支撑轮系定轴滑套直线耦合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，特别涉及一种支撑轮系定轴滑套直线耦合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。

具有耦合与自适应复合抓取模式的机器人手指称为耦合自适应手指。所谓的耦合与自适应复合抓取模式是指该手指可以实现耦合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，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲；而在近指段碰到物体后，又可解耦转动第二关节，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，并且只通过一个驱动器驱动多个关节；如果在耦合转动两个关节的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持效果。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101633171B)，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、电机、耦合传动机构、自适应传动机构和三个簧件。该装置可以实现耦合与自适应复合抓取模式，不足在于：1)机构复杂，有两套传动机构安装在近关节轴和远关节轴之间；2)需要的簧件数目过多，簧件选型困难；3)利用多个簧件来实现解耦——调和耦合传动机构与自适应传动机构之间的矛盾，常常使得多个簧件形变较大，导致过大且不必要的能量损耗。

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，提供一种支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合抓取模式，既能联动两个关节用末端捏持物体，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。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，包括机架、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、驱动器和传动机构；所述驱动器与机架固接，所述驱动器的输出端与传动机构的输入端相连；所述近关节轴套设在第一指段的一端，所述远关节轴套设在第一指段的另一端，所述第二指段套接在远关节轴上，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：该支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置还包括第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第五传动轮、第六传动轮、簧件、第一传动件、第二传动件、第三传动件、第一导杆、第二导杆、导向套筒、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴和第三轴；所述传动机构的输出端与第三轴相连；所述第六传动轮套固在第三轴上；所述簧件的两端分别连接第六传动轮和第三连杆；所述第三连杆的一端套接在第二轴上，第三连杆的另一端活动套接在第三轴上；所述第二连杆的一端套接在近关节轴上，第二连杆的另一端套接在第二轴上；所述第一连杆的一端套接在近关节轴上，第一连杆的另一端套接在第一轴上；所述第一轴套设在机架中；所述第三轴套设在机架中；所述第一轴的中心线、第二轴的中心线、第三轴的中心线和近关节轴的中心线四者相互平行；所述第一导杆的一端套接在远关节轴上，第一导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述第二导杆的一端套接在第二轴上，第二导杆的另一端滑动镶嵌在导向套筒中；所述导向套筒的中部活动套接在第一轴上；设第三轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，近关节轴的中心点为C，远关节轴的中心点为D，第一轴的中心点为E，线段AB的长度线段、AE的长度和线段CE的长度三者相等，线段BC的长度和线段CD的长度两者相等，线段BC的长度等于线段AB的长度的2倍，点B、点D和点E三者共线；所述第一导杆在导向套筒中的滑动方向与第二导杆在导向套筒中的滑动方向共线；所述第一传动轮套接在远关节轴上，第一传动轮与第二指段固接；所述第二传动轮套接在近关节轴上；所述第一传动件分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动件、第一传动轮、第二传动轮三者构成传动关系；所述第三传动轮套接在近关节轴上，第三传动轮与第二传动轮固接；所述第四传动轮套接在第一轴上；所述第二传动件分别连接第三传动轮、第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮、第四传动轮三者构成传动关系；所述第五传动轮套接在第一轴上，第五传动轮与第四传动轮固接；所述第三传动件分别连接第五传动轮、第六传动轮，所述第三传动件、第五传动轮、第六传动轮三者构成传动关系；通过第一传动件、第二传动轮、第三传动轮、第二传动件、第四传动轮、第五传动轮、第三传动件的传动，从第一传动轮到第六传动轮构成同向传动关系。

本发明所述的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第二传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第三传动件采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳。

本发明所述的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述簧件采用扭簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件和簧件等综合实现了机器人手指耦合与自适应抓取的功能；采用满足一定条件的多连杆和导向套筒机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用多级传动轮机构配合实现第二指段绕远关节轴的耦合转动；采用簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段相对于第一指段转动去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，达到自适应包络不同形状、大小物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的支撑轮系定轴滑套直线耦合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所示实施例的正面外观图(未画出部分零件)，图中显示出A、B、C、D、E点和直线K的位置。

图4是图1所示实施例的正面剖视图(剖视机架和第一指段)。

图5是图1所示实施例的立体剖视图(剖视机架和第一指段)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的在耦合抓取阶段第二指段接触物体的捏持方式抓取物体的示意图，双点划线代表初始状态。

图8至图11是图1所示实施例的直线耦合抓取的动作过程图，该抓取过程中，远关节轴直线平行移动，同时第二指段绕远关节轴相对第一指段耦合转动。

图12至图14是图1所示实施例自适应抓取物体的动作过程图，该抓取过程中，第一指段被物体阻挡不能再运动，第二指段在电机作用下继续绕远关节轴转动，从而达到自适应抓取物体的目的。

在图1至图14中：

1－机架， 2－第一指段， 3－第二指段， 4－近关节轴，

5－远关节轴， 61－第一传动轮， 62第二传动轮， 63－第三传动轮，

64－第四传动轮， 65－第五传动轮， 66－第六传动轮， 7－簧件，

71－第一传动件， 72－第二传动件， 73－第三传动件， 81－第一导杆，

82－第二导杆， 83－导向套筒， 91－第一连杆， 92－第二连杆，

93－第三连杆， 101第一轴， 102－第二轴， 103－第三轴，

200－驱动器， 201－传动机构， 300－物体。

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。

本发明设计的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图6所示，包括机架1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、驱动器200和传动机构201；所述驱动器200与机架1固接，所述驱动器200的输出端与传动机构201的输入端相连；所述近关节轴4套设在第一指段2的一端，所述远关节轴5套设在第一指段2的另一端，所述第二指段3套接在远关节轴5上，所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行；该支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置还包括第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63、第四传动轮64、第五传动轮65、第六传动轮66、簧件7、第一传动件71、第二传动件72、第三传动件73、第一导杆81、第二导杆82、导向套筒83、第一连杆91、第二连杆92、第三连杆93、第一轴101、第二轴102和第三轴103；所述传动机构201的输出端与第三轴103相连；所述第六传动轮66套固在第三轴103上；所述簧件7的两端分别连接第六传动轮66和第三连杆93；所述第三连杆93的一端套接在第二轴102上，第三连杆93的另一端活动套接在第三轴103上；所述第二连杆92的一端套接在近关节轴4上，第二连杆92的另一端套接在第二轴102上；所述第一连杆91的一端套接在近关节轴4上，第一连杆91的另一端套接在第一轴101上；所述第一轴101套设在机架1中；所述第三轴103套设在机架1中；所述第一轴101的中心线、第二轴102的中心线、第三轴103的中心线和近关节轴4的中心线四者相互平行；所述第一导杆81的一端套接在远关节轴5上，第一导杆81的另一端滑动镶嵌在导向套筒83中；所述第二导杆82的一端套接在第二轴102上，第二导杆82的另一端滑动镶嵌在导向套筒83中；所述导向套筒83的中部活动套接在第一轴101上；设第三轴103的中心点为A，第二轴102的中心点为B，近关节轴4的中心点为C，远关节轴5的中心点为D，第一轴101的中心点为E，各点的位置如图3所示；线段AB的长度线段、AE的长度和线段CE的长度三者相等，线段BC的长度和线段CD的长度两者相等，线段BC的长度等于线段AB的长度的2倍，点B、点D和点E三者共线；所述第一导杆81在导向套筒83中的滑动方向与第二导杆82在导向套筒83中的滑动方向共线；所述第一传动轮61套接在远关节轴5上，第一传动轮61与第二指段3固接；所述第二传动轮62套接在近关节轴4上；所述第一传动件71分别连接第一传动轮61、第二传动轮62，所述第一传动件71、第一传动轮61、第二传动轮62三者构成传动关系；所述第三传动轮63套接在近关节轴4上，第三传动轮63与第二传动轮62固接；所述第四传动轮64套接在第一轴101上；所述第二传动件72分别连接第三传动轮63、第四传动轮64，所述第二传动件72、第三传动轮63、第四传动轮64三者构成传动关系；所述第五传动轮65套接在第一轴101上，第五传动轮65与第四传动轮64固接；所述第三传动件73分别连接第五传动轮65、第六传动轮66，所述第三传动件73、第五传动轮65、第六传动轮66三者构成传动关系；通过第一传动件71、第二传动轮62、第三传动轮63、第二传动件72、第四传动轮64、第五传动轮65、第三传动件73的传动，从第一传动轮61到第六传动轮66构成同向传动关系。

本发明所述的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动件71采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第二传动件72采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳；所述第三传动件73采用齿轮、连杆、传动带、链条或绳。本实施例中，所述第一传动件71采用传动带，所述第二传动件72采用传动带，所述第三传动件73采用传动带。

本发明所述的支撑轮系定轴滑套直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器200采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器200采用电机。

本实施例中，所述簧件采用扭簧。

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7的双点划线或图8所示；电机转动，通过传动机构201(减速器和带轮等)带动第三轴103顺时针(该顺时针指在图7或图8上的顺时针，下同)转动，第六传动轮66相对于机架1顺时针转动，通过簧件7带动第三连杆93也绕第三轴103相对于机架1顺时针转动，由于第二连杆92、第一连杆91、第一指段2、导向套筒83、第一导杆81和第二导杆82构成的多连杆机构会使得远关节轴5(点D，如图3所示)沿着直线K(如图3所示)移动，该直线K垂直于线段AE；此阶段中，由于第六传动轮66与第三连杆93是在簧件7作用下同时顺时针转动的，转动角度相同，所以第六传动轮66与第三连杆93之间并不产生相对运动，然而，第三连杆93与第二连杆92在运动中会发生夹角减小的现象，这个夹角减小的行为会带来第五传动轮65(和固接的第四传动轮64)相对于第二连杆92产生了一个顺时针的转角，于是通过第二传动件72带动第三传动轮63(和固接的第二传动轮62)绕第二轴102相对于第二连杆92产生顺时针转动，会产生第二传动轮62绕近关节轴4相对于第一指段2的顺时针转动，通过第一传动件71带动第一传动轮61绕远关节轴5相对于第一指段2的顺时针转动，于是产生了与第一传动轮61固接的第二指段3绕远关节轴5相对于第一指段2的顺时针转动，达到在远关节轴5沿直线靠近物体300的同时第二指段3绕远关节轴5的转动，即直线耦合转动效果。

此过程中，当第二指段3接触物体300，则抓取结束，此抓取过程如图7所示，这种抓取是捏持抓取模式。

当上述过程中，如果第二指段3未接触物体300，而第一指段2接触了物体300被阻挡，第一指段2不能再进一步转动，此时，电机继续转动，通过传动机构201带动第三轴103继续顺时针转动，带动第六传动轮66顺时针转动，由于第三连杆93不能再转动，于是簧件7变形，第六传动轮66继续转动，通过第三传动件73带动第五传动轮65和第四传动轮64转动，通过第二传动件72带动第三传动轮63和第二传动轮62转动，通过第一传动件71带动第一传动轮61和第二指段3绕远关节轴5转动，直到第二指段3接触物体300，抓取结束。这种抓取可以适应不同形状大小的物体300——即达到了自适应抓取效果，此过程如图8至图14所示，其中图8至图11为远关节轴沿直线向右靠近物体，同时第二指段耦合转动，图12至图14为第一指段已经接触物体被阻挡不能运动，第二指段继续绕远关节轴自适应转动的过程。

释放物体300时，电机反转，与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用驱动器、多个连杆、导向套筒、多个传动轮、多个传动件和簧件等综合实现了机器人手指耦合与自适应抓取的功能；采用满足一定条件的多连杆和导向套筒机构实现了远关节轴沿着直线运动，采用多级传动轮机构配合实现第二指段绕远关节轴的耦合转动；采用簧件配合实现了在第一指段接触物体被阻挡后，自动转动第二指段去接触物体。该装置根据物体形状和位置的不同，能直线平动第二指段，同时第二指段相对于第一指段转动去夹持物体，还能在第一指段接触物体之后，自动转动第二指段去接触物体，达到自适应包络不同形状、大小物体的目的；抓取范围大，抓取稳定可靠；利用一个驱动器驱动两个指段；该装置结构简单，加工、装配和维修成本低，适用于机器人手。