CN109794953B - 齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、三个指段、三个关节轴、电机、多路传动机构、三个簧件、腱绳、绕线筒等。该装置实现了双关节机器人手指平夹、耦合、自适应复合抓取功能。该装置具有末端指段平夹抓取、中部关节耦合抓取、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取4种抓取模式，仅用一个电机驱动，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，控制容易，适合应用在各种需要抓取物体的机器人上。

Description

齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手部的设计在机器人的制造中占据重要地位，其优劣将直接决定机器人的实用性能。然而，目前应用较广泛的仿生灵巧手有着成本高，操作复杂，维修困难等问题，使机器人手难以规模化生产。机器人手负责完成抓取和操作物体。抓取物体的方式多种多样，根据不同的物体需要不同的抓取模式。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，这一平行夹持(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。灵巧手具有较多的关节，每个关节一般均配备一台电机主动驱动，利用较多电机驱动关节；控制复杂、成本昂贵、出力小，这种灵巧手给手势的实现带来了便利，但是成本高和控制难度大影响了应用推广；

3)欠驱动手。欠驱动手具有上述两种机器人手的优点，既有带多关节的多个手指，抓取模式得到了扩展，手势较多，同时使用了较少的电机或气缸等驱动器，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，如美国专利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。

该装置存在以下不足之处：

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。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种齿轮传动平夹耦合自适应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、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取4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。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的齿轮传动平夹耦合自适应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、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构、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、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；所述第一传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与第一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；所述第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构均分别设置在第一指段中；所述第一传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮活动套接在近关节轴上，所述第一传动轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二传动轮相连；通过第二传动机构的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动为同向且增速的传动；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上，所述第三传动轮与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第四传动轮相连，所述第四传动轮活动套接在中关节轴上，所述第四传动轮与第二指段固接；通过第三传动机构的传动，从第三传动轮到第四传动轮的传动为反向且等速的传动；所述第五传动轮活动套接在近关节轴上，所述第五传动轮与第四传动机构的输入端相连，所述第四传动机构的输出端与第六传动轮相连；通过第四传动机构的传动，从第五传动轮到第六传动轮的传动为同向且等速的传动；所述第一凸块与第三传动轮固接，所述第二凸块与第五传动轮固接；所述第一限位块、第二限位块分别与基座固接；所述第一簧件的两端分别连接第三传动轮、基座；所述第二簧件的两端分别连接第五传动轮、基座；在初始状态时，所述第一凸块与第一限位块接触，所述第二凸块与第二限位块接触；其特征在于：该齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置还包括第三指段、远关节轴、第五传动机构、第七传动轮、第三簧件、腱绳和绕线筒；所述远关节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；所述第二传动轮套固在中关节轴上；所述第六传动轮套固在中关节轴上；所述第五传动机构设置在第二指段中，所述第四传动轮与第二指段固接，所述第六传动轮与第五传动机构的输入端相连，所述第五传动机构的输出端与第七传动轮相连，所述第七传动轮套固在远关节轴上；通过第五传动机构的传动，从第六传动轮到第七传动轮的传动为同向且等速的传动；所述腱绳的一端连接第一指段，腱绳缠绕经过绕线筒，所述绕线筒活动套接在近关节轴上，腱绳的另一端与第三簧件的上端相连，所述第三簧件的下端连接基座。

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、多路传动机构、三个簧件、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、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取4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；该装置体积小，结构紧凑，控制容易，适合应用在各种需要抓取物体的机器人上。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮传动平夹耦合自适应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2视图，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15是图1所示实施例在初始状态时部分零件视图。

图16是图1所示实施例在第二指段自适应抓取模式时自适应阶段时部分零件视图。

图17是图1所示实施例在第二指段自适应抓取模式的从初始状态到自适应阶段的动作过程(其中虚线为自适应阶段)。

图18是图1所示实施例在初始状态时部分零件视图。

图19是图1所示实施例在第三指段自适应抓取模式时自适应阶段时部分零件视图。

图20是图1所示实施例在第三指段自适应抓取模式的从初始状态到自适应阶段的动作过程(其中虚线为自适应阶段)。

在图1至图20中：

1－基座、101－第一限位块、102－第二限位块、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、41－第一传动机构、411－蜗杆、412－蜗轮、42－第二传动机构、421－第二传动机构第一齿轮、422－第二传动机构第二齿轮、423－第二传动机构第三齿轮、 424－第二传动机构第四齿轮、43－第三传动机构、431－第三传动机构第一齿轮、432－第三传动机构第二齿轮、44－第四传动机构、441－第四传动机构第一齿轮、442－第四传动机构第二齿轮、443－第四传动机构第三齿轮、45－第五传动机构、451－第五传动机构第一齿轮、452－第五传动机构第二齿轮、453－第五传动机构第三齿轮、51－第一传动轮、52－第二传动轮、53－第三传动轮、54－第四传动轮、55－第五传动轮、56－第六传动轮、57－第七传动轮、61－第一簧件、62－第二簧件、63－第三簧件、71－第一凸块、72－第二凸块、81－腱绳、82－绕线筒、9－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。

本发明设计的齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置的一种实施例，如图1至图5所示，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、第一传动机构41、第二传动机构42、第三传动机构43、第四传动机构44、第一传动轮51、第二传动轮52、第三传动轮53、第四传动轮54、第五传动轮55、第六传动轮56、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；所述第一传动机构41设置在基座1中；所述电机11的输出轴与第一传动机构41的输入端相连；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；所述第二传动机构42、第三传动机构43、第四传动机构44均分别设置在第一指段21中；所述第一传动机构41的输出端与第一传动轮51相连；所述第一传动轮51活动套接在近关节轴31上，所述第一传动轮51与第二传动机构42的输入端相连，所述第二传动机构42的输出端与第二传动轮52相连；通过第二传动机构42的传动，从第一传动轮51到第二传动轮52的传动为同向且增速的传动；所述第三传动轮53活动套接在近关节轴31上，所述第三传动轮53与第三传动机构43的输入端相连，所述第三传动机构43的输出端与第四传动轮54相连，所述第四传动轮54活动套接在中关节轴32上，所述第四传动轮54与第二指段22固接；通过第三传动机构43的传动，从第三传动轮53到第四传动轮54的传动为反向且等速的传动；所述第五传动轮55活动套接在近关节轴31上，所述第五传动轮55与第四传动机构44的输入端相连，所述第四传动机构44的输出端与第六传动轮56相连；通过第四传动机构44的传动，从第五传动轮55到第六传动轮56的传动为同向且等速的传动；所述第一凸块71与第三传动轮53固接，所述第二凸块72与第五传动轮55固接；所述第一限位块101、第而限位块102分别与基座1固接；所述第一簧件61的两端分别连接第三传动轮53、基座1；所述第二簧件62的两端分别连接第五传动轮55、基座1；在初始状态时，所述第一凸块71与第一限位块101接触，所述第二凸块72与第而限位块102接触；该齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置还包括第三指段23、远关节轴33、第五传动机构45、第七传动轮57、第三簧件63、腱绳81 和绕线筒82；所述远关节轴33活动套设在第二指段22中；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；所述第二传动轮52套固在中关节轴32上；所述第六传动轮56套固在中关节轴32上；所述第五传动机构45设置在第二指段22中，所述第四传动轮54 与第二指段22固接，所述第六传动轮56与第五传动机构45的输入端相连，所述第五传动机构45的输出端与第七传动轮57相连，所述第七传动轮57套固在远关节轴33上；通过第五传动机构45的传动，从第六传动轮56到第七传动轮57的传动为同向且等速的传动；所述腱绳81的一端连接第一指段21，腱绳81 缠绕经过绕线筒82，所述绕线筒82活动套接在近关节轴31上，腱绳81的另一端与第三簧件63的上端相连，所述第三簧件63的下端连接基座1。

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，通过第一传动机构41带动第一传动轮51向前(靠向抓取物体一侧)绕近关节轴 31转动一个大于零的角度α，通过第二传动机构42的传动，带动第一指段21和第二传动机构第一齿轮 421分别转动并综合达到一种状态，且从第一传动轮51到第二传动轮52的传动为同向且增速的传动；再者第三传动机构43将运动从第三传动轮53传递到第四传动轮54，构成了一个反向等速的传动关系，而第三传动轮53在第一簧件71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(由于从第一传动轮51到第二传动轮52的传动为同向且增速的传动，故而该角度δ小于第一传动轮51转角α)时，第四传动轮54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与第四传动轮54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，第四传动机构44将运动从第五传动轮55传递到第六传动轮56，构成了一个同向等速的传动关系，第五传动机构45将运动从第六传动轮56传递到第七传动轮57，构成了一个反向等速的传动关系，而第五传动轮55在第二簧件72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，第六传动轮56将向后绕中关节轴32中心转动一个相同的角度δ，再通过第五传动机构45，第七传动轮57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与第七传动轮57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，则接下来将执行第二指段自适应抓取模式；

此时，若第二指段22先接触物体9，或第一指段21与第二指段22同接触物体9，如图12所示；则接下来将执行第三指段自适应抓取模式；

2)以第二指段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，通过第一传动机构41带动第一传动轮51 继续转动一个大于零的角度α，通过第二传动装置42，带动第二传动机构第一齿轮421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，第一簧件71将被拉长，第三传动轮53与基座1脱开，第二指段22将转动一个角度β，此运动将一直持续到第二指段22也接触物体9为止；另外，在第二簧件 72作用下，第五传动轮55保持与基座1固定不变的姿态，因此第三指段23与基座1之间无相对转动，在此模式下一直保持平夹运动状态；

此时，若第二指段22接触物体9，则完成了第二指段自适应抓取模式，如图13所示；接下来将执行第三指段自适应抓取模式；

3)以第三指段自适应模式抓取物体时，该装置的工作原理如下：

当第二指段22接触物体9以后，第一电机11继续转动，通过第一传动机构41带动第一传动轮51继续转动一个大于零的角度α，通过第二传动装置42带动第二传动齿轮52继续转动一个大于零的角度β；第二传动齿轮52与第六传动齿轮56均与中关节轴32固接，因此第六传动齿轮56也向前转动一个大于零的角度β，此时由于第一指段21和第二指段22均被物体9限制住而不能继续运动，第而簧件72将被拉长，第五传动轮55与基座1脱开；由于第五传动机构45将运动从第六传动轮56传递到第七传动轮57，构成了一个反向等速的传动关系，因此第七传动轮57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与第七传动轮57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三指段23也接触物体9为止；

此时，若第三指段23接触物体9，则完成了第三指段自适应抓取模式，如图14所示，抓取过程结束；

释放物体8的过程：第一电机11反转，后续过程与上述抓取物体8的过程刚好相反，不赘述。

本发明装置利用电机、多路传动机构、三个簧件、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、末端指段自适应抓取、末端指段平夹自适应抓取4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；该装置体积小，结构紧凑，控制容易，适合应用在各种需要抓取物体的机器人上。

Claims (1)

1.一种齿轮传动平夹耦合自适应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、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构、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、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；所述第一传动机构设置在基座中；所述电机的输出轴与第一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；所述第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构均分别设置在第一指段中；所述第一传动机构的输出端与第一传动轮相连；所述第一传动轮活动套接在近关节轴上，所述第一传动轮与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二传动轮相连；通过第二传动机构的传动，从第一传动轮到第二传动轮的传动为同向且增速的传动；所述第三传动轮活动套接在近关节轴上，所述第三传动轮与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第四传动轮相连，所述第四传动轮活动套接在中关节轴上，所述第四传动轮与第二指段固接；通过第三传动机构的传动，从第三传动轮到第四传动轮的传动为反向且等速的传动；所述第五传动轮活动套接在近关节轴上，所述第五传动轮与第四传动机构的输入端相连，所述第四传动机构的输出端与第六传动轮相连；通过第四传动机构的传动，从第五传动轮到第六传动轮的传动为同向且等速的传动；所述第一凸块与第三传动轮固接，所述第二凸块与第五传动轮固接；所述第一限位块、第二限位块分别与基座固接；所述第一簧件的两端分别连接第三传动轮、基座；所述第二簧件的两端分别连接第五传动轮、基座；在初始状态时，所述第一凸块与第一限位块接触，所述第二凸块与第二限位块接触；其特征在于：该齿轮传动平夹耦合自适应复合抓取机器人手指装置还包括第三指段、远关节轴、第五传动机构、第七传动轮、第三簧件、腱绳和绕线筒；所述远关节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；所述第二传动轮套固在中关节轴上；所述第六传动轮套固在中关节轴上；所述第五传动机构设置在第二指段中，所述第四传动轮与第二指段固接，所述第六传动轮与第五传动机构的输入端相连，所述第五传动机构的输出端与第七传动轮相连，所述第七传动轮套固在远关节轴上；通过第五传动机构的传动，从第六传动轮到第七传动轮的传动为同向且等速的传动；所述腱绳的一端连接第一指段，腱绳缠绕经过绕线筒，所述绕线筒活动套接在近关节轴上，腱绳的另一端与第三簧件的上端相连，所述第三簧件的下端连接基座。