精确平夹自适应与耦合自适应模式切换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，特别涉及一种精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

欠驱动机器人手是指关节自由度数目多于所使用的驱动器数目的一类机器人手，这类机器人手所具有的自适应抓取功能能够抓取多种不同尺寸、不同形状的物体，能够在不使用复杂的传感和控制模块的情况下实现准确、稳定的抓取效果。欠驱动机器人手的机械结构简洁、成本低廉、功能强大，可以适应工业机器人、社会服务机器人或人体义肢等不同领域中，对机器人手的抓取需求。

具有两个关节自由度的欠驱动机器人手的两个基本抓取类别是耦合抓取模式和自适应抓取模式。耦合抓取模式即：机器人手的两个关节按照一定的比例关系进行运动。耦合抓取模式分为正向耦合和反向耦合。正向耦合通常也称为耦合抓取，耦合抓取的弯曲运动效果具有拟人性，且可以实现对细棒状物体的钩取；反向耦合在运动比例为1比1时称为平夹抓取，可以实现对具有两个平行表面的物体的平行夹持。自适应抓取是指，机器人手的最终运动姿态受被抓物体的外形和尺寸影响，可以实现对物体的包络。

通过对基本抓取模式的组合，形成了两种复合抓取模式：耦合自适应抓取模式和平夹自适应抓取模式。这两种复合抓取模式在抓取的过程中分为两个阶段，第一阶段机器人手分别按照耦合抓取和平夹抓取的模式运动，可以进行对物体的抓取，也可以作为对第二阶段的预备运动；第二阶段机器人手进行自适应抓取。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置(美国专利US8973958B2)，包括五个连杆、弹簧和机械约束等。该装置实现了平夹自适应抓取模式。在工作时，开始阶段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捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置仅能实现平夹自适应抓取模式，无法实现耦合自适应抓取模式；此外，它采用非常复杂的多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。

已有的一种双关节并联欠驱动机器人手指装置(中国专利CN101633171B)，包括基座、电机、两个关节轴、两个指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件。该装置实现了耦合自适应抓取模式，当手指碰触物体前就呈现多关节耦合转动的效果，非常拟人化，同时也有助于捏持方式抓取物体；当手指碰触物体后就采用一种多关节欠驱动方式转动的效果，具有对所抓取物体的大小尺寸自动适应的好处。其不足之处在于，该装置仅能实现耦合自适应抓取模式，无法实现平夹自适应抓取模式；此外，机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件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。

已有一种柔性件平夹耦合切换自适应机器人手指装置(中国专利CN105835083A)，能够实现手动切换平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式，采用了半轮、连接件、限位凸块、两套柔性件传动机构和两个簧件。其不足在于：由于在第一指段绕近关节轴的中心线的正转过程中，腱绳只有下方一部分处于半轮的圆弧外缘上，而有相当一部分腱绳以最短折线的方式连接半轮上部与第一指段的中部过渡轮，导致在平夹抓取阶段，传动不平稳，且传动存在较大误差(即存在控制死区)，在第一指段转动过程中第二指段有一段时间没有任何动作，从而不能准确保证第二指段的平动，因此，不是精确的平行夹持；此外，组成零件数量多，结构复杂，体积大，成本高。

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，提供一种精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置。该装置可以实现平夹自适应抓取模式，在简单手动切换后，又可以实现耦合自适应抓取模式；该装置既能平动第二指段平行夹持物体，也能两个关节同时正向弯曲去耦合捏持物体，还可以先后转动第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；该装置通过间接传动的方式，使机构简洁，成本低廉；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机、传动机构、从动滑轮、腱绳、连接件和转轴；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；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；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一指段相连；所述转轴套设在连接件上；所述从动滑轮套接在远关节轴上；其特征在于：该精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置还包括扇形轮、球缺件、滑块、齿条、齿轮和弹簧；所述连接件与基座固接；所述扇形轮套接在转轴上；所述扇形轮具有一段圆弧外缘；所述扇形轮的圆弧外缘与近关节轴同心；所述球缺件与连接件固接；所述球缺件的球心与扇形轮的圆弧外缘同心；所述球缺件的半径与扇形轮的圆弧外缘的半径相等；所述转轴的中心线沿着球缺件的半径方向；定义抓取物体的一侧为该精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方；所述腱绳的一端与扇形轮固接，所述腱绳依次缠绕经过扇形轮的圆弧外缘，经过球缺件的圆弧表面，穿过第一指段，从前方缠绕经过从动滑轮，所述腱绳的另一端与第二指段固接；所述腱绳、扇形轮和从动滑轮三者之间配合形成绳轮传动关系；所述弹簧的两端分别连接第二指段和第一指段，弹簧使第二指段靠向拉紧腱绳的方向；所述扇形轮的圆弧外缘的传动半径与从动滑轮的传动半径相等；所述滑块滑动镶嵌在第一指段中，所述齿条与滑块固接，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮套接在远关节轴上，所述齿轮与第二指段固接。

本发明如权利要求1所述的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置，其特征在于：所述弹簧采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。

本发明如权利要求1所述的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置，其特征在于：还包括过渡滑轮和滑轮轴，所述过渡滑轮套接在滑轮轴上，所述滑轮轴套设在第一指段中，所述腱绳缠绕经过过渡滑轮。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、腱绳、转轴、连接件、扇形轮、球缺件、齿轮、齿条和弹簧等综合实现了机器人手指平夹抓取、耦合抓取和自适应抓取多种抓取模式的功能。该装置利用球缺件的球面实现了平夹与耦合的平稳切换，并且球缺件的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度，利用齿轮齿条机构的间接自适应功能精简了机构，利用弹簧与腱绳的张紧程度的配合避免了平夹或耦合状态与自适应状态的矛盾。该装置既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；在耦合自适应抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在第一指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段；抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的左视图)。

图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的右视图)。

图5是图2的A-A剖视图(该图的左侧为抓取物体一侧)。

图6是图2的B-B剖视图(该图的右侧为抓取物体一侧)。

图7是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图8是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。

图9是图5在初始伸直状态时切换到平夹自适应模式下的扇形轮附近位置关系(扇形轮位于靠近抓取物体的一侧，该图的左侧为抓取物体一侧)。

图10是图5在初始伸直状态时切换到耦合自适应模式下的扇形轮附近位置关系(扇形轮位于远离抓取物体的一侧，该图的左侧为抓取物体一侧)。

图11是图1所示实施例在切换为平夹自适应模式下的平夹抓取物体时的内部结构(未画出部分零件)。

图12是图1所示实施例在切换为耦合自适应模式下的耦合抓取物体时的内部结构(未画出部分零件)。

图13至图16是图1所示实施例在平夹自适应模式下自适应包络抓取物体的动作过程示意图。

图17至图19是图1所示实施例在平夹自适应模式下平动第二指段夹持物体的动作过程示意图。

图20至图22是图1所示实施例在耦合自适应模式下自适应包络抓取物体的动作过程示意图。

图23至图24是图1所示实施例在耦合自适应模式下耦合抓取物体的动作过程示意图。

在图1至图24中：

1－基座，111－基座前板，112－基座后板，113－基座左侧板，

114－基座右侧板，115－基座表面板，116－基座底板，117－基座侧罩板，

2－第一指段，21－第一指段骨架，22－第一指段左侧板，23－第一指段右侧板，

24－滑块表面板，25－滑块前板，26－第一指段后板，3－第二指段，

4－近关节轴，5－远关节轴，6－滑块，7－齿条，

8－齿轮，811－第一过渡滑轮，812－第二过渡滑轮，813－第三过渡滑轮，

821－第一过渡滑轮轴，822－第二过渡滑轮轴，823－第三过渡滑轮轴，83－轴承，

84－套筒，85－螺钉，86－销钉，9－扇形轮，

10－从动滑轮，11－腱绳，12－连接件，13－转轴

14－电机，141－减速器，142－第一锥齿轮，143－第二锥齿轮，

144－过渡齿轮轴，145－第一带轮，146－第二带轮，147－传动带，

15－弹簧，16－球缺件，17－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。

本发明设计的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8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、电机14、传动机构、从动滑轮10、腱绳11、连接件12和转轴13；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；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；所述传动机构设置在基座1中；所述电机14的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第一指段2相连；所述转轴13套设在连接件12上；所述从动滑轮10套接在远关节轴5上；该精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置还包括扇形轮9、球缺件16、滑块6、齿条7、齿轮8和弹簧15；所述连接件12与基座1固接；所述扇形轮9套接在转轴13上；所述扇形轮9具有一段圆弧外缘；所述扇形轮9的圆弧外缘与近关节轴4同心；所述球缺件16与连接件12固接；所述球缺件16的球心与扇形轮9的圆弧外缘同心；所述球缺件16的半径与扇形轮9的圆弧外缘的半径相等；所述转轴13的中心线沿着球缺件16的半径方向；定义抓取物体17的一侧为该精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体17的那一侧为该装置的后方；所述腱绳11的一端与扇形轮9固接，所述腱绳11依次缠绕经过扇形轮9的圆弧外缘，穿过第一指段2，从前方缠绕经过从动滑轮10，所述腱绳11的另一端与第二指段3固接；所述腱绳11、扇形轮9和从动滑轮10三者之间配合形成绳轮传动关系；所述弹簧15的两端分别连接第二指段3和第一指段2，弹簧15使第二指段3靠向拉紧腱绳11的方向；所述扇形轮9的圆弧外缘的传动半径与从动滑轮10的传动半径相等；所述滑块6滑动镶嵌在第一指段2中，所述齿条7与滑块6固接，所述齿条7与齿轮8啮合，所述齿轮8套接在远关节轴5上，所述齿轮8与第二指段3固接。

本发明所述的精确平夹自适应与耦合自适应模式切换机器人手指装置，其特征在于：所述弹簧采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述弹簧15采用拉簧。

本实施例包括3个过渡滑轮81和3个对应的过渡滑轮轴82；每个所述过渡滑轮81套接在对应的过渡滑轮轴82上；所述第一过渡滑轮轴821、第二过渡滑轮轴822和第三过渡滑轮轴823分别套设在第一指段2中；所述腱绳11分别缠绕经过第一过渡滑轮811、第二过渡滑轮812和第三过渡滑轮813。第一过渡滑轮811、第二过渡滑轮812和第三过渡滑轮813的设置有利于加大腱绳11在扇形轮9、从动滑轮10上的缠绕经过的弧长，还可以减少传动摩擦，获得更好的传动效果。

本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115、基座底板116和基座侧罩板117。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23和第一指段后板26。

本实施例中，所述滑块上固接有滑块表面板24、滑块前板25。

本实施例中，所述传动机构包括减速器141、第一锥齿轮142、第二锥齿轮143、过渡齿轮轴144、第一带轮145、第二带轮146和传动带147；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述第一锥齿轮142套固在减速器141的输出轴上，所述第二锥齿轮143套固在过渡齿轮轴144上，所述第一锥齿轮142与第二锥齿轮143啮合；所述过渡齿轮轴144套设在基座1中，所述第一带轮145套固在过渡齿轮轴144上，所述第二带轮146活动套接在近关节轴4上，所述第二带轮146与第一指段骨架21固接，所述传动带147连接第一带轮145和第二带轮146，所述传动带147、第一带轮145和第二带轮146形成带轮传动关系，所述传动带呈“O”字形。

本实施例还采用了若干轴承83、若干套筒84、若干螺钉85和若干销钉86等零件，属于公知常用技术，不赘述。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

该装置具有两种抓取模式：一种是耦合自适应抓取模式，另一种是平夹自适应抓取模式，两种模式的切换可以由扇形轮绕转轴的转动来实现。

平夹自适应抓取模式和耦合自适应抓取模式的手动切换方法为：

将扇形轮绕转轴旋转180度。

1)平夹抓取模式的实现

将扇形轮拨动到靠向前方的一侧，如图5、图9、图11所示，这时腱绳11从前方缠绕经过扇形轮9和球缺件16，腱绳11、扇形轮9与从动滑轮10构成了同向等速传动。

初始位置为手指伸直状态。

当电机14开始正转，通过第一锥齿轮142和第二锥齿轮143的传动，带动第一带轮145转动，第一带轮145与第二带轮146通过传动带147相连，第二带轮146转动，带动第一指段2绕近关节轴4正转；

由于扇形轮9与从动滑轮10的传动半径相等(即传动比为1)，在腱绳11的作用下，无论第一指段2处于何位置，从动滑轮10始终与扇形轮9保持同一角度，而扇形轮9始终与基座1不发生转动，因此，从动滑轮10相对基座1的只进行平动而不会旋转，由于从动滑轮10与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平动而不会旋转；此时，弹簧15收缩(弹簧减小了拉伸变形量)，腱绳11仍处于张紧状态。

第二指段3相对于第一指段2的运动为反转，由于齿轮8与第二指段3固定，且齿条7与齿轮8啮合，因此，第二指段3相对于第一指段2的反转会使齿轮8反转，使得齿条7正向滑动；相对于第一指段2，齿条7会向手指外平动，增大了向外凸出的距离；

实现了双关节平行夹持动作，这一阶段称为平行夹持(简称平夹)阶段。

平行夹持阶段适合以第二指段3去平动夹持物体17，此时末端在运动中始终保持一个姿态，适合抓取存在相对表面的物体，如图11所示；这一阶段也适合外张抓取，外张的方式是指用第二指段3去从内向外打开的方式去外张撑取物体，例如，对空心圆柱筒的拿取，从该空心圆柱筒的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。

整个平夹动作过程如图17至图19所示。

该装置利用球缺件16的球面实现了平夹与耦合的平稳切换，并且球缺件的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度。由于在第一指段2绕近关节轴4的中心线的正转过程中，腱绳11的下方均缠绕在扇形轮9和球缺件16上，所以在平夹抓取阶段，传动平稳，且传动不存在误差，因此，是精确的平行夹持。

2)平夹自适应抓取模式的实现

在上述的平行夹持阶段中，如果滑块表面板24接触物体17而被物体17挤压，那么，滑块6向手指内部滑动时，将进入第二阶段——自适应包络抓取阶段。这时电机14通过传动机构的传动，带动第一指段2继续向物体17转动，物体17挤压滑块表面板24，滑块6向第一指段2内滑动，齿条7向第一指段内滑动，齿轮8正转，第二指段3绕远关节轴5的中心线正转，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。在此过程中弹簧15伸长(弹簧增大了拉伸变形量)，腱绳11松弛。该装置能够抓取不同形状、尺寸的物体，具有自适应抓取特性。

从而达到了平夹自适应抓取功能，抓取物体的整个动作过程如图13至图16所示。

3)耦合抓取模式的实现

将扇形轮9拨动到远离抓取物体17的后方一侧，如图10、图12所示，这时腱绳11从后方缠绕经过扇形轮9和球缺件16，腱绳11、扇形轮9与从动滑轮10构成了反向等速传动。

当电机14开始正转，通过第一锥齿轮142和第二锥齿轮143的传动，带动第一带轮145转动，第一带轮145与第二带轮146通过传动带147相连，第二带轮146转动，带动第一指段2绕近关节轴4正转；

在腱绳11的作用下，第二指段3相对于第一指段2的运动也为正转，而且从动滑轮10相对于第一指段2转动的正转角度与第一指段2相对于基座1转动的正转角度相等，达到两个关节耦合转动效果，此时，弹簧15伸长(弹簧增大了拉伸变形量)，腱绳11仍处于张紧状态。

第二指段3相对于第一指段2的运动为正转，由于齿轮8与第二指段3固定，且齿条7与齿轮8啮合，因此，第二指段3相对于第一指段2的正转会使齿轮8正转，使得齿条7反向滑动；相对于第一指段2，齿条7向手指内平动，减小了凸出在外的距离；

实现了双关节耦合转动动作，这一阶段称为耦合抓取阶段。

耦合抓取阶段适合以第二指段3的末端去捏持小尺寸物体17，或者钩取物体(例如行李箱的手柄)，如图12所示。整个耦合动作过程如图23至图24所示。

4)耦合自适应抓取模式的实现

在此阶段中，如果滑块表面板24接触物体17而被物体17挤压，那么，滑块6向手指内部滑动时，将进入第二阶段——自适应包络抓取阶段。这时电机14通过传动机构的传动，带动第一指段2继续向物体17转动，物体17挤压滑块表面板24，滑块6向第一指段内滑动，齿条7向第一指段内滑动，齿轮8正转，第二指段3绕远关节轴5的中心线正转，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。在此过程中弹簧15伸长(弹簧增大了拉伸变形量)，腱绳松弛。该装置能够抓取不同形状、尺寸的物体，具有自适应抓取特性。

从而达到了耦合自适应抓取功能，抓取物体的整个动作过程如图20至图22所示。

本发明装置利用电机、腱绳、转轴、连接件、扇形轮、球缺件、齿轮、齿条和弹簧等综合实现了机器人手指平夹抓取、耦合抓取和自适应抓取多种抓取模式的功能。该装置利用球缺件的球面实现了平夹与耦合的平稳切换，并且球缺件的设置提高了平夹与耦合阶段的传动精度，利用齿轮齿条机构的间接自适应功能精简了机构，利用弹簧与腱绳的张紧程度的配合避免了平夹或耦合状态与自适应状态的矛盾。该装置既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；在耦合自适应抓取模式中，该装置可以同时联动两个关节转动，并在第一指段接触物体被阻挡后自然转入弯曲第二指段的自适应抓取阶段；抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用单个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。