流体自适应平夹耦合切换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，特别涉及一种流体自适应平夹耦合切换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是指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，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，成本低廉，重量轻、体积小，可以被广泛应用在工业、农业与服务业机器人中或者作为义肢给残疾人使用。

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。工业夹持器一般采用捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取；耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。上述三种手均有很大的提升空间。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利us8973958b2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置采用非常复杂的多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置，如中国专利cn101633171b，包括基座、电机、两个关节轴、两个指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件。该装置实现了耦合自适应抓取模式，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。其不足之处在于，该装置仅能实现耦合自适应抓取模式，无法实现平夹自适应抓取模式；此外，机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件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，提供一种流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既可以实现平夹自适应抓取模式，在简单切换后，又可以实现耦合自适应抓取模式；该装置既能平动第二指段平行夹持物体，也能两个关节同时正向弯曲去耦合捏持物体，还可以先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机；所述近关节轴活动套设在基座中，所述第一指段活动套接近关节轴上，所述远关节轴活动套设在第一指段中，所述第二指段套接在远关节轴上；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：该流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置还包括传动机构、第一波纹管、第二波纹管、第三波纹管、第四波纹管、第一管夹、第二管夹、第一软管、第二软管、第一流体、第二流体、第一限位凸块、第二限位凸块、主动板、切换板、切换板连接件、转轴和簧件；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一指段相连；所述第一软管、第二软管均为不可伸缩的胶管，所述第一软管、第二软管均位于第一指段中；所述第一波纹管、第二波纹管、第三波纹管、第四波纹管均为可伸缩和弯曲的空心管，所述第一波纹管的下部与主动板固接，第一波纹管的上部固定安装在第一指段的下部，第一波纹管的上部与第一软管的下部密封连通；所述第二波纹管的上部与第一连接块固接，第二波纹管的下部固定安装在第一指段的上部，第二波纹管的下部与第一软管的上部密封连通；所述第三波纹管的下部与切换板固接，第三波纹管的上部固定安装在第一指段的下部，第三波纹管与第二软管密封连通；所述第四波纹管的上部与第二连接块固接，第四波纹管的下部与第二软管密封连通，第四波纹管的下部固定安装在第一指段的上部；；所述第一流体8密封在第一波纹管、第一软管和第二波纹管中；所述第二流体密封在第三波纹管、第二软管和第四波纹管中；所述管夹与切换板固接；所述第一管夹和第二管夹分别与第一指段固接；所述切换板连接件固接在近关节轴上；所述转轴套设在切换板连接件上，所述切换板套接在转轴上；所述第一限位凸块、第二限位凸块分别与基座固接；平夹抓取模式时，所述切换板位于远离抓取物体的一侧，所述第三波纹管的上部嵌入第一管夹中，切换板与第一限位凸块接触；耦合抓取模式时，所述切换板位于靠近抓取物体的一侧，所述第三波纹管的上部嵌入第二管夹中，切换板与第二限位凸块接触；所述第三波纹管的中心线与近关节轴的中心线的距离为a，第四波纹管的中心线与远关节轴的中心线的距离为b，a与b相等；所述第三波纹管的内径与第四波纹管的内径相等；所述第三波纹管的长度与第四波纹管的长度相等；所述簧件的两端分别连接基座和切换板；所述第一波纹管的中心线与近关节轴的中心线的距离为c，第二波纹管的中心线与远关节轴的中心线的距离为d，c大于d；所述第一波纹管的内径与第二波纹管的内径相等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、密闭柔性件传动机构、波纹管、流体、簧件、主动板、切换板和限位凸块等综合实现了双关节机器人手指平行夹持与耦合捏持切换同时具有自适应抓取的功能，在平夹自适应抓取模式中，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体或外张撑取物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；在耦合自适应抓取模式中，在耦合自适应抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在第一指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，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是本发明设计的流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的右视图)。

图5是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的正面外观图(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9是图1所示实施例的爆炸视图。

图10至图14是图1所示实施例在平夹自适应模式下以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图15至图17是图1所示实施例在平夹自适应模式下平行开合第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图18至图21是图1所示实施例在耦合自适应模式下以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。

图22至图24是图1所示实施例在耦合自适应模式下耦合弯曲用第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图25是第三波纹管的中心线与近关节轴的中心线的距离示意图。

图26是第四波纹管的中心线与远关节轴的中心线的距离示意图。

图27是第一波纹管的中心线与近关节轴的中心线的距离示意图。

图28是第二波纹管的中心线与远关节轴的中心线的距离示意图。

在图1至图28中：

1－基座，111－基座前板，112－基座后板，113－基座左侧板，

114－基座右侧板，115－基座表面板，116－基座底板，2－第一指段，

21－第一指段骨架，22－第一指段左侧板，23－第一指段右侧板，24－第一指段表面板，

25－第一指段前板，26－第一指段后板，3－第二指段，4－近关节轴，

5－远关节轴，6－第一波纹管，61－主动板，62－第二波纹管，

63－第三波纹管，631－切换板，632－第一管夹，633－第二管夹，

64－第四波纹管，7－第一软管，71－第二软管，8－第一流体，

81－第二流体，82－套筒，83－轴承，84－螺钉，

85－销钉，9－簧件，10－切换板连接件，11－转轴，

12－第一限位凸块，13－第二限位凸块，14－电机，141－减速器，

142－第一锥齿轮，143－第二锥齿轮，144－过渡齿轮轴，145－第一带轮，

146－第二带轮，147－传动带，15－第一连接件，16－第二连接件，

17－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。

本发明设计的流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置的一种实施例，如图1至图9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；所述近关节轴4活动套设在基座1中，所述第一指段3活动套设在近关节轴上，所述远关节轴5活动套设在第一指段2中，所述第二指段3套接在远关节轴5上；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；本实施例中还包括传动机构、第一波纹管61、主动板61、第二波纹管62、第三波纹管63、切换板631、第一管夹632、第二管夹633、第四波纹管64、第一软管7、第二软管71、第一流体8、第二流体81、簧件9、切换板连接件10、转轴11、第一限位凸块12和第二限位凸块13；所述传动机构设置在基座1中；所述电机14的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一指段2相连；所述第一软管7、第二软管71均为不可伸缩的胶管，所述第一软管7、第二软管71均位于第一指段2中；所述第一波纹管61、第二波纹管62、第三波纹管62、第四波纹管64均为可伸缩和弯曲的空心管，所述第一波纹管6的下部与主动板61固接，第一波纹管6的上部固定安装在第一指段2的下部，第一波纹管6的上部与第一软管7的下部密封连通；所述第二波纹管62的上部与第一连接块13固接，第二波纹管62的下部固定安装在第一指段2的上部，第二波纹管62的下部与第一软管7的上部密封连通；所述第三波纹管63的下部与切换板631固接，第三波纹管63的上部固定安装在第一指段2的下部，第三波纹管63与第二软管71密封连通；所述第四波纹管64的上部与第二连接块131固接，第四波纹管的下部与第二软管71密封连通，第四波纹管64的下部固定安装在第一指段2的上部；所述第一流体8密封在第一波纹管6、第一软管7和第二波纹管62中；所述第二流体81密封在第三波纹管63、第二软管71和第四波纹管64中；所述管夹632与切换板631固接；所述第一管夹632和第二管夹633分别与第一指段2固接；所述切换板连接件10固接在近关节轴4上；所述转轴11套设在切换板连接件10上，所述切换板631套接在转轴11上；所述第一限位凸块12、第二限位凸块13分别与基座1固接；设所述第三波纹管63的中心线与近关节轴4的中心线的距离为a，第四波纹管64的中心线与远关节轴5的中心线的距离为b，a与b相等；所述第三波纹管63的内径与第四波纹管64的内径相等；设所述第三波纹管63的长度与第四波纹管64的长度相等；所述簧件9的两端分别连接基座1和切换板631；所述第一波纹管61的中心线与近关节轴4的中心线的距离为c，第二波纹管62的中心线与远关节轴5的中心线的距离为d，c大于d；所述第一波纹管61的内径与第二波纹管62的内径相等。

本发明所述的流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置，其特征在于：所述弹簧采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述弹簧9采用拉簧。

本实施例中，所述第一流体、第二流体采用液体或气体，优选压缩性不高的液体。本实施例中，所述第一流体8、第二流体81均为水。

本实施例中，设所述第三波纹管63的中心线与近关节轴4的中心线的距离为a，第四波纹管64的中心线与远关节轴5的中心线的距离为b，a与b相等；所述第三波纹管63的内径与第四波纹管64的内径相等；设所述第三波纹管63的长度与第四波纹管64的长度相等。这样设置达到了从第三波纹管63到第四波纹管64的等速传动效果：定义所述切换板631相对于第一指段2的转动速度为ω1，定义所述第二指段3相对于第一指段2的转动速度为ω2，通过第三波纹管63、第二流体81和第四波纹管64三者的传动，ω1＝ω2，即传动比为1。

本实施例中，所述切换板631活动套接在近关节轴4上；所述第一限位凸块12与基座1固接；在平夹自适应抓取模式时，所述切换板631位于远离抓取物体的一侧，所述第三波纹管63的上部嵌入第一管夹632中；所述切换板631与第一限位凸块12相接触或离开一段距离；设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向(如图11中的顺时针方向)，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在该流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置处于初始状态(如图10、图15所示的伸直状态)时，切换板631与第一限位凸块12接触，设此时切换板631相对基座1的旋转角度为0度(如图19所示)，从该位置开始，切换板631朝近关节正方向旋转时(小于180度)的转动角度为正，切换板631朝近关节反方向旋转时(小于180度)的转动角度为负；所述第一限位凸块12限制切换板631的转动角度只能为正，即切换板631只能沿着顺时针方向转动。所述簧件9的两端分别连接切换板631和基座1，簧件9使切换板631靠向第一限位凸块12。所述第一限位凸块12与基座1固接；在耦合自适应抓取模式时，所述切换板631位于靠近抓取物体的一侧，所述第三波纹管63的上部嵌入第二管夹633中；所述切换板631与第二限位凸块13相接触或离开一段距离；设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向(如图11中的顺时针方向)，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在该流体自适应平夹耦合切换机器人手指装置处于初始状态(如图10、图15所示的伸直状态)时，切换板631与第二限位凸块13接触，设此时切换板631相对基座1的旋转角度为0度(如图19所示)，从该位置开始，切换板631朝近关节正方向旋转时(小于180度)的转动角度为正，切换板631朝近关节反方向旋转时(小于180度)的转动角度为负；所述第二限位凸块13限制切换板631的转动角度只能为正，即切换板631只能沿着逆时针方向转动。所述簧件9的两端分别连接切换板631和基座1，簧件9使切换板631靠向第二限位凸块13。

本实施例还包括第一连接件15，所述第一连接件15套接在远关节轴5上，所述第二指段3与第一连接件15固接。.

本实施例还包括第二连接件16，所述第二连接件16套接在远关节轴5上，所述第二指段3与第二连接件16固接。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115和基座底板116和基座侧罩板117。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23、第一指段表面板24、第一指段前板25和第一指段后板26。

本实施例中，所述传动机构包括减速器141、第一锥齿轮142、第二锥齿轮143、过渡齿轮轴144、第一带轮145、第二带轮146和传动带147；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述第一锥齿轮142套固在减速器141的输出轴上，所述第二锥齿轮143套固在过渡齿轮轴144上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合；所述过渡齿轮轴144套设在基座1中，所述第一带轮145套固在过渡齿轮轴144上，所述第二带轮146活动套接在近关节轴4上。

本实施例还采用了若干套筒82、若干轴承83、若干螺钉84和若干销钉85等零件，属于公知常用技术，不再赘述。

本实施例的工作原理，结合附图10至图28，叙述如下：

该装置具有两种抓取模式：一种是耦合自适应抓取模式，另一种是平夹自适应抓取模式，两种模式的切换可以由切换板631的转动来实现。

平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式的手动切换方法为：

将该装置运行调整到伸直的状态，然后将切换板631绕转轴11旋转180度。

1)平夹自适应抓取模式的实现

将切换板拨动到靠向后方的一侧，这时切换板、第三波纹管、第二软管、第二流体、第四波纹管和第二连接件构成了同向等速传动。下面针对平夹自适应抓取模式进行详细说明：

初始位置为手指伸直状态。

a)当切换板631的旋转角度为0度时(如图19所示)，此时簧件9拉着切换板631使其紧靠在第一限位凸块12上，当第一指段2绕近关节轴4的中心线转动时，在第二流体81作用下，第二指段3仍然会保持在初始的姿态，原因是：由于切换板631与第三波纹管63固接，由于第三波纹管63、第二软管71、第二流体81和第四波纹管64四者构成的传动系统的传动比为1，且第二流体81不可压缩，因而在第二流体81的作用下，第三波纹管63的伸长会推动相同弧长变化的第四波纹管64的缩短，所以第二连接件132相对基座1只进行平移运动而不会旋转，由于第二连接件16与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转，始终保持着原有的姿态。

b)当切换板631的旋转角度为正时，在第二流体81的作用下，第二连接件16旋转角度(即第二指段的旋转角度)等于切换板631的旋转角度。

当本实施例抓取物体17时，电机14通过密闭波纹件传动机构，使得主动板61转动，主动板61相对基座1的转角为α。在第一流体8的作用下，主动板61相对第一指段2的转角与第一连接件15相对第一指段2的转角有一定比例的关系。设从主动板61通过第一流体8传动到第一连接件的传动比为i，该传动比是主动板61的转速(相对于第一指段2)与第一连接件15的转速(相对于第一指段2)之比。由于传动比i小于1，因此是增速传动，输出速度大于输入速度。设第一指段2绕近关节轴4的转角为δ。由于第一连接件15与第二指段3固接，而第二指段3相对于基座1没有发生转动，因此此时第一连接件15也就相对于基座1没有发生转动，于是可以推导得出本实施例装置将平衡于满足如下(公式1)的位置：

α＝δ(1-i)(公式1)

由于i小于1，可以求出一个α和δ分别为正的不同角度(其中α小于δ)。因此当电机14通过密闭波纹件传动机构的传动，主动板转动了一个角度α，此时，第一指段2绕近关节轴4转过了一个角度δ，第二指段3相对于基座1始终是同一个姿态，只是位置发生了变化。这是平行夹持的阶段(如图10、图11、图12、图15、图16、图17、图21)。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体17，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体17。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。

当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动，将进入自适应包络的第二阶段(如图13、图14、图19、图20和图22所示)第二指段3绕近关节轴4转动，簧件9发生变形(如图13、图19所示)，此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线继续转动，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够通用抓取多种物体。

图10至图14是图1所示实施例以包络握持的方式抓取物体17的动作过程示意图，其中，图10为初始状态，图10至图12为第一指段2接触到物体17之前的动作过程——平行开合方式动作，图12为第一指段2刚接触到物体的情况，图12至图14为第一指段2接触到物体17之后的动作过程——自适应包络物体，直到第二指段3接触物体，如图14所示，抓取结束。

图15至图17是图1所示实施例抓取物体17的另一种可能方式——平行捏持物体的典型动作过程，直到第二指段3接触物体17，如图17所示，抓取结束。

2)耦合自适应抓取模式的实现

将切换板631拨动到靠向后方的一侧，这时切换板、第三波纹管、第二软管、第二流体、第四波纹管和第二连接件构成了反向等速传动。

下面针对平夹自适应抓取模式进行详细说明：

当电机14通过主动板6、第一软管7、第一流体8和第一连接件15带动第一指段2正向转动靠向物体17时，由于切换板631始终靠向第二限位凸块13而没有发生转动，第一波纹管压缩，第二波纹管相应伸长，使得第二指段3靠向物体17方向转动，此时会有：

α＝δ(1+i)

释放物体15的过程：电机14反转，后续过程与上述抓取物体15的过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、密闭波纹件传动机构、波纹管、流体、簧件、切换板连接件、转轴、切换板和限位凸块等综合实现了机器人手指平夹自适应抓取模式与耦合自适应抓取模式可以简单切换的功能。该装置可以实现平夹自适应抓取模式，在简单手动切换后，又可以实现耦合自适应抓取模式。在平夹自适应抓取模式中，该装置既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；在耦合自适应抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在第一指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段；抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，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。