CN107009375B - 具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、近关节轴、中关节轴、远关节轴、两个电机、两个减速器、八个齿轮、四个带轮、两个传动带、六个簧件、四个拨杆和四个凸块。该装置实现了驱动内置的变抓力捏持与握持复合自适应抓取功能。该装置将电机放置在手指中部，减小基座空间占用，抓取物体时能够具有对不同形状尺寸物体得自适应抓取效果，控制简单，无需复杂的传感和控制系统，并且动作拟人度高，能够捏持小物体，也可以握持重物和大的物体，抓持力可变。

Description

具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。

在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。传统的纯自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施末端捏持抓取。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置。该装置将电机放置在手指中部，减小基座空间占用，抓取物体时能够具有对不同形状尺寸物体得自适应抓取效果，控制简单，无需复杂的传感和控制系统，并且动作拟人度高，能够捏持小物体，也可以握持重物和大的物体，抓持力可变。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、近关节轴、中关节轴、远关节轴、第一中间轴、第二中间轴、第一电机、第二电机、第一减速器、第二减速器、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、第五簧件、第六簧件、第一拨杆、第二拨杆、第三拨杆、第四拨杆、第一凸块、第二凸块、第三凸块、第四凸块、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动带和第二传动带；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；所述远关节轴套设在第二指段中；所述第三指段套接在远关节轴上；所述第一中间轴套设在第一指段中，所述第二中间轴套设在第二指段中；所述第一电机设置在第一指段中，所述第一电机与第一指段固接，所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一齿轮套固在第一减速器的输出轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮活动套接在近关节轴上，所述第一簧件的两端分别连接第二齿轮和基座，所述第一拨杆与第一齿轮固接，所述第二拨杆与第四齿轮固接，所述第一拨杆与第二拨杆在行程范围内活动接触，所述第三齿轮活动套接在近关节轴上，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第四齿轮与第一传动轮分别套接在第一中间轴上，所述第四齿轮与第一传动轮固接，所述第一传动带呈“O”字形，所述第一传动带连接第一传动轮和第二传动轮，第一传动带、第一传动轮、第二传动轮三者配合形成带轮传动关系，所述第二传动轮活动套接在中关节轴上，所述第五簧件的两端分别连接第二传动轮和第二指段，所述第一凸块与基座固接，所述第二凸块与第三齿轮固接，所述第一凸块与第二凸块在行程范围内活动接触；所述第二电机设置在第二指段中，所述第二电机与第二指段固接，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第五齿轮套固在第二减速器的输出轴上，所述第五齿轮与第六轮啮合，所述第六齿轮活动套接在中关节轴上，所述第三簧件的两端分别连接第六齿轮和第一指段，所述第三拨杆与第五齿轮固接，所述第四拨杆与第八齿轮固接，所述第三拨杆与第四拨杆在行程范围内活动接触，所述第七齿轮活动套接在中关节轴上，所述第七齿轮与第八齿轮啮合，所述第八齿轮和第三传动轮分别活动套接在第二中间轴上，所述第八齿轮与第三传动轮固接，所述第二传动带呈“O”字形，所述第二传动带连接第三传动轮和第四传动轮，第二传动带、第三传动轮、第四传动轮三者配合形成带轮传动关系，所述第四传动轮活动套接在远关节轴上，所述第六簧件的两端分别连接第四传动轮和第三指段，所述第三凸块与第一指段固接，所述第四凸块与第七齿轮固接，所述第三凸块与第四凸块在行程范围内活动接触；所述第二簧件的两端分别连接基座和第三齿轮，所述第二簧件使第二凸块靠向第一凸块；所述第四簧件的两端分别连接第一指段和第七齿轮，所述第四簧件使第四凸块靠向第三凸块；所述第一齿轮与第二齿轮的模数相等，所述第三齿轮与第四齿轮的模数相等，所述第五齿轮与第六齿轮的模数相等，所述第七齿轮与第八齿轮的模数相等；所述第一中间轴与第一减速器的输出轴同轴，所述第二中间轴与第二减速器的输出轴同轴。

本发明所述的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三齿轮的齿数与第四齿轮的齿数相等，所述第一传动轮与第二传动轮半径相等，第七齿轮的齿数与第八齿轮的齿数相等，所述第三传动轮与第四传动轮半径相等。

本发明所述的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件、第三簧件、第五簧件、第六簧件均采用扭簧；第二簧件、第四簧件均采用拉簧。

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、齿轮组合、带轮组合、多个簧件、延时拨杆和凸块约束等综合实现了驱动内置的变抓力捏持与握持复合自适应抓取功能。该装置将电机放置在手指中部，减小基座空间占用，抓取物体时能够具有对不同形状尺寸物体得自适应抓取效果，控制简单，无需复杂的传感和控制系统，并且动作拟人度高，能够捏持小物体，也可以握持重物和大的物体，抓持力可变。

附图说明

图1是本发明设计的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置的一种实施例的正面剖视图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的侧视图(图2的左侧视图)。

图4是图1所示实施例中部分零件的位置关系图。

图5是图1所示实施例中部分零件的位置关系图。

图6是图1所示实施例在初始状态时，第一齿轮、第一拨杆与第二拨杆的相对位置图。

图7是图1所示实施例在初始状态时，第五齿轮、第三拨杆与第四拨杆的相对位置图。

图8是图1所示实施例在抓取过程中第一拨杆接触第二拨杆的示意图。

图9是图1所示实施例在抓取过程中第一拨杆推动第二拨杆转过一个角度的示意图。

图10是图1所示实施例在抓取过程中第三拨杆接触第四拨杆的示意图。

图11是图1所示实施例在抓取过程中第三拨杆推动第四拨杆转过一个角度的示意图。

图12至图13是图1所示实施例抓取物体时，第三指段先接触物体的情形。

图14至图16是图1所示实施例抓取物体时，第一指段、第二指段先于第三指段接触物体的情形。

图17至图20是图1所示实施例抓取物体时，第一指段、第二指段和第三指段依次接触物体的情形。

在图1至图20中：

1－基座， 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， 341－第一中间轴，

342－第二中间轴， 41－第一电机， 42－第二电机， 411－第一减速器，

421－第二减速器， 51－第一齿轮， 52－第二齿轮， 53－第三齿轮，

54－第四齿轮， 55－第五齿轮， 56－第六齿轮， 57－第七齿轮，

58－第八齿轮， 71－第一簧件， 72－第二簧件， 73－第三簧件，

74－第四簧件， 75－第五簧件， 76－第六簧件， 81－第一拨杆，

82－第二拨杆， 83－第三拨杆， 84－第四拨杆， 91－第一凸块，

92－第二凸块， 93－第三凸块， 94－第四凸块， 99－物体，

101－第一传动轮， 102－第二传动轮， 103－第三传动轮， 104－第四传动轮，

111－第一传动带， 112－第二传动带。

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。

本发明设计的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、第三指段23、近关节轴31、中关节轴32、远关节轴33、第一中间轴341、第二中间轴342、第一电机41、第二电机42、第一减速器411、第二减速器412、第一齿轮51、第二齿轮52、第三齿轮53、第四齿轮54、第五齿轮55、第六齿轮56、第七齿轮57、第八齿轮58、第一簧件71、第二簧件72、第三簧件73、第四簧件74、第五簧件75、第六簧件76、第一拨杆81、第二拨杆82、第三拨杆83、第四拨杆84、第一凸块91、第二凸块92、第三凸块93、第四凸块94、第一传动轮101、第二传动轮102、第三传动轮103、第四传动轮104、第一传动带111和第二传动带112；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；所述远关节轴33套设在第二指段22中；所述第三指段23套接在远关节轴33上；所述第一中间轴341套设在第一指段21中，所述第二中间轴342套设在第二指段22中；所述第一电机41设置在第一指段21中，所述第一电机41与第一指段21固接，所述第一电机41的输出轴与第一减速器411的输入轴相连，所述第一齿轮51套固在第一减速器411的输出轴上，所述第一齿轮51与第二齿轮52啮合，所述第二齿轮52活动套接在近关节轴31上，所述第一簧件71的两端分别连接第二齿轮52和基座1，所述第一拨杆81与第一齿轮51固接，所述第二拨杆82与第四齿轮54固接，所述第一拨杆81与第二拨杆82在行程范围内活动接触，所述第三齿轮53活动套接在近关节轴31上，所述第三齿轮53与第四齿轮54啮合，所述第四齿轮54与第一传动轮101分别活动套接在第一中间轴341上，所述第四齿轮54与第一传动轮101固接，所述第一传动带111呈“O”字形，所述第一传动带111连接第一传动轮101和第二传动轮102，第一传动带111、第一传动轮101、第二传动轮102三者配合形成带轮传动关系，所述第二传动轮102活动套接在中关节轴32上，所述第五簧件75的两端分别连接第二传动轮102和第二指段22，所述第一凸块91与基座1固接，所述第二凸块92与第三齿轮53固接，所述第一凸块91与第二凸块92在行程范围内活动接触；所述第二电机42设置在第二指段22中，所述第二电机42与第二指段22固接，所述第二电机42的输出轴与第二减速器412的输入轴相连，所述第五齿轮55套固在第二减速器412的输出轴上，所述第五齿轮55与第六轮啮合，所述第六齿轮56活动套接在中关节轴32上，所述第三簧件73的两端分别连接第六齿轮56和第一指段21，所述第三拨杆83与第五齿轮55固接，所述第四拨杆84与第八齿轮58固接，所述第三拨杆83与第四拨杆84在行程范围内活动接触，所述第七齿轮57活动套接在中关节轴32上，所述第七齿轮57与第八齿轮58啮合，所述第八齿轮58和第三传动轮103分别活动套接在第二中间轴342上，所述第八齿轮58与第三传动轮103固接，所述第二传动带112呈“O”字形，所述第二传动带112连接第三传动轮103和第四传动轮104，第二传动带112、第三传动轮103、第四传动轮104三者配合形成带轮传动关系，所述第四传动轮104活动套接在远关节轴33上，所述第六簧件76的两端分别连接第第四传动轮104和第三指段23，所述第三凸块93与第一指段21固接，所述第四凸块94与第七齿轮57固接，所述第三凸块93与第四凸块94在行程范围内活动接触；所述第二簧件72的两端分别连接基座1和第三齿轮53，所述第二簧件72使第二凸块92靠向第一凸块91；所述第四簧件74的两端分别连接第一指段21和第七齿轮57，所述第四簧件74使第四凸块94靠向第三凸块93；所述第一齿轮51与第二齿轮52的模数相等，所述第三齿轮53与第四齿轮54的模数相等，所述第五齿轮55与第六齿轮56的模数相等，所述第七齿轮57与第八齿轮58的模数相等；所述第一中间轴341与第一减速器411的输出轴同轴，所述第二中间轴342与第二减速器421的输出轴同轴。

本实施例中，所述第三齿轮53的齿数与第四齿轮54的齿数相等，所述第一传动轮101与第二传动轮102半径相等，第七齿轮57的齿数与第八齿轮58的齿数相等，所述第三传动轮103与第四传动轮104半径相等。

本实施例中，所述第一簧件71、第三簧件73、第五簧件75、第六簧件76均采用扭簧；第二簧件72、第四簧件74均采用拉簧。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

该装置初始状态如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，此时，第二簧件72使第二凸块92紧靠第一凸块91(如图4所示)，第四簧件74使第四凸块94紧靠第三凸块93(如图5所示)，第一拨杆81与第二拨杆82存在一段角度距离(如图6所示)，第三拨杆83与第四拨杆84存在一段角度距离(如图7所示)。

第一电机41转动，通过第一减速器411带动第一齿轮51，带动第二齿轮52，由于基座1不动，所以第二齿轮52会通过第一簧件71带动第一指段21绕近关节轴31转动(即第一指段21转动靠向物体99)，由于第二簧件72使第二凸块92紧靠第一凸块91，故此时第三齿轮53相对基座1不动，因此第一指段21的转动会导致第四齿轮54相对第一指段21转动，带动第一传动轮101，带动第一传动带111，带动第二传动轮102，通过第五簧件75带动第二指段22绕中关节轴32转动(即第二指段22转动靠向物体99)，此时，又由于第四簧件74使第四凸块94紧靠第三凸块93，故而第七齿轮57相对于第一指段21不动，因此第二指段22的转动会导致第八齿轮58相对于第二指段22转动，带动第三传动轮103，带动第二传动带112，带动第四传动轮104，通过第六簧件76带动第三指段23绕远关节轴33转动(即第三指段23转动靠向物体99)，从而实现了三个关节的耦合联动效果。

此时，可能遇到如下不同的情况：

1)当第三指段23接触物体99时，第一电机41再多转一个小角度，第一簧件71、第五簧件75、第六簧件76发生变形，第一簧件71、第五簧件75、第六簧件76的变形弹力成为抓取物体99的抓持力来源，抓取结束，这一抓取过程如图12和图13所示；

2)当第一指段21接触物体99时，第一电机41继续转动，第一簧件71发生变形，第一齿轮51上的第一拨杆81经过一段时间(即第一延时)的空程转动接触到第四齿轮54上的第二拨杆82(如图8所示)，并且第一拨杆81推动第二拨杆82转动一个角度(如图9所示)，从而转动了第四齿轮54，带动第一传动轮101，带动第一传动带111，带动第二传动轮102，通过第五簧件75带动第二指段22绕中关节轴32转动，第七齿轮57相对于第一指段21不动，第八齿轮58相对第二指段22转动，带动第三传动轮103，带动第二传动带112，带动第四传动轮104，通过第六簧件76带动第三指段23绕远关节轴33转动。

此时，可能遇到如下不同的情况：

a)当第三指段23接触物体99时，第一电机41再多转一个小角度，第一簧件71、第五簧件75、第六簧件76发生变形，第一簧件71、第五簧件75、第六簧件76的变形弹力成为抓取物体99的抓持力来源，抓取结束；

b)当第二指段22接触物体99时，第二电机42再启动，通过第二减速器421带动第五齿轮55，带动第六齿轮56，通过第三簧件73带动第二指段22绕中关节轴32转动，第二指段22靠向物体99，第七齿轮57相对于第一指段21不动，第八齿轮58相对第二指段22转动，带动第三传动轮103，带动第二传动带112，带动第四传动轮104，通过第六簧件76带动第三指段23转动。

此时，可能遇到如下不同的情况：

I)当第三指段23接触物体99时，第二电机42再多转一个小角度，第三簧件73、第六簧件76发生变形，第三簧件73和第六簧件76的变形弹力成为抓取物体的抓持力来源，抓取结束，这一抓取过程如图14、图15和图16所示；

II)当第二指段22接触物体99时，第二电机42继续转动，通过第二减速器421带动第五齿轮55，第五齿轮55上的第三拨杆83经过一段时间(即第二延时)的空程转动接触到第八齿轮58上的第四拨杆84(如图10所示)，并且第三拨杆83推动第四拨杆84转动了一个角度(如图11所示)，从而转动了第八齿轮58，带动第三传动轮103，带动第二传动带112，带动第四传动轮104，通过第六簧件76带动第三指段23转动，直到第三指段23接触物体，抓取结束，这一抓取过程如图17、图18、图19和图20所示。

该抓取是一种多个关节同时转动，同时对于不同形状尺寸物体能够很好的适应，具有自适应性；在需要较小的抓取力时，仅仅需要开动第一电机41，当需要较大的抓取力时，在某个指段(指第一指段21、第二指段22或者第三指段23)接触物体后，第一电机41继续转动一小段时间，可以通过不同的簧件(指第一簧件71、第三簧件73、第五簧件75和第六簧件76)实现变抓取力，当需要特别大的抓取力时，还可以开动第二电机42进行协同抓取，此时的抓取力由第一电机41、第二电机42共同提供，抓取力增加较多。第一电机41可以带来三个关节(近关节、中关节和远关节)的先耦合而后自适应的耦合自适应复合抓取模式，第二电机42可以带来两个关节(中关节和远关节)的先耦合而后自适应的耦合自适应复合抓取模式。

当中关节的自适应抓取发生时，第一指段21接触物体99并且被物体99阻挡不动，第一拨杆81推动第二拨杆82转动时，第四齿轮54转动，第三齿轮53相对基座1转动，第二簧件72发生变形；当远关节的自适应抓取发生时，第二指段22接触物体99并且被物体99阻挡不动，第三拨杆83推动第四拨杆84转动时，第八齿轮58转动，第七齿轮57相对第一指段21转动，第四簧件74发生变形。

本实施例释放物体99时，第二电机42反转，第一电机41反转，后续过程与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用电机、齿轮组合、带轮组合、多个簧件、延时拨杆和凸块约束等综合实现了驱动内置的变抓力捏持与握持复合自适应抓取功能。该装置将电机放置在手指中部，减小基座空间占用，抓取物体时能够具有对不同形状尺寸物体得自适应抓取效果，控制简单，无需复杂的传感和控制系统，并且动作拟人度高，能够捏持小物体，也可以握持重物和大的物体，抓持力可变。

Claims (3)

1.一种具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、近关节轴、中关节轴、远关节轴、第一中间轴、第二中间轴、第一电机、第二电机、第一减速器、第二减速器、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第一簧件、第二簧件、第三簧件、第四簧件、第五簧件、第六簧件、第一拨杆、第二拨杆、第三拨杆、第四拨杆、第一凸块、第二凸块、第三凸块、第四凸块、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动带和第二传动带；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；所述远关节轴套设在第二指段中；所述第三指段套接在远关节轴上；所述第一中间轴套设在第一指段中，所述第二中间轴套设在第二指段中；所述第一电机设置在第一指段中，所述第一电机与第一指段固接，所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述第一齿轮套固在第一减速器的输出轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮活动套接在近关节轴上，所述第一簧件的两端分别连接第二齿轮和基座，所述第一拨杆与第一齿轮固接，所述第二拨杆与第四齿轮固接，所述第一拨杆与第二拨杆在行程范围内活动接触，所述第三齿轮活动套接在近关节轴上，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第四齿轮与第一传动轮分别套接在第一中间轴上，所述第四齿轮与第一传动轮固接，所述第一传动带呈“O”字形，所述第一传动带连接第一传动轮和第二传动轮，第一传动带、第一传动轮、第二传动轮三者配合形成带轮传动关系，所述第二传动轮活动套接在中关节轴上，所述第五簧件的两端分别连接第二传动轮和第二指段，所述第一凸块与基座固接，所述第二凸块与第三齿轮固接，所述第一凸块与第二凸块在行程范围内活动接触；所述第二电机设置在第二指段中，所述第二电机与第二指段固接，所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第五齿轮套固在第二减速器的输出轴上，所述第五齿轮与第六轮啮合，所述第六齿轮活动套接在中关节轴上，所述第三簧件的两端分别连接第六齿轮和第一指段，所述第三拨杆与第五齿轮固接，所述第四拨杆与第八齿轮固接，所述第三拨杆与第四拨杆在行程范围内活动接触，所述第七齿轮活动套接在中关节轴上，所述第七齿轮与第八齿轮啮合，所述第八齿轮和第三传动轮分别活动套接在第二中间轴上，所述第八齿轮与第三传动轮固接，所述第二传动带呈“O”字形，所述第二传动带连接第三传动轮和第四传动轮，第二传动带、第三传动轮、第四传动轮三者配合形成带轮传动关系，所述第四传动轮活动套接在远关节轴上，所述第六簧件的两端分别连接第四传动轮和第三指段，所述第三凸块与第一指段固接，所述第四凸块与第七齿轮固接，所述第三凸块与第四凸块在行程范围内活动接触；所述第二簧件的两端分别连接基座和第三齿轮，所述第二簧件使第二凸块靠向第一凸块；所述第四簧件的两端分别连接第一指段和第七齿轮，所述第四簧件使第四凸块靠向第三凸块；所述第一齿轮与第二齿轮的模数相等，所述第三齿轮与第四齿轮的模数相等，所述第五齿轮与第六齿轮的模数相等，所述第七齿轮与第八齿轮的模数相等；所述第一中间轴与第一减速器的输出轴同轴，所述第二中间轴与第二减速器的输出轴同轴。

2.如权利要求1所述的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三齿轮的齿数与第四齿轮的齿数相等，所述第一传动轮与第二传动轮半径相等，第七齿轮的齿数与第八齿轮的齿数相等，所述第三传动轮与第四传动轮半径相等。

3.如权利要求1所述的具有多种抓取力模式的复合型自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件、第三簧件、第五簧件、第六簧件均采用扭簧；第二簧件、第四簧件均采用拉簧。

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