电机中置齿条并联平夹间接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，特别涉及一种电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

在工业生产中，机器人已经成为了不可或缺的中坚力量。随着工业的发展，对于机器人手的需要逐渐增多，机器人手需要拥有适应环境的能力，并执行一些更为复杂的任务，仅有开合功能的简单末端执行器已经满足不了需求。欠驱动机器人手的出现刚好满足了这一类重要需求。欠驱动机器人手可以实现较好的自适应抓取，可以自动适应不同尺寸、形状的物体，并且抓取稳定且控制简单方便，成本低廉，具有很好的使用效果，这也使其成为近年来研究的热点。然而传统的欠驱动手一般仅有一种僵化固定的抓取模式，缺少平夹抓取模式，导致其不够灵活。在现实中常常需要两种抓取模式的复合。

一般抓取物体采用夹持或者握持两大类抓取模式。夹持抓取模式采用的是用末端指尖夹取物体，用两点或者两个面接触物体，这样的抓取更加精确，也称为精确抓取，比较好效果的是平行夹持抓取模式，即末端指段在抓取过程中始终保持平行；握持抓取模式是用手指多个指段对物体进行环绕式的多点接触，这种握持抓取更加稳定，且抓取力量更大，也称为力量抓取。

工业夹持器一般采用末端平行的夹持方式，难以具有包络握持功能，不能适应多种形状的稳定包络抓取；自适应欠驱动手可以自适应物体，采用包络的方式握持，但难以实现平行夹持的抓取效果。

已有的一种欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN1215926C)，包括第一指节、欠驱动关节和第二指节等。该装置实现了手指自适应的抓取方式中的间接自适应模式。其不足在于无法实现平行夹持抓取模式。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、末端指段和平行齿轮式传动机构等。该装置实现了双关节自适应抓取效果。该装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，抓取方式仅有握持方式，不能实现平行夹持抓取效果。

已有的一种欠驱动手指装置(中国发明专利CN105798945A)，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、驱动器、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、凸块拨盘、拨轮、传动机构、第一簧件、第二簧件和限位凸块。该装置将平行夹持与自适应结合在了一起，但是其不足之处在于该装置将电机放在手指下部中，占用了大量空间，导致基座较大等问题，不便于装备在手掌中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置，该装置可实现平行夹持与间接自适应复合抓取模式，单个电机驱动两个关节，该装置既可以实现平行平行夹持抓取模式，又能够有自适应包络抓取物体的功能，能够适应不同形状尺寸物体的抓取，电机和传动机构完全嵌入到手指中部，不占用手掌空间。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第二指段活动套接在远关节轴上；所述近关节轴和远关节轴平行；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；其特征在于：该电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置还包括滑动外壳、过渡轴、主动齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、第三齿轮、齿条和簧件；所述电机与第一指段固接，所述主动齿轮套固在减速器输出轴上；所述过渡轴套设在第一指段中，所述过渡轴与近关节轴相互平行；所述主动齿轮与第一齿轮啮合，第一齿轮套接在过渡轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合；第二齿轮套接在近关节轴上，所述第二齿轮与基座固接；所述第一传动轮套固在减速器的输出轴上；所述第一传动轮与主动齿轮固接；所述第二传动轮套接在远关节轴上；所述柔性传动件分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动轮采用带轮、链轮或绳轮，所述第二传动轮采用带轮、链轮或绳轮，所述柔性传动件采用传动带、链条或腱绳，所述第一传动轮、第二传动轮和柔性传动件三者构成带轮传动关系、链轮传动关系或绳轮传动关系，所述柔性传动件呈“O”形；所述簧件的两端分别连接第二传动轮和第二指段；所述第三齿轮套接在远关节轴上，第三齿轮与第二指段固接；所述滑动外壳设有固接的滑动凸块，所述滑动凸块滑动镶嵌在第一指段的滑动槽中；所述齿条与滑动外壳固接，齿条与第三齿轮啮合；通过第一齿轮的传动，从主动齿轮到第二齿轮的传动比为i；通过柔性传动件的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动比为j，i＝j。

本发明所述的电机中置齿条并联平夹间接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：

该装置采用设置在第一指段的电机、五轮传动机构和簧件综合实现了双关节机器人手指的平夹与间接自适应的复合抓取模式；该装置由单个电机驱动两个关节，该装置抓取物体时，先采用平行夹取抓取模式，此模式下抓取力度大，抓取稳定；当第一指段接触物体后，自动切换为第二指段继续转动的间接自适应抓取模式，该装置能够适应不同形状尺寸物体的抓取，结构简单、容易控制、传动精确、成本低、效率高，该装置的电机和传动机构完全嵌入到第一指段中，不占用基座空间，便于装配到机器人手中使用。

附图说明

图1是本发明的电机中置齿条并联平夹间接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所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的立体图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的正面视图(未画出部分零件)。

图5是图4所示实施例的A-A剖视图。

图6是图4所示实施例的B-B剖视图。

图7是图1所示实施例中部分零件的位置关系图(图4的右侧视图)。

图8是图7的立体视图。

图9至图12是图1所示实施例抓取物体过程中时齿轮齿条位置变化图。

图13至图16是图1所示实施例抓取物体过程中几个关键位置的侧面外观图。

图17和图18分别是图1所示实施例采用平行夹持方式抓取物体的两种情况。

在图1至图18中：

1－基座， 20－主动齿轮， 21－第一齿轮， 22－第二齿轮，

23－第一传动轮， 24－第二传动轮， 25－柔性传动件， 26－第三齿轮，

31－远关节轴， 32－减速器输出轴， 33－过渡轴， 34－近关节轴，

4－电机， 5－减速器， 6－齿条， 7－簧件，

8－滑动外壳， 81－滑动凸块， 9－第一指段， 91－滑动槽，

10－第二指段， 11－物体。

具体实施方式

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。

本发明设计的电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图12所示，包括基座1、电机4、减速器5、第一指段9、第二指段10、近关节轴34和远关节轴31；所述近关节轴34套设在基座1中；所述第一指段9活动套接在近关节轴34上，所述远关节轴31活动套设在第一指段9中；所述第二指段10活动套接在远关节轴31上；近关节轴34和远关节轴31平行；所述电机4的输出轴与减速器5的输入轴相连；该电机中置齿条并联平夹间接自适应机器人手指装置还包括滑动外壳8、过渡轴33、主动齿轮20、第一齿轮21、第二齿轮22、第一传动轮23、第二传动轮24、柔性传动件25、第三齿轮26、齿条6和簧件7；所述电机4与第一指段9固接，所述主动齿轮20套固在减速器输出轴32上；所述过渡轴33套设在第一指段9中，所述过渡轴33与近关节轴34相互平行；所述主动齿轮20与第一齿轮21啮合，第一齿轮21活动套接在过渡轴33上；所述第二齿轮22与第一齿轮21啮合；第二齿轮22套接在近关节轴34上，所述第二齿轮22与基座1固接；所述第一传动轮23套固在减速器输出轴32上；所述第二传动轮24套固在远关节轴31上；所述柔性传动件25分别连接第一传动轮23和第二传动轮24，所述第一传动轮23采用带轮、链轮或绳轮，所述第二传动轮24采用带轮、链轮或绳轮，所述柔性传动件25采用传动带、链条或腱绳，所述第一传动轮23、第二传动轮24和柔性传动件25三者构成带轮传动关系、链轮传动关系或绳轮传动关系，所述柔性传动件25呈“O”形；所述簧件7的两端分别连接第二传动轮24和第二指段10；所述第三齿轮26套接在远关节轴31上，第三齿轮26与第二指段10固接；所述滑动外壳8设有固接的滑动凸块81，所述滑动凸块81滑动镶嵌在第一指段9的滑动槽91中；所述齿条6与滑动外壳8固接，齿条6与第三齿轮26啮合；通过第一齿轮的传动，从主动齿轮到第二齿轮的传动比为i，通过柔性传动件的传动，从第一传动轮23到第二传动轮24的传动比为j，i＝j；所述第二齿轮22与第一齿轮21的分度圆直径相等，所述主动齿轮20与第一齿轮21的分度圆直径相等；第一传动轮23与第二传动轮24的传动半径相等；通过第一齿轮21的传动，从主动齿轮20到第二齿轮22的传动比为1，通过柔性传动件25的传动，从第一传动轮23到第二传动轮24的传动比为1。

本发明中所述簧件7采用扭簧。本实施例采用扭簧。

本实施例的具体工作原理，结合附图13至图18所示，叙述如下：

本实施例装置的初始状态如图13所示，电机4的输出轴正向转动，经减速器5带动主动齿轮20和第一传动轮23顺时针(指图13上的顺时针方向)转动。通过主动齿轮20带动套接在过渡轴的第一齿轮21逆时针转动，由于第二齿轮22固接与基座，第二齿轮22始终不动，因此第一齿轮21的转动使得整个第一指段9会绕着近关节轴33逆时针转动；此时，第一传动轮23顺时针转动，通过柔性传动件25使得第二传动轮24顺时针转动，通过簧件7拉动第二指段10顺时针转动。由于是等速传动，因此第二指段10顺时针转动角度等于第一指段9逆时针转动角度，第二指段10始终保持与初始状态相同的姿态平动，此过程如图13、图14和图15所示。

上述过程中，若第二指段10接触物体，抓取结束，达到了平行夹持抓取效果，如图17或图18所示。

当物体11接触并阻挡了第一指段9，如图15所示，主动齿轮20继续转动一个角度，第一传动轮23、第二传动轮24继续转动一个角度，第一指段9继续转动一个小角度，滑动外壳8受到物体11挤压，向内滑动，推动齿条6，使第三齿轮26转动。第三齿轮26带动与之固接的第二指段10转动。此时位于第二传动轮24与第二指段10之间的簧件7发生形变。直至第二指段10接触物体11，抓取过程结束，如图16所示。实现了自适应抓取物体的效果。

上述两个过程达到了先平行夹持然后再自适应抓取物体的效果。

图9至图12为间接自适应抓取时齿条附近组件的动作原理的过程示意图。图9为初始状态，图12为抓取物体的终止状态。当第一指段沿顺时针(图10下方箭头方向)转动时，由于第二指段会绕着远关节轴逆时针转动(平行夹持抓取阶段)，与第二指段固接的第三齿轮26会因此逆时针(图10中上方箭头方向)转动，使得齿条6向外运动，从而滑动外壳向外运动，如图10所示；当滑动外壳接触物体时，如图11所示；之后，第一指段继续转动，由于物体的阻挡，齿条不再向内运动，第二指段不再逆时针转动，簧件7发生变形，不仅如此，当第一指段继续转动的过程中，物体会挤压滑动外壳向内运动，带动齿条向内运动，从而使得齿轮以及第二指段会顺时针转动，直到第二指段接触物体为止，如图12所示，抓取物体结束，不仅滑动外壳接触了物体，而且第二指段也接触了物体，达到了两个接触点的包络式接触，实现了力量抓取。

该装置采用设置在第一指段的电机、五轮传动机构和簧件综合实现了双关节机器人手指的平夹与间接自适应的复合抓取模式；该装置由单个电机驱动两个关节，该装置抓取物体时，先采用平行夹取抓取模式，此模式下抓取力度大，抓取稳定；当第一指段接触物体后，自动切换为第二指段继续转动的间接自适应抓取模式，该装置能够适应不同形状尺寸物体的抓取，结构简单、容易控制、传动精确、成本低、效率高，该装置的电机和传动机构完全嵌入到第一指段中，不占用基座空间，便于装配到机器人手中使用。