专利名称：随形自适应欠驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种随形自适应欠驱动机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
机器人手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视。在机器人学领域有两大类机器人手灵巧手和欠驱动手，它们分别基于主动控制和欠驱动两种不同的驱动方式。灵巧手外形和动作很像人手，可以在复杂控制算法、控制系统、传感系统和执行系统的综合作用下，灵活地完成人手所能完成的多数动作，但是灵巧手价格昂贵，制造控制难度大，维护难度大，至今也未能广泛实际应用。欠驱动手能够更好地实现较多关节·自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状和尺寸物体时具有很强自适应能力这三个目标，同时有着装置成本低、控制难度小、维护简单等优点。已有的一种气动式主动驱动的多指多关节机器人手装置，如中国发明专利CN101402200A，其中每个关节采用气动柔性驱动器实现手指的弯曲。该装置的不足之处为该装置由于采用气力主动驱动各手指各关节的转动，使得该手体积大、质量大、制造成本高、控制难度大，不能自适应抓取物体，必须依赖很复杂的控制才能实现对不同尺寸形状物体的抓取。已有的一种气动式欠驱动机器人手指装置，如中国发明专利CN 101733758B，包括第一、二指段和欠驱动关节，欠驱动关节包括主动滑块、关节轴、两个气动柔性件和簧件。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，主动滑块推压第一气动柔性件，进而推压气体，实现第二气动柔性件的轴向伸长和弯曲，进而实现第二指段转动并扣紧物体。该装置的不足之处为欠驱动的运动转化形式为“从平动到转动”，即被抓取物体挤压主动滑块所引起的主动滑块沿第一指段内滑槽的平动，通过欠驱动关节转化为第二指段的转动。该装置存在如下严重不足该装置要求物体对主动滑块的挤压力与滑槽方向的夹角(即主动滑块运动的压力角)必须很小(例如小于30度)，否则主动滑块将很难被推动；此外，在施力源头上一些不沿着主动滑块导槽方向的力被损失；由于存在摩擦，阻力较大，同样造成力的损失。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种随形自适应欠驱动机器人手指装置。该装置可以安装到机械手上，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置的自适应功能不要求物体对手指挤压的方向。本发明采用如下技术方案本发明提供的一种随形自适应欠驱动机器人手指装置，包括第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节；所述的欠驱动关节包括关节轴和气动柔性件；所述的关节轴套设在第一指段中，第二指段套固在关节轴上；所述的气动柔性件包括第一端盖、第二端盖和伸缩件；所述的伸缩件两端分别与第一端盖、第二端盖密封连接；所述的伸缩件采用可轴向伸缩和轴向弯曲且中空的筒状材料制成；所述的气动柔性件通过第一端盖与第一指段固定连接，气动柔性件通过第二端盖与第二指段固定连接；所述的簧件的两端分别连接第一指段和第二指段，所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧、发条、片簧或弹性绳；其特征在于所述的欠驱动关节还包括气囊；所述的气囊的一部分镶嵌在第一指段中，气囊的另一部分露在第一指段外与所抓物体接触；所述的气囊和气动柔性件通过第一指段中的通孔相连通。所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置安装于机械手上，该机械手还具有由驱动器主动驱动的其他手指或关节，该其他手指或关节作为驱动源。本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种优选方案，其特征在于所述的气动柔性件的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管，该嵌簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的橡胶管管壁中嵌套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。
本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的又一种优选方案，其特征在于所述的气动柔性件的伸缩件采用套簧丝橡胶管，该套簧丝橡胶管包括橡胶管和弹簧丝，所述的橡胶管管壁外侧套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的又一种优选方案，其特征在于所述的气动柔性件的伸缩件采用风箱式伸缩件，所述的风箱式伸缩件为轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种优选方案，其特征在于在第一指段和第二指段间加装簧件，所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧或片簧。本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种优选方案，其特征在于所述的伸缩件上设有气门嘴。本发明所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种优选方案，其特征在于所述的气囊采用柔性材料。本发明还提供了一种采用所述随形自适应欠驱动机器人手指装置的气动式欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于包括η个指段和η-i个所述的欠驱动关节，其中η为大于2的整数。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的随形自适应欠驱动机器人手指装置采用气囊作为接收变形件及可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时任意方向物体挤压的无源欠驱动弯曲效果；利用气囊很小的随形变形可带来第二指段大角度的转动；该装置不限制物体挤压气囊的方向，任意挤压气囊都可以引发第二指段的转动；该随形自适应欠驱动机器人手指装置适合安装于机械手上作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。该装置可以串联起来构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指，还可以用多个这样的单关节或多关节手指组合构成高欠驱动的拟人机器人手，用以达到拟人机器人手高关节自由度、高抓取自适应的效果。
图I是本发明提供的随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种实施例的侧面剖面图(为图3中的B-B剖面图，手指呈伸直状态)。图2是图I所示实施例的正面剖面图(为图4中的A-A剖面图)。图3是图I所示实施例的正面外观图。图4是图I所示实施例的侧面外观图。图5是图I所示实施例的立体外观图(手指呈伸直状态)。
图6是本发明提供的随形自适应欠驱动机器人手指装置的图I所示实施例的侧面剖面图(此时气囊被部分按下，第二指段已转动一定角度)。图7是图6状态的立体外观图。图8是本发明提供的随形自适应欠驱动机器人手指装置的图I所示实施例的侧面剖面图(此时气囊被按下至极限位置，第二指段已转动较大角度)。图9是图8状态的立体外观图。图10是本发明的另一种实施例的侧面外观图(在第一指段和第二指段间应用拉
簧)。
图11是图10的立体外观图。图12是本发明的另一种实施例的侧面外观图(在第一指段和第二指段间应用扭簧)。图13是图12的立体外观图。图14是采用嵌簧丝橡胶管的气动柔性件的局部剖视图。图15是图14的剖视图。图16是采用套簧丝橡胶管的气动柔性件立体外观图。图17是图16的剖视图。图18是采用风箱式伸缩件的气动柔性件立体外观图。图19是图18的剖视图。图20是带气门嘴的采用嵌簧丝橡胶管的气动柔性件实施例的立体外观图。图21是带气门嘴的采用套簧丝橡胶管的气动柔性件实施例的立体外观图。图22是带气门嘴的采用风箱式伸缩件的气动柔性件实施例的立体外观图。图23、图24、图25、图26是第一指段固定于手掌上的图I所示实施例手指抓握物体的示意图。图27、图28、图29、图30是第一指段与主动关节连接后的图I所示实施例手指抓握物体的示意图。图31是应用了图I所示实施例的随形自适应欠驱动机器人多关节手指装置实施例(采用了两个欠驱动关节)的侧视图。图32是图31的双关节手指的立体正视图。图33是图31实施例的双关节手指在两个欠驱动关节转动下抓握大尺寸物体的示意图。
图34是应用了二个图31所不双关节手指实施例的二手指抓握物体不意图。图35是图34的左视图。在图I至图35中I 一第一指段，2 —第二指段， 3 —欠驱动关节，4 —气囊，5 —关节轴，6 —通孔，7—气动柔性件， 8—簧件，9—中间指段，71 —第一端盖，72—第二端盖， 73—嵌簧丝橡胶管，74 一套簧丝橡胶管，75 —风箱式伸缩件，76 —气门嘴， 731 —橡胶管，732 —弹簧丝， 741 —橡胶管，742 —弹簧丝，751 —柔性外罩，752 —大圈，753 —小圈。
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的具体结构、工作原理及工作过程。本发明设计的一种随形自适应欠驱动机器人手指装置的一种实施例，剖视如图I、图2所示，外观如图3、图4、图5所示。本实施例包括第一指段I、第二指段2和设置在两者之间的欠驱动关节3 ;所述的欠驱动关节3包括关节轴5和气动柔性件7 ;所述的关节轴5套设在第一指段I中，第二指段2套固在关节轴5上，关节轴5和第二指段2采用销钉连接；所述的气动柔性件7包括第一端盖71、第二端盖72和伸缩件；所述的伸缩件两端分别与第一端盖71、第二端盖72密封连接；所述的伸缩件采用可轴向伸缩和轴向弯曲且中空的筒状材料制成；所述的气动柔性件7通过第一端盖71与第一指段I固定连接，气动柔性件7通过第二端盖72与第二指段2固定连接；所述的簧件8的两端分别连接第一指段I和第二指段2，所述的簧件8采用拉簧、压簧、扭簧或片簧；所述的气囊4的一部分镶嵌在第一指段I中，气囊4的另一部分露在第一指段I外与所抓物体接触；所述的气囊4和气动柔性件7通过第一指段I中的通孔6相连通。气囊、气动柔性件和通孔中存在气体。所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置安装于机械手上，该机械手还具有由驱动器主动驱动的其他手指或关节，该其他手指或关节作为驱动源。气动柔性件7的可伸缩件有多种方式可以实现，例如如下(a)、(b)、(C)所介绍的方案。(a)本发明的一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管73，所述的嵌簧丝橡胶管73包括橡胶管731和弹簧丝732，所述的橡胶管壁中嵌套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。图14、图15为这种气动柔性件的一种实施例，该气动柔性件的伸缩件采用了嵌簧丝伸缩件。(b)本发明的又一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用套簧丝橡胶管74，所述的套簧丝橡胶管74包括橡胶管741和弹簧丝742，所述的橡胶管管壁外侧套有弹簧丝，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。图16、图17为这种气动柔性件的一种实施例，该气动柔性件中的伸缩件采用套簧丝伸缩件。(C)本发明的又一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件采用风箱式伸缩件75，所述的风箱式伸缩件75为可轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。所述的风箱式伸缩件包括柔性外罩751、大圈752和小圈753，例如大圈和小圈采用钢丝圈，一大圈一小圈错落地等间距藏入在柔性外罩中，例如用布做柔性外罩。图18、图19为这种气动柔性件的一种实施例，该气动柔性件的伸缩件采用了风箱式伸缩件。本发明的一种优选方案的实施例中，所述的伸缩件上设有气门嘴76，如图20、图21、图22所示。本发明还提供了一种采用所述随形自适应欠驱动机器人手指装置的气动式欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于包括η个指段和η-i个所述的欠驱动关节，其中η为大于2的整数。一种采用所述随形自适应欠驱动机器人手指装置的气动式欠驱动机器人 双关节手指装置的实施例，如图31和图32所示，包括3个指段和2个所述的欠驱动关节。图33为该双关节手指抓取物体的情形，图34和图35为3个双关节手指抓取物体的情形。本发明中的簧件8的两端分别连接第一指段I和第二指段2，其功能是自然状态下和放开物体时，簧件8使得气动柔性件7和气囊4恢复原形，既保持手指伸直状态；抓取物体时，簧件8将在外物的推动下变形。图10、图11所示实施例就是采用了拉簧，图12、图13所示实施例就采用了扭簧。本发明中的气囊4采用柔性材料，所述的柔性材料可采用塑料或软橡胶。下面结合附图介绍随形自适应欠驱动机器人手指装置的实施例的工作原理。(i)如果将本实施例的第一指段I固定于拟人机器人手的手掌上，本实施例的工作原理，如图23、24、25、26所示，叙述如下当机器人手不接触物体时，手指处于自由状态，气囊4不受到挤压，气动柔性件7无形变，手指保持伸直状态。当机器人手抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压气囊4，推压第一指段I通孔内气体，由于弹簧丝732的限制，气动柔性件7不会径向变形，只会发生轴向的伸长和轴向弯曲，弹簧丝也拉伸变形，气力将推动第二指段2绕关关节轴5中心线作大角度转动角度α，直到第二指段2接触物体为止，因而该机器人手将具有对物体大小、形状的自动适应性。这使得第二指段转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有关节自由度的目的。当机器人手放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫气囊4，弹簧丝732的回复弹力将拉动第二指段绕关节轴5中心线回到初始伸直位置，此时气力将推压通孔内气体，使得气囊4恢复初始状态和位置。本实施例中还可以另外加装了一个簧件8来辅助这个过程，当然也可以不需要这个簧件。(ii)如果将本实施例(图I所示实施例)的第一指段I根部套固在一个由驱动器驱动的主动关节轴上，本实施例的工作原理，如图27、28、29、30所示，叙述如下当机器人手抓取物体时，套有第一指段I的主动关节在驱动力矩m作用下转动，使得整个手指装置连同根部的主动关节轴绕主动关节轴的中心线转动，直到气囊4接触物体，由于物体在其他手指的作用下不能离开，所以，当主动关节轴继续转动时，气囊4在物体的阻挡挤压下依据所抓物体形貌向内变形，其后抓取过程与(a)类似。
采用所述随形自适应欠驱动机器人手指装置的气动式欠驱动机器人多关节手指装置的动作原理为当机器人手抓取物体时，两个欠驱动关节会顺序动作，最终自动适应物体的形状、尺寸。仿佛该手指在欠驱动关节处有电机主动驱动一般。本发明的随形自适应欠驱动机器人手指装置采用气囊作为接收变形件及可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时任意方向物体挤压的无源欠驱动弯 曲效果；利用气囊很小的随形变形可带来第二指段大角度的转动；该装置不限制物体挤压气囊的方向，任意挤压气囊都可以引发第二指段的转动；该随形自适应欠驱动机器人手指装置适合安装于机械手上作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似。该装置可以串联起来构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指，还可以用多个这样的单关节或多关节手指组合构成高欠驱动的拟人机器人手，用以达到拟人机器人手高关节自由度、高抓取自适应的效果。
权利要求
1.一种随形自适应欠驱动机器人手指装置，包括第一指段(I)、第二指段(2)和设置在两者之间的欠驱动关节(3);所述的欠驱动关节包括关节轴(5)和气动柔性件(7);所述的关节轴(5)套设在第一指段(I)中，第二指段(2)套固在关节轴(5)上；所述的气动柔性件(7)包括第一端盖(71)、第二端盖(72)和伸缩件；所述的气动柔性件(7)通过第一端盖(71)与第一指段(I)固定连接，气动柔性件(7)通过第二端盖(72)与第二指段(2)固定连接；所述的第一指段中设有通孔(6);其特征在于所述的欠驱动关节还包括气囊(4);所述的气囊的一部分镶嵌在第一指段中，气囊的另一部分露在第一指段外与所抓物体接触；所述的气囊(4 )和气动柔性件(7 )通过第一指段(I)中的通孔(6 )相连通。
2.如权利要求I所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的气动柔性件(7 )的伸缩件采用嵌簧丝橡胶管(73 )，该嵌簧丝橡胶管(73 )包括橡胶管(731)和弹簧丝(732)，所述的弹簧丝(732)是沿着橡胶管(73)的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。
3.如权利要求I所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的气动柔性件(7)的伸缩件采用套簧丝橡胶管(74)，该套簧丝橡胶管(74)包括橡胶管(741)和弹簧丝(742)，所述的弹簧丝是沿着橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的外壁上，所述的弹簧丝的两端分别连接第一端盖和第二端盖。
4.如权利要求I所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的气动柔性件(7)的伸缩件采用风箱式伸缩件(75)，所述的风箱式伸缩件(75)为轴向伸缩和轴向弯曲的手风琴风箱结构。
5.如权利要求1、2、3或4所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于在第一指段(I)和第二指段(2)间加装簧件，所述的簧件采用拉簧、压簧、扭簧或片簧。
6.如权利要求1、2、3或4所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于所 述的伸缩件上设有气门嘴(76)。
7.如权利要求1、2、3或4所述的随形自适应欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的气囊(4)采用柔性材料。
8.一种采用如权利要求1、2、3或4所述随形自适应欠驱动机器人手指装置的气动欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于包括n个指段和n-1个所述的欠驱动关节，其中n为大于2的整数。
全文摘要
随形自适应欠驱动机器人手指装置，属拟人机器人手技术领域。包括第一、二指段和欠驱动关节。欠驱动关节包括气囊、关节轴、气动柔性件和簧件。该装置采用采用气囊作为接收变形件及可变形密闭空间内的气体作为传动媒介，结合可轴向伸缩和轴向弯曲的气动柔性件，综合实现了手指抓取物体时任意方向物体挤压的无源欠驱动弯曲效果；利用气囊很小的随形变形可带来第二指段大角度的转动；该装置不限制物体挤压气囊的方向，任意挤压气囊都可以引发第二指段的转动；该装置抓取物体时具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，同时结构简单，体积小，质量小，制造和维护成本低，与人手的手指相似；还可串联构成高形状自适应和高欠驱动的多关节手指。
文档编号B25J17/02GK102756376SQ20121025379
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, 汤之南 申请人:清华大学