空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置的制造方法
【专利摘要】空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、驱动器、两个传动轮、两个柔性件、过渡传动机构、中间传动机构、拨轮、凸块拨盘、限位拨盘、两个簧件和限位凸块。该装置利用拨轮上的主动凸块与凸块拨盘上的从动凸块之间的空程，实现了耦合与自适应复合抓取模式，既能联动两个关节捏持物体，也能先转动第一指段再转动第二指段握持物体，对不同形状尺寸物体具有自适应抓取效果；仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统；结构简单、体积小、重量轻，成本低。
【专利说明】
空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置
技术领域
[0001]本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置的结构设计。
【背景技术】
[0002]自适应欠驱动机器人手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，没有实时传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施末端捏持抓取。
[0006]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、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、带轮传动机构和簧件等。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，能够适应不同形状尺寸的物体。该欠驱动两关节机器人手指装置的不足之处为:I)抓取方式只能为握持方式，难实现弯曲远关节的末端捏持抓取效果;2)该装置抓取物体的过程不拟人，该装置在未碰触物体前始终呈现伸直的状态。
[0007]具有耦合与自适应复合抓取模式的机器人手指称为耦合自适应手指。所谓的耦合与自适应复合抓取模式是指该手指可以实现耦合抓取与自适应欠驱动抓取相结合的复合欠驱动抓取，即机器人手指装置在弯曲抓握物体过程中，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲；而在近指段碰到物体后，又可解耦转动第二关节，使第二指段自动适应物体表面形状，从而完全包络握持物体，并且只通过一个驱动器驱动多个关节;如果在耦合转动两个关节的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持效果。
[0008]已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101633171B)，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、电机、耦合传动机构、自适应传动机构和三个簧件。该装置可以实现耦合与自适应复合抓取模式，不足在于:I)机构复杂，有两套传动机构安装在近关节轴和远关节轴之间；2)需要的簧件数目过多，簧件选型困难;3)利用多个簧件来实现解耦一一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。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合抓取模式，既能联动两个关节用末端捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果;无需复杂的传感和控制系统。
[0010]本发明的技术方案如下:
[0011]本发明设计的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器;所述驱动器与基座固接;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:该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、拨轮、第一传动轮、第二传动轮、第一柔性件、第二柔性件、凸块拨盘、中间传动机构、限位拨盘、限位凸块、第一簧件和第二簧件;所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上;所述第二指段套接在远关节轴上;所述过渡传动机构设置在基座中；所述驱动器的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与拨轮相连;所述拨轮包括固接的主动凸块，所述拨轮活动套接在近关节轴上;所述第一传动轮活动套接在近关节轴上;所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与第二指段固接;所述的第一柔性件缠绕在第一传动轮和第二传动轮上并形成“S”字形，第一柔性件的两端分别与第一传动轮、第二传动轮固接;所述的第二柔性件缠绕在第一传动轮和第二传动轮上并形成“Z”字形，第二柔性件的两端分别与第一传动轮、第二传动轮固接，第一柔性件和第二柔性件交叉成“8”字形;所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上;所述凸块拨盘包括固接的从动凸块;所述中间传动机构设置在基座中，所述中间传动机构的输入端与凸块拨盘固接，中间传动机构的输出端与限位拨盘固接，所述中间传动机构使得从凸块拨盘到限位拨盘的传动为反向传动;所述限位拨盘活动套接在近关节轴上，所述限位拨盘与第一传动轮固接;所述限位凸块与基座固接;所述限位拨盘包括固接的凸块;所述凸块与限位凸块相接触或离开一段距离;所述从动凸块与主动凸块相接触或离开一段距离;设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块与限位凸块接触，设此时限位拨盘相对基座的旋转角度为O度，从该位置开始，限位拨盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位拨盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负;所述限位凸块限制限位拨盘的转动角度只能为负；所述第一簧件的两端分别连接限位拨盘和基座;在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述从动凸块与主动凸块离开一段距离;在拨轮转动范围内，主动凸块会接触到从动凸块;所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段。
[0012]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述驱动器米用电机、气缸或液压缸。
[0013]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。
[0014]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果:
[0016]本发明装置利用驱动器、第一传动轮、第二传动轮、第一柔性件、第二柔性件、中间传动机构、两个簧件、凸块拨盘、限位拨盘、限位凸块和拨轮等综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；由于拨轮上的主动凸块与凸块拨盘上的从动凸块之间有一段空程，在第一指段转动时第二指段会同时转动，达到了耦合抓取模式；当第一指段接触物体被阻挡后，经过一段很小的时间，拨轮上的主动凸块才会接触并拨动凸块拨盘上的从动凸块，从而驱动第一传动轮转动，经过第一柔性件、第二柔性件、第二传动轮的传动，带动第二指段转动，直到第二指段接触物体，达到了自适应抓取模式。该装置抓取稳定可靠;仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统;该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。
【附图说明】
[0017]图1是本发明设计的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。
[0018]图2是图1所示实施例的正视图。
[0019]图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。
[0020]图4是图1所示实施例的正视图(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)。
[0021]图5是图1所示实施例中的立体外观图(未画出部分零件)。
[0022]图6是图1所示实施例中A-A剖视图。
[0023]图7是图1所示实施例中部分零件位置图。
[0024]图8是图1所示实施例的爆炸视图。
[0025]图9至图13是图1所示实施例在以耦合与自适应复合抓取方式抓取物体的动作过程不意图。
[0026]图14至图16是图1所示实施例在以单纯耦合方式捏持物体的动作过程示意图。
[0027]图17、图18是图1所示实施例在耦合与自适应复合抓取方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，限位拨盘、第一簧件与限位凸块的相对位置的变化情况。
[0028]图19至图22是图1所示实施例在耦合与自适应复合抓取方式抓取物体动作过程中几个关键位置时，拨轮、凸块拨盘的相对位置的变化情况。
[0029]在图1至图22中:
[0030]I —基座，111 一基座前板，112—基座后板，113 —基座左侧板，
[0031]114 —基座右侧板，115 —基座表面板，116—基座底板，2—第一指段，
[0032]21—第一指段表面板，22—第一指段左侧板，23—第一指段右侧板，24—第一指段前板，
[0033]25—第一指段后板，3—第二指段，4一近关节轴，5—远关节轴，
[0034]83 —轴承，84 —套筒，85 —螺钉，86 —销钉，
[0035]9一第一传动轮，10 —第二传动轮，IIA—第一柔性件，IIB —第二柔性件，
[0036]12—限位拨盘，121 —凸块，
[0037]13—第一簧件，14 一驱动器(电机)，141 一减速器，142—第一锥齿轮，
[0038]143 —第二锥齿轮，144 一过渡齿轮轴，145—过渡带轮，147—过渡传动带，
[0039]15—拨轮，151—主动凸块，16—第二簧件，17 —物体，
[0040]18一限位凸块，19一中间传动机构，I90一从动凸块，191 一凸块拨盘(第一中间齿轮)，
[0041 ] 192—第二中间齿轮，193 —中间传动轴，194 一第一中间传动轮，195 —中间传动件，
[0042]196—第二中间传动轮。
【具体实施方式】
[0043]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。
[0044]本发明设计的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8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和驱动器14;所述驱动器14与基座I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。本实施例还包括过渡传动机构、拨轮152、第一传动轮9、第二传动轮10、第一柔性件11A、第二柔性件11B、凸块拨盘191、中间传动机构、限位拨盘12、限位凸块18、第一簧件13和第二簧件53;所述近关节轴4活动套设在基座I中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上;所述第二指段3套接在远关节轴5上;所述过渡传动机构设置在基座I中；所述驱动器14的输出轴与过渡传动机构的输入端相连;所述过渡传动机构的输出端与拨轮15相连;所述拨轮15包括固接的主动凸块151，所述拨轮活动套接在近关节轴4上。
[0045]本实施例中，所述第一传动轮活动套接在近关节轴上;所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与第二指段固接;所述的第一柔性件IlA缠绕在第一传动轮9和第二传动轮上并形成“S”字形，第一柔性件IlA的两端分别与第一传动轮9、第二传动轮10固接；所述的第二柔性件IIB缠绕在第一传动轮9和第二传动轮10上并形成“Z”字形，第二柔性件IlB的两端分别与第一传动轮9、第二传动轮10固接，第一柔性件IlA和第二柔性件IlB交叉成“8”字形;所述凸块拨盘191活动套接在近关节轴4上;所述凸块拨盘191包括固接的从动凸块190;所述中间传动机构19设置在基座I中，所述中间传动机构19的输入端与凸块拨盘191固接，中间传动机构的输出端与限位拨盘12固接，所述中间传动机构19使得从凸块拨盘191到限位拨盘12的传动为反向传动。
[0046]本实施例中，所述限位拨盘12活动套接在近关节轴4上，所述限位拨盘12与第一传动轮9固接;所述限位凸块18与基座I固接;所述限位拨盘12包括固接的凸块121;所述凸块121与限位凸块18相接触或离开一段距离。所述从动凸块190与主动凸块151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，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块121与限位凸块18接触，设此时限位拨盘12相对基座I的旋转角度为O度，从该位置开始，限位拨盘12朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位拨盘12朝近关节反方向旋转时的转动角度为负;所述限位凸块18限制限位拨盘12的转动角度只能为负，即限位拨盘12只能沿着如图17所示的箭头指示方向转动。所述第一簧件13的两端分别连接限位拨盘12和基座I，第一簧件13使限位拨盘12靠向限位凸块18;在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述从动凸块190与主动凸块151离开一段距离，如图7所示；在拨轮15转动范围内，主动凸块151会接触到从动凸块190，如图19至图22所示;所述第二簧件16的两端分别连接拨轮15和第一指段2，如图4所示。
[0047]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述驱动器14采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器14采用电机。
[0048]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第一簧件13采用拉簧。
[0049]本发明所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述第二簧件16采用扭簧。
[0050]本实施例中，所述第一传动轮与第二传动轮的传动直径相等，这样获得的两关节在开始的耦合转动阶段转动角相等。
[0051]本实施例中，所述基座I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。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段表面板21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23、第一指段前板24和第一指段后板25。
[0052]本实施例中，所述中间传动机构19采用串联的齿轮传动机构和带轮传动机构，其中齿轮传动机构实现了反向传动，带轮传动机构为同向传动，所述中间传动机构将近关节轴上的凸块拨盘191的正向转动变为限位拨盘12的反向转动。具体组成和连接关系如下:所述中间传动机构19包括第一中间齿轮191、第二中间齿轮192、中间传动轴193、第一中间传动轮194、第二中间传动轮196和中间传动件195;所述中间传动轴193套设在基座中，所述中间传动轴193的中心线与近关节轴的中心线平行;所述第一中间齿轮(即凸块拨盘)191套接在近关节轴4上;所述第二中间齿轮192与第一中间齿轮191啮合，所述第二中间齿轮192套接在中间传动轴193上;所述第一中间传动轮194套接在中间传动轴193上，第一中间传动轮194与第二中间齿轮192固接;所述第二中间传动轮196套接在近关节轴4上，所述中间传动件195连接第一中间传动轮194和第二中间传动轮196。所述中间传动件195、第一中间传动轮194和第二中间传动轮196三者之间构成带轮传动机构、链轮传动机构或绳轮传动机构，本实施例中，采用带轮传动机构。所述中间传动机构也可以采用其他传动方式来达到从凸块拨盘到限位拨盘反向传动的目的。
[0053]本实施例中，所述过渡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、过渡带轮145和过渡传动带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I中，所述过渡带轮145套固在过渡齿轮轴144上，所述过渡传动带147连接过渡带轮145和拨轮15，所述过渡传动带147、过渡带轮145和拨轮15形成带轮传动关系。
[0054]本实施例还包括若干轴承83、若干套筒84、若干螺钉85和若干销钉86等。
[0055]本实施例的工作原理，结合附图叙述如下:
[0056]本实施例处于初始状态时，如图1、图5、图6和图7所示。
[0057]电机14转动，通过减速机141带动第一锥齿轮142，带动第二锥齿轮143，带动过渡齿轮轴144，带动过渡带轮145，通过过渡传动带147驱动拨轮15转动，通过第二簧件16拉动第一指段2绕近关节轴4转动，实现近关节转动。
[0058]此时，主动凸块151还没有接触从动凸块190，第一簧件13拉着限位拨盘12使其紧靠在限位凸块18上，由于限位拨盘12与第一传动轮9固接，所以第一传动轮9保持初始姿态不变;此时，在第一传动轮9、第二传动轮10、第一柔性件IlA和第二柔性件IlB的作用下，第二指段3将相对于第一指段2转动一个角度，达到耦合转动效果。
[0059]在本实施例中，由于第一传动轮9与第二传动轮10的传动直径相等，所以第一指段2转动角与第二指段3转动角在上述的耦合阶段是相等的。
[0060]接下来，如果第二指段3接触物体，则达到了耦合捏持的效果，抓取结束。如果第二指段3还未接触到物体，此时，第一指段2如果接触物体被阻挡不能再继续转动，则第二簧件16发生变形，电机的动力将驱动拨轮15继续转动，通过一段时间的空程转动，拨轮上的主动凸块151就会接触到凸块拨盘191上的从动凸块190，从而驱动凸块拨盘191转动，通过中间传动机构，可以使得限位拨盘12反向转动离开限位凸块18，带动第一传动轮9反向转动，通过第一柔性件11A、第二柔性件IlB的传动，使得第二传动轮10与第二指段3正向继续转动，最终达到第二指段3接触物体，抓取结束。
[0061]释放过程与上述过程刚好相反，不赘述。
[0062]针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够抓取多种物体。
[0063]图6是耦合抓取阶段的实施例剖视图(图2的A-A剖视图)，其中显示了限位拨盘12、限位凸块18和第一簧件13的情况。此时本实施例处在初始位置或者同时弯曲了第一指段、第二指段，第一簧件13使限位拨盘12与限位凸块18相接触，这种情况一直持续到自适应包络抓取开始。
[0064]图17、图18是自适应抓取阶段的限位拨盘12、限位凸块18和第一簧件13的相对位置变化情况。此时本实施例的第一指段2已经接触到物体17被阻挡而不能运动，在驱动器14的驱动作用下，第二指段3已经绕远关节轴5多转动一个角度，限位拨盘12离开了原来一直接触的限位凸块18。
[0065]图19、图20是耦合抓取阶段主动凸块和从动凸块的位置情况。图21、图22是自适应抓取阶段主动凸块和从动凸块的位置情况。
[0066]本发明装置利用驱动器、第一传动轮、第二传动轮、第一柔性件、第二柔性件、中间传动机构、两个簧件、凸块拨盘、限位拨盘、限位凸块和拨轮等综合实现了耦合与自适应复合抓取模式，该装置既能联动两个关节用末端捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；由于拨轮上的主动凸块与凸块拨盘上的从动凸块之间有一段空程，在第一指段转动时第二指段会同时转动，达到了耦合抓取模式；当第一指段接触物体被阻挡后，经过一段很小的时间，拨轮上的主动凸块才会接触并拨动凸块拨盘上的从动凸块，从而驱动第一传动轮转动，经过第一柔性件、第二柔性件、第二传动轮的传动，带动第二指段转动，直到第二指段接触物体，达到了自适应抓取模式。该装置抓取稳定可靠;仅利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统;该装置结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。
【主权项】
1.一种空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器;所述驱动器与基座固接;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:该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、拨轮、第一传动轮、第二传动轮、第一柔性件、第二柔性件、凸块拨盘、中间传动机构、限位拨盘、限位凸块、第一簧件和第二簧件;所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上;所述第二指段套接在远关节轴上;所述过渡传动机构设置在基座中；所述驱动器的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与拨轮相连;所述拨轮包括固接的主动凸块，所述拨轮活动套接在近关节轴上;所述第一传动轮活动套接在近关节轴上;所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与第二指段固接;所述的第一柔性件缠绕在第一传动轮和第二传动轮上并形成“S”字形，第一柔性件的两端分别与第一传动轮、第二传动轮固接;所述的第二柔性件缠绕在第一传动轮和第二传动轮上并形成“Z”字形，第二柔性件的两端分别与第一传动轮、第二传动轮固接，第一柔性件和第二柔性件交叉成“8”字形;所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上;所述凸块拨盘包括固接的从动凸块;所述中间传动机构设置在基座中，所述中间传动机构的输入端与凸块拨盘固接，中间传动机构的输出端与限位拨盘固接，所述中间传动机构使得从凸块拨盘到限位拨盘的传动为反向传动;所述限位拨盘活动套接在近关节轴上，所述限位拨盘与第一传动轮固接;所述限位凸块与基座固接;所述限位拨盘包括固接的凸块;所述凸块与限位凸块相接触或离开一段距离;所述从动凸块与主动凸块相接触或离开一段距离;设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块与限位凸块接触，设此时限位拨盘相对基座的旋转角度为O度，从该位置开始，限位拨盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，限位拨盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负;所述限位凸块限制限位拨盘的转动角度只能为负；所述第一簧件的两端分别连接限位拨盘和基座；在该空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置处于初始状态时，所述从动凸块与主动凸块离开一段距离;在拨轮转动范围内，主动凸块会接触到从动凸块;所述第二簧件的两端分别连接拨轮和第一指段。2.如权利要求1所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。3.如权利要求1所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。4.如权利要求1所述的空程传动柔性件耦合自适应机器人手指装置，其特征在于:所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。
【文档编号】B25J15/08GK106041920SQ201610543628
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】陈潇男, 张文增
【申请人】清华大学