平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置的制作方法

本发明属于手机器人技术领域，特别涉及一种平夹耦合平动切换灵巧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驱动器数目的一类机器人手。平夹耦合平动切换灵巧机器人手指的主动抓取功能能够抓取多种不同尺寸、不同形状的物体，能够在简单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基本抓取类别包括耦合抓取模式。耦合抓取模式是指两个关节按一定的比例或者变化的比例同时转动，具体可以分为正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式。正向耦合抓取模式常常简称为耦合抓取，反向耦合抓取模式中按相同比例的抓取模式应用比较广泛，常称为平行夹持耦合抓取模式，常常简称为平夹抓取。正向耦合抓取适合用末端指段去捏持小的物体，反向耦合抓取适合用末端指段平行夹持物体。

在基本类别的组合中，主要有两种复合抓取模式：一种是先耦合后主动的抓取模式，称为耦合主动抓取模式；另一种是先平行夹持后主动的抓取模式，称为平夹主动抓取模式。其中，耦合主动抓取模式能够具有更加拟人性的特点，同时末端的捏持效果也是比较容易实现。平夹主动抓取模式能够具有两个平行开合的末端指段，在工业上适合平行捏持薄片状物体或者具有两个相平行面的物体。

已有的一种齿条耦合式灵巧机器人手指装置(中国发明专利cn102514012b)，包括基座、电机、中部指段、末端指段、双联齿条和齿轮等。该装置实现了耦合主动抓取模式，第一传动机构带动中部指段绕近关节轴转动，末端指段会同时转动一个角度，达到近关节轴和远关节轴同时转动的耦合转动效果；当中部指段碰触物体后就采用第二传动机构带动末端指段独立转动，具有主动抓取不同尺寸物体的好处。其不足之处在于，该装置仅能实现耦合主动抓取模式，无法实现平夹主动抓取模式。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置。该装置可以实现耦合主动抓取模式，在简单的平动切换后，又可以实现平夹主动抓取模式；包括：1)双关节耦合转动抓取模式；2)双关节独立转动抓取模式；3)双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式；4)双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式；5)双关节平动抓取模式；6)双关节先平夹，之后再独立转动的抓取模式；7)双关节先独立转动，之后再平夹主动的抓取模式；8)双关节先平夹转动，之后再独立转动的抓取模式。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、第一齿轮、第二齿轮、第一电机、第二电机、第一传动机构和第二传动机构；所述近关节轴套设在基座中；所述中部指段套固在近关节轴上；所述远关节轴套设在中部指段中；所述末端指段套固在远关节轴上；所述近关节轴和远关节轴平行；所述第一电机与基座固接；所述第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端与近关节轴相连；所述第二电机与基座固接；所述第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；所述第二传动机构的输出端与第一齿轮相连；所述第一齿轮套接在近关节轴上；所述第二齿轮套固在远关节轴上并与末端指段固接；其特征在于：该平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置还包括下齿条、导轨、滑块、导向杆、第一上齿条和第二上齿条；所述下齿条的上端和导轨固接；所述第一上齿条的下端与滑块固接；所述第二上齿条的下端与滑块固接；所述滑块滑动镶嵌在导轨中；所述下齿条滑动镶嵌在中部指段中；所述下齿条与第一齿轮啮合；当所述滑块滑动到导轨的一侧时，所述第一上齿条与第二齿轮啮合；当所述滑块滑动到导轨的另一侧时，所述第二上齿条与第二齿轮啮合；所述第一上齿条和第二上齿条位于第二齿轮的两侧；所述下齿条在中部指段中的滑动方向与滑块滑动方向垂直；令下齿条与第一齿轮的啮合点为a，第一上齿条与第二齿轮的啮合点为b，第一齿轮的中心点为o，第二齿轮的中心点为m，线段oa、ab、bm和mo构成“8”字形，线段ab和om的交点位于o和m之间；令第二上齿条与第二齿轮的啮合点为c，线段oa、ac、cm和mo构成平行四边形；所述第二传动机构采用具有自锁特性的传动机构。

本发明所述平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一减速器、第一带轮、第一传动带和第三带轮；所述第一带轮套固在第一减速器的输出轴上，第三带轮套固在近关节轴上，第一带轮与第三带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系。

本发明所述平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第二减速器、第二带轮、第二传动带和第四带轮；所述第二带轮套固在第二减速器的输出轴上，第四带轮套接在近关节轴上，第二带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系，第四带轮与第一齿轮固接。

本发明与现有技术比较，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、传动机构、齿轮、齿条、导轨和滑块等综合实现了机器人手指平夹主动抓取模式与耦合主动抓取模式可以简单平动切换的功能：该装置可以实现平夹主动抓取模式，在简单手动平切后，又可以实现耦合主动抓取模式；在平夹主动抓取模式中，该装置既能平动末端指段捏持物体，也能依次转动末端指段和中部指段包络不同形状、大小的物体；在耦合主动抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在中部指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的主动抓取阶段；平动切换操作方便且动作较小，齿条在运行过程中稳定；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。

附图说明

图1是本发明提供的平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是本实施例的侧视图，也是图1的右视图。

图3是本实施例的背面剖视图，也是图1的剖视图。

图4是本实施例的侧面内部结构图。

图5是本实施例的正面内部结构图。

图6是本实施例的三维外观图。

图7a、7b是本实施例可以实现的运动连线图。

图8a、8b是本实施例的传动机构三维外观图。

图9是本实施例的三维爆炸视图。

图10、图11和图12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。

图13a、13b是本实施例捏持物体的情况示意图。

图中标号：

1—基座，2—中部指段，3—末端指段，

4—近关节轴，5—远关节轴，

61—第一齿轮，62—第二齿轮，63—下齿条，

641—第一上齿条，642—第二上齿条，643—滑块，

644—导向杆，

65—导轨，71—第一电机，72—第二电机，

73—第一传动机构，74—第二传动机构。

具体实施方式

下面结合附图及实例进一步介绍本发明的具体结构、工作原理。

本发明设计的平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置的一种实施例，如图4所示，包括基座1、中部指段2、末端指段3、近关节轴4、远关节轴5、第一齿轮61、第二齿轮62、第一电机71、第二电机72、第一传动机构73和第二传动机构74；所述近关节轴4套设在基座1中；所述中部指段2套固在近关节轴4上；所述远关节轴5套设在中部指段2中；所述末端指段3套固在远关节轴5上；所述近关节轴4和远关节轴5平行；所述第一电机71与基座1固接；所述第一电机71的输出轴与第一传动机构73的输入端相连；所述第一传动机构73的输出端与近关节轴4相连；所述第二电机72与基座1固接；所述第二电机72的输出轴与第二传动机构74的输入端相连；所述第二传动机构74的输出端与第一齿轮61相连；所述第一齿轮61套接在近关节轴4上；所述第二齿轮62套固在远关节轴5上并与末端指段3固接；其特征在于：该平夹耦合平动切换灵巧机器人手指装置还包括下齿条63、导轨65、滑块643、导向杆644、第一上齿条641和第二上齿条642；所述下齿条63的上端和导轨65固接；所述第一上齿条641的下端与滑块643固接；所述第二上齿条642的下端与滑块643固接；所述滑块643滑动镶嵌在导轨中；所述下齿条63滑动镶嵌在中部指段2中；所述下齿条63与第一齿轮61啮合；当所述滑块643滑动到导轨65的一侧时，所述第一上齿条641与第二齿轮62啮合，当所述滑块643滑动到导轨65的另一侧时，所述第二上齿条642与第二齿轮62啮合；所述第一上齿条641和第二上齿条642位于第二齿轮62的两侧；所述下齿条63在中部指段2中的滑动方向与滑块643滑动方向垂直；令下齿条63与第一齿轮61的啮合点为a，第一上齿条641与第二齿轮62的啮合点为b，第一齿轮61的中心点为o，第二齿轮62的中心点为m，线段oa、ab、bm和mo构成“8”字形，线段ab和om的交点位于o和m之间；令第二上齿条642与第二齿轮62的啮合点为c，线段oa、ac、cm和mo构成平行四边形；所述第二传动机构74采用具有自锁特性的传动机构。

本实施例所述的第一传动机构73包括第一减速器、第一带轮、第一传动带和第三带轮；所述第一带轮套固在第一减速器的输出轴上，第三带轮套固在近关节轴4上，第一带轮与第三带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系。

本实施例所述的第二传动机构74包括第二减速器、第二带轮、第二传动带和第四带轮；所述第二带轮套固在第二减速器的输出轴上，第四带轮套接在近关节轴4上，第二带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系，第四带轮与第一齿轮固接。

本实施例的工作原理如图3、图4、图5、图8a、图8b、图10、图11、图12和图13a、13b所示，叙述如下：

本实施例采用齿轮齿条传动机构、两套电机和减速器综合实现了两自由度机器人手指，该装置具有8种抓取模式，包括：

1)双关节平夹转动抓取模式：此时只让第一电机71转动，第二电机72不使用；

2)双关节独立转动抓取模式：此时两个电机可以同时转动，第一电机71会使得手指产生平夹联动，第二电机72可以在此基础上任意改变末端指段的角度；

3)双关节先平夹转动，之后再独立转动的抓取模式：此时先转动第一电机71，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机71，再转动第二电机72；

4)双关节先独立转动，之后再平夹转动的抓取模式：此时先同时启动两个电机，根据情况一段时间之后停止第二电机72，再转动第一电机71；

5)双关节耦合转动抓取模式：此时只让第一电机71转动，第二电机72不使用；

6)双关节独立转动抓取模式：此时两个电机可以同时转动，第一电机71会使得手指产生耦合联动，第二电机72可以在此基础上任意改变末端指段的角度；

7)双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式：此时先转动第一电机71，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机71，再转动第二电机72；

8)双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式：此时先同时启动两个电机，根据情况一段时间之后停止第二电机72，再转动第一电机71；

下面对常用的抓取模式进一步举例解释其动作原理。该装置采用第六种抓取模式抓取物体的过程分为两个阶段：耦合抓取阶段和灵巧抓取阶段。

该装置的初始位置如图10所示，此时中部指段2和末端指段3与基座1呈手指伸直状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体时，第一电机71转动，经第一减速器通过第一带轮再通过第一传动带带动固接在近关节轴4上的第三带轮转动，带动中部指段2绕着近关节轴4转动角度α，如图11所示。

此时，第二电机72并未转动，由于第二减速器的减速比很大(275:1)，呈现“软自锁”状态(第二减速器也可采用具有自锁特性的减速器)，第一齿轮61不动(仿佛固接在基座1上)。因此，中部指段2的转动会让下齿条63和第一上齿条641带动第二齿轮62绕远关节轴5的中心线转动角度α，使得末端指段3绕远关节轴5的中心线转动角度α，从而实现了近关节轴4与远关节轴5两个关节的同时转动，即第一抓取阶段的耦合转动，如图11所示。当第一齿轮61与第二齿轮62分度圆直径相同时，两个关节的转动角度相同，即1:1耦合转动。改变第一齿轮61与第二齿轮62的大小可获得不同角度比例的耦合效果。

此时，如果末端指段3接触物体，而中部指段2没有接触物体，此时末端指段3和中部指段2均转过了角度φ，那么抓取结束，在这种抓取情况下仅有一个耦合抓取过程，这实现了捏持物体的效果，如图12所示。

如果耦合抓取过程中，中部指段2先接触到物体，此时中部指段2已转动了角度β，末端指段3也转动了角度β，如图13a、13b所示，那么，此时停止第一电机71，启动第二电机72，那么后续过程为一个灵巧抓取阶段，如下：

第二电机72转动，末端指段3可不受中部指段2转角β的限制，继续转动直至最终转动到接触物体，此时末端指段3多转动了一个角度γ，即实现第二抓取阶段的灵巧抓取，如图13所示。

放开物体的过程为：第一电机71和第二电机72分别反转，与抓取物体过程相反，不再赘述。

本实施例既能达到传统耦合主动手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统平夹主动手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的平夹效果，实现了平夹主动抓取模式与平夹主动抓取模式的简单平动切换；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。