空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。

捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。

自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施末端捏持抓取。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、带轮传动机构和簧件等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性，能够适应不同形状尺寸的物体。该欠驱动两关节机器人手指装置的不足之处为：1)抓取方式只能为握持方式，难实现弯曲远关节的末端捏持抓取效果；2)该装置抓取物体的过程不拟人，该装置在未碰触物体前始终呈现伸直的状态。

具有平夹与自适应复合抓取模式的机器人手指称为平夹自适应手指。所谓的平夹与自适应复合抓取模式是指该手指可以实现平夹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，碰到物体之前近指段弯曲；而在近指段碰到物体后，又可转动第二关节，使第二指段自动适应物体表面形状，从而完全包络握持物体，并且只通过一个电机驱动多个关节；如果在平夹转动两个关节的过程中，第一指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持效果。

具有两种抓取模式的传统欠驱动手已经被开发出来，已有的一种欠驱动手指，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束和驱动器等。该装置实现了平行夹持与自适应抓取模式。在工作时，开始阶段相对于基座保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行夹持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置采用多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围小。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置。该装置能够实现平夹与自适应复合抓取模式，既能平动第一指段用捏持物体，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，达到对不同形状尺寸物体的自适应握持效果；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和电机；所述电机与基座固接；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、主动带轮、从动带轮、传动带、第一连杆、第二连杆、第一簧件、第二簧件、第一凸块、第二凸块、限位块、第一轴和第二轴；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述过渡传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与第一轴相连；所述第一轴套设在基座中，所述第一轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第二轴的中心线与近关节轴的中心线平行；所述第一齿轮套固在第一轴上，所述第二齿轮套接在近关节轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述主动带轮套固在第一轴上，所述从动带轮套固在第二轴上，所述传动带分别连接主动带轮、从动带轮，传动带呈“O”形，所述传动带、主动带轮和从动带轮三者构成带轮传动关系；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在远关节轴上；所述第三齿轮套固在第二轴上，所述第四齿轮套接在远关节轴上，所述第三齿轮与第四齿轮啮合；所述第一簧件的两端分别连接第二齿轮、第一指段；所述第二簧件的两端分别连接第二指段、第二连杆；所述限位块固接在第二连杆上，所述限位块在初始状态时与第二指段相接触，限位块使得第二指段相对于第二连杆只能向抓取物体方向转动；所述第一凸块固接在第四齿轮上，所述第二凸块固接在第二指段上；所述第一凸块在初始状态时与第二凸块相隔一定的角度，第一凸块在运动过程中会接触第二凸块并推动第二凸块；设近关节轴的中心为点A，远关节轴的中心为点B，第二轴的中心为点C，第一轴的中心为点D，线段AB的长度等于线段CD长度，线段AD的长度等于线段BC长度。

本发明所述的空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件、第二簧件均采用扭簧。

本发明所述的空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二齿轮的分度圆直径与第一齿轮的分度圆直径相等，所述从动带轮的传动直径与主动带轮的传动直径相等，所述第四齿轮的分度圆直径与第三齿轮的分度圆直径相等。

本发明所述的空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述过渡传动机构包括减速器、第一过渡齿轮、第二过渡齿轮、过渡轴、第一过渡带轮、第二过渡带轮和过渡传动带；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述第一过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述第一过渡齿轮与第二过渡齿轮啮合，所述第二过渡齿轮套固在过渡轴上，所述过渡轴套设在基座中，所述第一过渡带轮套固在过渡轴上，所述第二过渡带轮套固在第一轴上，所述过渡传动带分别与第一过渡带轮、第二过渡带轮相连，所述过渡传动带呈“O”形，所述过渡传动带、第一过渡带轮和第二过渡带轮构成带轮传动关系。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单个电机、平行四连杆机构、齿轮、带轮和簧件等综合实现了平行夹持与自适应复合抓取模式，该装置既能平动第二指段用捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，抓取力量大，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；由于平行四连杆机构与多级带轮机构的配合实现了平夹抓取模式，同时利用两个簧件和空程传动机构达到了自适应抓取的效果，该装置抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统；同时结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的正视图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。

图5是图1所示实施例中的一个方向立体外观图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例中的另一个方向的立体外观图(未画出部分零件)。

图7是图1所示实施例的爆炸视图。

图8至图11是图1所示实施例在以平夹抓取方式抓取物体的动作过程示意图。

图12至图18是图1所示实施例在以自适应抓取方式抓取物体的过程示意图。

图19是图1所示实施例自适应抓取物体的侧视图(未画出基座右侧板、第一指段右侧板)，此时第一指段绕近关节轴相对基座转动了一个角度，第二指段也绕远关节轴相对基座转动了一个角度，第一簧件发生了变形，第二簧件也发生变形，第一凸块接触并推动了第二凸块。

在图1至图17中：

1－基座， 111－基座底板， 112－基座左侧板， 113－基座右侧板，

114－基座后板， 115－基座前板， 116－基座表面板， 2－第一指段，

21－第一指段左侧板， 22－第一指段右侧板，23－第一指段后板， 24－第一指段前板

25－第一指段表面板， 3－第二指段， 31－轴承， 4－近关节轴，

41－第一齿轮， 42－第二齿轮， 43－主动带轮， 44－从动带轮，

45－第三齿轮， 46－第四齿轮， 5－远关节轴， 61－第一轴，

62－第二轴， 71－第一连杆， 72－第二连杆， 9－簧件，

92－传动带， 14－电机， 141－减速器， 142－第一过渡齿轮，

143－第二过渡齿轮， 144－过渡轴， 145－第一过渡带轮， 146－第二过渡带轮，

147－过渡传动带， 8－物体， 81—第一簧件， 82—第二簧件，

83—第一凸块 84—第二凸块， 721－限位块。

具体实施方式

下面结合附图及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。

本发明设计的空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7、图19所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和电机14；所述电机14与基座1固接；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；其特征在于：该空程传动连杆齿轮平夹自适应机器人手指装置还包括过渡传动机构、第一齿轮41、第二齿轮42、第三齿轮45、第四齿轮46、主动带轮43、从动带轮44、传动带92、第一连杆71、第二连杆72、第一簧件81、第二簧件82、第一凸块83、第二凸块84、限位块721、第一轴61和第二轴62；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2活动套接在近关节轴4上；所述第二指段3套接在远关节轴5上；所述过渡传动机构设置在基座1中；所述电机14的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与第一轴61相连；所述第一轴61套设在基座1中，所述第一轴61的中心线与近关节轴4的中心线平行；所述第二轴62的中心线与近关节轴4的中心线平行；所述第一齿轮41套固在第一轴61上，所述第二齿轮42套接在近关节轴4上，所述第一齿轮41与第二齿轮42啮合；所述第一连杆71的一端套接在第一轴61上，第一连杆71的另一端套接在第二轴62上；所述主动带轮43固在第一轴61上，所述从动带轮44套固在第二轴62上，所述传动带92分别连接主动带轮43、从动带轮44，传动带92呈“O”形，所述传动带92、主动带轮43和从动带轮44三者构成带轮传动关系；所述第二连杆72的一端套接在第二轴62上，第二连杆72的另一端套接在远关节轴5上；所述第三齿轮45套固在第二轴62上，所述第四齿轮46套接在远关节轴5上，所述第三齿轮45与第四齿轮46啮合；所述第一簧件81的两端分别连接第二齿轮42、第一指段2；所述第二簧件82的两端分别连接第二指段3、第二连杆72；所述限位块721固接在第二连杆72上，所述限位块721在初始状态时与第二指段3相接触，限位块721使得第二指段3相对于第二连杆72只能向抓取物体8方向转动；所述第一凸块83固接在第四齿轮46上，所述第二凸块84固接在第二指段3上；所述第一凸块83在初始状态时与第二凸块84相隔一定的角度，第一凸块83在运动过程中会接触第二凸块84并推动第二凸块84；设近关节轴4的中心为点A，远关节轴5的中心为点B，第二轴62的中心为点C，第一轴61的中心为点D，线段AB的长度等于线段CD长度，线段AD的长度等于线段BC长度。

本实施例在最初阶段时获得了平夹效果，即第一指段相对于基座绕近关节轴转动一个角度的同时，第二指段相对于第一指段没有进行运动。

本实施例中，所述第一簧件81、第二簧件82均采用扭簧。

本实施例中，所述第二齿轮的分度圆直径与第一齿轮的分度圆直径相等，所述从动带轮的传动直径与主动带轮的传动直径相等，所述第四齿轮的分度圆直径与第三齿轮的分度圆直径相等。

本实施例中，所述过渡传动机构包括减速器141、第一过渡齿轮142、第二过渡齿轮143、过渡轴144、第一过渡带轮145、第二过渡带轮146、过渡传动带147；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述第一过渡齿轮142套固在减速器141的输出轴上，所述第二过渡齿轮143套固在过渡轴144上，所述第一过渡齿轮142与第二过渡齿轮143啮合；所述过渡轴144套设在基座1中，所述第一过渡带轮145套固在过渡轴144上，所述第二过渡带轮146套固在第一轴61上，所述过渡传动带147分别与第一过渡带轮145、第二过渡带轮146相连，所述过渡传动带呈“O”形，所述过渡传动带147、第一过渡带轮145和第二过渡带轮146形成带轮传动关系。

所述基座1包括固接在一起的基座底板111、基座左侧板112、基座右侧板113、基座后板114、基座前板115和基座表面板116；所述第一指段2包括固接在一起的第一指段左侧板21、第一指段右侧板22、第一指段后板23、第一指段前板24和第一指段表面板25。

本实施例还包括轴承31、紧定螺钉、圆柱销和套筒等，属于公知技术，不再赘述。

图19是抓取物体情况。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图1、图8和图12所示。

电机14转动，通过减速机141带动第一过渡齿轮142，带动第二过渡齿轮143，带动过渡轴144，带动第一过渡带轮145，通过过渡传动带147驱动第二过渡带轮146转动，带动第一轴61转动，带动第一齿轮41逆时针转动一个角度α，带动第二齿轮42转动，通过簧件9拉动第一指段2绕近关节轴4顺时针转动一个角度β，实现近关节转动。

由于A、B、C、D四个点构成了平行四边形的四个顶点，所以基座1、第一连杆71、第二连杆72和第一指段2构成了平行四连杆机构，即第一连杆71始终平行于第一指段2，当第一指段2绕近关节轴4相对于基座1顺时针转动一个角度β时，第一连杆71也绕第一轴61相对于基座1顺时针转动了一个角度β，因为第一轴61带着主动带轮43相对于基座1逆时针转动了一个角度α，因此，主动带轮43相对于第一连杆71逆时针转动了一个角度α+β，因此，通过传动带92带动从动带轮44绕着第二轴62相对于第一连杆71逆时针转动了一个角度α+β，由于第一连杆71相对于第二连杆72顺时针转动了一个角度β，所以从动带轮44相对于第二连杆72逆时针转动了一个角度α，通过第二轴62，即第三齿轮45绕着第二轴62相对于第二连杆72逆时针转动了一个角度α，带动第四齿轮46绕着远关节轴5相对于第二连杆72顺时针转动了一个角度φ，由于第一指段2相对于第二连杆72顺时针转动了一个角度β，所以第四齿轮46相对于第一指段2转动了一个角度φ-β，此时，在初始状态，第四齿轮46的第一凸块83与第二指段3的第二凸块84相隔一个角度，该角度在本实施例中设置为90°，因此当第四齿轮46相对于第二连杆72转动时，开始的90°转动过程中第四齿轮46不会推动第二指段3，于是第二指段3在第二簧件84的作用下始终靠向第二连杆72的限位块721，因为第二指段3与第二连杆72姿态保持一致，由于平行四连杆机构的作用，第二指段3与第二连杆72在最初的阶段始终保持与基座1姿态不变，上述过程为第一指段2绕近关节轴4相对于基座1顺时针转动一个角度β的同时，第二指段3始终保持相对于基座1固定的一个姿态，即平行夹持抓取状态。在此过程进行中，如果第二指段3接触物体，则抓取结束，这是平行夹持的抓取模式。如图8至图11所示。

在上述平行夹持抓取模式中，当第一指段2接触物体8被阻挡不能再转动，第二指段3还没有接触物体8时，则进入自适应抓取模式：

当第一指段3接触物体后，电机14继续转动，电机14的动力带动第一齿轮41、第一传动带91和第二齿轮42，此时第一簧件81发生变形；与此同时，电机14的动力通过第一轴61、主动带轮43、传动带92、从动带轮44、第三齿轮45、第四齿轮46和远关节轴5，带动第四齿轮46绕远关节轴5继续转动一个角度δ，直到第四齿轮46上的第一凸块83接触第二指段3上的第二凸块84并推动第二凸块84转动，达到推动第二指段3绕远关节轴5转动，此时，第二簧件84发生变形，第二指段3离开限位块721，直到第二指段3接触物体8为止。不论物体8的形状和尺寸，均可以包络抓取，达到了自动适应不同形状尺寸物体的效果。抓取结束。上述过程如图12至图18所示。

释放过程与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用单个电机、平行四连杆机构、齿轮、带轮和簧件等综合实现了平行夹持与自适应复合抓取模式，该装置既能平动第二指段用捏持物体，动作拟人度高，也能先转动第一指段碰触物体后再转动第二指段包络握持物体，抓取力量大，达到对不同形状尺寸物体的自适应抓取效果；由于平行四连杆机构与多级带轮机构的配合实现了平夹抓取模式，同时利用两个簧件和空程传动机构达到了自适应抓取的效果，该装置抓取稳定可靠；仅利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和实时控制系统；同时结构简单、体积小、重量轻，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。