电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

在工业生产的流水线上，机器人手扮演了至关重要的角色。随着机器人手所需适应的环境增多，所需执行的任务更多更复杂，简单的末端执行器已经满足不了需求。因此，拟人化的机器人手成为了一个热门的课题。机器人手目前主要分为了三大类：灵巧手、欠驱动手和工业夹持器。其中，灵巧手的多数关节都需要对应的电机进行驱动，这使其有能力完成多种复杂的抓取姿态、手势和适应不同形状的物体，但是也导致其笨重、昂贵、难以控制。工业夹持器一般具有两到三个手指，每个手指的根部能够转动或平动，但是手指中部没有关节，控制容易、结构简单，成本低，但是其缺陷在于只能完成简单的夹持动作，而且对所抓物体的形状无法自动适应。欠驱动手在一定程度上结合了二者的优点，克服了它们的不足。欠驱动手主要分为耦合手和自适应手两大类。

耦合型欠驱动手指在抓取物体时，通过一个电机驱动，使多个关节按照一定的比例同时进行转动。这一模式与人手抓取物体动作类似，拟人性较好，抓取过程比较稳定。其不足在于，动作模式固定，通常只能完成捏持的动作，无法适应不同形状的物体，对相当多数的物体握持效果差。

自适应欠驱动手指在抓取物体时，通过一个电机的驱动，使得近关节先转动，其他关节不相对于前一指段转动，即后续的多个指段保持伸直状态，当第一指段接触到物体被阻挡后，第二指段才开始绕中部关节转动。这种手指可以完成多种物体的抓取，结构简单，控制容易，尤其是它可以对不同形状物体改变中部关节的转角。其不足在于，在未接触到物体之前，手指保持僵化的伸直状态，拟人度差，而且当第一指段对物体进行挤压时，为了推动后续关节的转动，需要较大的压力，会导致振动以及所抓物体可能被挤开的情况，抓取不稳定。

针对耦合型手指与自适应欠驱动手指各自的不足之处，一种将两者结合起来的耦合与自适应复合欠驱动抓取模式(简称耦合自适应抓取模式)被提出来。在第一指段未触碰物体时，通过一个电机，整个手指呈联动的耦合状态去接近物体，动作比较拟人化，也能够防止后续挤跑物体的现象发生；当第一指段接触到物体后，自动切换到自适应状态，第二指段会进一步弯曲去弯曲贴合所抓物体外形。这种复合抓取模式在很大程度上结合了耦合、自适应两种手指的优点，克服了两者的不足。但是，传统的耦合自适应机器人手指存在许多不足之处。

已有的一种双关节同向转动复合欠驱动机器人手指，如中国发明专利CN102161204B,主要由基座、电机、减速器、基座轴、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、多个齿轮、同向传动机构及簧件等组成。已有的一种锥齿轮系耦合欠驱动两关节机器人手指，如中国发明专利CN101767338B，主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件等组成。这两个装置都可实现耦合与自适应复合抓取模式，它们的不足在于：它们均通过七个齿轮完成传动，摩擦损耗大，传动效率低，成本高，结构复杂，而且中部指段中空，电机藏入手指基座，使其占用过多基座(即机器人手的手掌)位置，会导致基座(手掌)较大，影响了控制系统的安装空间，使得整个机器人手的体积过于庞大。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN101633171A，主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件组成。该装置可以实现耦合与自适应复合抓取模式，其缺点在于：使用了三个簧件，设计制造困难，簧件的选型是关键，带来能量的内部损耗，而且在长期使用中簧件容易疲劳失效；而且，电机安装在手指的基座中，使其占用过多基座(机器人手的手掌)位置，导致基座(手掌)较大等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置，该装置可实现耦合与自适应复合欠驱动抓取模式，单个电机驱动两个关节，先耦合联动，抓取过程动作拟人化程度高，当中部指段接触物体后，再自动切换为末端指段继续转动，能够适应不同形状尺寸物体的抓取，结构简单、容易控制，传动精确，能耗低，多数机构嵌入手指中部，不占用基座空间，解放手掌空间。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套固在基座中，所述远关节轴活动套接在中部指段中，所述末端指段套固在远关节轴上；近关节轴和远关节轴平行；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；其特征在于：该电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置还包括过渡轴、主动齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和簧件；所述电机固接在中部指段中，所述主动齿轮套固在减速器的输出轴上；所述过渡轴套设在中部指段中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，近关节轴和过渡轴平行；所述主动齿轮与第三齿轮啮合，所述第三齿轮、第二齿轮分别活动套接在过渡轴上；所述簧件的两端分别连接第二齿轮和第三齿轮；所述第二齿轮与第一齿轮啮合；第一齿轮套固在近关节轴上；所述第四齿轮与主动齿轮啮合；所述第四齿轮套固在远关节轴上。

本发明所述电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用扭簧。

本发明所述电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一齿轮与第二齿轮的传动比为1，从所述主动齿轮到第三齿轮的传动比为a，从主动齿轮到第四齿轮的传动比为a，其中a为正有理数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置采用设置在中部指段的电机、五齿轮传动机构和簧件综合实现双关节机器人手指的耦合与自适应复合欠驱动抓取模式，该装置由单个电机驱动两个关节，该装置抓取物体时，先耦合联动，抓取过程动作拟人化程度高；当中部指段接触物体后，再自动切换为末端指段继续转动的自适应抓取模式，该装置能够适应不同形状尺寸物体的抓取，结构简单、容易控制、传动精确、成本低、能耗低，该装置的电机、传动零件多数嵌入到手指中部，基本不占用基座空间，解放了手掌空间。

附图说明

图1是本发明的电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是图1所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的立体图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的正面视图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的侧面视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的爆炸视图。

图7是图1所示实施例中部分零件的位置关系图。

图8是图7的立体视图。

图9至图12是图1所示实施例抓取物体过程中几个关键位置的侧面外观图。

图13是采用图1所示实施例构成的一种机器人手立体外观图。

图14是图13所示实施例抓取物体的情况示意图。

图15是图13所示实施例弯曲手指的背面立体外观图。

在图1至图15中：

1－基座， 2－中部指段， 3－末端指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 6－第一齿轮， 7－第二齿轮， 8－第三齿轮，

9－主动齿轮， 10－第四齿轮， 11－簧件， 12－电机，

13－减速器， 14－传动机构， 15－过渡轴， 16－物体。

具体实施方式

下面结合附图及多个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。

本发明设计的电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的第一种实施例，如图1至图8所示，包括基座1、电机12、减速器13、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套固在基座1中，所述远关节轴5活动套接在中部指段2中，所述末端指段3套固在远关节轴5上；近关节轴4和远关节轴5平行；所述电机12的输出轴与减速器13的输入轴相连；该电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置还包括过渡轴15、主动齿轮9、第一齿轮6、第二齿轮7、第三齿轮8、第四齿轮10和簧件11；所述电机12固接在中部指段2中，所述主动齿轮9套固在减速器13的输出轴上；所述过渡轴15套设在中部指段2中，所述中部指段2活动套接在近关节轴4上，近关节轴4和过渡轴15平行；所述主动齿轮9与第三齿轮8啮合，所述第三齿轮8、第二齿轮7分别活动套接在过渡轴15上；所述簧件11的两端分别连接第二齿轮7和第三齿轮8；所述第二齿轮7与第一齿轮6啮合；第一齿轮6套固在近关节轴4上；所述第四齿轮10与主动齿轮9啮合；所述第四齿轮10套固在远关节轴5上。

本发明中所述第一齿轮6与第二齿轮7的传动比为1，从所述主动齿轮9到第三齿轮8的传动比为a，从主动齿轮9到第四齿轮10的传动比为a，其中a为正有理数。

本发明中所述簧件11采用扭簧。本实施例采用扭簧。

采用图1所示实施例可以构成机器人手，一种采用电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的多指机器人手，如图13至图15所示，包括手掌和五个电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置，所有所述电机中置五齿轮耦合自适应机器人手指装置的基座分别固接在手掌上。该机器人手具有5个手指，每个手指均采用1个图1所示实施例，如图13所示，抓取物体如图14所示，弯曲的状态如图15所示。当然，也可以1个手指采用2个图1所示实施例串联起来构成，获得更高的耦合自适应效果，不再赘述。

本实施例的具体工作原理，结合附图9至图12所示，叙述如下：

本装置的初始状态如图9所示处于竖直位置，此时中部指段和末端指段均处于伸直状态。当本实施例中的机器人手指装置运动时，电机输出轴转动，经减速器带动主动齿轮。通过主动齿轮带动套接在过渡轴的第三齿轮以及固接与远关节轴的第四齿轮转动，并且通过簧件带动第二齿轮转动。同时第二齿轮与固结于基座的第一齿轮啮合。

当没有物体阻挡手指时，如图10所示，主动齿轮带动固接于远关节轴的第四齿轮，从而带动末端指段转动，主动齿轮通过第三齿轮、第二齿轮，使得中部指段围绕固定的第一齿轮开始转动。中部指段相对其初始位置的转动角度与末端指段相对于中部指段的转动角度相等。从而实现拟人化的耦合抓取模式——近关节和远关节均同时转动。

当物体阻挡手指，接触到中部指段时，如图11所示，第二齿轮停止围绕第一齿轮，第三齿轮通过主动齿轮传动继续转动，固接与第二齿轮与第三齿轮之间的簧件发生形变，第四齿轮依旧通过主动齿轮传动继续转动，从而带动末端指段传动。

直至末端指段扣住物体，如图12所示，抓取过程结束。此过程实现了先拟人化耦合再自适应物体形状的抓取模式。

本发明装置采用设置在中部指段的电机、五齿轮传动机构和簧件综合实现双关节机器人手指的耦合与自适应复合欠驱动抓取模式，该装置由单个电机驱动两个关节，该装置抓取物体时，先耦合联动，抓取过程动作拟人化程度高；当中部指段接触物体后，再自动切换为末端指段继续转动的自适应抓取模式，该装置能够适应不同形状尺寸物体的抓取，结构简单、容易控制、传动精确、成本低、能耗低，该装置的电机、传动零件多数嵌入到手指中部，基本不占用基座空间，解放了手掌空间。