专利名称：耦合欠驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种拟人机器人手指装置。
背景技术：
在我们的日常生活和工作学习中，手部对我们来说是极其重要的。和我们类似，机器人手部在其日常工作和生产中也是极重要的。目前机器人手的设计制造得到了科学和工业生产各个部门的广泛关注。而又由于手部的关节自由度多，体积小和出力要求大等特点， 给机器人手设计制造领域带来了很多技术难题，目前机器人手的设计已经逐步成为机器人相关技术研究的重点、热点和难点。已有的一种“耦合”抓取物体的模式是指手指的各个关节均有一定程度的弯曲转动，并且各个关节同时同向弯曲转动。根据此模式所生成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11角度的耦合运动。该类耦合抓取式机械手指装置的不足之处为各关节均以固定比例角度的转动，没有任意比例角度的转动，在抓取物体时一般以捏持方式抓持物体，很难以恰好适应物体表面大小尺寸的方式实现握持抓取方式抓取，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自适应性，所以这类手指的抓取效果不好。为了克服前面所说的耦合抓取模式存在的不能自动适应物体大小和形状的缺点， 一种具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式应运而生。一般我们简单地将“解耦”欠驱动手指称为欠驱动手指。所谓欠驱动机构是指驱动器个数比被驱动的关节自由度数目少的机构。 在欠驱动机构中，多个关节的转动角度无固定比例，开始时电机会驱动整个手指(包括第一指段、第二指段)呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段(最靠近手指根部的指段)碰触物体而被阻挡不能再转动时，电机的驱动力会自动转向驱动下一个关节转动，从而使第二指段再绕远关节轴转动，实现了两个关节顺序转动的方式。该机构最大的优点就是能够自动适应物体大小，非常有利于稳定抓取。根据此抓取模式所生成的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101288954A)，包括括基座、电机、中部指段、远关节轴、末端指段、主动锥齿轮、从动锥齿轮和双联锥齿轮等。但该类欠驱动机械手指装置还存在的不足之处为手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化程度不够；抓取方式主要为握持方式，难以实现末端捏持抓取物体；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是提供一种两关节机器人手指装置，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者简单有效地融合。( 二)技术方案[0008]为解决上述技术问题，本实用新型采用的耦合欠驱动机器人手指装置，包括基座、 电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机和减速器与基座固接，近关节轴套设在基座中，中部指段套接在近关节轴上，远关节轴套设在中部指段中，末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节轴平行；所述的耦合欠驱动机器人手指装还包括第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第一簧件、第二簧件和第三簧件。第一传动机构包括第二锥齿轮、第三锥齿轮和双锥齿轮；所述的第二锥齿轮套固在远关节轴上，第三锥齿轮套固在近关节轴上；双锥齿轮由双锥齿轮轴、下锥齿轮和上锥齿轮组成，上锥齿轮与第二锥齿轮啮合，下锥齿轮与第三锥齿轮啮合。第二传动机构包括第一齿轮和第二齿轮；减速器的输出轴与第一齿轮固接，第一齿轮与第二齿轮相啮合，第二齿轮套固在近关节轴上。作为本实用新型的一种优选方案，第三传动机构包括第一主动轮、第一从动轮；所述的第一主动轮固接在近关节轴上，第一从动轮套接在远关节轴上，第一传动件连接第一主动轮和第一从动轮；第一传动件采用平带、齿形带、腱绳或链条，第一主动轮采用传动轮、 绳轮或链轮，第一从动轮采用传动轮、绳轮或链轮，第一传动件、第一主动轮和第一从动轮三者之间能够配合形成传动关系。第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；第二簧件的两端分别连接基座和第一锥齿轮；第三簧件的两端分连接远关节轴和第一从动轮。作为本实用新型的另一种优选方案，第三传动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和双锥齿轮；第一锥齿轮套接在近关节轴上，双锥齿轮的上锥齿轮与第二锥齿轮啮合，下锥齿轮与第一锥齿轮啮合。第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；第二簧件的两端分别连接基座和第一锥齿轮；第三簧件的两端分别连接近关节轴和第三锥齿轮，第二簧件的劲度系数大于第三簧件的劲度系数。(三)有益效果本实用新型的优点在于该装置采用电机、第一传动机构、第二传动机构和多个簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合。该装置结构简单；手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
图1是本实用新型第一种实施方式的正面外观图。图2是本实用新型第一种实施方式的正面剖视图也是图1的剖视图。图3是本实用新型第二种实施方式的正面外观图。图4是本实用新型第二种实施方式的正面剖视图也是图1的剖视图。图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11是本实用新型抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型包括基座1、电机2、减速器7、近关节轴 3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6 ；电机2和减速器7与基座1固接，近关节轴3套设在基座1中，中部指段4套接在近关节轴3上，远关节轴5套设在中部指段4中，末端指段 6套固在远关节轴5上，远关节轴5和近关节轴3平行；该两关节机器人手指装置还包括第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；第一传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连；第二传动机构一端与减速器相连，另一端与近关节轴相连；第三传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连。。 第一传动机构包括第二锥齿轮22、第三锥齿轮23和双锥齿轮31 ；所述的第二锥齿轮22套固在远关节轴5上，第三锥齿轮23套固在近关节轴3上，双锥齿轮31由双锥齿轮轴310、下锥齿轮311和上锥齿轮312组成，上锥齿轮312与第二锥齿轮22啮合，下锥齿轮 311与第三锥齿轮23啮合。第二传动机构包括第一齿轮61和第二齿轮62 ；减速器7的输出轴与第一齿轮61 固接，第一齿轮61与第二齿轮62相啮合，第二齿轮62套固在近关节轴3上。在本实施例一中，第三传动机构包括第一主动轮、第一从动轮；第一主动轮11固接在近关节轴3上，所述的第一从动轮12套接在远关节轴5上，所述的第一传动件13连接第一主动轮11和第一从动轮12 ；所述的第一传动件13采用平带、齿形带、腱绳或链条，所述的第一主动轮11采用传动轮、绳轮或链轮，所述的第一从动轮12采用传动轮、绳轮或链轮，所述的第一传动件13、第一主动轮11和第一从动轮12三者之间能够配合形成传动关系，本实施例中第一主动轮11和第一从动轮12均采用传动轮，第一传动件13采用平带；第一簧件41的两端分别连接近关节轴3和中部指段4 ；所述的第二簧件42的两端分别连接基座1和第一锥齿轮21 ；所述的第三簧件43的两端分连接远关节轴5和第一从动轮12。在本实施例一中，耦合欠驱动机器人手指装置设有以下3个凸台第一凸台51连接第二簧件41 一端并镶嵌固定在中部指段4上；第二凸台52连接第一簧件42 —端并镶嵌固定在第一锥齿轮21上；第三凸台53连接第三簧件43 —端并镶嵌固定在第一从动轮12 上；下面结合图3和图4，详细介绍本实用新型的第二种实施方式。如图3和图4所示的实施例二中可知，第三传动机构包括第一锥齿轮21、第二锥齿轮22和双锥齿轮31 ；第一锥齿轮21套接在近关节轴3上，双锥齿轮31的上锥齿轮312与第一锥齿轮22啮合，下锥齿轮311与第一锥齿轮21啮合。第一簧件41的两端分别连接近关节轴3和中部指段4，第二簧件42的两端分别连接基座1和第一锥齿轮21，第三簧件43 的两端分别连接近关节轴3和第三锥齿轮23，第二簧件42的劲度系数大于第三簧件43的劲度系数。本实施例二中，耦合欠驱动机器人手指装置设有以下3个凸台第一凸台51连接第一簧件41 一端并镶嵌固定在中部指段4上；第二凸台52镶嵌固定在基座1和第一锥齿轮21上；第三凸台53连接第三簧件43 —端并镶嵌固定在第三锥齿轮23上。以上所述的第一簧件41、第二簧件42和第三簧件43可以采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例的工作原理，如图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，叙述如下该装置一种情形下的初始位置如图5所示，在这种情况下，初始时中部指段4和末端指段6都没有接触物体，并且物体9与中部指段4相距较近，手指在转动过程中会由中部指段4首先碰触物体9。电机2刚开始转动时，中部指段4和末端指段6与基座1呈手指伸直的状态。当使用本实用新型的机器人手指抓取物体9时，电机2的输出轴转动，通过第一齿轮61带动固接有第二齿轮62的近关节轴3转动，由于第一簧件41的约束作用，中部指段4和近关节轴3仿佛固接在一起，中部指段4将绕着近关节轴3转动角度α。 由于第一锥齿轮21通过第二簧件42与基座1连接，在中部指段4转动过程中，远关节轴5相对于近关节轴3的位置将改变，由于双锥齿轮31的下锥齿轮311与第一锥齿轮 21啮合，故而中部指段4的转动会使得双锥齿轮31的上锥齿轮312推动与其啮合的第二锥齿轮22绕远关节轴5的中心线转动同样一个角度α，当第一锥齿轮21和第二锥齿轮22 大小一致时，两关节的耦合转动角度为1 1，当然第一锥齿轮21和第二锥齿轮22也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果，又由于第二锥齿轮22与远关节轴固接，将使得远关节轴5绕自身轴线转动角度α。由于第三传动机构的结构形式和簧件分布位置的不同，第三簧件43产生过程和变形量也不同，下面就详细介绍两种实施方式中产生过程。采用第一种实施方式时，电机2的输出轴转动，通过第一齿轮11和第二齿轮12带动固接有第一主动轮11的近关节轴3转动，第一主动轮11拉动第一传动件13，使得第一从动轮12绕远关节轴5转动角度α。由于此时中部指段4也绕着近关节轴3转动了角度 α，故第一从动轮12相对于中部指段4的位置没有改变，因此连接远关节轴5和第一从动轮12的第三簧件43产生一定的变形量。采用第二种实施方式时，电机2的输出轴转动，经过第一齿轮11和第二齿轮12带动通过第三簧件43与近关节轴3相连的第二锥齿轮22转动，由于双锥齿轮轴310绕着自身的轴线转动角度α，同时双锥齿轮31随着中部指段4绕近关节轴3轴线转动角度α，这两种效果叠加导致与双锥齿轮31的下锥齿轮311啮合的第二锥齿轮22绕着近关节轴3轴线转动角度2 α，所以此时第三簧件43的变形量是第一簧件41的2倍。此时，由于末端指段6套固在远关节轴5上，末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线转动角度α，如图6所示。此过程直到中部指段4碰到物体9，中部指段绕近关节轴转动了角度β，末端指段也绕远关节轴的中心线转动了角度β，如图9所示。上述过程均为两关节采用耦合方式转动。此时，如果末端指段6接触物体9，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图 9所示。此时，如果末端指段6还未接触物体9，如图7所示。电机2的输出轴继续转动，通过第一齿轮11和第二齿轮12带动通过簧件43与近关节轴3套接的第一锥齿轮21转动。由于这时中部指段4已经接触物体9，中部指段4不能继续绕近关节轴3转动，第一簧件41的继续变形将使中部指段4以越来越大的抓取力紧靠物体9。同时由于第三簧件 43的变形量较之其余两个簧件的变形量大，所以随着电机2的继续转动，第三簧件43会带动第一锥齿轮21绕着近关节轴3的轴线继续转动，从而带动双锥齿轮31的下锥齿轮311 继续转动，使得与双锥齿轮31的上锥齿轮312啮合的第二锥齿轮22转动，又由于第二锥齿轮22与远关节轴5固接，将使得远关节轴5绕自身轴线继续转动，从而末端指段6能够继续绕远关节轴5的轴线转动。这一过程直到末端指段6接触到物体9，完成抓持动作，如图 8所示。此过程使得该装置能够自动适应抓取不同形状和尺寸大小的物体。该装置在另一种情形下的初始位置如图10所示，这种情况下，物体9与末端指段6相距较近，在这种情况下会由末端指段首先碰触物体。在这种情形下手指一直会以上面所述的那种耦合抓取模式转动，直到末端指段6碰触到物体为止，完成抓持，在这种情形下手指的运动过程中没有进行欠驱动自适应模式，手指直接通过耦合抓取模式完成抓持，如图 11所示。 以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种耦合欠驱动机器人手指装置，包括基座(1)、电机O)、减速器(7)、近关节轴 (3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述电机(2)、所述减速器(7)与所述基座(1)固接，所述近关节轴C3)套设在所述基座(1)中，所述中部指段(4)套接在所述近关节轴C3)上，所述远关节轴( 套设在所述中部指段中，所述末端指段(6)套固在所述远关节轴( 上，所述远关节轴( 和所述近关节轴( 平行；其特征在于所述手指装还包括第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构；所述第一传动机构一端与所述近关节轴(3)相连，另一端与所述远关节轴( 相连；所述第二传动机构一端与所述减速器(7)相连，另一端与所述近关节轴C3)相连；所述第三传动机构一端与所述近关节轴C3)相连，另一端与所述远关节轴( 相连。
2.根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第一传动机构包括第二锥齿轮 (22)、第三锥齿轮和双锥齿轮(31)；所述第二锥齿轮0 套固在所述远关节轴(5) 上，所述第三锥齿轮套固在所述近关节轴C3)上；所述双锥齿轮(31)由双锥齿轮轴(310)、下锥齿轮(311)和上锥齿轮(312)组成，所述上锥齿轮(312)与所述第二锥齿轮 (22)啮合，所述下锥齿轮(311)与所述第三锥齿轮啮合。
3.根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第二传动机构包括第一齿轮 (61)和第二齿轮(6 ；所述减速器(7)的输出轴与所述第一齿轮(61)固接，所述第一齿轮 (61)与所述第二齿轮(6 相啮合，所述第二齿轮(6 套固在所述近关节轴( 上。
4.根据权利要求1所述的耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述第三传动机构包括第一主动轮(11)、第一从动轮(1 ；所述第一主动轮(11)固接在所述近关节轴(3) 上，所述第一从动轮(1 套接在所述远关节轴( 上，所述第一传动件(1 连接所述第一主动轮(11)和所述第一从动轮(1 ；所述第一传动件(1 采用平带、齿形带、腱绳或链条，所述第一主动轮(11)采用传动轮、绳轮或链轮，所述第一从动轮(1 采用传动轮、绳轮或链轮，所述第一传动件(1 、所述第一主动轮(11)和所述第一从动轮(1 三者之间能够配合形成传动关系。
5.根据根据权利要求4所述的手指装置，其特征在于该手指装置还设有第一簧件 (41)、第二簧件0 和第三簧件；所述第一簧件Gl)的两端分别连接所述近关节轴 (3)和所述中部指段；所述第二簧件0 的两端分别连接所述基座(1)和所述第一锥齿轮；所述第三簧件G3)的两端分别连接所述远关节轴(5)和所述第一从动轮(12)。
6.根据权利要求1所述的手指装置，其特征在于所述第三传动机构包括第一锥齿轮 (21)、第二锥齿轮0 和双锥齿轮(31)；所述第一锥齿轮套接在所述近关节轴(3) 上，所述双锥齿轮(31)的所述上锥齿轮(31 与所述第二锥齿轮0 啮合，所述下锥齿轮(311)与所述第一锥齿轮啮合。
7.根据根据权利要求6所述的手指装置，其特征在于该手指装置还设有第一簧件 (41)、第二簧件0 和第三簧件；所述第一簧件Gl)的两端分别连接所述近关节轴 (3)和所述中部指段；所述第二簧件G2)的两端分别连接所述基座(1)和所述第一锥齿轮；所述第三簧件^幻的两端分别连接所述近关节轴( 和所述第三锥齿轮(23)， 所述第二簧件G2)的劲度系数大于所述第三簧件G3)的劲度系数。
专利摘要本实用新型公开了一种耦合欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段、第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构；电机、减速器与基座固接，近关节轴套设在基座中，中部指段套接在近关节轴上，远关节轴套设在中部指段中，末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节轴平行；第一传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连；第二传动机构一端与减速器相连，另一端与近关节轴相连；第三传动机构一端与近关节轴相连，另一端与远关节轴相连。该装置结构简单；手指的外形与抓取物体的动作与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
文档编号B25J17/00GK202264226SQ20112041421
公开日2012年6月6日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者张卫珠 申请人:宁波力匠机械制造有限公司