楔块式仿生手指装置，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者简单有效地融合。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本实用新型采用的楔块式仿生手指装置，包括基座、电机、 减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、主动滑块第一传动机构、第二传动机构、 第三传动机构、第一簧件、第二簧件和第三簧件；所述的电机和减速器与基座固接，近关节轴套设在基座中，中部指段套接在近关节轴上，远关节轴套设在中部指段中，末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节轴平行；主动滑块镶嵌在中部指段中；第一传动机构一端通过减速器与电机相连，另一端与近关节轴相连；第二传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连；第三传动机构一端与主动滑块相连，另一端与远关节轴相连。第一传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮；减速器输出轴与第一锥齿轮固接， 第一锥齿轮与所述第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮套固在近关节轴上。第二传动机构包括主动轮、从动轮、第一传动件、第二传动件、圆锥套筒、第一内齿圈、第三齿轮和楔块；所述主动轮套接在近关节轴上；从动轮和第三齿轮固接，并套接在远关节上；第一传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“Z”字形，第一传动件的两端分别与主动轮和从动轮固接；第二传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“S”字形，第二传动件的两端分别与主动轮和从动轮固接，第一传动件和第二传动件交叉成“8”字形；圆锥套筒通过花键套接在远关节轴上，使圆锥套筒在远关节轴上沿轴向滑动；圆锥套筒一端与第三齿轮相连，另一端与滑至右端的圆锥套筒相连；圆锥套筒包括第一内齿圈和第二内齿圈，圆锥套筒滑至右端时，第一内齿圈与第三齿轮啮合；圆锥套筒滑至左端时，第一内齿圈与第三齿轮相配合；楔块固接在主动滑块上，其与圆锥套筒的圆锥外表面相配合。第三传动机构包括双联齿轮和直齿条；直齿条固接在主动滑块上；双联齿轮套接在远关节轴上，双联齿轮一端与直齿条相连，另一端与滑至右端的圆锥套筒相连；双联齿轮包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与直齿条啮合；圆锥套筒滑至有端时，第二内齿圈与所述第二齿轮啮合。第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；第二簧件的两端分别连接远关节轴和中部指段；第三簧件两端分别连接圆锥套筒和固定板，固定板与末端指段固接。(三)有益效果本实用新型的优点在于该装置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，同时有助于握持方式抓取物体；另外，该装置成本低，控制容易，外观和动作与人手相似，适用于拟人机器人手。
图1是本实用的楔块式仿生手指装置的正面外观图。图2是图1的左侧视图。图3是图1的剖视图。图4是图3的B □ B剖视图。图5是图3的A DA剖视图。图6是本实用新型的双联齿轮的局部剖视图。图7、图8、图9、图10是本实施例中圆锥套筒和楔块空间位置关系的三视图和外观立体图。图11是本实施例的正面局部剖视图。图12是本实用新型的圆锥套筒的局部剖视图。图13、图14、图15、图16、图17和图18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。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。如图1至图12所示，本实用新型包括基座1、电机2、减速器、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6 ；电机2通过减速器与基座1固接，近关节轴3套设在基座1 中，中部指段4套接在所述近关节轴3上，远关节轴5套设在中部指段4中，末端指段6套固在远关节轴5上，远关节轴5和近关节轴3平行。手指装还包括主动滑块12、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第一簧件31、第二簧件32和第三簧件33。主动滑块12镶嵌在中部指段4中，远关节轴5的中心线和近关节轴3的中心线构成平面P，主动滑块12的滑动方向垂直于平面P，所述的楔块9固接在主动滑块12上。本实施中，楔块9的楔角λ在15°至25°之间，如图9中所示。第一传动机构包括第一锥齿轮51和第二锥齿轮52 ；减速器输出轴与第一锥齿轮 51固接，第一锥齿轮51与第二锥齿轮52相啮合，第二锥齿轮52套固在近关节轴3上。第二传动机构包括主动轮21、从动轮22、第一传动件23、第二传动件24、圆锥套筒 8、第一内齿圈71、第三齿轮25和楔块9 ；主动轮21套接在近关节轴3上；从动轮22和第三齿轮25固接，并套接在远关节轴5上；第一传动件23缠绕在主动轮21和从动轮22上并形成“Ζ”字形，第一传动件23的两端分别与主动轮21和从动轮22固接；第二传动件24缠绕在主动轮21和所述从动轮22上并形成“S”字形，第二传动件24的两端分别与主动轮21 和从动轮22固接，第一传动件23和第二传动件24交叉成“8”字形；圆锥套筒8通过花键套接在远关节轴5上，使圆锥套筒8在远关节轴5上沿轴向滑动；圆锥套筒8 一端与第三齿轮25相连，另一端与滑至右端的圆锥套筒8相连；圆锥套筒8包括第一内齿圈71和第二内齿圈72，所述圆锥套筒8滑至右端时，第一内齿圈71与第三齿轮25啮合；圆锥套筒8由圆柱和圆台两部分组成，如图12所示，楔块9固接在主动滑块12上，其与圆锥套筒8的圆锥外表面相配合。第一传动件23两端分别固接有第一端块41和第二端块42 ；第二传动件24两端分别固接有第三端块43和第四端块44 ；所述的第一端块41镶嵌固定在主动轮21的槽内，所述的第二端块42镶嵌固定在从动轮22的槽内；所述的第三端块43镶嵌固定在主动轮21 的槽内，所述的第四端块44镶嵌固定在从动轮22的槽内。以上所述的第一传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二传动件采用传动带、 腱绳或链条，所述的主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮采用带轮、绳轮或链轮。第三传动机构包括双联齿轮和直齿条11 ；直齿条11固接在主动滑块12上；双联齿轮10套接在远关节轴5上，双联齿轮10 —端与直齿条11相连，另一端与滑至右端的圆锥套筒8相连；双联齿轮10包括第一齿轮81和第二齿轮82，第一齿轮81与直齿条11啮合；圆锥套筒8滑至有端时，第二内齿圈与第二齿轮啮合。第一簧件31的两端分别连接近关节轴3和中部指段4 ；第二簧件32的两端分别连接远关节轴5和中部指段4 ；第三簧件33两端分别连接圆锥套筒8和固定板17，所述固定板17与末端指段6固接。第一簧件31、第二簧件32和第三簧件33可以采用扭簧、拉簧、 压簧、片簧或弹性绳。
5[0037]本实施例的工作原理，如图13、图14、图15、图16、图17和图18所示，叙述如下该装置的初始位置如图13所示，此时中部指段4和末端指段6与基座1呈手指伸直状态。当使用本实施例的机器人手抓取物体时，电机2的输出轴转动，通过第一锥齿轮51 带动固接有第二锥齿轮52的近关节轴3转动。由于第一簧件31的约束作用，中部指段4 和近关节轴3仿佛固接在一起，中部指段4将绕着近关节轴3转动角度α。中部指段4与末端指段6无相对转动时，圆锥套筒8的第二内齿圈72与第三齿轮 25啮合，远关节轴5、圆锥套筒8及从动轮22构成传动关系；当圆锥套筒8沿远关节轴5滑动使得第一内齿圈71与双联齿轮10的第二齿轮82啮合时，远关节轴5、圆锥套筒8及双联齿轮10构成传动关系。由于主动轮21固接在基座上，在中部指段4转动过程中，远关节轴5相对于近关节轴3的位置将改变，由于第一传动件23的下端与主动轮21固接，故而中部指段4的转动会让第一传动件23拉动与其另一端固接的从动轮22绕远关节轴5的中心线转动同样一个角度α，主动轮21和从动轮22大小一致时，两关节的耦合转动角度为1 1，当然主动轮 21和从动轮22也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果。由于此时远关节轴5通过花键毂与圆锥套筒8中部的花键相配合，圆锥套筒8的第二内齿圈72与第三齿轮25相啮合，因此远关节轴5、圆锥套筒8、从动轮22构成传动关系，从动轮22仿佛和远关节轴5 固接在一起，使得从动轮22通过圆锥套筒8带动远关节轴5绕自身轴线转动角度α。在此过程中，第二簧件32变形，产生一定的扭矩。此时，由于末端指段6套固在远关节轴5上， 末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线转动角度α，如图14所示。此过程直到中部指段 4碰到物体，中部指段绕近关节轴3转动了角度β，末端指段6也绕远关节轴5的中心线转动了角度β，如图15所示。上述过程均为两关节采用耦合方式转动。此时，如果末端指段6接触物体，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图 18所示。此时，如果末端指段6还未接触物体，如图15所示。电机2的输出轴继续转动，通过第一锥齿轮51带动固接有第二锥齿轮52的近关节轴3转动。由于这时中部指段4已经接触物体，随着中部指段4继续绕近关节轴3转动，镶嵌在中部指段4的主动滑块12沿垂直远关节轴5的方向，向中部指段4内部滑动。直齿条11 与主动滑块12固接，随着主动滑块12的运动而运动。套固在远关节轴5的双联齿轮10的第一齿轮81与直齿条11啮合，因此，随着直齿条11垂直远关节轴5的运动，双联齿轮10 绕着自身轴线空转。同时，楔块9固接在主动滑块12上，随着主动滑块12的运动而沿垂直远关节轴 5的方向运动。圆锥套筒8的外表面与换挡楔快9构成传动关系，即当楔块9沿垂直平面 P(远关节轴和近关节轴所构成的平面)的方向运动时，圆锥套筒8沿远关节轴的方向运动。 其空间位置关系如图7、图8、图9和图10所示。随着中部指段4继续绕近关节轴3转动，主动滑块12进一步沿垂直远关节轴5的方向向中部指段4内部滑动，圆锥套筒8克服第三簧件33的阻力，进一步沿远关节轴5的方向滑动，直到圆锥套筒8的第二内齿圈72刚好与从动轮的第三齿轮25脱离。通过设计合适的换挡行程，使得圆锥套筒的第二内齿圈72与从动轮的第三齿轮25刚好脱离时，圆锥套筒的第一内齿圈71与双联齿轮10的第二齿轮82刚好开始结合。[0046]圆锥套筒的第一内齿圈81与双联齿轮10的第二齿轮82结合以后，随着中部指段 4继续绕近关节轴3转动，主动滑块12继续滑动，直齿条11随着主动滑块12的运动而继续运动，从而带动双联齿轮10绕着自身轴线转动。由于此时圆锥套筒8与双联齿轮10构成传动关系，圆锥套筒8又通过花键与远关节轴5构成传动关系，因此双联齿轮10仿佛和远关节轴5固接在一起。由于末端指段6套固在远关节轴5上，末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线转动角度Φ，如图16所示。这一过程直到末端指段6接触到物体，完成抓持动作，如图17所示。此过程使得该装置能够自动适应抓取不同形状和尺寸大小的物体。此时，如果末端指段接触物体，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图18 所示。以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种楔块式仿生手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器、近关节轴(3)、中部指段 (4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述电机(2)通过所述减速器与所述基座(1)固接，所述近关节轴(3)套设在所述基座(1)中，所述中部指段(4)套接在所述近关节轴(3)上，所述远关节轴(5)套设在所述中部指段(4)中，所述末端指段(6)套固在所述远关节轴(5) 上，所述远关节轴(5)和所述近关节轴(3)平行；其特征在于所述手指装还包括主动滑块 (12)、第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；所述主动滑块(12)镶嵌在所述的中部指段(4)中；所述第一传动机构一端与所述减速器相连，另一端与所述近关节轴(3)相连；所述第二传动机构一端与所述近关节轴(3)相连，另一端与所述远关节轴(5)相连；所述第三传动机构一端与所述主动滑块(12)相连，另一端与所述远关节轴(5)相连。
2.根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第一传动机构包括第一锥齿轮 (51)和第二锥齿轮(52)；所述减速器输出轴与所述第一锥齿轮(51)固接，所述第一锥齿轮 (51)与所述第二锥齿轮(52)相啮合，所述第二锥齿轮(52)套固在所述近关节轴(3)上。
3.根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第二传动机构包括主动轮(21)、 从动轮(22)、第一传动件(23)、第二传动件(24)、圆锥套筒(8)、第三齿轮(25)和楔块(9)； 所述主动轮(21)套接在所述近关节轴(3)上；所述从动轮(22)和所述第三齿轮(25)固接，并套接在所述远关节轴(5)上；所述第一传动件(23)缠绕在所述主动轮(21)和所述从动轮(22)上并形成“Z”字形，所述第一传动件(23)的两端分别与所述主动轮(21)和所述从动轮(22)固接；所述第二传动件(24)缠绕在所述主动轮(21)和所述从动轮(22)上并形成“S”字形，所述第二传动件(24)的两端分别与所述主动轮(21)和所述从动轮(22)固接，所述第一传动件(23)和所述第二传动件(24)交叉成“8”字形；所述圆锥套筒(8)通过花键套接在所述远关节轴(5)上，使所述圆锥套筒(8)在所述远关节轴(5)上沿轴向滑动； 所述圆锥套筒(8) —端与所述第三齿轮(25)相连，另一端与所述滑至右端的圆锥套筒(8) 相连；所述圆锥套筒(8)包括第一内齿圈(71)和第二内齿圈(72)，所述圆锥套筒(8)滑至右端时，所述第一内齿圈(71)与所述第三齿轮(25)啮合；所述楔块(9)固接在所述主动滑块(12)上，其与所述圆锥套筒(8)的圆锥外表面相配合。
4.根据根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第三传动机构包括双联齿轮(10)和直齿条(11)；所述直齿条(11)固接在所述主动滑块(12)上；所述双联齿轮(10) 套接在所述远关节轴(5)上，所述双联齿轮(10) —端与所述直齿条(11)相连，另一端与滑至右端的所述圆锥套筒(8)相连；所述双联齿轮(10)包括第一齿轮(81)和第二齿轮(82)， 所述第一齿轮(81)与所述直齿条(11)啮合，所述圆锥套筒(8)滑至左端时，所述第二内齿圈(72)与所述第二齿轮(82)啮合。
5.根据根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于该手指装置还包括该一簧件 (31)、第二簧件(32)和第三簧件(33)所述第一簧件(31)的两端分别连接所述近关节轴 (3)和所述中部指段(4)；所述第二簧件(32)的两端分别连接所述远关节轴(5)和所述中部指段⑷；所述第三簧件(33)两端分别连接所述圆锥套筒⑶和固定板(17)，所述固定板(17)与所述末端指段(6)固接。
专利摘要本实用新型公开了一种楔块式仿生手指装置，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、主动滑块、第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；电机通过减速器与基座固接，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，末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节轴平行；主动滑块镶嵌在中部指段中；第一传动机构一端与减速器相连，另一端与近关节轴相连；第二传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连；第三传动机构一端与主动滑块相连，另一端与远关节轴相连。该装置结构简单；手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
文档编号B25J15/08GK202241304SQ20112041367
公开日2012年5月30日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者张卫珠 申请人:宁波力匠机械制造有限公司