齿带连杆串并混联复合抓取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，特别涉及一种齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

随着技术的革新，机器人产业迎来了发展的黄金时期，其中机器人手作为机器人实现各种功能的关键部分，已经成为目前该领域研究的热点。机器人手的优劣将直接决定机器人的实用性能，随着应用场景越来越复杂，对机器人手的可靠性和适应性的要求也越来越高，为追求机器人手功能的多样性和使用的灵活性，机器人手指应该具备尽可能多的抓取模式。因而具有多种抓取模式的欠驱动自适应手是机器人手领域最前沿的课题之一。多指机器人手的抓取模式一般有平行夹持抓取、耦合多关节联动抓取、自适应抓取等。具有多个抓取模式的机器人手已经成为当前研究的热点。

目前具有两种以上抓取模式的机器人手已经被开发出来，典型的多指机器人手有三种大的类别：

1)工业夹持器。工业夹持器在工业流水线抓取物体时经常使用，手指具有平行夹持的功能，平行夹持(简称平夹)是在许多场合非常有效的抓取方式，也是在桌面上抓取物体甚至是唯一的抓取方式，对中抓取，抓取位置准确，工业上得到了大量应用。工业夹持器结构简单、制造容易、工作可靠，但是，工业夹持器手指中部没有转动关节，难以抓取不同形状、尺寸的物体，因此适用范围窄，不利于应用于服务机器人上。

2)灵巧手。灵巧手通常具有较多的自由度和较好的灵巧性，拟人程度最高，可以最大限度模拟人手完成复杂的工作，具有高灵活度、可靠性。虽然灵巧手具有灵活的优点，但其控制系统和传感系统非常复杂，成本昂贵，抓取力小。

3)欠驱动手。欠驱动手具有上述两种机器人手的优点，其关节自由度少于电机的数量，因此降低了对控制系统的要求，具有很高的适应性与抓取力，抓取控制比较简单，制造成本低且出力大，应用范围比较广，得到了近十余年的热点研究，正在飞速发展。

具有平夹自适应抓取的机器人手和具有耦合自适应抓取的欠驱动手被开发出来：

1)耦合自适应抓取机器人手能够将耦合与自适应抓取融合起来，先采用耦合抓取模式，当近指段接触物体后再采用自适应抓取模式，实现了又一种较好的复合抓取；

已有的一种耦合欠驱动一体化双关节机器人手指装置(中国专利cn101664930b)，包括基座、电机、两个指段、两个关节轴、电机、四个连杆和两个簧件等。该装置实现了两关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的效果，该装置在碰触物体前采用耦合方式转动，且可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取。该装置的不足之处在于：该装置仅具有耦合自适应抓取模式，无法实现平夹自适应抓取。

2)平夹自适应抓取机器人手能够将平行夹持与自适应抓取融合起来，先采用平行夹持抓取模式，当近指段接触物体后再采用自适应抓取模式，实现了较好的复合抓取；

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、机械约束。该装置在工作时，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：该装置仅具有平夹自适应抓取模式，无法实现耦合自适应抓取。

此外，具有耦合自适应与平夹自适应的多抓取模式切换手指已经被设计出来：

一种盘齿切换多模式融合自适应机器人手指装置(中国专利cn108481354a)，包括两个指段、两个关节、多路传动机构、两个电机、两个簧件和切换机构等，实现双关节平夹与耦合切换的自适应抓取。该装置的不足之处在于：

1)该装置在抓取时，只能够采取平夹自适应抓取模式或者耦合自适应抓取模式；

2)该装置不具备平夹与耦合同时存在的抓取模式，需要操作者人为决定或外部传感器根据现场情况酌情选择；

3)该装置在实现平夹自适应抓取模式或者耦合自适应抓取模式的切换过程中，需要使用一个单独的电机来提供动力源。

技术实现要素：

为克服已有机器人手指装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置，该装置将平夹、耦合与自适应三者结合起来，具有末端指段平夹抓取、中部关节耦合抓取、中部指段自适应抓取、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取的5种抓取模式，抓取模式多，仅用一个电机驱动三个关节，欠驱动效果好，抓取物体快速，抓取范围大，能够适应不同尺寸物体的抓取。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。

本发明一种齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、中关节轴、电机、蜗轮蜗杆传动机构、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第一簧件、第二簧件、第一限位块、第二限位块、第一凸块和第二凸块；所述电机与基座固接；所述蜗轮蜗杆传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与蜗轮蜗杆传动机构的输入端相连；所述近关节轴活动套设在基座中；所述第一指段活动套接在近关节轴上；所述中关节轴活动套设在第一指段中；所述第二指段活动套接在中关节轴上；所述近关节轴的中心线与中关节轴的中心线相互平行；所述第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构均分别设置在第一指段中；所述蜗轮蜗杆传动机构的输出端与第一传动齿轮相连；所述第一传动齿轮活动套接在近关节轴上，所述第一传动齿轮与第一齿轮传动机构的输入端相连，所述第一齿轮传动机构的输出端与第二传动齿轮相连，所述第二传动齿轮套固在中关节轴上；通过第一齿轮传动机构的传动，从第一传动齿轮到第二传动齿轮的传动为同向且增速的传动；所述第三传动齿轮活动套接在近关节轴上，所述第三传动齿轮与第二齿轮传动机构的输入端相连；所述第一凸块与第三传动齿轮固接；所述第一限位块、第二限位块分别与基座固接；所述第一簧件的一端通过缠绕经过第一绕线筒的第一腱绳与第一凸块连接、另一端与基座连接，在初始状态时，所述第一凸块与第一限位块接触；其特征在于：该齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置还包括第二指段中间轴、第三指段、远关节轴、第一带轮传动机构、第二带轮传动机构、第三带轮传动机构、第一传动带轮、第二传动带轮、第三传动带轮、第四传动带轮、第五传动带轮、第六传动带轮、连杆传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第三簧件、第四簧件、第三限位块、第三凸块；所述远关节轴活动套设在第二指段中；所述第二指段中间轴活动套设在第二指段中；所述第三指段套固在远关节轴上；所述远关节轴的中心线与中关节轴的中心线相互平行；所述第一带轮传动机构、第二带轮传动机构、连杆传动机构均分别设置在第一指段中；所述第三带轮传动机构设置在第二指段中；所述第二指段中间轴的中心线与中关节轴的中心线相互平行；所述第二齿轮传动机构的输出端与第一传动带轮相固连；通过第二齿轮传动机构的传动，从第三传动齿轮到第一传动带轮的传动为反向且等速的传动；所述第一传动带轮为第一带轮传动机构的输入端，所述第二传动带轮为第一带轮传动机构的输出端，所述第二传动带轮活动套接在中关节轴上，所述第二传动带轮与第二指段固接；通过第一带轮传动机构的传动，从第一传动带轮到第二传动带轮的传动为同向且等速的传动；所述第一连杆一端活动套接在近关节轴上，所述第一连杆与近关节轴和中关节轴之间的距离等长，所述第一连杆为所述连杆传动机构的输入端，所述第一连杆另一端与第二连杆的一端活动套接，所述第二连杆的另一端与第三连杆、第四连杆的一端活动套接，所述第三连杆的另一端活动套接在中关节轴上，所述第三连杆与第二传动齿轮固接并与第一连杆等长，所述第四连杆的另一端活动套接在第二指段中间轴上；所述第三传动带轮活动套接在近关节轴上，所述第三传动带轮为第二带轮传动机构的输入端，所述第四传动带轮为第二带轮传动机构的输出端，所述第四传动带轮套固在中关节轴上；通过第二带轮传动机构的传动，从第三传动带轮到第四传动带轮的传动为同向且等速的传动；所述第五传动带轮与第四传动带轮固连，所述第五传动带轮为第三带轮传动机构的输入端，所述第六传动带轮为第三带轮传动机构的输出端，所述第六传动带轮套固在远关节轴上并与第三指段固接；通过第三带轮传动机构的传动，从第五传动带轮到第六传动带轮的传动为同向且等速的传动；所述第二凸块与第三传动带轮固接；所述第二簧件的一端通过缠绕经过第二绕线筒的第二腱绳与第二凸块连接、另一端与基座连接；所述第三凸块与第一连杆固接；所述第三限位块与基座固接；所述第三簧件的一端通过缠绕经过第二绕线筒的第二腱绳与第二凸块连接、另一端与基座连接；在初始状态时，所述第二凸块与第二限位块接触，所述第三凸块与第三限位块接触；所述第四簧件的一端通过缠绕经过第四绕线筒的第四腱绳与第一指段连接、另一端与基座连接，所述第四绕线筒活动套接在近关节轴上。

与已有机器人手指装置相比，本发明具有以下优点和突出性效果：

本装置利用电机、多路齿轮传动机构、多路带轮传动机构、连杆传动机构、四个簧件、腱绳、绕线筒等综合实现了双关节机器人手指平夹、耦合、自适应复合抓取功能。该装置将平夹、耦合与自适应三者结合起来，具有末端指段平夹抓取、中部关节耦合抓取、中部指段自适应抓取、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取的5种抓取模式，抓取模式多，仅用一个电机驱动三个关节，欠驱动效果好，抓取物体快速，抓取范围大，能够适应不同形状、尺寸物体的抓取。同时该装置体积小，结构紧凑，无需复杂的传感和控制系统，成本低廉，可应用于多种抓取机器人。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明设计的齿带连杆串并混联复合抓取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所示实施例的立体视图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的另一个角度的立体外观图(未画出部分零件)。

图5是图1的侧面外观图(图2的右视图)。

图6是图1的侧面外观图(图2的左视图)。

图7是图5视图，但未画出部分零件。

图8是图6视图，但未画出部分零件。

图9是图1所示实施例的背面外观图，但未画出部分零件。

图10是图1所示实施例的剖视图。

图11是图1所示实施例在耦合平夹抓取模式阶段用第三指段接触物体的动作过程(其中双点划线为初始状态，虚线为中间状态)。

图12是图1所示实施例在耦合平夹抓取模式阶段用第一指段、第二指段先后接触物体的动作过程(其中双点划线为初始状态，虚线为中间状态)。

图13是图1所示实施例在第二指段自适应抓取模式阶段用第一指段、第二指段先后接触物体的动作过程(其中双点划线为自适应初始状态，虚线为中间状态)。

图14是图1所示实施例在第三指段自适应抓取模式阶段用第一指段、第二指段、第三指段先后接触物体的动作过程(其中双点划线为自适应初始状态，虚线为中间状态)。

图中标记：1－基座、101－第一限位块、102－第二限位块、103－第三限位块、11－电机、21－第一指段、22－第二指段、23－第三指段、31－近关节轴、32－中关节轴、33－远关节轴、34－第二指段中间轴、411－蜗杆、412－蜗轮、、421－第一传动齿轮、422－第二传动齿轮、423－第一中间齿轮、424－第二中间齿轮、425－第三中间齿轮、426－第四中间齿轮、431－第三传动齿轮、432－第五中间齿轮、441－第一传动带轮、442－第二传动带轮、451－第三传动带轮、452－第四传动带轮、461－第五传动带轮、462－第六传动带轮、、471－第一连杆、472－第二连杆、473－第三连杆、474－第四连杆、51－第一同步带、52－第二同步带、53－第三同步带、61－第一簧件、62－第二簧件、63－第三簧件、64－第四簧件、71－第一凸块、72－第二凸块、73－第三凸块、81－第四腱绳、82－第四绕线筒、9－物体。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1至图10，为本发明设计的齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置的一种实施例，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、中关节轴32、电机11、蜗轮蜗杆传动机构、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一传动齿轮421、第二传动齿轮422、第三传动齿轮431、第一簧件61、第二簧件62、第一限位块101、第二限位块102、第一凸块71和第二凸块72；所述电机11与基座1固接；所述蜗轮蜗杆传动机构设置在基座1中，包括作为传动机构输入端的蜗杆411、作为传动机构输出端的蜗轮412；所述电机11的输出轴与即蜗杆411相连；所述近关节轴31活动套设在基座1中；所述第一指段21活动套接在近关节轴31上；所述中关节轴32活动套设在第一指段21中；所述第二指段22活动套接在中关节轴32上；所述近关节轴31的中心线与中关节轴32的中心线相互平行；所述第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构均分别设置在第一指段21中，第一齿轮传动机构包括分别通过轴支承在第一指段上的第一中间齿轮423、第二中间齿轮424、第三中间齿轮425、第四中间齿轮426，作为传动机构输入端的第一中间齿轮423与第二中间齿轮424相固连，第二中间齿轮424及第三中间齿轮425及作为传动机构输出端的第四中间齿轮426依次啮合进行传动，第二齿轮传动机构包括相互啮合的第三传动齿轮431及第五中间齿轮432，所述第三传动齿轮431为传动机构的输入端、第五中间齿轮432为传动机构的输出端；所述蜗轮412与第一传动齿轮421啮合传动，所述第一传动齿轮421活动套接在近关节轴31上，所述第一传动齿轮421与第一中间齿轮423啮合传动，所述第四中间齿轮426与第二传动齿轮422啮合传动，所述第二传动齿轮422套固在中关节轴32上；通过第一齿轮传动机构的传动，从第一传动齿轮421到第二传动齿轮422的传动为同向且增速的传动；所述第三传动齿轮431活动套接在近关节轴31上，所述第一凸块71与第三传动齿轮431固接，所述第一限位块101与基座1固接，所述第一簧件61的一端通过缠绕经过第一绕线筒的第一腱绳与第一凸块71连接、另一端与基座1连接，在初始状态时所述第一凸块71与第一限位块101接触。

该齿带连杆串并混联复合抓取机器人手指装置还包括第二指段中间轴34、第三指段23、远关节轴33、由第一传动带轮441及第二传动带轮442及第一同步带51组成的第一带轮传动机构、由第三传动带轮451及第四传动带轮452及第二同步带52组成的第二带轮传动机构、由第五传动带轮461及第六传动带轮462及第三同步带53组成的第三带轮传动机构、由第一连杆471及第二连杆472及第三连杆473及第四连杆474组成的连杆传动机构、第二簧件62、第三簧件63、第四簧件64、第三限位块103、第三凸块73；所述远关节轴33活动套设在第二指段22中；所述第二指段中间轴34活动套设在第二指段22中并位于远关节轴33的下方；所述第三指段23套固在远关节轴33上；所述远关节轴33的中心线与中关节轴32的中心线相互平行；所述第一带轮传动机构、第二带轮传动机构、连杆传动机构均分别设置在第一指段21中；所述第三带轮传动机构设置在第二指段22中；所述第二指段中间轴34的中心线与中关节轴32的中心线相互平行；作为第二齿轮传动机构输出端的第五中间齿轮432与第一传动带轮441相固连，通过第二齿轮传动机构的传动，从第三传动齿轮431到第一传动带轮441的传动为反向且等速的传动；所述第一传动带轮441为第一带轮传动机构的输入端，所述第二传动带轮442为第一带轮传动机构的输出端，所述第二传动带轮442活动套接在中关节轴32上，所述第二传动带轮442与第二指段22固接，通过第一带轮传动机构的传动，从第一传动带轮441到第二传动带轮442的传动为同向且等速的传动；所述第一连杆471一端活动套接在近关节轴31上，所述第一连杆471与近关节轴31之间的距离、第一连杆471与中关节轴32之间的距离相等，所述第一连杆471为所述连杆传动机构的输入端，所述第一连杆471另一端与第二连杆472的一端活动套接，所述第二连杆472的另一端与第三连杆473、第四连杆474的一端活动套接，所述第三连杆473的另一端活动套接在中关节轴32上，所述第三连杆473与第一连杆471等长，所述第四连杆474的另一端活动套接在第二指段中间轴34上；所述第三传动带轮451活动套接在近关节轴31上，所述第三传动带轮451为第二带轮传动机构的输入端，所述第四传动带轮452为第二带轮传动机构的输出端，所述第四传动带轮452套固在中关节轴32上，通过第二带轮传动机构的传动，从第三传动带轮451到第四传动带轮452的传动为同向且等速的传动；所述第五传动带轮461与第四传动带轮452固连，所述第五传动带轮461为第三带轮传动机构的输入端，所述第六传动带轮462为第三带轮传动机构的输出端，所述第六传动带轮462套固在远关节轴33上，所述第六传动带轮462与第三指段23固接，通过第三带轮传动机构的传动，从第五传动带轮461到第六传动带轮462的传动为同向且等速的传动；所述第二凸块72与第三传动带轮451固接，所述第二限位块102与基座1固接，所述第二簧件62的一端通过缠绕经过第二绕线轮的第二腱绳与第二凸块72连接、另一端与基座1连接；所述第三凸块73与第一连杆471固接，所述第三限位块103与基座1固接，所述第三簧件63的一端通过缠绕经过第三绕线轮的第三腱绳与第三凸块73连接、另一端与基座1连接；在初始状态时，所述第二凸块72与第二限位块102接触，所述第三凸块73与第三限位块103接触；所述第四簧件64的下端与基座1连接，其上端与第四腱绳81连接，第四腱绳81缠绕经过活动套接在近关节轴31上的第四绕线筒82，其端部与第一指段21连接。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下。

1)以平夹耦合模式抓取物体时，该装置的工作原理如下：

第一电机11转动，通过蜗轮蜗杆传动机构带动第一传动齿轮421向前(靠向抓取物体9一侧)绕近关节轴31转动一个大于零的角度α，通过第一齿轮传动机构的传动，带动第一指段21和第二传动齿轮422分别转动并综合达到一种状态，且从第一传动齿轮421到第二传动齿轮422的传动为同向且增速的传动；再者第二齿轮传动机构将运动从第三传动齿轮431传递到第五中间齿轮432，构成了一个反向等速的传动关系；第五中间齿轮432与第一传动带轮441固连，第一带轮传动机构将运动从第一传动带轮441传递到第二传动带轮442，构成了一个同向等速的传动关系，而第三传动齿轮431在第一簧件61作用下保持与基座1固定不变的姿态，因此当第一指段21向前绕近关节轴31转动一个大于零的角度δ(由于从第一传动齿轮421到第二传动齿轮422的传动为同向且增速的传动，故而该角度δ小于第一传动齿轮421的转角α)时，第二传动带轮442将向前绕中关节轴32中心转动一个相同的角度δ，由于第二指段22与第二传动带轮442固接，故而第二指段22向前绕中关节轴32中心转动了一个角度δ，因此第二指段22形成与第一指段21的耦合运动；另外，第二带轮传动机构将运动从第三传动带轮451传递到第四传动带轮452，构成了一个同向等速的传动关系，第三带轮传动机构将运动从第五传动带轮461传递到第六传动带轮462，构成了一个同向等速的传动关系，而第三传动带轮451在第二簧件62作用下保持与基座1固定不变的姿态，因此当第一指段21向前绕近关节轴31转动一个大于零的角度δ时，第五传动带轮461将向后绕中关节轴32中心转动一个相同的角度δ，再通过第三带轮传动机构，第六传动带轮462将同样向后绕远关节轴33中心转动一个相同的角度δ，由于第三指段23与第六传动带轮462固接，故而第三指段23向后绕远关节轴33中心转动了一个角度δ，故而第三指段23与基座1之间无相对转动，因此第三指段23形成平夹模式；

此时，若第三指段23接触物体9，抓取结束，完成耦合平夹抓取模式，如图11所示；

此时，若第一指段21先接触物体9，如图12所示，则接下来将执行第二指段与第三指段联合自适应抓取模式；

2)以第二指段与第三指段联合自适应模式抓取物体时，该装置的工作原理如下：

当第一指段21先接触物体9以后，第一电机11继续转动，通过蜗轮蜗杆机构带动第一传动齿轮421继续转动一个大于零的角度α，通过第一齿轮传动机构，带动第二传动齿轮422继续转动；此时由于第一指段21被物体9限制住而不能继续运动，第二传动齿轮422将在第二指段22内产生转动；连杆传动机构将运动由第一连杆471传递到第三连杆473和第四连杆474，由于第一连杆471、近关节轴31和中关节轴32之间的轴间距、第二连杆472和第三连杆473构成一个平行四边形，中关节轴32和第二指段中间轴34之间的轴间距、第三连杆473和第四连杆474构成一个三角形，第四连杆474推动第二指段运动，因此在连杆传动机构的带动下，由第一连杆471到第三连杆472和第四连杆474的运动为同向等速的运动；由于第三连杆473与第二传动齿轮422固接，在第二传动齿轮422的带动下，第三连杆473将会带动第四连杆474与第二指段22转动一个角度β，同时第一簧件61和第三簧件63将被拉长，第三传动齿轮431、第一连杆471均与基座1脱开。与此同时，第四传动带轮452通过中关节轴32与第二传动齿轮422、第五传动带轮461固接，因此在第二传动齿轮422的带动下，第四传动带轮452将会转动一个相同的角度β，第二簧件62将被拉长，第三传动带轮451与基座1脱开；由于第三带轮传动机构将运动从第五传动带轮461传递到第六传动带轮462，构成了一个同向等速的传动关系，因此第六传动带轮462将同样向前绕远关节轴33中心转动一个相同的角度β，由于第三指段23与第六传动带轮462固接，故而第三指段23向前绕远关节轴33中心转动了一个角度β，此运动将一直持续到第二指段22或第三指段23接触物体9为止；

此时，若第二指段22接触物体9，如图13所示；或者第三指段23接触物体9，如图14所示，则完成了第二指段与第三指段联合自适应抓取模式，抓取过程结束；

释放物体9的过程：第一电机11反转，后续过程与上述抓取物体9的过程刚好相反，不赘述。

本发明装置利用电机、多路齿轮传动机构、多路带轮传动机构、连杆传动机构、四个簧件、腱绳、绕线筒等综合实现了双关节机器人手指平夹、耦合、自适应复合抓取功能。该装置将平夹、耦合与自适应三者结合起来，具有末端指段平夹抓取、中部关节耦合抓取、中部指段自适应抓取、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取5种抓取模式，抓取模式多，仅用一个电机驱动三个关节，欠驱动效果好，抓取物体快速，抓取范围大，能够适应不同形状、尺寸物体的抓取；该装置体积小，结构紧凑，无需复杂的传感和控制系统，成本低廉，可应用于多种抓取机器人。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的设计和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。