柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置的制作方法

本发明属于机器人技术领域，涉及一种机器人灵巧手，具体涉及一种柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置。

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，完成各种操作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，同时由于灵巧手在抓取物体的过程中，驱动电机堵转引起电机发热，而在灵巧手中有较多的驱动电机，这些电机产生的热能给灵巧手机械系统和电气系统都带来恶劣的影响，同时加速了能耗。以上种种因素制约了灵巧手的应用。

面向机器人交互任务，机器人很有可能与外部环境发生碰撞，机器人灵巧手在执行操作的任务中发生碰撞、受迫振动的可能性会更高。这些碰撞会损坏机器人灵巧手的结构，降低使用寿命。为了保证交互的可靠性和安全性，机器人灵巧手需要具有柔顺性。虽然已经有控制算法能够实现机器人灵巧手在发生碰撞时具有主动的柔顺性，但这个过程会产生较多的能量损耗，且在高频冲击下可靠性较差。

因此，设计大抓取力、高适应性、高可靠性、质量轻的机器人灵巧手成为机器人灵巧手研究的重点之一。

技术实现要素：

为了克服已有技术的不足之处，本发明提供了一种柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置。该装置实现了两自由度机器人手指关节差动耦合运动；关节的柔顺性提升了机器人在交互过程中的安全性；同时具有吸收传动环节的冲击能量以保护自身结构的功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置，包括基座、第一指节、第二指节、第一关节轴、第二关节轴、第一带有自锁的柔性驱动器、第二带有自锁的柔性驱动器、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动件、第二传动件、第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮、输出锥齿轮和传动机构，其中：

所述第二关节轴固定连接在基座中；

所述第二指节转动连接在第二关节轴上；

所述第一关节轴转动连接在第二指节中；

所述第一指节固定连接在第一关节轴上；

所述第一带有自锁的柔性驱动器的结构与第二带有自锁的柔性驱动器的结构相同，均包括输出轴、驱动电机、波发生器、刚轮、柔轮、刚轮转动臂、滑块、第一弹性件、第二弹性件、制动盘、制动杆、电磁铁和调节螺母；

所述驱动电机的定子与基座固定连接，驱动电机的转子与波发生器连接；

所述刚轮转动臂与基座转动连接，刚轮转动臂与刚轮固定连接，刚轮转动臂上设置滑槽；

所述柔轮与输出轴固定连接，柔轮与刚轮啮合，柔轮、刚轮和波发生器三者构成谐波传动关系；

所述第一弹性件的一端与基座固定连接，另一端与滑块固定连接；

所述第二弹性件的一端与滑块固定连接，另一端与调节螺母固定连接；

所述滑块滑动镶嵌在基座和刚轮转动臂的滑槽中，滑块可相对于刚轮转动臂直线运动和旋转运动；

所述制动盘位于驱动电机与波发生器之间，且与驱动电机的转子固定连接；

所述制动杆与基座转动连接；

所述电磁铁与基座固定连接，电磁铁的输出杆可推动制动杆夹持或者释放制动盘；

所述第一带有自锁的柔性驱动器的输出轴与第二传动轮固定连接，第一传动轮与第一输入锥齿轮固定连接，第一传动轮、第一传动件和第二传动轮三者构成传动关系，通过第一传动轮、第一传动件和第二传动轮的传动，第一带有自锁的柔性驱动器的输出轴与第一输入锥齿轮构成传动关系；

所述第二带有自锁的柔性驱动器的输出轴与第四传动轮固定连接，第三传动轮与第二输入锥齿轮固定连接，第三传动轮、第二传动件和第四传动轮三者构成传动关系，通过第三传动轮、第二传动件和第四传动轮的传动，第二带有自锁的柔性驱动器的输出轴与第二输入锥齿轮构成传动关系；

所述第一输入锥齿轮转动连接在基座上，第一输入锥齿轮和输出锥齿轮啮合，第一输入锥齿轮和输出锥齿轮构成齿轮传动关系；

所述第二输入锥齿轮转动连接在基座上，第二输入锥齿轮和输出锥齿轮啮合，第二输入锥齿轮和输出锥齿轮构成齿轮传动关系；

所述输出锥齿轮转动连接在第二指节上，输出锥齿轮与传动机构的输入端固定连接；

所述传动机构的输出端与第一关节轴固定连接，通过传动机构的传动，输出锥齿轮和第一关节轴构成传动关系。

本发明中，所述第一传动轮采用齿轮、同步带轮、绳轮、链轮中的一种或多种的组合，所述第二传动轮采用齿轮、同步带轮、绳轮、链轮中的一种或多种的组合，所述第三传动轮采用齿轮、同步带轮、绳轮、链轮中的一种或多种的组合，所述第四传动轮采用齿轮、同步带轮、带轮、链轮中的一种或多种的组合。

本发明中，所述第一传动件采用齿轮、传动带、传动带、链条中的一种或多种的组合，所述第二传动件采用齿轮、传动带、传动带、链条中的一种或多种的组合。

本发明中，所述第一弹性件采用压簧、拉簧、弹性杆或弹性绳，所述第二弹性件采用压簧、拉簧、弹性杆或弹性绳。

本发明中，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、链传动机构中的一种或多种的组合。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的机器人手指装置利用两个指节、两个关节轴、两个驱动器、多个弹簧、三套传动机构、两套谐波组件、两个刚轮转动臂、多个齿轮和两个滑块等综合实现了两自由度机器人手指关节差动耦合运动，关节的柔顺性提升了机器人在交互过程中的安全性，同时具有吸收传动环节的冲击能量以保护自身结构的功能。

2、本发明的机器人手指装置将两个驱动器产生的驱动力同时驱动机器人手指关节的两个自由度，大大增加了关节的额定承载能力，大大减小了驱动传动系统的体积和质量，同时可对每个关节进行独立控制；采用柔性驱动机构大大提升了手指结构的鲁棒性。

3、本发明的机器人手指装置采用第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮、输出锥齿轮和第二指节构成的差动轮系机构实现通过控制第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮差速运动来控制手指两个指节的独立运动；采用谐波组件、刚轮转动臂、驱动电机、两个弹性件和滑块综合构成的柔性驱动机构，实现了驱动元件在结构上的柔顺性；采用电磁铁、制动盘、制动杆等构成的刹车机构实现电机断电自锁，从而减少灵巧手夹持物体时电机堵转发热的情况。

4、本发明的机器人手指装置体积小，质量轻，关节额定扭矩大，鲁棒性好。

5、本发明的机器人手指装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置的立体图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1手指部分机构简图；

图5是图1驱动部分的立体图；

图6是图1驱动部分的正视图；

图7是图1驱动部分的沿截面a的剖视图；

图8是图1驱动部分的结构简图；

图中：1-基座，2-第一指节，3-第二指节，4-第一关节轴，5-第二关节轴，21-第一输入锥齿轮，22-第二输入锥齿轮，23-输出锥齿轮，121-输出轴，122-柔轮，123-刚轮转动臂，124-刚轮，125-制动杆，126-波发生器，127-制动盘，128-驱动电机，129a-第一弹性件，129b-滑块，129c-第二弹性件，129d-调节螺母，129e-电磁铁，811-第一传动轮，812-第一传动件，813-第二传动轮，821-第三传动轮，822-第二传动件，823-第四传动轮，831-传动机构。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本实施例提供了一种柔性驱动刚度可变差动耦合机器人手指装置，如图1-8所示，所述机器人手指装置包括基座1、第一指节2、第二指节3、第一关节轴4、第二关节轴5、第一带有自锁的柔性驱动器、第二带有自锁的柔性驱动器、第一传动轮811、第二传动轮813、第三传动轮821、第四传动轮823、第一传动件812、第二传动件822、第一输入锥齿轮21、第二输入锥齿轮22、输出锥齿轮23和传动机构831，其中：

所述第二关节轴5固定连接在基座1中；

所述第二指节3转动连接在第二关节轴5上；

所述第一关节轴4转动连接在第二指节3中；

所述第一指节2固定连接在第一关节轴4上；

所述第一关节轴4的中心线与第二关节轴5的中心线平行；

所述第一带有自锁的柔性驱动器的结构与第二带有自锁的柔性驱动器的结构相同，均包括输出轴121、驱动电机128、波发生器126、刚轮124、柔轮122、刚轮转动臂123、滑块129b、第一弹性件129a、第二弹性件129c、制动盘127、制动杆125、电磁铁129e和调节螺母129d；

所述驱动电机128的定子与基座1固定连接，驱动电机128的转子与波发生器126连接；

所述刚轮转动臂123与基座1转动连接，刚轮转动臂123与刚轮124固定连接，刚轮转动臂123上设置滑槽；

所述柔轮122与输出轴121固定连接，柔轮122与刚轮124啮合，柔轮122、刚轮124和波发生器126三者构成谐波传动关系；

所述输出轴121与基座1转动连接，输出轴121的转动轴线、波发生器126的转动轴线、柔轮122的转动轴线、刚轮124的转动轴线、刚轮转动臂123的转动轴线和驱动电机转子的转动轴线都在同一条直线上；

所述第一弹性件129a的一端与基座1固定连接，第一弹性件129a的另一端与滑块129b固定连接；

所述第二弹性件129c的一端与滑块129b固定连接，第二弹性件129c的另一端与调节螺母129d固定连接；

所述滑块129b滑动镶嵌在基座1和刚轮转动臂123的滑槽中，滑块129b可相对于刚轮转动臂123直线运动和旋转运动，滑块129b相对于刚轮转动臂123直线运动的方向与刚轮转动臂123的转动轴线相交；

所述制动盘127位于驱动电机128与波发生器126之间，且与驱动电机128的转子固定连接；

所述制动杆125与基座1转动连接；

所述电磁铁129e与基座1固定连接，电磁铁129e的输出杆可推动制动杆125夹持或者释放制动盘127；

所述第一带有自锁的柔性驱动器的输出轴121与第二传动轮813固定连接，第一传动轮811与第一输入锥齿轮21固定连接，第一传动轮811、第一传动件812和第二传动轮813三者构成传动关系，通过第一传动轮811、第一传动件812和第二传动轮813的传动，第一带有自锁的柔性驱动器的输出轴121与第一输入锥齿轮21构成传动关系；

所述第二带有自锁的柔性驱动器的输出轴121与第四传动轮823固定连接，第三传动轮821与第二输入锥齿轮22固定连接，第三传动轮821、第二传动件822和第四传动轮823三者构成传动关系，通过第三传动轮821、第二传动件822和第四传动轮823的传动，第二带有自锁的柔性驱动器的输出轴121与第二输入锥齿轮22构成传动关系；

所述第一输入锥齿轮21转动连接在基座1上，第一输入锥齿轮21和输出锥齿轮23啮合，第一输入锥齿轮21和输出锥齿轮23构成齿轮传动关系；

所述第二输入锥齿轮22转动连接在基座1上，第二输入锥齿轮22和输出锥齿轮23啮合，第二输入锥齿轮22和输出锥齿轮23构成齿轮传动关系；

所述输出锥齿轮23转动连接在第二指节3上，输出锥齿轮23相对于第二指节3的转动轴线和第一输入锥齿轮21相对于基座1的转动轴线互相垂直，输出锥齿轮23与传动机构的831输入端固定连接；

所述传动机构831的输出端与第一关节轴4固定连接，通过传动机构831的传动，输出锥齿轮23和第一关节轴4构成传动关系。

本实施例中，所述传动机构831采用锥齿轮传动机构。

本实施例中，所述第一传动轮811、第二传动轮813、第三传动轮821、第四传动轮823均采用同步带轮。

本实施例中，第一传动件812和第二传动件822均采用同步带。

本实施例中，第一弹性件129a和第二弹性件129c均采用压簧。

本实施例中，机器人手指装置处于初始状态时，第一带有自锁的柔性驱动器中的第一弹性件129a产生的弹性力和第二弹性件129c产生的弹性力大小相等，方向相反，刚轮转动臂123处于平衡位置，如图8所示，其中实线绘制的刚轮转动臂123为平衡位置。电磁铁129e断电，制动杆125夹持制动盘127，驱动电机128被锁定。电磁铁129e通电，制动杆125转动打开，制动盘127被释放，驱动电机128被驱动，驱动电机128的转子产生力矩和转速，经过刚轮124、柔轮122和波发生器126三者构成的谐波传动关系将动力传递至输出轴121。由牛顿第三定律，输出轴121上的力矩会反作用到刚轮124上，使得刚轮124和基座1之间产生相同大小的力矩。由于刚轮124与刚轮转动臂123固定，刚轮转动臂123可相对基座1转动，使得刚轮124可相对于基座1转动，如图8所示，其中刚轮转动臂123相对于基座1转动的角度为θ。刚轮转动臂123转动推动滑块129b，使得第一弹性件129a的压缩量和第二弹性件129c的压缩量不相等，从而第一弹性件129a产生的弹性力和第二弹性件129c产生的弹性力大小不相等，滑块129b受到的合力f会阻止刚轮124和刚轮转动臂123相对于基座1发生转动。相反的，当来自输出轴121的冲击力矩传递至谐波组件时，刚轮124发生转动，中间的冲击能量被第一弹性件129a和第二弹性件129c储存并释放，由于摩擦作用，冲击能量逐渐消失，从而保护了手指结构。对于第二带有自锁的柔性驱动器，原理相同，在此不做赘述。

第一输入锥齿轮21、第二输入锥齿轮22、输出锥齿轮23和行星架四者构成差动轮系机构，该差动轮系机构可将来自第一输入锥齿轮21和第二输入锥齿轮22的驱动力矩整合并分配到第二指节3(行星架)和输出锥齿轮23上，输出锥齿轮23上的驱动力通过传动机构831传递至第一关节轴4，最终将驱动力传递至第一指节2。

下面对该差动轮系机构力和运动进行分析：

设：第一输入锥齿轮21、第二输入锥齿轮22、输出锥齿轮23和第二指节3四者的旋转角速度分别为ω1、ω2、ω3和ω4，第一输入锥齿轮21、第二输入锥齿轮22、输出锥齿轮23和第二指节3四者的转矩分别为t1、t2、t3和t4，第一输入锥齿轮21、第二输入锥齿轮22、输出锥齿轮23的齿数分别为z1、z2和z3。

第一输入锥齿轮21与输出锥齿轮23之间的传动比和第二输入锥齿轮22与输出锥齿轮23之间的传动比均为：

基本传动比定义为：

1)转速关系：

从式(1)中可以看出，式(1)具有两个方程，4个未知量，当ω1和ω2已知，ω3和ω4可以被求出且具有唯一解。即该机构能够实现准确的位置控制。

2)转矩关系：

根据能量守恒，有：

从式(2)中可以看出，根据式(1)可求解ω1、ω2、ω3和ω4，则式(2)具有4个未知量，当t1和t2已知，t3和t4可以被求出且具有唯一解。即该机构能够实现准确的力矩控制。

第一带有自锁的柔性驱动器的输出轴121上的驱动力矩，经过第二传动轮813、第一传动件812和第一传动轮811的传动，传递至第一输入锥齿轮21；第二带有自锁的柔性驱动器的输出轴121上的驱动力矩，经过第四传动轮823、第二传动件822和第三传动轮811的传动，传递至第二输入锥齿轮22；之后，通过上述差动轮系机构的传动，驱动第一指节2和第二指节3运动。