平行四连杆多带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，特别涉及一种平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

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。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。

捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。

自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施末端捏持抓取。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、带轮传动机构和簧件等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性，能够适应不同形状尺寸的物体。该欠驱动两关节机器人手指装置的不足之处为：1)抓取方式只能为握持方式，难实现弯曲远关节的末端捏持抓取效果；2)该装置抓取物体的过程不拟人，该装置在未碰触物体前始终呈现伸直的状态。

具有耦合与自适应复合抓取模式的机器人手指称为耦合自适应手指。所谓的耦合与自适应复合抓取模式是指该手指可以实现耦合抓取与自适应欠驱动抓取相结合的复合欠驱动抓取，即机器人手指装置在弯曲抓握物体过程中，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲；而在近指段碰到物体后，又可解耦转动第二关节，使第二指段自动适应物体表面形状，从而完全包络握持物体，并且只通过一个电机驱动多个关节；如果在耦合转动两个关节的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持效果。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101633171B)，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、电机、耦合传动机构、自适应传动机构和三个簧件。该装置可以实现耦合与自适应复合抓取模式，不足在于：1)机构复杂，有两套传动机构安装在近关节轴和远关节轴之间；2)需要的簧件数目过多，簧件选型困难；3)利用多个簧件来实现解耦——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。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合抓取模式，既能联动两个关节用末端捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的平行四连杆多带轮耦合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、远关节轴和电机；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；其特征在于：该平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第五带轮、第六带轮、第一传动带、第二传动带、第三传动带、第一连杆、第二连杆、簧件、第一轴和第二轴；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；所述第二指段套固在远关节轴上；所述过渡传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与第一轴相连；所述第一轴套设在基座中，所述第一轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一带轮套固在第一轴上，所述第二带轮套接在近关节轴上，所述第一传动带分别连接第一带轮、第二带轮，第一传动带呈“O”形，所述第一传动带、第一带轮和第二带轮三者构成带轮传动关系；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第三带轮套固在第一轴上，所述第四带轮套固在第二轴上，所述第二传动带分别连接第三带轮、第四带轮，第二传动带呈“O”形，所述第二传动带、第三带轮和第四带轮三者构成带轮传动关系；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第五带轮套固在第二轴上，所述第六带轮套固在远关节轴上，所述第三传动带分别连接第五带轮、第六带轮，第三传动带呈“O”形，所述第三传动带、第五带轮和第六带轮三者构成带轮传动关系；所述簧件的两端分别连接第二带轮、第一指段；

设所述第二带轮的传动直径与第一带轮的传动直径的比值为i，所述第四带轮的传动直径与第三带轮的传动直径的比值为j，所述第六带轮的传动直径与第五带轮的传动直径的比值为k，i大于1，j大于零，k大于零，且满足下式：

i-1>j(k-1)；

设近关节轴的中心为点A，远关节轴的中心为点B，第二轴的中心为点C，第一轴的中心为点D，线段AB的长度等于线段CD长度，线段AD的长度等于线段BC长度。

本发明所述的平行四连杆多带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。

本发明所述的平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：满足下式：

i-1＝j(2k-1)。

本发明所述的平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述过渡传动机构包括减速器、第一过渡齿轮、第二过渡齿轮、过渡轴、第一过渡带轮、第二过渡带轮和过渡传动带；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第一过渡齿轮与第二过渡齿轮啮合，所述第二过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述第一过渡带轮套固在过渡轴上，所述第二过渡带轮套固在第一轴上，所述过渡传动带分别与第一过渡带轮、第二过渡带轮相连，所述过渡传动带呈“O”形，所述过渡传动带、第一过渡带轮和第二过渡带轮构成带轮传动关系。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单个电机、平行四连杆机构、簧件和特定传动比的带轮传动机构等综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，抓取力量大，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；由于平行四连杆机构与特定传动比的多级带轮机构的配合实现了耦合抓取模式，同时利用簧件和多路传动达到了自适应抓取的效果，该装置抓取稳定可靠；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；同时结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的正视图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。

图5是图1所示实施例中的一个方向立体外观图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例中的另一个方向的立体外观图(未画出部分零件)。

图7是图4的A-A剖视图。

图8是图1所示实施例的爆炸视图。

图9至图12是图1所示实施例在以耦合与自适应复合抓取方式抓取物体的动作过程示意图。

在图1至图12中：

1－基座，111－基座底板，112－基座左侧板，113－基座右侧板，

114－基座后板，115－基座前板，116－基座表面板，2－第一指段，

21－第一指段左侧板，22－第一指段右侧板，23－第一指段后板，24－第一指段前板

25－第一指段表面板，3－第二指段，31－轴承，4－近关节轴，

41－第一带轮，42－第二带轮，43－第三带轮，44－第四带轮，

45－第五带轮，46－第六带轮，5－远关节轴，61－第一轴，

62－第二轴，71－第一连杆，72－第二连杆，9－簧件，

91－第一传动带，92－第二传动带，93－第三传动带，14－电机，

141－减速器，142－第一过渡齿轮，143－第二过渡齿轮，144－过渡轴，

145－第一过渡带轮，146－第二过渡带轮，147－过渡传动带，8－物体。

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。

本发明设计的平行四连杆多带轮耦合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1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和电机14；所述电机14与基座1固接；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；其特征在于：该平行四连杆多带轮耦合自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、第一带轮41、第二带轮42、第三带轮43、第四带轮44、第五带轮45、第六带轮46、第一传动带91、第二传动带92、第三传动带93、第一连杆71、第二连杆72、簧件9、第一轴61和第二轴62；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述第二指段3套固在远关节轴5上；所述过渡传动机构设置在基座1中；所述电机14的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与第一轴61相连；所述第一轴61套设在基座1中，所述第一轴61的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一带轮41套固在第一轴61上，所述第二带轮42套接在近关节轴4上，所述第一传动带91分别连接第一带轮41、第二带轮42，第一传动带91呈“O”形，所述第一传动带91、第一带轮41和第二带轮42三者构成带轮传动关系；所述第一连杆71的一端套接在第一轴61上，第一连杆71的另一端套接在第二轴62上；所述第三带轮43固在第一轴61上，所述第四带轮44套固在第二轴62上，所述第二传动带92分别连接第三带轮43、第四带轮44，第二传动带92呈“O”形，所述第二传动带92、第三带轮43和第四带轮44三者构成带轮传动关系；所述第二连杆72的一端套接在第二轴62上，第二连杆72的另一端套接在远关节轴5上；所述第五带轮45套固在第二轴62上，所述第六带轮46套固在远关节轴5上，所述第三传动带93分别连接第五带轮45、第六带轮46，第三传动带93呈“O”形，所述第三传动带93、第五带轮45和第六带轮46三者构成带轮传动关系；所述簧件9的两端分别连接第二带轮42、第一指段2；

设所述第二带轮42的传动直径与第一带轮41的传动直径的比值为i，所述第四带轮44的传动直径与第三带轮43的传动直径的比值为j，所述第六带轮46的传动直径与第五带轮45的传动直径的比值为k，i大于1，j大于零，k大于零，且满足下式：

i-1>j(k-1)；

上述条件使得本实施例在最初阶段时获得了耦合效果，即第一指段2相对于基座1绕近关节轴4转动一个角度的同时，第二指段3相对于第一指段2绕远关节轴5也转动了一个角度，但这两个角度不一定相等；

设近关节轴4的中心为点A，远关节轴5的中心为点B，第二轴62的中心为点C，第一轴61的中心为点D，线段AB的长度等于线段CD长度，线段AD的长度等于线段BC长度；

本实施例中，所述簧件9采用扭簧。

本实施例中，所述第一带轮41的传动直径为第二带轮42的传动直径的一半，所述第三带轮43的传动直径等于第四带轮44的传动直径，所述第五带轮45的传动直径等于第六带轮46的传动直径，即传动比i＝2，j＝1，k＝1，满足下式：

i-1＝j(2k-1)＝2。

上述条件使得本实施例在最初阶段时获得了1:1的耦合效果，即第一指段2相对于基座1绕近关节轴转动的角度与第二指段3相对于第一指段2绕远关节轴5转动的角度相等。

本实施例中，所述过渡传动机构包括减速器141、第一过渡齿轮142、第二过渡齿轮143、过渡轴144、第一过渡带轮145、第二过渡带轮146、过渡传动带147；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述第一过渡齿轮142套固在减速器141的输出轴上，所述第二过渡齿轮143套固在过渡轴144上，所述第一过渡齿轮142与第二过渡齿轮143啮合；所述过渡轴144套设在基座1中，所述第一过渡带轮145套固在过渡轴144上，所述第二过渡带轮146套固在第一轴61上，所述过渡传动带147分别与第一过渡带轮145、第二过渡带轮146相连，所述过渡传动带呈“O”形，所述过渡传动带147、第一过渡带轮145和第二过渡带轮146形成带轮传动关系。

所述基座1包括固接在一起的基座底板111、基座左侧板112、基座右侧板113、基座后板114、基座前板115和基座表面板116；所述第一指段2包括固接在一起的第一指段左侧板21、第一指段右侧板22、第一指段后板23、第一指段前板24和第一指段表面板25。

本实施例还包括轴承31、紧定螺钉、圆柱销和套筒等，属于公知技术，不再赘述。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图9所示。

电机14转动，通过减速机141带动第一过渡齿轮142，带动第二过渡齿轮143，带动过渡轴144，带动第一过渡带轮145，通过过渡传动带147驱动第二过渡带轮146转动，带动第一轴61转动，带动第一带轮41转动一个角度α，通过第一传动带91带动第二带轮42转动，通过簧件9拉动第一指段2绕近关节轴4转动一个角度β，实现近关节转动。

由于第一带轮41的传动直径为第二带轮42的传动直径的一半，所以角度α为角度β的两倍。

由于A、B、C、D四个点构成了平行四边形的四个顶点，所以基座1、第一连杆71、第二连杆72和第一指段2构成了平行四连杆机构，即第一连杆71始终平行于第一指段2，当第一指段2绕近关节轴4相对于基座1转动一个角度β时，第一连杆71也绕第一轴61相对于基座1转动了一个角度β，因为第一轴61带着第三带轮43相对于基座1转动了一个角度α，因此，第三带轮43相对于第一连杆71转动了一个角度α-β，即转动了一个角度β，因此，通过第二传动带92带动第四带轮44绕着第二轴62相对于第一连杆71转动了一个角度β，由于第一连杆71相对于第二连杆72转动了一个角度β，所以第四带轮44相对于第二连杆72转动了一个角度2β，通过第二轴62，即第五带轮45绕着第二轴62相对于第二连杆72转动了一个角度2β，通过第三传动带93带动第六带轮46绕着远关节轴5相对于第二连杆转动了一个角度2β，由于第一指段2相对于第二连杆72转动了一个角度β，所以第六带轮46相对于第一指段2转动了一个角度β，因此通过远关节轴5带动第二指段3绕远关节轴5相对于第一指段2转动了一个角度β。

上述过程为第一指段2绕近关节轴4相对于基座1转动一个角度β的同时，第二指段3也绕远关节轴5相对于第一指段2转动了一个角度β，达到1:1耦合转动的目的。

当上述过程进行中，如果第二指段3接触物体，则抓取结束，这是耦合捏持的抓取模式。

在上述耦合抓取模式中，当第一指段2接触物体8被阻挡不能再转动，第二指段3还没有接触物体8时，则：电机14的动力带动第一带轮41、第一传动带91和第二带轮42，此时簧件9发生变形；与此同时，电机14的动力通过第一轴61、第三带轮43、第二传动带92、第四带轮44、第五带轮45、第三传动带93、第六带轮46和远关节轴5带动第二指段3绕远关节轴5继续转动一个角度，直到第二指段3接触物体8为止。不论物体8的形状和尺寸，均可以包络抓取，达到了自动适应不同形状尺寸物体的效果。抓取结束。上述过程如图9至图12所示。

释放过程与上述过程相反，不再赘述。

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。

本发明装置利用单个电机、平行四连杆机构、簧件和特定传动比的带轮传动机构等综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，抓取力量大，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；由于平行四连杆机构与特定传动比的多级带轮机构的配合实现了耦合抓取模式，同时利用簧件和多路传动达到了自适应抓取的效果，该装置抓取稳定可靠；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；同时结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。