母向下移动距离为CU，第二螺母向下移动距离为d2，近关节转角为Θ:，远关节转角为θ2，新增缠绕在第一近关节滑轮上的第一腱绳的弧长为s，则有:
[0063]θχ.T2 = d2,(公式I)
[0064]θχ.ri = s,(公式2)
[0065]θ2.r3 = s,(公式3)
[0066]由(公式1)、(公式2)和(公式3)联立可以解得:
[0067]Θ2/Θι = π/γ3.(公式 4)
[0068]本实施例中，设第一近关节滑轮和远关节滑轮的有效半径相等，故由(公式4)可知，两个关节的转角相等，该装置实现了 1:1的耦合抓取模式。改变第一近关节滑轮与远关节滑轮的有效半径，可以实现不同比例的耦合抓取模式。
[0069 ]如果耦合抓取过程中，中部指段2先接触到物体1，则停止第二电机7，启动第一电机6，这个后续过程为一个灵巧抓取阶段。事实上，在上述的耦合抓取阶段的任一时刻，还可以独立开动第一电机6，随时可以进入灵巧抓取阶段。此时，因为第一电机6正转，通过第一减速器61转动，第一丝杆62转动，第一螺母63向下平移，第一腱绳8拉动末端指段3绕远关节轴5的中心线转动一个角度，达到灵巧控制远关节的转角的目的。
[0070]放开物体10的过程为:第一电机6和第二电机7分别反转，与抓取物体10过程相反，
不再赘述。
[0071]本实施例在被外界力量碰撞时的动作示意图如图21、图22所示。在该情况下，手指可以自由被拨动，无论哪个方向的外物(如锤子101)敲击均可以被动适应，避免了因为不小心碰撞带来的损坏，该装置在碰撞之后可以自动恢复到原来的位置。图21所示末端指段从正面受到锤子101打击时，第三簧件81、第四簧件91会分别发生变形或者共同发生变形，近关节和远关节可以向后(即向背面N)转动。图22所示末端指段3从背面受到锤子101打击时，第一腱绳8可以自然松弛，第一簧件51在撞击时变形，远关节向前转动，或近关节向前(即向正面Μ)转动，或远关节和近关节同时向前转动。此处用锤子101来代表外界意外碰撞的物体，一般情况下有可能是人的肢体，也可能是其他机器人的部件，还可能是意外掉落的物体等。
[0072]由于本实施例具有第三簧件81和第四簧件91，本实施例抓取物体时的抓取力一方面来自于第一电机6和第二电机7的转矩，另一方面可以由第三簧件81和第四簧件91的变形而储能，达到在第一电机6和第二电机7停转之后，该装置仍然保持着对物体10的抓持力，这个抓持力来自于第三簧件81和第四簧件91;此外，当手指的各指段已经解除物体后再进一步开动电机会带来第三簧件81和第四簧件91的变形，变形的大小影响着抓持力的大小，因此，可以通过调节第一电机6和第二电机7开动的时间长短或者通过传感器来检测抓持力的大小而决定第一电机6和第二电机7在手指接触物体10后的继续转动角度，达到不同的抓持力。
[0073]由于本实施例的机构是开环式的腱绳传动机构(第一腱绳8的首尾并不相连，第二腱绳9的首尾也不相连)，对于传统机构，第一腱绳8和第二腱绳9使用一段时间后往往会发生形变和松弛现象，对于本实施例来说，第一腱绳8和第二腱绳9的松弛长度会因为第三簧件81和第四簧件91的存在而被它们吸收，第一腱绳8和第二腱绳9不用一发生松弛，会持续保持更长时间的张紧效果；即使第一腱绳8和第二腱绳9在不当使用或长期疲劳使用后断裂，那么维修时，更换是比较容易的，这是开环腱绳的长处。
[0074]本发明装置采用两个电机、两套丝杆螺母传动机构、两套开环腱绳传动机构和簧件等综合实现了双自由度多抓取模式的机器人手指，该装置具有四种抓取模式，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。该装置既能达到传统耦合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，又具有传统耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，抓取物体时控制容易；该装置具有碰撞后自动复位的功能，在人机交互时比较安全，适合用于服务型机器人，尤其是在人群聚集的家庭、学校、医院和公共场所使用;该装置结构紧凑、体积小、重量轻，控制容易，制造和维护成本低。
【主权项】
1.一种自复位开环柔性件耦合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、第一驱动器和第二驱动器;所述近关节轴套设在基座中，所述远关节轴套设在中部指段中，所述近关节轴与远关节轴平行;所述中部指段套设在近关节轴上，所述末端指段套设在远关节轴上;其特征在于:该自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置还包括第一传动机构、第二传动机构、第一柔性件、第二柔性件、第一簧件、第一近关节滑轮、第二近关节滑轮和远关节滑轮;所述第一驱动器的输出轴与第一传动机构的输入轴相连，所述第二驱动器的输出轴与第二传动机构的输入轴相连;所述第一近关节滑轮套接在近关节轴上，所述第二近关节滑轮套接在近关节轴上，所述远关节滑轮套接在远关节轴上；所述第一柔性件的一端与第一传动机构的输出端相连，所述第一柔性件的另一端与末端指段相连;所述第一柔性件依次缠绕经过第一近关节滑轮的背面，然后穿过中部指段，之后再缠绕经过远关节滑轮的正面;所述第二柔性件的一端与第二传动机构的输出端相连，所述第二柔性件的另一端与中部指段相连;所述第二柔性件缠绕经过第二近关节滑轮的正面；其中，第一近关节滑轮、第二近关节滑轮和远关节滑轮的正面是指靠向所抓物体的一侧，背面是指不靠向所抓物体的一侧;所述第一簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。2.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第一柔性件采用绳、带或链条;所述第二柔性件采用绳、带或链条。3.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸;所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。4.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第一传动机构包括丝杆和螺母，所述丝杆与螺母通过螺纹相连，所述丝杆与螺母形成螺纹传动关系。5.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第二传动机构包括丝杆和螺母，所述丝杆与螺母通过螺纹相连，所述丝杆与螺母形成螺纹传动关系。6.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第一柔性件的局部或全部采用弹性材料。7.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述第二柔性件的局部或全部采用弹性材料。8.如权利要求6所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述弹性材料采用弹簧。9.如权利要求7所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:所述弹性材料采用弹簧。10.如权利要求1所述的自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，其特征在于:还包括第二簧件，所述第二簧件的两端分别连接基座和中部指段。
【专利摘要】自复位开环柔性件耦合灵巧机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、两个驱动器、两套开环腱绳传动机构和簧件。该装置实现了四种抓取模式，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；该装置具有碰撞后自动复位的功能，在人机交互时比较安全，适合用于服务型机器人，尤其是在人群聚集的家庭、学校、医院和公共场所使用；该装置结构紧凑、体积小、重量轻，制造和维护成本低。
【IPC分类】B25J15/02
【公开号】CN105583839
【申请号】CN201610152982
【发明人】张文增, 林大渊
【申请人】清华大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2016年3月17日