专利名称：机器人拟人手级联欠驱动手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种机器人拟人手级联欠驱动手指装置结构设计。
背景技术：
与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。设计具有形状自适应的欠驱动机械手指装置能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1365875A，，包括第一指段、主动板、第二指段、欠驱动关节。外力使主动板绕欠驱动关节轴转动，由多级齿轮增速机构实现第二指段大幅度转动后扣紧物体。
已有的一种自适应欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1410223A，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，同时固接在主动滑块上的齿条向底板运动，带动与齿条啮合的齿轮绕关节轴转动，实现第二指段转动并扣紧物体。
这些装置不足之处为两种装置虽然都可采用直接串联的方式实现多个指节的欠驱动，但由于其实现原理所限，末端关节必须在第二指段受力之后才能带动第三指段，若物体形状不足以使第二指段受力，第三指段将不能实现转动，对不同形状和大小的物体的适应能力有限。同时，考虑到人手指的实际情况，末端关节通常与中部关节同步转动，二者转动角度有一定协同效果，两种装置都无法满足这种效果。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种机器人拟人手级联欠驱动手指装置，该装置自身不带驱动器，外形及其实施效果与人手的手指相似，结构可靠，仅需要较低的控制系统要求。该装置可以作为机器人拟人手的一个手指，用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。
本发明的技术方案如下本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，包括第一指段、第二指段、第三指段，主动滑块，固接在主动滑块上的齿条，及设置在第一指段与主动滑块之间的压簧，其特征在于该装置还包括套设在第一指段和第二指段中的级联欠驱动关节，所述的级联欠驱动关节包括中部关节齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴、末端关节轴、同步带下轮、同步带上轮以及同步带；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，能在水平方向做前后运动；所述的中部关节齿轮轴设置在第一指段和第二指段之间并与第二指段固接，中部关节齿轮轴上的齿轮与所述的齿条啮合；所述的中部关节齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合，该三个齿轮轴均套设在所述的第一指段上；所述的同步带下轮与小齿轮轴固结，所述的同步带上轮与末端关节轴固结；所述的第三指段套接在末端关节轴上；所述的末端关节轴设置在所述的第二指段上。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于在所述的末端关节轴上套接一个簧件，所述的簧件的两端分别连接在末端关节轴与第三指段上，所述的簧件采用扭簧、皮筋或带弹力绳索。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第一指段包括第一指段骨架、第一指段左轴承板、第一指段右轴承板，三者固接在一起。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的主动滑块包括滑块体、固接在滑块体表面上的滑块表面罩以及固接在滑块表面罩上的滑块表面板。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第二指段包括第二指段骨架、第二指段左轴承板、第二指段右轴承板、第二指段前侧面板和第二指段表面板；该第二指段骨架与第二指段左轴承板和第二指段右轴承板固接；该第二指段前侧面板固接在第二指段左轴承板和第二指段右轴承板的表面上；该第二指段表面板固结在第二指段前侧面板上。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的滑块表面板采用有弹性的工业橡皮材料。
本发明所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第二指段表面板采用有弹性的工业橡皮材料。
本发明提供的另一技术方案一种机器人拟人手级联欠驱动手指装置，包括第一指段、第二指段、第三指段，主动滑块及固接在主动滑块上的齿条，其特征在于该装置还包括套设在第一指段和第二指段中的级联欠驱动关节，所述的级联欠驱动关节包括中部关节齿轮轴、双联齿轮轴、小齿轮轴、末端关节轴、同步带下轮、同步带上轮以及同步带；所述的中部关节齿轮轴上缠绕第二个扭簧，所述的扭簧一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，能在水平方向做前后运动；所述的中部关节齿轮轴设置在第一指段和第二指段之间并与第二指段固接，中部关节齿轮轴上的齿轮与所述的齿条啮合；所述的中部关节齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合，该三个齿轮轴均套设在所述的第一指段上；所述的同步带下轮与小齿轮轴固结，所述的同步带上轮与末端关节轴固结；所述的第三指段套接在末端关节轴上；所述的末端关节轴设置在所述的第二指段上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明提供的机器人拟人手级联欠驱动手指装置自身不带驱动器，间接利用手部其他手指、其他关节的主动驱动力(力矩)作为驱动源，并利用齿轮齿条传动实现手指第二指段转动，同时利用齿轮传动和带传动实现第三指段与第二指段的协同转动，对所抓物体形状、大小具有很强的自适应，降低了抓取物体时需要的控制精度，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与实施特点与人手的手指相似，结构简单、可靠，可以作为机器人拟人手的一个手指，用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、大小物体的很强的自适应性。
图1是本发明提供的机器人拟人手级联欠驱动手指装置的一种实施例的正视图。
图2是图1的侧视图。
图3是图1的正面剖视图(为图4中的C-C剖视图)。
图4是图3的A-A剖视图。
图5是图3的B-B剖视图。
图6是本发明实施例的级联欠驱动关节部分传动示意图。
图7是本发明实施例的爆炸图。
图8、图9、图10是固定于手掌的本实施例手指第一、二指段相继接触物体情况的抓握物体示意图。
图11、图12、图13、图14是固定于手掌的本实施例手指第一、三指段相继接触物体，第三指段产生自适应效果后第二指段接触物体情况的抓握物体示意图。
图15是应用了本实施例的机器人拟人多指手的侧面外观图，此时拇指已转动到手掌的正对面。
图16是应用了本实施例的机器人拟人多指手的正面外观图，此时拇指已转动到手掌的侧面。
图17是应用了本实施例的机器人拟人多指手的俯视外观图，此时拇指已转动到手掌的侧面，双点画线为转动到手掌正面的情况。
图18是应用了本实施例的机器人拟人多指手抓握物体的示意图。
在图1至图18中1-第一指段，11-第一指段骨架，12-第一指段左轴承板，13-第一指段右轴承板，2-第二指段，21-第二指段骨架，22-第二指段左轴承板，23-第二指段右轴承板，
24-第二指段前侧面板，25-第二指段表面板，3-第三指段，4-级联欠驱动装置，41-齿条，42-压簧，43-中部关节齿轮轴，44-双联齿轮轴，45-小齿轮轴，46-末端关节轴，47-同步带下轮，48-同步带上轮，49-同步带，410-第一扭簧，5-主动滑块，51-滑块体，52-滑块表面罩，53-滑块表面板。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理具体实施方式
做详细描述图1～7是本发明提供的机器人拟人手级联欠驱动手指装置的一个实施例的结构示意图。主要包括第一指段1、第二指段2和第三指段3，套设在第一指段1、第二指段2、第三指段3中的级联欠驱动关节4，级联欠驱动关节包括主动滑块5、齿条41、压簧42、中部关节齿轮轴43、双联齿轮轴44、小齿轮轴45、末端关节轴46、同步带下轮47、同步带上轮48，同步带49，第一扭簧410；所述的主动滑块5镶嵌在第一指段1中，所述的压簧42设置在第一指段1与主动滑块5之间，所述的中部关节齿轮轴43设置在第一指段1和第二指段2之间并与第二指段固接，所述的齿条41固接在主动滑块5上并与中部关节齿轮轴43上的齿轮啮合，所述的中部关节齿轮轴43、小齿轮轴45分别与双联齿轮轴44的小齿轮、大齿轮啮合(参见图6)；该三个齿轮轴均套设在所述的第一指段上；所述的同步带下轮47与小齿轮轴45固结，同步带上轮48与末端关节轴46固结；所述的第三指段3套接在末端关节轴46上，所述的第一扭簧410的两端分别连接在末端关节轴46与第三指段3上；所述的末端关节轴46设置在所述的第二指段2上。所述的主动滑块5包括滑块体41、固接在滑块体41表面上的滑块表面罩52以及固接在滑块表面罩52上的滑块表面板53(参见图7)。滑块表面板采用有弹性的工业橡皮材料。所述的第一指段1包括第一指段骨架11、第一指段左轴承板12、第一指段右轴承板13，三者固接在一起。所述的第二指段2包括第二指段骨架21、第二指段左轴承板22、第二指段右轴承板23、第二指段前侧面板24和第二指段表面板25；该第二指段骨架21与第二指段左轴承板22和第二指段右轴承板23固接；该第二指段前侧面板24固接在第二指段左轴承板22和第二指段右轴承板23的表面上；该第二指段表面板25固结在第二指段前侧面板24上。第二指段表面板应采用有适当弹性的工业橡皮材料。
下面结合图6～8和图9～12说明本发明的上述实施例的工作过程如图8～10所示，当机器人拟人手抓取物体时，其手指转动后压迫物体，物体挤压主动滑块5，主动滑块5沿垂直手指表面向第一指段1里平移d，其上固接的齿条41带动中部关节齿轮轴43以较大的幅度转动，与中部关节齿轮轴43固接的第二指段2也相应大角度转动α，同时中部关节齿轮轴43与双联齿轮轴44的小齿轮啮合，带动双联齿轮轴44转动β，双联齿轮轴44的大齿轮与小齿轮轴45的齿轮啮合，带动小齿轮轴45转动γ，与小齿轮轴45固接的同步带下轮47相应转动γ，同步带上轮48也相应转动γ，这样，两端分别连接在末端关节轴46与第三指段3上的第一扭簧410带动第三指段3相对第二指段2转动γ-α，如此直到第二指段2接触物体为止。如图11～14所示，如果在第二指段2接触物体之前，第三指段3先与物体接触，则两端分别连接在末端关节轴46与第三指段3上的第一扭簧410将产生变形，从而在第三指段上实现变抓取力；第二指段2继续转动直到接触物体为止，在此过程中第一扭簧410变形不断增大，第三指段相对地面角度不再变化。因而该机器人拟人手指将具有对物体大小、形状的自动适应性。当机器人拟人手放开物体时，其手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块5，第一指段1和主动滑块5之间的压簧42将主动滑块5弹回到最初的远离第一指段的位置；同时，通过主动滑块5上的齿条41与中部关节齿轮轴43上齿轮的啮合传动，带动第二指段2恢复到最初手指伸直的位置；同时，通过中部关节齿轮轴、小齿轮轴和双联齿轮轴的啮合传动以及同步带传动，带动第三指段3也恢复到最初手指伸直的位置。
本发明的第二种技术方案与第一种技术方案在结构上基本相同，只是在中部关节齿轮轴上缠绕第二个扭簧，该扭簧的一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接。机器人拟人手抓取物体的工作过程与上述第一种的工作过程的不同之处是当机器人拟人手放开物体时，其手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块5，缠绕在中部关节齿轮轴上的扭簧将带动中部关节轴回转，从而带动第二指段恢复到最初手指伸直的位置，同时，通过主动滑块5上的齿条41与中部关节齿轮轴43上齿轮的啮合传动，使主动滑块5弹回到最初的远离第一指段的位置；同时，通过中部关节齿轮轴、小齿轮轴和双联齿轮轴的啮合传动及同步带传动，带动第三指段3也恢复到最初手指伸直的位置。
该装置自身不带驱动器，间接利用手部其他手指、其他关节的主动驱动力(力矩)作为驱动源，并利用齿轮齿条传动实现手指第二指段转动，同时利用齿轮传动和带传动实现第三指段与第二指段的协同转动，对所抓物体形状、大小具有很强的自适应，降低了抓取物体时需要的控制精度，降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与实施特点与人手的手指相似，结构简单、可靠，可以作为机器人拟人手的一个手指，用以实现机器人拟人手以较少驱动器驱动较多的手指关节自由度，并具有抓取不同形状、大小物体的很强的自适应性。由于主要部件均围绕关节轴设置，而且整个装置易于封装起来，防止灰尘进入，也美观。
权利要求
1.一种机器人拟人手级联欠驱动手指装置，包括第一指段(1)、第二指段(2)、第三指段(3)，主动滑块(5)，固接在主动滑块上的齿条(41)，及设置在第一指段与主动滑块之间的压簧(42)，其特征在于该装置还包括套设在第一指段和第二指段中的级联欠驱动关节(4)，所述的级联欠驱动关节包括中部关节齿轮轴(43)、双联齿轮轴(44)、小齿轮轴(45)、末端关节轴(46)、同步带下轮(47)、同步带上轮(48)以及同步带(49)；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，能在水平方向做前后运动；所述的中部关节齿轮轴设置在第一指段和第二指段之间并与第二指段固接，中部关节齿轮轴上的齿轮与所述的齿条啮合；所述的中部关节齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合，该三个齿轮轴均套设在所述的第一指段上；所述的同步带下轮与小齿轮轴固结，所述的同步带上轮与末端关节轴固结；所述的第三指段套接在末端关节轴上；所述的末端关节轴设置在所述的第二指段上。
2.如权利要求1所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于在所述的末端关节轴上套接一个簧件，所述的簧件的两端分别连接在末端关节轴与第三指段上，所述的簧件采用扭簧、皮筋或带弹力绳索。
3.如权利要求1所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第一指段包括第一指段骨架(11)、第一指段左轴承板(12)、第一指段右轴承板(13)，三者固接在一起。
4.如权利要求1所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的主动滑块包括滑块体(51)、固接在滑块体表面上的滑块表面罩(52)以及固接在滑块表面罩上的滑块表面板(53)。
5.如权利要求1所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第二指段包括第二指段骨架(21)、第二指段左轴承板(22)、第二指段右轴承板(23)、第二指段前侧面板(24)和第二指段表面板(25)；该第二指段骨架与第二指段左轴承板和第二指段右轴承板固接；该第二指段前侧面板固接在第二指段左轴承板和第二指段右轴承板的表面上；该第二指段表面板固结在第二指段前侧面板上。
6.如权利要求4所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的滑块表面板采用有弹性的工业橡皮材料。
7.如权利要求5所述的机器人拟人手级联欠驱动手指装置，其特征在于所述的第二指段表面板采用有弹性的工业橡皮材料。
8.一种机器人拟人手级联欠驱动手指装置，包括第一指段(1)、第二指段(2)、第三指段(3)，主动滑块(5)及固接在主动滑块上的齿条(41)，其特征在于该装置还包括套设在第一指段和第二指段中的级联欠驱动关节(4)，所述的级联欠驱动关节包括中部关节齿轮轴(43)、双联齿轮轴(44)、小齿轮轴(45)、末端关节轴(46)、同步带下轮(47)、同步带上轮(48)以及同步带(49)；所述的中部关节齿轮轴上缠绕第二个扭簧，所述的扭簧一端与第二指段末端固接，另一端与第一指段固接；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中，能在水平方向做前后运动；所述的中部关节齿轮轴设置在第一指段和第二指段之间并与第二指段固接，中部关节齿轮轴上的齿轮与所述的齿条啮合；所述的中部关节齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合，该三个齿轮轴均套设在所述的第一指段上；所述的同步带下轮与小齿轮轴固结，所述的同步带上轮与末端关节轴固结；所述的第三指段套接在末端关节轴上；所述的末端关节轴设置在所述的第二指段上。
全文摘要
机器人拟人手级联欠驱动手指装置，属于拟人机器人技术领域。本发明的主动滑块镶嵌在第一指段中，中部关节齿轮轴设置在第一指段和第二指段之间并与第二指段固接，中部关节齿轮轴上的齿轮与齿条啮合，中部关节齿轮轴、小齿轮轴分别与双联齿轮轴的小齿轮、大齿轮啮合，该三个齿轮轴均套设在第一指段上；同步带下轮与小齿轮轴固结，同步带上轮与末端关节轴固结；第三指段套接在末端关节轴上；末端关节轴设置在第二指段上。本发明可作为机器人拟人手的一个手指，利用齿轮齿条传动实现手指第二指段的转动，同时利用齿轮传动和带传动实现第三指段与第二指段的协同转动，对所抓物体形状、大小具有很强的自适应，降低了装置对控制系统的要求。
文档编号B25J15/08GK101049695SQ20071009878
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者田磊, 张文增, 陈强, 都东, 孙振国 申请人:清华大学