专利名称：双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于仿人机器手技术领域，特别涉及一种双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
手对人来说是非常重要的器官，在仿人机器人领域，增强机器人手的机能自然具有重要意义。一方面，通过增加关节数目、驱动数目可以使机器手动作更多样精确，但同时这样又会使机构复杂繁琐；另一方面，如果过分追求机构精简，则势必对机器手的灵活性及抓取动作的精确性产生负面影响。同时，机器人手要求同时保证小巧灵活与足够的抓取力。 目前在这一领域仍存在着许多技术难题。所谓复合欠驱动机器人手指装置，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；而在手指碰到物体后，又可自动适应物体表面形状，完全包络物体，并且只通过一个驱动器驱动多个关节的机器人手指装置。已有的一种机器人手指装置，如中国发明专利CN101664929，主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取，缺点在于机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件解耦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
本发明旨在针对现有技术的不足之处，提供一种双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的设计方案。该装置能够实现耦合与自适应复合欠驱动抓取动作，即不仅具有抓握动作拟人的多关节耦合特性，而且兼备对不同形状、大小物体的自适应抓取特性；拥有较多灵活关节的同时只需单一电机驱动，减少操控难度与成本；结构简单、能量损耗小、 传动效率高。本发明的技术方案如下本发明所述的一种双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，包括电机、减速器、基座、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述电机与所述减速器均固接于所述基座上，电机输出轴与减速器输入轴相连，减速器输出轴与所述第一齿轮固接；所述近关节轴活动套设于基座中，所述中部指段活动套接于近关节轴上，所述远关节轴活动套设于中部指段中，所述末端指段套固于远关节轴上；所述基座轴、近关节轴和远关节轴三者空间平行布置；其特征在于该装置还包括基座轴、基座传动机构，第一齿轮、第二齿轮、主动轮、从动轮、传动件、第一簧件、第二簧件和过渡轮；所述基座轴活动套设于基座中，所述基座轴、近关节轴和远关节轴平行布置；所述减速器输出轴通过基座传动机构与基座轴相连；所述第一齿轮和主动轮均套固于基座轴上；所述第二齿轮套固于近关节轴上，并与所述第一齿轮啮合；所述第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；所述第二簧件两端分别连接中部指段和远关节轴；所述过渡轮活动套接在近关节轴上；所述从动轮套固在远关节轴上；所述传动件的一端与所述主动轮固接，另一端绕过过渡轮与所述从动轮固接，且传动件成“S”形。本发明所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的基座传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮；第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，第二锥齿轮套固在基座轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合。本发明所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的主动轮与从动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件采用平带、齿形带、腱绳、钢丝或链条，并且主动轮、从动轮、过渡轮与传动件配合形成传动关系。本发明所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本发明和现有技术相比，具有以下优点和突出性效果本发明装置采用电机、斜带式传动机构及两个簧件等，综合实现了手指先耦合抓取物体然后自适应抓取不同物体的复合欠驱动抓取效果；各指段均具有可观的抓取力，抓取物体更加稳定牢固；手指只需通过少量电机又具备多个灵活指段，操作控制容易。本装置结构简单可靠，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手类似，适合用作拟人机器人的手指部分。
图1是本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的零件说明图。图2是本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的外观图。图3是本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的正面零件说明图。图4是本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的左视图。图5是本实施例的第一簧件的安装示意图。图6是本实施例的第二簧件的安装示意图。图7是本实施例的主动轮、从动轮、过渡轮及传动件的安装示意图。图8是本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置的实施例的耦合弯曲说明图。图9、图10、是本实施例用中部指段、末端指段耦合抓握物体过程示意。图11、图12、图13是本实施例用中部指段、末端指段先耦合后自适应抓握物体过程的示意图。其中图11、图12是手指耦合弯曲过程，图13是末端指段自适应抓握物体过程。在图1至图13中
1-电机，2-减速器，3-基座，
41-中部指段，42-末端指段，51--基座轴，
52-近关节轴，53-远关节轴，6-基座传动机构，
601-第一锥齿轮，602-第二锥齿轮，61--第一齿轮，
62-第二齿轮，71-主动轮，72--从动轮，
8-传动件，91-第一簧件，92--第二簧件，
10-过渡轮。
具体实施例方式本发明所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，包括电机1、减速器 2、基座3、中部指段41、末端指段42、近关节轴52和远关节轴53 ；所述电机1与所述减速器 2均固接于所述基座3上，电机输出轴与减速器输入轴相连，减速器输出轴与所述第一齿轮 61固接；所述近关节轴52活动套设于基座3中，所述中部指段41活动套接于近关节轴52 上，所述远关节轴53活动套设于中部指段41中，所述末端指段42套固于远关节轴53上； 所述基座轴51、近关节轴52和远关节轴53三者空间平行布置；该装置还包括基座轴51、基座传动机构6，第一齿轮61、第二齿轮62、主动轮71、 从动轮72、传动件8、第一簧件91、第二簧件92和过渡轮10 ；所述基座轴51活动套设于基座3中，所述基座轴51、近关节轴52和远关节轴53平行布置；所述减速器输出轴通过基座传动机构6与基座轴相连；所述第一齿轮61和主动轮71均套固于基座轴51上；所述第二齿轮62套固于近关节轴52上，并与所述第一齿轮61啮合；所述第一簧件91的两端分别连接近关节轴52和中部指段42 ；所述第二簧件92两端分别连接中部指段42和远关节轴53 ； 所述过渡轮10活动套接在近关节轴52上；所述从动轮72套固在远关节轴53上；所述传动件8的一端与所述主动轮71固接，另一端绕过过渡轮10与所述从动轮72固接，且传动件成“S”形。本发明所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，所述的基座传动机构6包括第一锥齿轮601和第二锥齿轮602 ；第一锥齿轮601套固在减速器2的输出轴上， 第二锥齿轮602套固在基座轴51上，第一锥齿轮601与第二锥齿轮602相啮合。所述的主动轮71、从动轮72及过渡轮10采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件8采用平带、齿形带、腱绳、钢丝或链条，并且主动轮、从动轮、过渡轮与传动件配合形成传动关系。本实施例中，所述主动轮71、从动轮72与过渡轮10均采用绳轮，所述传动件8采用钢丝。所述第一簧件91及第二簧件92采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例中，所述第一簧件91与第二簧件92均采用扭簧。本实施例的工作原理，如图所示，详细叙述如下该装置的初始位置如4图所示，各指段处于伸直位置，即中部指段41、末端指段42 与基座3成一直线。当使用本发明提供的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指机构抓取物体时，电机1的输出轴转动，经减速器2减速后带动第一锥齿轮601转动。第二锥齿轮 602与第一锥齿轮601啮合，并与基座轴51固接，基座轴51上有套固有第一齿轮61与主动轮71，因此在第一锥齿轮的带动下，第二锥齿轮602连同基座轴51、第一齿轮61、主动轮71将一起转动。第二齿轮62与第一齿轮61啮合，因此在第一齿轮61的带动下第二齿轮 62也将开始转动。由于第一簧件91的存在，在接触物体之前中部指段41仿佛与近关节轴 52固接，因此第二齿轮62将带动近关节轴52 —同转动，并带动中部指段41转动。同时，从动轮72将在主动轮71的转动及传动件8的传动下开始转动，带动与之固接的末端指段42 转动，并不断张紧第二簧件92。手指弯曲过程中，中部指段41转过角度α时，末端指段42 相对中部指段41的轴线多转过角度β，这一 β是由于手指弯曲过程中传动件8缠绕在过渡轮10上以及主动轮71、过渡轮10和从动轮72三者相对位置变化引起的。这一弯曲过程类似人手抓取物体时各指段按一定角度比例弯曲的过程，即称为手指的耦合弯曲过程。如图8所示。若设定主动轮71与过渡轮10的半径均为R，从动轮72的半径为2R，且第一齿轮与第二齿轮半径相同，则可实现末端指段与中部指段分别相对自身轴线转过的角度比为 1 1的传动比。当手指耦合弯曲抓取物体时，各指段按上述耦合过程弯曲，直至完全包络物体表面。如图9、图10所示。当手指自适应抓取物体时，各指段先按上述耦合过程弯曲，如图11所示。当中部指段41接触物体后停止旋转，但由于第一簧件91的存在，近关节轴51的转动并没有被阻挡，因此与第二齿轮62啮合的第一齿轮61仍然可以转动，因此固接在基座轴51上的主动轮71将与第一齿轮61同角速度转动，并经传动件8将转动传递至从动轮72，带动末端指段 42继续弯曲，直至包络物体表面。在中部指段41贴住物体，仅末端指段42弯曲的过程中， 同时中部指段41由第一簧件91的扭矩产生对物体的抓握力。此过程即实现手指各指段自适应包络物体表面并抓紧物体，如图12、图13所示。本发明装置采用电机、斜带式传动机构及两个簧件等，综合实现了手指先耦合弯曲然后自适应抓取不同物体的复合欠驱动抓取效果；各指段均具有可观的抓取力，抓取物体稳定牢固；手指只需通过少量电机又具备多个灵活指段，操作控制容易。本装置机构简单可靠，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手类似，适合用作拟人机器人的手指部分。
权利要求
1.一种双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，包括电机(1)、减速器O)、基座(3)、中部指段(41)、末端指段(42)、近关节轴(52)和远关节轴(53)；所述电机(1)与减速器( 均固接于所述基座C3)上，电机输出轴与减速器输入轴相连；所述近关节轴(52) 活动套设于基座(3)中，所述中部指段Gl)活动套接在近关节轴(5 上，所述远关节轴 (53)活动套设于中部指段Gl)中，所述末端指段0 套固在远关节轴(5 上；其特征在于该装置还包括基座轴(51)、基座传动机构(6)，第一齿轮(61)、第二齿轮(62)、主动轮 (71)、从动轮(72)、传动件(8)、第一簧件(91)、第二簧件(92)和过渡轮(10)；所述基座轴 (51)活动套设于基座(3)中，所述基座轴(51)、近关节轴(5 和远关节轴(5 空间平行布置；所述减速器输出轴通过基座传动机构(6)与基座轴相连；所述第一齿轮(61)和主动轮(71)均套固于基座轴(51)上；所述第二齿轮(62)套固于近关节轴(52)上，并与所述第一齿轮(61)啮合；所述第一簧件(91)的两端分别连接近关节轴(5 和中部指段0 ；所述第二簧件(9 两端分别连接中部指段0 和远关节轴(5 ；所述过渡轮(10)活动套接在近关节轴(5 上；所述从动轮(7 套固在远关节轴(5 上；所述传动件(8)的一端与所述主动轮(71)固接，另一端绕过过渡轮(10)与所述从动轮(72)固接，且传动件成“S” 形。
2.如权利要求1所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于 所述的基座传动机构(6)包括第一锥齿轮(601)和第二锥齿轮(602)；第一锥齿轮(601)套固在减速器O)的输出轴上，第二锥齿轮(60 套固在基座轴(51)上，第一锥齿轮(601) 与第二锥齿轮(60 相啮合。
3.如权利要求1所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于 所述的主动轮(71)、从动轮(7 及过渡轮(10)采用带轮、绳轮或链轮，所述传动件(8)采用平带、齿形带、腱绳、钢丝或链条，并且主动轮、从动轮、过渡轮与传动件配合形成传动关系。
4.如权利要求1所述的双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于 所述第一簧件(91)和第二簧件(9 采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。
全文摘要
双关节斜带式传动复合欠驱动机器人手指装置，属于仿人机器手技术领域，包括电机、减速器、基座、中部指段、末端指段、基座轴、近关节轴、远关节轴、多个齿轮、主动轮、从动轮，传动件、两个轴簧件及近关节轴传动装置。该装置中，基座轴与近关节轴均活动套设于基座中，第二齿轮活动套接在近关节轴上并与近关节轴之间连接有簧件。中部指段套固于近关节轴上，远关节轴套固于中部指段上。主动轮活动套接在基座轴上，从动轮活动套接于远关节轴上并与远关节轴之间连接有簧件。该装置利用主动轮与从动轮之间的反向传动机构与簧件解耦综合作用实现了手指自适应抓取物体，且在抓取过程中各指段耦合弯曲，动作拟人化，机构简单，适合用作拟人机器人手指。
文档编号B25J15/08GK102328316SQ201110252699
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者孙振国, 张文增, 张驰, 都东, 陈强 申请人:清华大学