专利名称：齿条耦合式灵巧机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人手机器人技术领域，特别涉及一种齿条耦合式灵巧机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
随着工业化进程迅猛的发展，越来越多的生产使用机器人或者部分使用机器人。 拟人机器人最重要的功能之一是抓取物体，是目前研究的热点。人手具有20个以上的自由度，主要分布在5个手指的多个关节上，如果全部采用电机来驱动控制，其实时控制的要求很高，即使抓取一个简单的物体也需要复杂的传感和控制。为了减轻控制的难度，一种方法是降低同时控制电机的数量，这样抓取物体的实时性能够更容易保证，但是带来一个问题 如何让较少的电机驱动较多的关节(即欠驱动抓取)，并且动作过程拟人化效果好，抓取物体仍然稳定可靠。通常有两种方式可以实现欠驱动抓取，一种是自适应欠驱动手指机构，经常简称为自适应手指或欠驱动手指，另一种是耦合欠驱动手指机构，经常简称为耦合手指。自适应手指虽然被动的实现了自动适应物体的形状和尺寸，但是存在一种不稳定抓取现象靠近根部的指段会发生挤跑物体或破坏物体；还存在另一种不稳定现象在自适应抓取达到之后，如果抓持力过大也会进一步导致物体被推开；此外，该手指的抓取过程不拟人，也无法实现自弯曲(握拳)等手势。耦合手指虽然抓取过程比较拟人化，能够自弯曲，且抓取较为稳定，但是不具有自适应性，实现捏持较好，对多数物体难以实现较好的握持效果。已有的一种耦合双关节机器人手指装置(中国发明专利CN101653940)，包括基座、电机、减速器、中部指段、末端指段、齿条、齿轮等。电机通过减速器带动中部指段绕近关节轴转动，末端指段会同时转动一个角度，达到近关节轴和远关节轴同时转动的耦合转动效果。该装置不足之处是在抓取物体的过程中，近关节轴和远关节轴的转动是同时的，当中部指段接触物体被阻挡不能再继续转动时，末端指段即使没有接触物体也无法再进一步转动，因此抓取效果不好。较好的抓取方式应该是中部指段和末端指段都能接触到物体并施加抓持力。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条耦合式灵巧机器人手指装置，该装置具有两个自由度，能实现多种抓取模式，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；幻双关节先耦合转动，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。本发明的技术方案如下—种齿条耦合式灵巧机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述的近关节轴套设在基座中，中部指段套固在近关节轴上，所述的远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行，末端指段套固在远关节轴上；其特征在于该齿条耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机、第一减速器、第二电机、第二减速器、 第一齿轮、双联齿条和第二齿轮；所述的第一电机和第一减速器均与基座固接，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，第一减速器的输出轴与近关节轴相连；所述的第二电机和第二减速器均与基座固接，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第二减速器的输出轴与第一齿轮相连；所述的双联齿条包括固接在一起的上齿段和下齿段；所述的第一齿轮套接在近关节轴上，所述的第二齿轮套固在远关节轴上并与末端指段固接；所述的双联齿条镶嵌在中部指段中，所述双联齿条的下齿段与第一齿轮啮合，所述双联齿条的上齿段与第二齿轮啮合；令双联齿条的下齿段与第一齿轮的啮合点为A，双联齿条的上齿段与第二齿轮的啮合点为B，第一齿轮的中心点为O1,第二齿轮的中心点为O2，线段0ΑΑΒ、 BO2和O2O1构成“8”字形，线段AB和O1O2的交点位于O1和O2之间。本发明所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于第一减速器的输出轴通过第一传动机构与近关节轴相连。本发明所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于第二减速器的输出轴通过第二传动机构与第一齿轮相连。本发明所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第一传动机构包括第一带轮、第一传动带、第三带轮；所述的第一带轮套固在第一减速器的输出轴上， 第三带轮套固在近关节轴上，第一带轮与第三带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系。本发明所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二传动机构包括第二带轮、第二传动带、第四带轮；所述的第二带轮套固在第二减速器的输出轴上， 第四带轮套接在近关节轴上，第二带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系，第四带轮与第一齿轮固接。本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二减速器的减速比至少为100。本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二减速器采用具有自锁特性的减速传动机构。本发明与现有技术比较，具有以下优点和突出性效果该装置实现了两自由度的四种抓取模式1)双关节耦合转动抓取模式；2)双关节独立转动抓取模式；幻双关节先耦合转动，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；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
图1是本发明提供的齿条耦合式灵巧机器人手指装置的一种实施例的正面外观2是本实施例的侧视图，也是图1的右视图。图3是本实施例的正面剖视图，也是图1的剖视图。
图4是图3中的C-C剖视图。图5是与图4对应的A、B、O1和仏这四个点的连线图。
图6是本实施例的三维外观图。图7是本实施例的传动机构三维外观图。图8是本实施例的三维爆炸视图。图9、图10、图11和图12是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。图13是本实施例捏持物体的情况示意图。在图1至图13中1-基座，2-中部指段，3-末端指段
4-近关节轴，5-远关节轴，
61--第— 电机，62--第一减速器，
65--第— 带轮，66--第一传动带，67--第三带轮，
71--第— 齿轮，72--双联齿条，73--第二齿轮，
81--第二.电机，82--第二减速器，
85--第二.带轮，86--第二传动带，87--第四带轮。
具体实施例方式下面结合附图及实例进一步介绍本发明的具体结构、工作原理。本发明设计的一种齿条耦合式灵巧机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、 图4、图5、图6、图7和图8所示，包括基座1、中部指段2、末端指段3、近关节轴4和远关节轴5 ；所述的近关节轴4套设在基座1中，中部指段2套固在近关节轴4上，所述的远关节轴5套设在中部指段2中，近关节轴4和远关节轴5平行，末端指段3套固在远关节轴5 上；其特征在于该齿条耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机61、第一减速器62、第二电机81、第二减速器82、第一齿轮71、双联齿条72和第二齿轮73 ；所述的第一电机61和第一减速器62均与基座1固接，第一电机61的输出轴与第一减速器62的输入轴相连，第一减速器62的输出轴与近关节轴4相连；所述的第二电机81和第二减速器82均与基座1 固接，第二电机81的输出轴与第二减速器82的输入轴相连，第二减速器82的输出轴与第一齿轮71相连所述的双联齿条72包括固接在一起的上齿段和下齿段；所述的第一齿轮71套接在近关节轴4上，所述的第二齿轮73套固在远关节轴5上并与末端指段3固接；所述的双联齿条72镶嵌在中部指段2中，所述双联齿条72的下齿段与第一齿轮71啮合，所述双联齿条72的上齿段与第二齿轮73啮合；令双联齿条72的下齿段与第一齿轮71的啮合点为 A，双联齿条72的上齿段与第二齿轮73的啮合点为B，第一齿轮71的中心点为O1,第二齿轮73的中心点为O2,线段O1A, AB、BO2和O2O1构成“8”字形，线段AB和O1O2的交点位于O1 和O2之间。本实施例中，第一减速器62的输出轴通过第一传动机构与近关节轴4相连。本实施例中，第二减速器82的输出轴通过第二传动机构与第一齿轮71相连。本实施例中，所述的第一传动机构包括第一带轮65、第一传动带66、第三带轮67 ；所述的第一带轮65套固在第一减速器62的输出轴上，第三带轮67套固在近关节轴上，第一带轮65与第三带轮67之间通过第一传动带66连接且三者形成带传动关系。本实施例中，所述的第二传动机构包括第二带轮85、第二传动带86、第四带轮87 ； 所述的第二带轮85套固在第二减速器82的输出轴上，第四带轮87套接在近关节轴4上， 第二带轮85与第四带轮87之间通过第二传动带86连接且三者形成带传动关系，第四带轮 87与第一齿轮71固接。本发明装置中，所述的第二减速器的减速比至少为100。本实施例中的第二减速器采用行星齿轮减速器，其减速比为275。本发明装置中，所述的第二减速器可以采用具有自锁特性的减速传动机构。另一种实施例中，第二减速器采用具有自锁特性的丝杆螺母传动机构或蜗轮蜗杆传动机构。本实施例的工作原理如图9、图10、图11、图12和图13所示，叙述如下本实施例采用齿轮齿条传动机构、两套电机和减速器综合实现了两自由度机器人手指，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此时只让第一电机61转动，第二电机81不使用；2)双关节独立转动抓取模式此时两个电机可以同时转动，第一电机61会使得手指产生耦合联动，第二电机81可以在此基础上任意改变末端指段的角度；3)双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式此时先转动第一电机61，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机61，再转动第二电机81 ；4)双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式此时先同时启动两个电机， 根据情况一段时间之后停止第二电机81，再转动第一电机61。下面对常用的第二种抓取模式进一步举例解释其动作原理。该装置采用第二种抓取模式抓取物体的过程分为两个阶段耦合抓取阶段和灵巧抓取阶段。该装置的初始位置如图9所示，此时中部指段2和末端指段3与基座1呈手指伸直状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体时，第一电机61转动，经第一减速器62通过第一带轮65再通过第一传动带66带动固接在近关节轴4上的第三带轮67转动，带动中部指段2绕着近关节轴4转动角度α，如图10所示。此时，第二电机81并未转动，由于第二减速器72的减速比很大075 1)，呈现 “软自锁”状态(第二减速器也可采用具有自锁特性的减速器)，第一齿轮71不动(仿佛固接在基座1上)。因此，中部指段2的转动会让齿条72带动第二齿轮73绕远关节轴5的中心线转动角度α，使得末端指段3绕远关节轴5的中心线转动角度β，从而实现了近关节轴4与远关节轴5两个关节的同时转动，即第一抓取阶段的耦合转动，如图11所示。当第一齿轮71与第二齿轮73分度圆直径相同时，两个关节的转动角度相同，即1 1耦合转动。改变第一齿轮71与第二齿轮73的大小可获得不同角度比例的耦合效果。此时，如果末端指段3接触物体，而中部指段2没有接触物体，此时末端指段3和中部指段2均转过了角度Φ，那么抓取结束，在这种抓取情况下仅有一个耦合抓取过程，这实现了捏持物体的效果，如图13所示。如果耦合抓取过程中，中部指段2先接触到物体，此时中部指段2已转动了角度 β，末端指段3也转动了角度β，如图11所示，那么，此时停止第一电机61，启动第二电机 81，那么后续过程为一个灵巧抓取阶段，如下
第二电机81转动，末端指段3可不受中部指段2转角β的限制，继续转动直至最终转动到接触物体，此时末端指段3多转动了一个角度Y，即实现第二抓取阶段的灵巧抓取，如图12所示。放开物体的过程为第一电机61和第二电机81分别反转，与抓取物体过程相反， 不再赘述。本实施例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；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
权利要求
1.一种齿条耦合式灵巧机器人手指装置，包括基座(1)、中部指段O)、末端指段(3)、 近关节轴⑷和远关节轴(5)；所述的近关节轴⑷套设在基座⑴中，中部指段(2)套固在近关节轴(4)上，所述的远关节轴( 套设在中部指段O)中，近关节轴和远关节轴平行，末端指段( 套固在远关节轴上；其特征在于该齿条耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机(61)、第一减速器(62)、第二电机(81)、第二减速器(82)、第一齿轮(71)、双联齿条(7 和第二齿轮(7 ；所述的第一电机(61)和第一减速器(6 均与基座固接，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，第一减速器的输出轴与近关节轴相连；所述的第二电机(81)和第二减速器(8 均与基座固接，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第二减速器(8 的输出轴与第一齿轮(71)相连；所述的双联齿条(7 包括固接在一起的上齿段和下齿段；所述的第一齿轮(71)套接在近关节轴(4)上，所述的第二齿轮 (73)套固在远关节轴( 上并与末端指段(3)固接；所述的双联齿条(7 镶嵌在中部指段中，所述双联齿条的下齿段与第一齿轮啮合，所述双联齿条的上齿段与第二齿轮啮合；令双联齿条的下齿段与第一齿轮的啮合点为A，双联齿条的上齿段与第二齿轮的啮合点为B， 第一齿轮的中心点为O1,第二齿轮的中心点为O2，线段O1A、线段AB、线段BO2和线段O2O1构成“8”字形，线段AB和线段O1O2的交点位于O1和O2之间。
2.如权利要求1所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于第一减速器的输出轴通过第一传动机构与近关节轴相连。
3.如权利要求1所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于第二减速器的输出轴通过第二传动机构与第一齿轮相连。
4.如权利要求2所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第一传动机构包括第一带轮(6 、第一传动带(66)和第三带轮(67)；所述的第一带轮套固在第一减速器的输出轴上，第三带轮套固在近关节轴上，第一带轮与第三带轮之间通过第一传动带连接且三者形成带传动关系。
5.如权利要求3所述的齿条耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二传动机构包括第二带轮(81)、第二传动带(86)和第四带轮(87)；所述的第二带轮套固在第二减速器的输出轴上，第四带轮套接在近关节轴上，第二带轮与第四带轮之间通过第二传动带连接且三者形成带传动关系，第四带轮与第一齿轮固接。
6.如权利要求1所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二减速器的减速比至少为100
7.如权利要求1所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于所述的第二减速器采用具有自锁特性的减速传动机构。
全文摘要
齿条耦合式灵巧机器人手指装置，属于拟人机器人手技术领域，包括基座、两个电机、近关节轴、远关节轴、中部指段、末端指段、多个带轮传动机构、第一齿轮、第二齿轮和齿条。该装置实现了两自由度的四种抓取模式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；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
文档编号B25J17/02GK102514012SQ20111043973
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者张文增, 方波浪 申请人:清华大学