专利名称：耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
机器人手装置作为机器人的重要部分，近年来成为机器人技术领域研究的热门和重点。但是在目前的研究中，存在一些技术难点。如为了实现多自由度灵巧手，需要较多的电机提供动力。但是，电机数量的增加不仅会导致控制系统复杂，更会使得整个手指装置机构庞大，破坏其拟人性。欠驱动技术是一个能够较好解决此矛盾的方案之一。通过利用欠驱动机构，可以由较少的电机驱动较多关节自由度，从而降低了对控制系统的要求。特别的， 一类釆用欠驱动自适应机构的机器人手指装置应运而生。以双关节机器人手指为例说明欠驱动自适应手指装置的工作方式电机驱动整个手指(包括第一指段和第二指段)类似于一个刚体呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段碰触物体后受限制无法运动，此时在电机的作用下第二指段绕远关节轴转动，实现了两个指段先后按顺序转动。该类手指装置具有自动适应物体大小的特殊效果，适应抓取对象范围广，有利于抓取的稳定。
一种欠驱动机械手指装置如美国发明专利US5762390A，该装置属于欠驱动自适应装置，由于采用多套四连杆机构将驱动源的动力传递到多个关节处，具有自适应性和抓取的稳定性。
另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、末端指段和平带轮式传动机构等，同样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。
但是，该类欠驱动自适应机械手指装置也具有一定的不足手指在未碰触物体前始终呈伸直状态转动，这样不仅与人手动作有较大差异，缺乏拟人性，而且当第一指段接触物体后，在第二指段转动到与物体接触之前，物体有可能在第一指段的作用下被推开，离开手指的抓取范围；手指只能以握持方式抓取物体，而不能实现较好的末端捏持；当手指末端碰触物体时，不能实现各关节的自然弯曲，从而较难将物体拨至手中抓牢；不能做到类似人手的空手握拳的动作等。
另一种在机器人领域广泛运用的技术为耦合技术。通过采用耦合机构，当机器人手指装置转动时，可以实现多指段多关节的同时转动，动作过程类似人手握持时手指的自然弯曲。仍以双关节机器人手指为例说明耦合式手指装置的工作方式当电机驱动手指转动时，不仅手指第一指段绕近关节轴转动，第二指段在随第一指段运动的同时绕远关节轴相对于第一指段转动，两者转动的角度有一个固定的比例关系，该比例关系由具体的耦合机构的设计决定，并始终保持不变，此即为耦合抓取模式。多关节的手指依然可以由较少的驱动源驱动，故耦
3合式机器人手指继承了欠驱动式手指具有较少驱动源，控制简单的特点，而且克服了欠驱动自适应手指装置的一些缺点，其抓取动作具有良好的拟人性，可以实现捏持方式抓取，采用耦合式手指装置的机器人手以做出握拳动作，同时还可以避免欠驱动自适应手指有可能将物体推开的缺点。
已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)，主要包括基座、电机、第一指段、第二指段和"8"字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、"8"字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1:1角度的耦合运动。
已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果。
但是，耦合式手指装置由于各个关节转动角度比例保持不变，不具有欠驱动自适应手指的自适应抓取功能。各关节以固定角度比例转动时，无法以恰好适应物体表面大小尺寸的握持方式抓取，不具备对物体的自动适应性，抓取效果不好，抓取不稳定。
由上述情况可知，欠驱动自适应式手指与耦合式手指机构各具优劣，如果能将两者结合，取长补短，将成为未来机器人手指发展的趋势。目前己有一种机器人手指装置具有耦合和欠驱动自适应的效果，但是为串联式耦合加欠驱动自适应手指(中国发明专利CN101190528A)，该装置属于三关节手指，其中指节与指尖采用耦合传动方式，实现了两关节的l: l角度的耦合运动，近指节和中指节采用欠驱动自适应方式实现对物体的自适应抓取。但是该装置的耦合抓取和欠驱动自适应抓取是分离开的，仅以手指上半部分实现耦合抓取，以手指下半部分实现欠驱动自适应抓取，实为两种抓取的简单合成，并没有把两种抓取方式真正融合在一起。
综上所述，如果能采用合为一体的耦合机构与欠驱动自适应机构实现在同一抓取过程中
先后依次以耦合和欠驱动自适应的方式实施抓取，将真正结合两种抓取方式的优点，实现优
势互补，可以得到功能强大、抓取范围广、抓取稳定性好的实用型机器人手指装置，成为各
种机器人手指装置中的佼佼者。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，实现两关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体，同时结构简单、成本低，对控制系统要求低。
本发明采用如下技术方案
一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、减速器和电机；所说的电机与基座固接，电机的输出轴与所说的减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的近关节轴相连，近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在所说的第一指段中；第一指段套接在近关节轴上，所说的第二指段套接在远关节轴上；所说的近关节轴和远关节轴的轴线相互平行； 其特征在于
该耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置还包括第一连杆、第一轴、第二连杆、第二 轴、第三连杆、第三轴、第四连杆、第一簧件和第二簧件；
所说的第一连杆的一端套固在近关节轴上，第一连杆的另一端通过所说的第一轴与所说 的第二连杆一端铰接，第二连杆的另一端通过所说的第二轴与第二指段铰接；所说的第三连 杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端通过所说的第三轴与所说的第四连杆的一端 铰接，第四连杆的另一端套接在第二轴上；所说的第一簧件的两端分别连接第一连杆和第一 指段，所说的第二簧件的两端分别连接第三连杆和基座；所说的第一轴、第二轴、第三轴和 近关节轴的轴线相互平行。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的近关节轴、 远关节轴、第一轴、第二轴和第三轴符合如下关系设近关节轴的轴线与远关节轴的轴线所 在平面为P平面，第一轴的轴线与远关节轴的轴线所在平面为M平面；则第一轴的轴线和第 三轴的轴线在P平面的两侧，第二轴的轴线和第三轴的轴线在M平面的两侧。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的第一簧件 和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的第二簧件 的弹力限制作用强于第一簧件的弹力限制作用。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于在所说的减速器 与近关节轴之间设有传动机构，减速器的输出轴通过所说的传动机构与近关节轴相连。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于在所说的电机上 设有编码器。
本发明具有以下优点及突出性效果
本发明利用多个连杆和簧件构成并联的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接两个指段， 综合实现了两关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果，该手 指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，动作高度拟人化，同时有利于对物体的包络，并可 实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动 适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取，抓取稳定。该手指装置出力大，对控制系 统要求低，结构简单可靠、体积小、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似， 适用于拟人机器人手上。
图1是本发明提供的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。
图2是图1的左侧视图。
图3是图1所示实施例的立体外观视图。图4是图2的剖视图。
图5是图1的右侧剖视图。
图6是图1所示实施例的正视图(未画出基座底板和第一指段底板)。
图7是近关节轴4、第三连杆12和第二簧件16的位置关系图。
图8是图1所示实施例的爆炸视图。
图9是图1所示实施例以耦合方式转动的左侧剖视图。
图10是图9所示转动状态的等效连杆示意图。
图11是图1所示实施例的以欠驱动方式转动的左侧剖视图(此时第一指段和第二指段均 被所抓物体阻挡)。
图12是图11所示转动状态的等效连杆示意图。
图13、图14、图15、图16和图17是图1所示实施例以两个指段完全握持方式抓取物体 过程示意图(第一指段和第二指段分别绕近关节轴、远关节轴轴线转动)。 图18是本实施例以两个指段捏持方式抓取物体的示意图。 图19是本实施例以第二指段碰触物体的示意图。 在图1至图18中
3 —第二指段， 7—电机， IO —第二连杆， 14一第四连杆， 18 —编码器，
2—第一指段， 6—减速器， 9一第一轴， 13 —第三轴， 17—传动机构，
4—近关节轴，
ll一第二轴，
15—第一簧件，
19_物体。
l一基座， 5—远关节轴， 8—第一连杆， 12 —第三连杆， 16—第二簧件，
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置的一种实施例，如图l、图2、图 3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12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、减速器6和电机7;所说的电机7与基座1固接， 电机7的输出轴与所说的减速器6的输入轴相连，减速器6的输出轴与所说的近关节轴4相 连，近关节轴4套设在基座1中，所说的远关节轴5套设在所说的第一指段2中；第一指段 2套接在近关节轴4上，所说的第二指段3套接在远关节轴5上；所说的近关节轴4和远关 节轴5的轴线相互平行；
该实施例还包括第一连杆8、第一轴9、第二连杆10、第二轴11、第三连杆12、第三轴 13、第四连杆14、第一簧件15和第二簧件16;
所说的第一连杆8的一端套固在近关节轴4上，第一连杆8的另一端通过所说的第一轴9 与所说的第二连杆10 —端铰接，第二连杆10的另一端通过所说的第二轴11与第二指段3铰 接；所说的第三连杆12的一端套接在近关节轴4上，第三连杆的另一端通过所说的第三轴 13与所说的第四连杆14的一端铰接，第四连杆14的另一端套接在第二轴11上；所说的第一簧件15的两端分别连接第一连杆8和第一指段2，所说的第二簧件16的两端分别连接第 三连杆12和基座1;所说的第一轴9、第二轴ll、第三轴13和近关节轴4的轴线相互平行。
本实施例中，所说的近关节轴4、远关节轴5、第一轴9、第二轴11和第三轴13符合如 下关系设近关节轴4的轴线与远关节轴5的轴线所在平面为户平面，第一轴9的轴线与远 关节轴5的轴线所在平面为M平面；则第一轴9的轴线和第三轴13的轴线在P平面的两侧， 第二轴11的轴线和第三轴13的轴线在M平面的两侧。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的第一簧件 15和第二簧件16采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。
在本实施例中，所说的第一簧件15和第二簧件16采用扭簧。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的第二簧件 16的弹力限制作用强于第一簧件15的弹力限制作用。
在本实施例中，所说的簧件的弹力限制作用与第一簧件15和第二簧件16的直径、圈数 和第一指段2、第二指段3转动过程中的受力有关。当第二簧件16的弹力限制作用强于第一 簧件15的弹力限制作用，可实现如下效果当第一指段2从伸直状态开始转动时，在第一指 段2未碰触物体前，手指以耦合方式转动，即第二指段3同时相对于第一指段2转动，此时 第三连杆12在第二簧件16的作用下相对于基座保持固定，第一簧件15发生变形。当第一指 段2碰触物体后，电机7继续转动，则手指以欠驱动方式转动，第二指段3相对于第一指段 2绕远关节轴5转动，直到第二指段3碰触物体，此时第一簧件15与第二簧件16都发生变 形。如果改变第一簧件15与第二簧件16的弹力限制作用的关系，则可获得手指转动时耦合 方式与欠驱动方式先后不同顺序的效果。
本发明所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于在所说的减速器6 与近关节轴4之间设有传动机构17，减速器6的输出轴通过所说的传动机构17与近关节轴4 相连。
在本实施例中，所说的传动机构17采用齿轮传动机构。 在本实施例中，在所说的电机7上设有编码器20。
本实施例的工作原理，如图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19，叙述如下 本实施例的初始状态如图13所示，类似人的手指伸直状态。
当本实施例抓取物体时，电机7转动，通过减速器6、传动机构17带动近关节轴4转动， 近关节轴4带动与之固接的第一连杆8转动；由于第一簧件15的弹力限制作用，第一连杆8 通过第一簧件15带动第一指段2绕近关节轴4转动；远关节轴5套接在第一指段2中，带 动第二指段3跟随第一指段2—起运动；由于第二簧件16的弹力限制作用，第三连杆12不 发生转动，其位置相对于基座1固定不变，但由于第二轴11跟随第二指段3相对于近关节轴 4转动，第四连杆14相对于远关节轴5的位置改变，从而第四连杆14推动第二指段3在第 一指段2绕近关节轴4转动的同时绕远关节轴5相对于第一指段2转动，此时第一簧件15产 生变形，但由于第二簧件16的弹力限制作用强于第一簧件15，故第二簧件16仍不发生变形，
7此即为手指两个指段采用耦合方式转动的过程，如图14所示。通过调整第一连杆8、第二连 杆10、第三连杆12、第四连杆14的长度，以及第二轴11与远关节轴5的轴线的距离，可以 获得不同的耦合效果，即耦合转动时第一指段2绕近关节轴4转动的角度与第二指段3绕远 关节轴5相对于第一指端2转动的角度的不同比例。此时会遇到以下三种情况
(a) 第二指段3碰到物体，第二指段3受限制无法运动，并依次通过第二轴ll、第二连杆 10、第一轴9和第一连杆8限制近关节轴4转动，抓取结束，如图19所示。
(b) 第一指段2和第二指段3同时碰到物体，第一指段2和第二指段3均受限制无法运动， 抓取结束，如图18所示。
(c) 第一指段2碰到物体，如图15所示，第一指段2受限制无法运动，此时第一连杆8在 近关节轴4的带动下克服第一簧件15的变形弹力继续转动，并依次通过第一轴9、第二连杆 10和第二轴11推动第二指段3绕远关节轴5转动，同时第二轴11通过第四连杆14和第三 轴13拉动第三连杆12克服第二簧件16的变形弹力绕近关节轴4转动，此即为手指采用欠驱 动方式转动的过程，如图16所示；直到第二指段3碰到物体，第一指段2和第二指段3均受 限制无法运动，抓取结束，如图17所示。
当放开物体时，电机7反转，通过减速器6、传动机构17带动近关节轴4反转，第一连 杆8在近关节轴4带动下反转，第一连杆8依次通过第一轴9、第二连杆10和第二轴11拉 动第二指段3绕远关节轴5反转，同时第二轴11通过第四连杆14和第三轴13推动第三连杆 12反转，此时第一簧件15和第二簧件16的变形逐渐较小，直到第二簧件16完全恢复到未 变形状态，如图15所示；第一连杆8继续反转，通过第一轴9、第二连杆10和第二轴11拉 动第二指段3继续绕远关节轴5反转，由于第二簧件16的弹力限制作用，第三连杆12不再 转动，故第四连杆14相对于远关节轴5的位置改变，第四连杆14通过第二轴11、第二指段 3和远关节轴5拉动第一指段2绕近关节轴4反转，直到第一指段2与第三指段3同时反转 到初始的手指伸直状态，在基座1和第一指段2后背上方均有凸台，此凸台将限制手指反转 时超过其初始伸直位置，起到限位作用，反转结束，如图13所示。
本发明利用多个连杆和簧件构成耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接两个指段，综合 实现了两关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果。其中由两 个连杆和一个簧件构成耦合传动机构；由另外两个连杆和一个簧件构成欠驱动自适应传动机
构，两套机构结合为一体，同时工作，可以实现手指耦合转动及自动解耦以欠驱动自适应方 式转动。该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，动作高度拟人化，同时有利于对物体 的包络，防止物体离开手指抓取范围，并可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以 采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取， 抓取稳定，集耦合抓取方式和欠驱动自适应抓取方式的优点于一身。该手指装置仅采用四个 连杆构成传动机构，因而结构异常简单，体积小，稳定可靠，出力大，成本低廉，对控制系 统要求低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。
权利要求
1、一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，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)、减速器(6)和电机(7)；所说的电机(7)与基座(1)固接，电机(7)的输出轴与所说的减速器(6)的输入轴相连，减速器(6)的输出轴与所说的近关节轴(4)相连，近关节轴(4)套设在基座(1)中，所说的远关节轴(5)套设在所说的第一指段(2)中；第一指段(2)套接在近关节轴(4)上，所说的第二指段(3)套接在远关节轴(5)上；所说的近关节轴(4)和远关节轴(5)的轴线相互平行；其特征在于该耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置还包括第一连杆(8)、第一轴(9)、第二连杆(10)、第二轴(11)、第三连杆(12)、第三轴(13)、第四连杆(14)、第一簧件(15)和第二簧件(16)；所说的第一连杆(8)的一端套固在近关节轴(4)上，第一连杆(8)的另一端通过所说的第一轴(9)与所说的第二连杆(10)一端铰接，第二连杆(10)的另一端通过所说的第二轴(11)与第二指段(3)铰接；所说的第三连杆(12)的一端套接在近关节轴(4)上，第三连杆的另一端通过所说的第三轴(13)与所说的第四连杆(14)的一端铰接，第四连杆(14)的另一端套接在第二轴(11)上；所说的第一簧件(15)的两端分别连接第一连杆(8)和第一指段(2)，所说的第二簧件(16)的两端分别连接第三连杆(12)和基座(1)；所说的第一轴(9)、第二轴(11)、第三轴(13)和近关节轴(4)的轴线相互平行。
2、 如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的 近关节轴(4)、远关节轴(5)、第一轴(9)、第二轴(11)和第三轴(13)符合如下关系 设近关节轴(4)的轴线与远关节轴(5)的轴线所在平面为P平面，第一轴(9)的轴线与远 关节轴(5)的轴线所在平面为M平面；则第一轴(9)的轴线和第三轴(13)的轴线在户平 面的两侧，第二轴(11)的轴线和第三轴(13)的轴线在M平面的两侧。
3、 如权利要求l所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的 第一簧件(15)和第二簧件(16)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。
4、 如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于所说的 第二簧件(16)的弹力限制作用强于第一簧件(15)的弹力限制作用。
5、 如权利要求l所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于在所说 的减速器(6)与近关节轴(4)之间设有传动机构(17)，减速器(6)的输出轴通过所说的 传动机构(17)与近关节轴(4)相连。
6、 如权利要求1所说的耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，其特征在于在所说 的电机(7)上设有编码器(18)。
全文摘要
耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、两个指段、两个关节轴、电机、四个连杆和两个簧件等。本发明利用连杆和簧件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接两个指段，综合实现了两关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果，该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，且可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取。该手指装置出力大，对控制系统要求低，结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。
文档编号B25J15/00GK101664930SQ20091009292
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者张文增, 赵得洋 申请人:清华大学