一种齿轮带轮耦合的被动式夹取机构

1.本发明涉及拟人机器人手技术领域，具体涉及一种齿轮带轮耦合的被动式夹取机构。


背景技术：

2.为模仿人手部抓取功能而设计出的机械夹取机构被应用到了生活中的各个方面。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，增加机构的可靠性，但使用多驱动器控制夹取机构会增加机构的结构复杂度、体积与重量；另外，为了更好地抓取复杂形状与易碎精密物体，需要夹取机构抓取物体时具有一定的自适应性；现有的夹取机构往往通过电机持续驱动夹紧物体，电机的安装与电力的使用在一定程度上限制了应用的广泛性。
3.例如：中国发明专利文件cn101767337b公开一种锥齿轮-带轮耦合欠驱动两关节机器人手指装置，该发明采用电机驱动，导致整个机构额外设置了电机的安装空间，降低了机构结构的简洁性；该发明使用解耦的方式自适应包覆物体，适应物体形状，但长时间解耦会对零件造成一定程度磨损。
4.又如，中国发明专利文件cn101214652b公开一种过渡欠驱动机器人手指装置，该发明采用弹簧储存势能实现了解耦并欠驱动自适应被抓握物体表面，在较低的控制要求情况下具有一定的自主调节功能，但是整个调节范围有限，且弹簧在长时间储存与释放势能后存在一定程度磨损，机构运动准确性需要得到进一步的调整。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种无需内置电机作为驱动器的齿轮带轮耦合的被动式夹取机构，采用纯机械结构，由外部环境变化触发夹取机构夹紧物体表面进行被动式夹取。
6.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种齿轮带轮耦合的被动式夹取机构，包括连接组件、剪式压杆组件、夹紧机构连接组件、齿轮齿条耦合同步带传动组件、柔性鳍条效应组件；
8.所述连接组件与外界压杆相连；
9.所述剪式压杆组件安装于连接组件下端，将外界压杆的垂直位移转化为剪式压杆组件末端的水平位移；
10.所述夹紧机构连接组件安装于所述剪式压杆组件下端，为齿轮齿条耦合同步带传动组件与柔性鳍条效应组件提供支撑与固定；
11.所述齿轮齿条耦合同步带传动组件通过轴承安装于夹紧机构连接组件下方，为整个机构中的前端运动执行机构，并在所述剪式压杆组件运动时带动所述柔性鳍条效应组件运动；
12.所述柔性鳍条效应组件安装于所述齿轮齿条耦合同步带传动组件末端，为整个机构的末端运动执行机构，在齿轮齿条耦合同步带传动组件带动下夹紧圆管状物体表面。
13.进一步地，所述连接组件包括横杆紧固块、上导轨连接板、上垂直定位块、定位轴；所述横杆紧固块位于连接组件顶部，通过螺栓与外界压杆相连；所述上导轨连接板与横杆紧固块下端固连；所述上垂直定位块固设于上导轨连接板的左右两端，所述定位轴的顶端固设于上垂直定位块上，所述定位轴用于保证剪式压杆组件运动时导轨相对于夹取机构整体的空间水平位置稳定。
14.进一步地，所述剪式压杆组件包括第一导轨、第二导轨、滑块、齿条连接座、压杆、压杆中心轴、压杆边轴、第一齿条、第二齿条；所述第一导轨固接于所述连接组件的上导轨连接板下端；所述第二导轨固接于所述夹紧机构连接组件的下导轨连接板上端；所述滑块共有四只，每两只一组分别设于第一导轨以及第二导轨的左右两侧，滑块的顶部或底部分别与第一导轨或第二导轨滑动连接；所述齿条连接座共有四只，大端面分别与滑块固连；所述压杆共有两根，呈剪式排列，上下两端分别安装于上下齿条连接座上，起到将垂直位移转化为水平位移的作用；所述压杆中心轴设于压杆的中心，保证两根压杆呈剪式排列；所述压杆边轴共四根，与轴用挡圈配合用于连接压杆与齿条连接座；所述第一齿条固连于齿条连接座前侧，所述第二齿条固连于齿条连接座后侧。
15.进一步地，所述第一齿条与第二齿条的齿数相同，模数不同。
16.进一步地，所述上导轨连接板与下导轨连接板上设有限位螺栓，所述限位螺栓限制所述滑块的行程。
17.进一步地，所述夹紧机构连接组件包括下导轨连接板、下垂直定位块、轮轴连接块、轴承；所述下导轨连接板设于轮轴连接块与第二导轨中间，上端与第二导轨固连，下端与轮轴连接块固定连接；所述下垂直定位块固设于下导轨连接板左右两侧，下垂直定位块的中心孔与连接组件的定位轴间隙配合；所述轮轴连接块固设于下导轨连接板底端，所述轴承设于轮轴连接块内部。
18.进一步地，所述齿轮齿条耦合同步带传动组件包括上轮轴、小齿轮、摆臂、大带轮、同步带、下轮轴、小带轮；所述上轮轴与夹紧机构连接组件的轮轴连接块通过轴承连接；所述小齿轮、大带轮设于上轮轴前端，所述小齿轮、大带轮与轮轴间隙配合，所述小齿轮与所述大带轮固定连接，所述小齿轮与第一齿条相啮合；所述摆臂上端固连在上轮轴的后端，与第二齿条相啮合，摆臂下端固连在下轮轴上；所述下轮轴设于小带轮与摆臂末端之间，所述小带轮位于下轮轴的前端，与下轮轴间隙配合，所述摆臂的末端固接于下轮轴的后端，所述同步带设于大带轮与小带轮之间，所述大带轮通过同步带将运动传递到小带轮上。
19.进一步地，所述齿轮齿条耦合同步带传动组件还包括同步带护盖，所述同步带护盖位于所述齿轮齿条耦合同步带传动组件内侧，与所述摆臂固连。
20.进一步地，所述柔性鳍条效应组件包括柔性鳍条块、第一安装块、第二安装块；所述柔性鳍条块设于齿轮齿条耦合同步带传动组件的下轮轴下方，通过第一安装块、第二安装块与下轮轴相连，所述柔性鳍条块与第一安装块、第二安装块固连；所述第一安装块设于小带轮与柔性鳍条块之间，所述第一安装块与小带轮固连；所述第二安装块设于下轮轴与柔性鳍条块之间，与下轮轴间隙配合。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
22.1、本发明不依靠内置电机作为驱动器，通过施加垂直按压力将剪式机构的垂直位移变化转化为夹爪的旋转开合，即以外界势能变化为驱动源，实现被动式夹取物体，可广泛
应用于无需电机驱动的夹取圆柱状物体的场景。
23.2、本发明采用齿轮齿条传动机构以及同步带传动机构，整体为单自由度机构，只需要一个驱动力。
24.3、本发明中采用双齿轮齿条同步传动，通过不同模数的齿轮齿条的啮合与同步带的传动实现小带轮以大带轮轴为中心旋转同时也能绕自身带轮轴的旋转，实现机构在非夹取器件高度折叠，结构简洁，具有便携性。
25.4、本发明中夹紧机构末端为应用鳍条效应的柔性块，可以自动贴合圆管状物体表面，具有一定的自适应功能以及减小瞬间冲击力的功能。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1是本发明整体结构的示意图；
28.图2是从图1的a方向观察的结构示意图；
29.图3是从图1的b方向观察的结构示意图；
30.图4是夹取机构的连接组件、剪式压杆组件、夹紧机构连接组件组成的触发部分结构示意图；
31.图5是夹取机构的齿轮齿条耦合同步带传动组件、柔性鳍条效应组件组成的夹紧部分结构示意图；
32.附图标记：1-连接组件、2-剪式压杆组件、3-夹紧机构连接组件、4-齿轮齿条耦合同步带传动组件、5-柔性鳍条效应组件、101-横杆紧固块、102-上导轨连接板、103-上垂直定位块、104-定位轴、201-第一导轨、202-第二导轨、203-滑块、204-齿条连接座、205-压杆、206-压杆中心轴、207-压杆边轴、208-第一齿条、209-第二齿条、301-下导轨连接板、302-下垂直定位块、303-轮轴连接块、304-轴承、401-上轮轴、402-小齿轮、403-摆臂、404-大带轮、405-同步带、406-下轮轴、407-小带轮、408-同步带护盖、501-柔性鳍条块、502-第一安装块、503-第二安装块。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.一种齿轮带轮耦合的被动式夹取机构，包括连接组件1、剪式压杆组件2、夹紧机构连接组件3、齿轮齿条耦合同步带传动组件4、柔性鳍条效应组件5，其中连接组件1、剪式压
杆组件2、夹紧机构连接组件3组成夹紧机构的触发部分，负责通过机械传动将势能变化转化为夹取机构的动能；齿轮齿条耦合同步带传动组件4、柔性鳍条效应组件5组成夹取机构的夹紧部分，负责抓紧圆管状物体表面。
35.连接组件1将整个机构与外界压杆相连，为整个夹取机构提供支撑与固定；剪式压杆组件2安装于连接组件1下端，将外界压杆的垂直位移转化为压杆末端的水平位移；夹紧机构连接组件3安装于剪式压杆组件2下端，为齿轮齿条耦合同步带传动组件4与柔性鳍条效应组件5提供支撑与固定；齿轮齿条耦合同步带传动组件4安装于夹紧机构连接组件3下方，为整个装置中的前端运动执行机构，并在剪式压杆组件2运动时带动柔性鳍条效应组件5运动；柔性鳍条效应组件5安装于齿轮齿条耦合同步带传动组件4末端，为整个装置的末端运动执行机构，在齿轮齿条耦合同步带传动组件4带动下夹紧圆管状物体表面。
36.具体的，所述连接组件1包括横杆紧固块101、上导轨连接板102、上垂直定位块103、定位轴104；所述横杆紧固块101位于连接组件顶部，通过螺栓与外界压杆相连，通过调节螺栓旋紧程度可以在外界压杆上水平调整位置；所述上导轨连接板102通过螺栓与横杆紧固块101下端固连；所述上垂直定位块103设于上导轨连接板102的左右两端，通过螺栓与上导轨连接板102固连，用于安装定位轴104；所述定位轴104设于上垂直定位块103上，定位轴104的顶端通过螺栓与上垂直定位块103固连，用于保证剪式压杆组件2运动时导轨相对于夹取机构整体的空间水平位置稳定。
37.所述剪式压杆组件2包括第一导轨201、第二导轨202、滑块203、齿条连接座204、压杆205、压杆中心轴206、压杆边轴207、第一齿条208、第二齿条209；
38.所述第一导轨201通过螺栓锁紧在连接组件1的上导轨连接板102下端；所述第二导轨202通过螺栓锁紧在夹紧机构连接组件3的下导轨连接板301上端；所述滑块203共有四只，每两只一组分别设于第一导轨201以及第二导轨202的左右两侧，滑块203的顶部或底部分别与第一导轨201或第二导轨202滑动连接，滑块203可左右滑动，所述上导轨连接板102与下导轨连接板301上设置有限位螺栓，所述限位螺栓限制滑块203的最大与最小行程；所述齿条连接座204共有四只，大端面分别与滑块203通过螺栓固连；所述压杆205共有两根，呈剪式排列，上下两端分别通过压杆边轴207安装于上下齿条连接座204上，起到将垂直位移转化为水平位移的作用；所述压杆中心轴206设于压杆205的中心，保证两根压杆205呈剪式排列；所述压杆边轴207共四根，与轴用挡圈配合用于连接压杆205与齿条连接座204；所述第一齿条208通过螺栓固连于齿条连接座204前侧，用于与齿轮齿条耦合同步带传动组件4中的小齿轮402形成啮合；所述第二齿条209通过螺栓固连于齿条连接座204后侧，用于与齿轮齿条耦合同步带传动组件4中的带齿摆臂403形成啮合。
39.所述第一齿条208与第二齿条209的齿数相同，模数不同，分别通过相应啮合传递运动，保证小带轮407在以上轮轴401轴心为中心旋转过程中同时以下轮轴406轴心为中心发生自转，实现夹紧部分上下两段联动。
40.所述夹紧机构连接组件3包括下导轨连接板301、下垂直定位块302、轮轴连接块303、轴承304。
41.所述下导轨连接板301设于轮轴连接块303与第二导轨202中间，上端与第二导轨202通过螺栓固连，下端与轮轴连接块303固定连接；所述下垂直定位块302设于下导轨连接板301左右两侧，通过螺栓固连，下垂直定位块302的中心孔与连接组件1的定位轴104间隙
配合，确保剪式压杆组件2运动时导轨与滑块维持水平位置稳定；所述轮轴连接块303固设于下导轨连接板301底端，用于保证齿轮齿条耦合同步带传动组件4的上轮轴401的空间位置稳定，所述轴承304设于轮轴连接块303内部，用于实现上轮轴401与轮轴连接块303的相对旋转。
42.所述齿轮齿条耦合同步带传动组件4包括上轮轴401、小齿轮402、摆臂403、大带轮404、同步带405、下轮轴406、小带轮407、同步带护盖408。
43.所述上轮轴401与夹紧机构连接组件3的轮轴连接块303通过轴承304连接，用于耦合齿轮齿条传动与同步带传动；所述小齿轮402、大带轮404设于上轮轴401前端，所述小齿轮402、大带轮404与轮轴401间隙配合，所述小齿轮402与所述大带轮404固定连接；所述小齿轮402与第一齿条208相啮合，起到将第一齿条208的水平运动转化为自身的旋转运动的作用，同时将动力传动给大带轮404；所述摆臂403上端固连在上轮轴401的后端，与第二齿条209相啮合，摆臂403下端固连在下轮轴406上，起到将第二齿条209的水平运动转化为自身的绕上轮轴401的旋转运动的作用；
44.所述下轮轴406设于小带轮407与摆臂403末端之间，所述小带轮407位于下轮轴406的前端，与下轮轴406间隙配合，所述摆臂403的末端固接于下轮轴406的后端，所述同步带405设于大带轮404与小带轮407之间，所述大带轮404通过同步带405将运动传递到小带轮407上；小带轮407在以下轮轴406为中心旋转的同时，随摆臂403同步发生绕上轮轴401空间旋转，同时将同步带405传动的输出动力传递给柔性鳍条效应组件5；所述同步带护盖408设于齿轮齿条耦合同步带传动组件内侧，与摆臂403通过螺栓固连，用于接触圆管状物体表面，保护同步带405。
45.所述柔性鳍条效应组件5包括柔性鳍条块501、第一安装块502、第二安装块503。
46.所述柔性鳍条块501设于齿轮齿条耦合同步带传动组件4的下轮轴406下方，通过第一安装块502、第二安装块503与下轮轴406相连，所述柔性鳍条块501与第一安装块502、第二安装块503通过螺栓固连；所述第一安装块502设于小带轮407与柔性鳍条块501之间，所述第一安装块502与小带轮407同步旋转，起到将小带轮的旋转运动传递给柔性鳍条块、抱死圆管状物体表面的作用；所述第二安装块503设于下轮轴406与柔性鳍条块501之间，与下轮轴406间隙配合，用于维持柔性鳍条块501与齿轮齿条耦合同步带传动组件4之间的相对位置关系。
47.为了能更好的理解本发明的工作原理，下面对本发明的工作过程做详细介绍：
48.夹取物体时的工作过程：外界施加压力，夹紧机构的触发部分被压紧，夹取机构的夹紧部分收紧夹紧圆管状物体表面；
49.具体的，外界施加压力前，同步带护盖408优先接触物体表面，压力持续施加，剪式压杆组件2受到压迫力产生运动，由于压杆205呈剪式排列，滑块203被迫向左右两侧滑动，限位螺栓限制滑块203的行程，上垂直定位块103、下垂直定位块302与定位轴104保证剪式压杆组件整体在水平方向不会发生滑动；第一齿条208与第二齿条209分别固连在与滑块203固接的齿条连接座204上，跟随滑块203分别沿第二导轨202向左右两边对称平动，与第一齿条208相啮合的小齿轮402和与第二齿条209相啮合的摆臂403开始围绕上轮轴401发生自转；由于第一齿条208与第二齿条209模数不同，相啮合的小齿轮402与摆臂403转速不同，由于第一齿条208与第二齿条209水平移动的行程相同，相啮合的小齿轮402与摆臂403转动
圈数即不同；其中小齿轮402与大带轮404锁定同步旋转，将运动传递给大带轮404进而通过同步带405传动将旋转运动传递给小带轮407，使小带轮407以下轮轴406的轴线为中心发生自转；摆臂403的上端、下端分别与上轮轴401、下轮轴406固连，摆臂403旋转时会带动齿轮齿条耦合同步带传动组件4整体以上轮轴401的轴线为中心发生旋转运动；通过让与大带轮404锁定同步旋转的小齿轮402在相同时间内比摆臂403旋转更大角度，可以实现让小带轮407在以上轮轴401轴心为中心旋转过程中同时以下轮轴406轴心为中心发生自转，即带动与小带轮407固连的柔性鳍条效应组件5从与摆臂403中线平行的位置运动到与摆臂403中线相对垂直的位置，实现夹紧部分上下两段联动；通过柔性鳍条块501包覆物体表面所产生的大摩擦力实现夹取机构的稳定夹取；整个机构变化过程中动力源为外界对夹取机构的压迫力，因此为被动夹取过程。
50.松开物体的工作过程：外界压力停止施加，夹取机构自动伸展，松开被夹取物体：
51.夹取机构放开物体时的运动与夹紧过程相反，此时夹取机构不再受外界压迫力，即无驱动力；由于夹紧机构自身重力作用，剪式机构组件2随高度下降而自动拉伸，第二导轨202两端滑块203带动第一齿条208和第二齿条209沿第二导轨202由外向内水平运动，与大带轮404固连的小齿轮402以及摆臂403由于分别于第一齿条208、第二齿条209啮合，因此相应的发生转动；与夹紧过程运动原理一致，运动方向相反，夹取机构由包覆抱死物体表面运动至完全张开，到初始位置时停下。
52.本发明的夹取机构以外界对夹取机构的按压力为驱动源，通过机构内部机械结构的变化使夹取机构实现无需额外驱动力的被动式夹取；本发明采用的双齿轮齿条差速传动以及同步带传动方案解决了多段夹爪的折叠问题，在非夹取期间可以以最节省空间的形式折叠安置机构，在夹取过程中机构自动下放，整个机构为单驱动单自由度，由单一触发控制整个机构的状态变化；本发明应用鳍条效应制作柔性执行单元，可以在一定范围内自适应包覆物体的被夹取表面，有效减缓了夹取瞬间对精密类物体的冲击力，以柔性单元为末端执行器的夹取机构具有一定的普适性。
53.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。