双腱绳串联式耦合自适应手指装置的制作方法

本发明属于机器人手爪技术领域，特别涉及一种双腱绳串联式耦合自适应手指装置的结构设计。

背景技术

随着智能技术的发展，机器人技术成为当今的研究热点，机器人手作为机器人的一种末端执行器，也引起越来越多研究人员的关注。为了协助机器人在特殊情况下完成更多的任务，人们开发了多种多样的机器人手，例如灵巧手、欠驱动手、夹持器等。研制能具有高度灵活性、多种感知能力、结构紧凑、抓持力大，能够抓取多种形状性质各异的物体，完成各种任务的机器人手一直是机器人手研究的共同目标。现有的机器人灵巧手控制复杂，且抓持力较小，成本昂贵使得灵巧手的应用受到极大地限制。

手指适应物体表面抓取主要采用各手指表面对物体表面形成多点接触，各点的作用力与物体受到的外力达到力学平衡，进而物体达到静力平衡状态，从而实现对物体的抓取。手指的构型对物体形成几何约束，由于不需要较大的摩擦力与物体受到的外力平衡的过程，各手指表面对物体表面的作用力远小于依靠摩擦约束物体对物体表面的作用力，适应物体表面抓取也被称为强力抓取。

手在抓住物体的同时需要限制物体的六个自由度才能稳定的抓住物体。为了协助机器人完成更多的任务，机器人手需要能够最大限度的适应抓取多种不同形状尺寸的物体。

自适应抓取模式是指采用柔性关节或弹簧等部件使得机器人手指在抓取物体时各指节能够根据物体表面发生相对运动，达到自适应物体表面包络抓取物体效果的抓取模式，例如sarah手和southampton手就是采用自适应抓取模式。

现有的灵巧手和欠驱动手能够实现适应物体表面抓取模式。灵巧手虽然在动作过程中拟人程度高，能够完成适应物体表面抓取，但其成本较高，控制复杂，需要经常进行维护。现有的灵巧手关节驱动器(如电机、空气肌肉等)产生的驱动力较小，而灵巧手各指节的运动由灵巧手关节驱动器直接驱动，使得灵巧手负载能力较弱，这些使得灵巧手不能广泛的投入生产实践和日常生活中。

为此，欠驱动拟人机器人手应运而生，欠驱动手是驱动器数目少于关节自由度的机器人手，加拿大laval大学较早的提出了欠驱动机器人手理论和一种经典的四连杆-弹簧结构的欠驱动机器人手。理论和实践证明，欠驱动机器人手由于驱动器较少控制简单，抓取力大，结构紧凑，具有很高的应用价值。此后，涌现了大量关于欠驱动手的研究成果，欠驱动手也被大量装备于服务机器人、工业机器人人、空间机器人等。

面向空间在轨服务、捕获失效翻转卫星等操作任务需要空间机器人能够完成稳定的抓取以实现较大强度的连接，此过程无需手的操作，而且太空环境中舱外作业所处的环境非常复杂，较大的温差和射线会对精密的机械设备和传感器造成较大的损坏，因此灵巧手在该类任务中的应用受到极大的限制。设计大抓取力、高适应性、高可靠性、质量轻的抓持器成为空间抓取研究的重点之一。

传统的工业夹持器结构简单，抓取力大，但传统的二指平夹式工业夹持器在抓捕卫星的过程中，限制的自由度较少，需要施加巨大的夹持力，由于卫星本体结构多为薄壁结构，巨大的抓持力会造成卫星本体的破坏。为此，欠驱动手由于其自适应性、传感控制系统简单、抓取力较大、可靠性好等优势，适用于空间应用等工况恶劣、高负载的抓取的任务。

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、中部指节、末端指节和平行带轮式传动机构等。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。该欠驱动机械手指装置的不足之处在于：带轮传动需要复杂的张紧装置，装配难度大，且带传动作为小负载传动，产生的抓持力较小，传动带具有较大的弹性。随着科学技术的发展，大抗拉强度延展性接近0的腱绳已被开发出来，腱绳传动的欠驱动手具有明显的优势。

具有平夹自适应的抓取模式的欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利us8973958b2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。该装置实现了圆弧平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座保持末端指节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夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，(1)该装置末端指节平行运动，手指收敛速度较慢，易造成抓取过程中空间中运动物体逃逸；(2)该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

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，提供一种双腱绳串联式耦合自适应手指装置；耦合与自适应复合抓取模式，既能耦合转动两个指节夹持物体，也能在转动第一指节碰触物体的情况下自动转动第二指节包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种双腱绳串联式耦合自适应手指装置，包括基座、第一指节、第二指节、第一关节轴、第二关节轴、第二槽轮、传动机构、驱动器、第一簧件、至少一个第一槽轮、至少一个第三槽轮；所述第一关节轴转动设置在基座中，所述第一指节固定连接在第一关节轴上，所述第二关节轴转动设置在第一指节中，所述第二指节固定连接在第二关节轴上，所述第一关节轴的中心线与第二关节轴的中心线平行；所述第一槽轮和第三槽轮分别转动连接在第一关节轴上，所述第二槽轮的外圆面设置有至少两个沟槽，所述第二槽轮转动连接在第二关节轴上；所述驱动器固接在所述基座上，所述驱动器的输出端与传动机构的输入端连接；所述第一簧件的两端分别连接在第一指节和基座上；其特征在于：该双腱绳串联式耦合自适应手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、调节螺母、第二簧件、滑块和调节螺杆、至少一个第四槽轮、至少一根第一腱绳、至少一根第二腱绳；所述第一轴转动连接在基座中，所述第四槽轮转动连接在第一轴上；所述第二轴转动连接在基座中，所述第三轴转动连接在第一指节中，所述第四轴转动连接在第二指节中，所述第五轴固定连接在第二指节中；所述第一腱绳的一端与所述第二指节连接，第一腱绳的另一端依次绕过第二指节的第四轴、所述第二槽轮的相对应沟槽、第一槽轮以及第二轴后与所述滑块连接，所述第一腱绳在第一槽轮的沟槽和第二槽轮的沟槽中并呈‘s’型缠绕；通过第一腱绳的传动，第一槽轮和第二槽轮构成传动关系且传动比小于0；所述第二腱绳的一端与第二指节连接，第二腱绳的另一端依次绕过第二指节的第四轴、第二槽轮中的相对应沟槽、第三轴、第三槽轮以及第四槽轮后与传动机构的输出端连接；通过第二腱绳的传动，第二槽轮和第三槽轮构成传动关系且传动比大于0；所述调节螺母滑动镶嵌在基座中，所述滑块滑动镶嵌在调节螺杆上；所述调节螺杆套设在基座的通孔中；调节螺母螺纹连接在调节螺杆上，调节螺母与调节螺杆构成螺旋传动关系；所述第二簧件的一端与滑块连接，另一端与调节螺母连接。

进一步的，所述第一腱绳和第二腱绳分别为两根，所述第一槽轮和第三槽轮分别为两个，所述两个第一槽轮并列转动设置在第一关节轴的中间，所述两个第三槽轮分别转动设置在第一关节轴上并位于所述第一槽轮的两端，所述第二槽轮的外圆面设置有四个沟槽，所述第四槽轮为两个，所述两根第一腱绳的一端并列固定在第二指节的第五轴的中间，所述两根第一腱绳的另一端并列依次绕过第二指节的第四轴、所述第二槽轮的中间两个沟槽、两个第一槽轮以及第二轴后与所述滑块固定连接，所述两根第二腱绳的一端分别固定在第二指节的第五轴上并位于所述第一腱绳的两侧，所述两根第二腱绳的另一端并列依次绕过所述第二指节的第四轴、第二槽轮两端的沟槽、第三轴、两个第三槽轮以及两个第四槽轮后与传动机构的输出端固定连接。

进一步的，所述第一腱绳采用钢丝、链条、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第二腱绳采用钢丝、链条、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合。

进一步的，所述第一槽轮采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第二槽轮采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第三槽轮采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合，所述第四槽轮采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合。

进一步的，所述传动机构采用齿轮传动机构、连杆传动机构、带传动机构、链传动机构、丝杠传动机构、齿轮齿条传动机构中的一种或多种的组合。

进一步的，所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

进一步的，所述第一簧件采用扭簧、板簧或平面涡卷弹簧。

进一步的，所述第二簧件采用压簧。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明装置利用两根腱绳、多个槽轮、两个指节、两个关节轴、调节螺杆、滑块、调节螺母、传动机构、驱动器和两个簧件等综合实现了机器人手指耦合与自适应复合抓取功能，既能耦合转动两个指节快速夹持物体并锁紧，也能在转动第一指节碰触物体的情况下自动转动第二指节包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。采用调节螺母、第二簧件、滑块、调节螺杆等构成的预紧机构，联合各部件在基座中的配合关系实现在第一指节接触物体被阻挡后，自动转动第二指节去接触物体，同时实现了对手指初始构型的调节和腱绳的预紧；采用第一腱绳在第一槽轮和第二槽轮三者之间的‘s’型缠绕构成第一槽轮和第二槽轮的反向传动关系实现第二指节相对于第一指节的耦合转动；采用第二腱绳在第二槽轮和第三槽轮的缠绕构成第二槽轮和第三槽轮的同向传动关系实现动力源驱动第一指节和第二指节的转动；采用第一簧件实现手指自动打开。该装置根据物体形状和位置的不同，能耦合转动两个指节快速夹持物体，还能在第一指节接触物体之后，自动转动第二指节去接触物体，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；改变第一槽轮和第二槽轮的传动半径可以改变耦合传动比；抓取范围大，具有较大的容差和抓持力，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指节；该装置结构简单，质量轻，可靠性好，加工、装配和维修成本低，适用于大负载抓持任务。

附图说明

图1是本发明设计的双腱绳串联式耦合自适应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所示实施例的机构原理图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的正视图(剖视部分零件，未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的爆炸图。

图6是图1所示实施例的在快速耦合抓取阶段第二指节相对第一指节耦合转动的示意图，双点划线代表运动过程中的两个状态。

图7至图10是图1所示实施例的自适应抓取的动作过程图，该抓取过程中，在第一指节接触物体被阻挡后，自动转动第二指节去接触物体。

图11至图13显示了图1所示实施例的抓取过程中滑块、第二簧件的位置关系(剖视基座)。

在图1至图13中：

1－基座，2－第一指节，3－第二指节，4－传动机构，

5－驱动器，6－第一簧件，11－第一关节轴，12－第二关节轴，

13－第一轴，14－第二轴，15－第三轴，16－第四轴，

17－第五轴，81－第一槽轮，82－第二槽轮，83－第三槽轮，

84－第四槽轮，51－第一腱绳，52－第二腱绳，71－调节螺母，

72－第二簧件，73－滑块，74－调节螺杆，300－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。

实施例1

本发明设计的一种双腱绳串联式耦合自适应手指装置，包括基座1、第一指节2、第二指节3、第一关节轴11、第二关节轴12、第二槽轮82、传动机构4、驱动器5、第一簧件6、至少一个第一槽轮81、至少一个第三槽轮83；所述第一关节轴11转动设置在基座1中，所述第一指节2固定连接在第一关节轴11上，所述第二关节轴12转动设置在第一指节2中，所述第二指节3固定连接在第二关节轴12上，所述第一关节轴11的中心线与第二关节轴12的中心线平行；所述第一槽轮81和第三槽轮83分别转动连接在第一关节轴11上，所述第二槽轮82的外圆面设置有至少两个沟槽，所述第二槽轮82转动连接在第二关节轴12上；所述驱动器5固接在所述基座1上，所述驱动器5的输出端与传动机构4的输入端连接；所述第一簧件6的两端分别连接在第一指节2和基座1上；其特征在于：该双腱绳串联式耦合自适应手指装置还包括第一轴13、第二轴14、第三轴15、第四轴16、第五轴17、调节螺母71、第二簧件72、滑块73和调节螺杆74、至少一个第四槽轮84、至少一根第一腱绳51、至少一根第二腱绳52；所述第一轴13转动连接在基座1中，所述第四槽轮84转动连接在第一轴13上；所述第二轴14转动连接在基座1中，所述第三轴15转动连接在第一指节2中，所述第四轴16转动连接在第二指节3中，所述第五轴17固定连接在第二指节3中；所述第一腱绳51的一端与所述第二指节3连接，第一腱绳51的另一端依次绕过第二指节3的所述第四轴16、所述第二槽轮82的相对应沟槽、第一槽轮81以及第二轴14后与所述滑块73连接，所述第一腱绳51在第一槽轮81的沟槽和第二槽轮82的沟槽中并呈‘s’型缠绕；通过第一腱绳51的传动，第一槽轮81和第二槽轮82构成传动关系且传动比小于0；所述第二腱绳52的一端与第二指节3连接，第二腱绳52的另一端依次绕过第二指节3的所述第四轴16、第二槽轮82中的相对应沟槽、第三轴15、第三槽轮83以及第四槽轮84后与传动机构4的输出端连接；通过第二腱绳52的传动，第二槽轮82和第三槽轮83构成传动关系且传动比大于0；所述调节螺母71滑动镶嵌在基座1中，所述滑块73滑动镶嵌在调节螺杆74上；所述调节螺杆74套设在基座1的通孔中；调节螺母71螺纹连接在调节螺杆74上，调节螺母71与调节螺杆74构成螺旋传动关系；所述第二簧件72的一端与滑块73连接，另一端与调节螺母71连接。

进一步的，所述第一腱绳51采用钢丝、链条、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；所述第二腱绳52采用钢丝、链条、柔性绳、传动带中的一种或多种的组合；

进一步的，所述第一槽轮81采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第二槽轮82采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合；所述第三槽轮83采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合，所述第四槽轮84采用滑轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合。

本实施例中，第一腱绳51和第二腱绳52均采用柔性绳，第一槽轮81、第二槽轮82、第三槽轮83和第四槽轮84均采用滑轮。

进一步的，所述传动机构4采用齿轮传动机构、连杆传动机构、带传动机构、链传动机构、丝杠传动机构、齿轮齿条传动机构中的一种或多种的组合。本实施例中，传动机构4采用齿轮传动机构和丝杠传动机构的组合传动机构。

进一步的，所述驱动器5采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，驱动器5采用电机。

进一步的，所述第一簧件6采用扭簧、板簧或平面涡卷弹簧。本实施例中，第一簧件6采用扭簧。

进一步的，所述第二簧件72采用压簧。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

为了保证腱绳传动的刚度、合理布置腱绳线路和增大手指运动范围，本实施例中增加了第一轴13、第二轴14、第三轴15、第四轴16、第五轴17和第四槽轮84作为腱绳的引导和连接装置。所述第一轴13转动连接在基座1中，第四槽轮84转动连接在第一轴13上；所述第二轴14转动连接在基座1中；所述第三轴15转动连接在第一指节2中；所述第四轴16转动连接在第二指节3中；第五轴17固接在第二指节3中。

本实施例处于初始状态时，第一指节2在第一簧件6的弹簧力作用下被按压与基座1上设置的机械限位结构接触，滑块73在第二簧件72的弹簧力作用下向下运动拉动第一腱绳51的一端向下运动(其中下方向为图3中所示的下方向，下同)，通过第一腱绳51，由于第一腱绳51的另一端与第二指节3连接，第二腱绳52的另一端拉动第二指节3。由于第一腱绳51、第一槽轮81和第二槽轮82构成的反向传动关系，第二腱绳52的另一端拉动第二指节3相对第一指节2逆时针转动(其中逆时针为图3中所示的逆时针)，直至第二指节3上的机械限位结构与第一指节2的机械限位结构接触，手指完全打开。

驱动器5通过传动机构4拉动第二腱绳52的一端向下运动，第二腱绳52的拉力在第二指节3上产生第二指节3绕第二关节轴12旋转的力矩，第二指节3相对第一指节2逆时针转动，第二指节3拉动第一腱绳51与第二腱绳52的连接端绕第二关节轴12逆时针转动，第一腱绳51在第二槽轮82上的缠绕的长度增加。由于第二簧件72的弹簧力作用，滑块73相对于基座1保持相对静止，第一腱绳51与滑块73的连接端相对于基座1保持相对静止，因此第一腱绳51与第一槽轮81的缠绕长度减少，第一腱绳51相对于第一槽轮81发生逆时针渐开滚动。由于第二腱绳52的拉力和第一腱绳51的拉力的合力在第二关节轴12处产生逆时针方向的力矩，第一指节2克服第一簧件6的弹簧力作用并绕第一关节轴11相对于基座1逆时针转动。由于第一腱绳51在第一指节2中的部分相对于第一指节2的几何关系未发生改变，第一指节2与第一腱绳51在第一指节2中的部分保持相对静止，并且绕第一关节轴11逆时针转动，第一簧件6被逆时针扭转。即在第一指节2相对基座1逆时针转动的同时，第二指节3相对第一指节2耦合转动。该过程为耦合抓取过程。

当上述过程中第一指节2首先接触物体300，第二指节3未接触物体300，第一指节2被阻挡不能继续转动，驱动器5通过传动机构4继续带动第二腱绳52和传动机构4的输出端的连接端继续向下运动，第二指节3相对第一指节2绕第二关节轴12继续逆时针转动，第二腱绳52在第二槽轮82上缠绕的长度继续变短，第一腱绳51在第二线轮上缠绕的长度继续变长，第一腱绳51与滑块73的连接端相对基座1向上运动(其中上方向为图3中所示的上方向，下同)，滑块73向上运动，第二簧件72被进一步压缩，直至第二指节3与物体300稳定接触。此过程即自适应抓取过程，如图7至图10所示，该抓取过程中，在第一指节2接触物体300被阻挡后，自动转动第二指节3去接触物体300。

通过旋拧调节螺杆74可调节滑块73在基座1中的相对位置，从而调节手指初始构型，进行第一腱绳51和第二腱绳52的预紧。由于第一腱绳51和第二腱绳52均与第二指节3连接，故手指的传动链为串联式。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用两根腱绳、多个槽轮、两个指节、两个关节轴、调节螺母71、滑块73、调节螺杆74、传动机构4、驱动器5和两个簧件等综合实现了机器人手指耦合与自适应复合抓取功能，既能耦合转动两个指节快速夹持物体300并锁紧，也能在转动第一指节2碰触物体的情况下自动转动第二指节3包络握持物体300，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果。采用调节螺母71、第二簧件72、滑块73、调节螺杆74等构成的预紧机构，联合各部件在基座1中的配合关系实现在第一指节2接触物体300被阻挡后，自动转动第二指节3去接触物体300，同时实现了对手指初始构型的调节和腱绳的预紧；采用第一腱绳51在第一槽轮81和第二槽轮82三者之间的‘s’型缠绕构成第一槽轮81和第二槽轮82的方向传动关系实现第二指节3相对于第一指节2的耦合转动；采用第二腱绳52在第二槽轮82和第三槽轮83的缠绕构成第二槽轮82和第三槽轮83的同向传动关系实现动力源驱动第一指节2和第二指节3的转动；采用第一簧件6实现手指自动打开。该装置根据物体形状和位置的不同，能耦合转动两个指节快速夹持物体300，还能在第一指节2接触物体300之后，自动转动第二指节3去接触物体300，达到自适应包络不同形状、尺寸物体的目的；改变第一槽轮81和第二槽轮82的传动半径可以改变耦合传动比；抓取范围大，具有较大的容差和抓持力，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指节；该装置结构简单，质量轻，可靠性好，加工、装配和维修成本低，适用于大负载抓持任务。