专利名称：锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
手是人最重要的器官之一，在拟人机器人领域，机器人手同样是至关重要的环节，其结构设计与功能改进是机器人领域的关键技术之一。一方面，机器人手需要完成抓取、搬运等复杂动作，因此需要较为精确的控制机制；另一方面，机器人手的拟人要求决定了其体积小、重量轻等特点。现有的灵巧手有足够的关节数及驱动数以完成精确动作，但非常复杂、昂贵。目前在机器人手领域还存在许多技术难题。欠驱动手在一定程度上解决了这一矛盾。
耦合型欠驱动手指采用多关节同时弯曲的耦合抓取模式，由一个驱动器驱动多个关节按一定比例同时转动。这一模式与人手抓取物体动作类似，拟人性较好，抓取过程较稳定。耦合型手指的不足之处在于动作模式较为固定，无法适应不同形状的物体，一般以捏持方式抓取物体，对于大尺寸物体很难实现握持抓取方式，抓取效果不好。自适应欠驱动手指采用自适应抓取的动作模式，由一个驱动器驱动一个关节，其余关节在手指与物体接触后才开始转动。这种手指可以根据物体的不同形状改变抓取角度，从而达到握持抓取方式，结构简单且控制稳定。自适应欠驱动手指的不足之处在于未接触物体时手指呈固定形态，拟人效果较差；需要在接触物体的过程中产生对远端指节的驱动力，可能导致近端指节受力过大，不利于抓取；对于小尺寸物体无法实现捏持抓取方式，抓取效果受到限制。针对耦合型手指与自适应欠驱动手指各自的不足之处，一种将两者结合起来的新型复合型欠驱动抓取模式被提出来，该抓取模式为手指碰到物体之前先按照耦合模式运动，接触物体之后近端指节的运动被物体限制，此时远端指节继续以自适应模式抓取物体，直至各指节完全接触物体。已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN101633171A，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过程，其不足之处在于耦合传动机构与欠驱动传动机构之间有运动干涉，使用了多个簧件解除约束，造成耦合运动过程中产生很多不必要的能量消耗；耦合机构与自适应机构并联，结构复杂；电机只能放置在基座(手掌)中，手掌空间无法充分利用，没有充分利用指段空间。已有的一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，如中国发明专利CN102166753A，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、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取过程，其不足之处在于电机放置在基座(手掌)中，手掌空间无法充分利用，没有充分利用指段空间。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，该装置可实现耦合抓取与自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式，且该装置结构简单，成本低；电机放置在中部指段中，解放手掌空间；仅用一个驱动器驱动两个关节，传动能量损耗小。本发明的技术方案如下本发明所述的一种锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述的远关节轴活动套接于中部指段中，所述的末端指段套固在远关节轴上；远关节轴和近关节轴平行；其特征在于该装置还包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第一传动机构和簧件；所述的近关节轴套接于基座中并与基座固接；所述的中部指段活动套接在近关节轴上；所述的电机和减速器设置在中部指段中，所述的电机和减速器与中部指段固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮套固在远关节轴上，所述第一锥 齿轮与第二锥齿轮啮合，所述第三锥齿轮活动套接在远关节轴上，所述第一锥齿轮与第三锥齿轮啮合，所述的第一传动机构包括主动轮、从动轮和传动件，所述的主动轮与从动轮通过传动件相连，所述主动轮转动方向与从动轮转动方向相同；所述的主动轮活动套接在远关节轴上；所述的从动轮套固在近关节轴上；所述的簧件的两端分别连接第三锥齿轮和主动轮。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件采用传动带、链条或腱绳，所述的主动轮采用带轮、链轮或绳轮，所述的从动轮采用带轮、链轮或绳轮；所述的传动件、主动轮和从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“O”字形。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件采用齿条，所述的主动轮、从动轮均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮、从动轮啮合；令齿条与主动轮的啮合点为A，齿条与从动轮的啮合点为B，主动轮的中心点为O1,从动轮的中心点为O2，线段O1AjBjO2和O2O1构成“口”字形，所述的齿条镶嵌在中部指段中。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮、从动轮铰接；令连杆与主动轮的铰接点为C，连杆与从动轮的铰接点为D，主动轮的中心点为O1，从动轮的中心点为O2，线段O1C'⑶、DO2和O2O1构成“口”字形。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件包括第I传动齿轮、第2传动齿轮、……、第2n-l传动齿轮、第I过渡轴、第2过渡轴、……、第2n-2过渡轴和第2n-l过渡轴；所述的主动轮、从动轮均采用齿轮；所述的主动轮与第I传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+Ι传动齿轮相啮合，第2n-l传动齿轮与从动轮相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段中，所有的过渡轴与近关节轴平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n-l传动齿轮活动套接在第2n-l过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-2，n为自然数。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果本发明装置采用中置的电机、多个锥齿轮、同向传动机构、活动套接的中部指段和簧件综合实现了耦合与自适应复合型欠驱动抓取模式，该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式。该装置是采用一个电机驱动两个关节的欠驱动手指装置，控制容易；该装置各运动形式之间没有过多干涉，耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；该装置将驱动器置于中部指段中，充分利用了手指空间，布局紧凑；解放了手掌空间，使得更加复杂的控制机构得以安放在手掌中；该装置结构简单、制造成本低、维护方便。
图I是本发明的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置第一种实施例(采用带轮机构)剂视图。图2是图I所示实施例的侧剖图，也是图I的W-W剖视图(未画出第三锥齿轮63)。图3是图I所示实施例的正面外观图，也是图I的外观图。图4是图I所示实施例的左侧外观图。图5是本发明提供的第二种实施例(采用齿条机构)的主动轮、从动轮和传动件示
O图6是本发明提供的第三种实施例(采用连杆机构)的主动轮、从动轮和传动件示
O图7是本发明提供的第四种实施例(采用两级齿轮机构)的主动轮、从动轮和传动件示意。图8是本发明提供的第五种实施例(采用双联锥齿轮两级传动机构)的主动轮、从动轮和传动件示意。图9、图10、图11、和图12是图I所示实施例抓握物体过程示意。在图I至图12中I —基座，11 —中部指段，12 —末端指段，13—电机支承板， 2—电机，21 —减速器，31 —近关节轴，32 —远关节轴，41 —主动轮，42—从动轮，43—传动件，5 —簧件，61 一第一维齿轮， 62 —第二维齿轮，63 —第二维齿轮，81-第I传动齿轮， 83-第I过渡轴，96 —双联维齿轮， 10 —物体。
具体实施例方式下面结合附图及多个实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。本发明设计的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的第一种实施例，如图I、图2、图3和图4所示，包括基座I、电机2、减速器21、中部指段11、末端指段12、近关节轴31和远关节轴32 ;所述的远关节轴32活动套接于中部指段11中，所述的末端指段12套固在远关节轴32上；远关节轴32和近关节轴31平行。该装置还包括第一锥齿轮61、第二锥齿轮62、第三锥齿轮63、第一传动机构和簧件5 ;所述的近关节轴31套接于基座I中并与基座I固接；所述的中部指段11活动套接在近关节轴31上；所述的电机2和减速器21设置在中部指段中，所述的电机2和减速器21与中部指段11固接，电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连，所述第一锥齿轮61套固在减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮62套固在远关节轴32上，所述第一锥齿轮61与第二锥齿轮62啮合，所述第三锥齿轮63活动套接在远关节轴上，所述第一锥齿轮6 1与第三锥齿轮63啮合，所述的第一传动机构包括主动轮41、从动轮42和传动件，所述的主动轮41与从动轮42通过传动件相连,所述主动轮41转动方向与从动轮42转动方向相同；所述的主动轮41活动套接在远关节轴32上；所述的从动轮42套固在近关节轴31上；所述的簧件5的两端分别连接第三锥齿轮63和主动轮41。本实施例还包括电机支承板13，所述的电机支承板13固接于中部指段11底部，所述的电机2和减速器21中置于中部指段11中并与电机支承板13固接。本发明所述的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或片簧。本实施例中，所述的簧件5采用扭簧。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，所述的传动件43采用传动带、链条或腱绳，所述的主动轮41采用带轮、链轮或绳轮，所述的从动轮42采用带轮、链轮或绳轮；所述的传动件43、主动轮41和从动轮42三者能够配合形成传动关系；所述的传动件43缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“O”字形。本实施例中，所述的传动件43采用传动带，所述的主动轮41采用带轮，所述的从动轮42采用带轮；所述的传动件43、主动轮41和从动轮42三者能够配合形成传动关系；所述的传动件43缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“O”字形。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的第二种实施例，如图5所示，所述的传动件43采用齿条，所述的主动轮41、从动轮42均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮41、从动轮42啮合；令齿条与主动轮41的啮合点为A，齿条与从动轮42的啮合点为B，主动轮41的中心点为O1，从动轮42的中心点为O2，线段O1AaBjO2和O2O1构成“口”字形，所述的齿条镶嵌在中部指段中。本发明设计的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的第三种实施例，如图6所示，所述的传动件43采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮41、从动轮42铰接；令连杆与主动轮41的铰接点为C，连杆与从动轮42的铰接点为D，主动轮41的中心点为O1，从动轮42的中心点为O2,线段O1C' CD、DO2和O2O1构成“ 口 ”字形。本发明所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的第四种实施例，如图7所
示，所述的传动件包括第I传动齿轮、第2传动齿轮、......、第2n-l传动齿轮、第I过渡轴、
第2过渡轴、……、第2n-2过渡轴和第2n-l过渡轴；所述的主动轮(41)、从动轮(42)均采用齿轮；所述的主动轮41与第I传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+Ι传动齿轮相啮合，第2n-l传动齿轮与从动轮42相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段11中，所有的过渡轴与近关节轴31平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n-l传动齿轮活动套接在第2n-l过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-2，n为自然数。本实施例中，所述的传动件包括第I传动齿轮81和第I过渡轴83 ;所述的主动轮41、从动轮42均采用齿轮；所述的主动轮41与第I传动齿轮81相啮合，第I传动齿轮81与从动轮42相啮合；第I过渡轴83活动套接于中部指段11中并与近关节轴31平行；第I传动齿轮81活动套接在第I过渡轴83上。本发明设计的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置的第五种实施例，所述的主动轮41和从动轮42之间采用两级或两级以上传动方式连接。只要主动轮41和从动轮42的转动方向相同即可。比如，如图8所示，所述的传动件为双联锥齿轮96 ;所述的双联锥齿轮96活动套设在中部指段中，其中心线与近关节轴31的中心线、远关节轴32的中心线位于平面内，双联锥齿轮96的中心线与近关节轴31的中心线相垂直；所述的主动轮41和从动轮42均采用锥齿轮，双联锥齿轮96 —端的锥齿轮与主动轮41相啮合，另一端的锥齿轮与从动轮42相啮合。主动轮41和从动轮42在双联锥齿轮的中心线的两侧，这样就可以实现通过双联锥齿轮的传动，主动轮与从动轮同向转动。
以图I所示的第一种实施例为例介绍本发明装置的工作原理，结合图9、图10、图11和图12，叙述如下该装置的初始位置如图9所示，此时中部指段11、末端指段12和基座I呈伸直状态。当使用本实施例的机器人手抓取物体10时，电机2带动减速器21的输出轴转动，减速器21的输出轴通过第一锥齿轮61带动与第二锥齿轮62固接的远关节轴32转动，于是带动末端指段12绕远关节轴32的中心线转动。由于第一锥齿轮61与第三锥齿轮63啮合，由于簧件5的约束作用，第三锥齿轮63通过簧件5带动主动轮41转动，主动轮41通过传动件43带动从动轮42转动，从动轮带动近关节轴31转动，可是近关节轴31与基座I固接，因此，反过来使中部指段11绕近关节轴31的中心线转过角度α ;远关节轴32的转动使得与其固接的末端指段12同样转过角度α，从而达到远关节和近关节两个关节的同时转动效果(即耦合转动效果)。本实施例中，改变主动轮41和从动轮42的相对大小可以获得不同的耦合效果。假设中部指段11与末端指段12均转过α角后碰到物体10，此时可能出现以下两种情况I)中部指段11先接触物体10，如图10所示。此时中部指段11由于物体10的阻挡不会继续转动，电机2继续运行，簧件5将发生变形，使得远关节轴32得以独立于中部指段11继续转动，使得末端指段12继续转动β角，直至末端指段12与物体表面接触；实现解耦转动，即近关节未转动，远关节转动。此后由于末端指段12被物体阻挡而无法继续绕远关节轴32的中心线转动，从而完成抓取过程，达到握持效果，如图11所示。2)末端指段12先接触物体10而中部指段11尚未接触物体10，如图12所示。此时远关节轴32无法继续转动，使得近关节轴31也无法转动，从而完成抓取过程，达到捏持效果。本发明装置采用中置的电机、同向传动机构、活动套接的中部指段和簧件综合实现了耦合与自适应复合型欠驱动抓取模式，该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式。该装置是采用一个电机驱动两个关节的欠驱动手指装置，控制容易；该装置各运动形式之间没有过多干涉，耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；该装置将驱动器置于中部指段中，充分利用了手指空间，布局紧凑；解放了手掌空间，使得更加复杂的 控制机构得以安放在手掌中；该装置结构简单、制造成本低、维护方便。
权利要求
1.一种锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，包括基座(I)、电机(2 )、减速器(21)、中部指段(11)、末端指段(12)、近关节轴(31)和远关节轴(32);所述的远关节轴(32)活动套接于中部指段(11)中，所述的末端指段(12)套固在远关节轴(32)上；远关节轴(32)和近关节轴(31)平行；其特征在于该装置还包括第一锥齿轮(61)、第二锥齿轮(62)、第三锥齿轮(63)、第一传动机构和簧件(5);所述的近关节轴(31)套接于基座(I)中并与基座(I)固接，所述的中部指段(11)活动套接在近关节轴(31)上；所述的电机(2 )和减速器(21)设置在中部指段中，所述的电机(2)和减速器(21)与中部指段(11)固接，电机(2)的输出轴与减速器(21)的输入轴相连，所述第一锥齿轮(61)套固在减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮(62)套固在远关节轴上，所述第一锥齿(61)轮与第二锥齿轮(62)啮合，所述第三锥齿轮(63)活动套接在远关节轴上，所述第一锥齿轮(61)与第三锥齿轮(63)啮合，所述的第一传动机构包括主动轮(41)、从动轮(42 )和传动件,所述的主动轮(41)与从动轮(42 )通过传动件相连，所述主动轮(41)转动方向与从动轮(42)转动方向相同；所述的主动轮(41)活动套接在远关节轴(32)上；所述的从动轮(42)套固在近关节轴(31)上；所述的簧件(5)的两端分别连接第三锥齿轮(63)和主动轮(41)。
2.如权利要求I所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件(43)采用传动带、链条或腱绳，所述的主动轮(41)采用带轮、链轮或绳轮，所述的从动轮(42 )采用带轮、链轮或绳轮；所述的传动件(43 )、主动轮(41)和从动轮(42 )三者能够配合形成传动关系；所述的传动件(43)缠绕在主动轮(41)和从动轮(42)上并形成“0”字形。
3.如权利要求I所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件(43)采用齿条，所述的主动轮(41)、从动轮(42)均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮(41)、从动轮(42)啮合；令齿条与主动轮(41)的啮合点为A，齿条与从动轮(42)的啮合点为B，主动轮(41)的中心点为O1，从动轮(42)的中心点为O2，线段O1A' AB、BO2和O2O1构成“口”字形，所述的齿条镶嵌在中部指段中。
4.如权利要求I所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件(43)采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮(41)、从动轮(42)铰接；令连杆与主动轮(41)的铰接点为C，连杆与从动轮(42)的铰接点为D，主动轮(41)的中心点为O1，从动轮(42)的中心点为O2，线段O1C、线段CD、线段DO2和线段O2O1构成“口”字形。
5.如权利要求I所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动件包括第I传动齿轮、第2传动齿轮、……、第2n-l传动齿轮、第I过渡轴、第2过渡轴、……、第2n-2过渡轴和第2n-l过渡轴；所述的主动轮(41)、从动轮(42)均采用齿轮；所述的主动轮(41)与第I传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+1传动齿轮相啮合，第2n-l传动齿轮与从动轮(42)相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段(11)中,所有的过渡轴与近关节轴(31)平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n-l传动齿轮活动套接在第2n-l过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-2，n为自然数。
6.如权利要求I所述的锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的簧件(5)采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。
全文摘要
锥齿轮系复合欠驱动机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、减速器、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、多个锥齿轮和簧件等。该装置采用中置的电机、同向传动机构、活动套接的中部指段和簧件综合实现了耦合与自适应复合型欠驱动抓取模式，即在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式。该装置控制容易、能耗小；该装置将驱动器置于中部指段中，充分利用了手指空间，布局紧凑；解放了手掌空间，使得更加复杂的控制机构得以安放在手掌中；该装置结构简单、制造成本低、维护方便。
文档编号B25J15/00GK102756375SQ20121025367
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者张文增, 李涌嘉 申请人:清华大学