CN101518903B

CN101518903B - 曲柄滑块式欠驱动机器人手指装置

Info

Publication number: CN101518903B
Application number: CN 200910131924
Authority: CN
Inventors: 张文增; 纪瀛皇; 侯宇; 陈强; 都东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University; Wuxi Research Institute of Applied Technologies of Tsinghua University
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: CN101518903A

Abstract

曲柄滑块式欠驱动机器人手指装置，属拟人机器人手技术领域。该装置包括第一指段、第二指段和欠驱动关节，欠驱动关节包括主动滑块、关节轴、弹簧、第一轴、连杆、第二轴和拨盘。弹簧连接第一指段和主动滑块，连杆分别与主动滑块和拨盘铰接，拨盘套固在关节轴上，所述的主动滑块镶嵌在第一指段中。该装置采用曲柄滑块机构实现了第二指段转动功能，经过合理的尺寸设计，主动滑块很短的运动距离可带来第二指段大角度的转动。该装置能够配合其他主动手指或主动关节去抓取物体，并具有自适应性，传动件少，传动链短，成本低，外形与人手手指相似，可以串联构成高欠驱动的多关节手指，适用于拟人机器人手。

Description

曲柄滑块式欠驱动机器人手指装置

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种曲柄滑块式欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。设计欠驱动机器人手指装置能够更好地实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状和尺寸的物体时具有较强的自适应性这三个目标。

已有的一种齿条式的欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 1410223A，包括第一指段、欠驱动关节和第二指段，欠驱动关节含有主动滑块、关节轴和齿轮齿条机构。外力驱动主动滑块在第一指段上滑动，同时固接在主动滑块上的齿条向第一指段内运动，带动与齿条啮合的齿轮绕关节轴转动，实现第二指段转动并扣紧物体。

该装置的不足之处为：该装置采用齿轮齿条传动，装置比较复杂，手指的质量较大，能耗较高。为了实现良好的欠驱动效果，即实现第二指段较大角度的转动，所采用的齿轮半径必须很小，加工难度大、成本高。且齿轮齿条机构需要良好的润滑和密封，使用成本较高。

已有的一种连杆欠驱动机械手指装置，如中国发明专利CN 100450732C，含有第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节。欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、连杆机构、扭簧；连杆机构包括主动杆、从动杆，主动杆一端与第一指段铰接，另一端与从动杆一端铰接，从动杆的另一端与第二指段铰接；主动滑块镶嵌在第一指段中，且与主动杆相接触；扭簧套设在关节轴上，一端与第一指段固接，另一端与第二指段固接。外力驱动主动滑块在第一指段中滑动，主动滑块推动主动连杆，通过从动连杆，带动第二指段绕关节轴转动并扣紧物体。

该装置的不足之处为：该装置采用多个连杆传动，传动件多，传动链长，装置比较复杂，且主动滑块与主动连杆之间为线接触，机械冲击大，接触应力大，易磨损，可靠性差。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种曲柄滑块式欠驱动机器人手指装置。该装置能够配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，该装置传动件少，传动链短，结构简单，体积小，从而进一步降低加工难度和维护成本，使机械手指的外形与人手手指更相似。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，包括第一指段、第二指段和设置在两者之间的欠驱动关节，所述的欠驱动关节包括主动滑块、关节轴和弹簧；所述的关节轴套设在第一指段中，所述的第二指段套固在关节轴上，所述的弹簧设置在第一指段中，弹簧的两端分别连接第一指段和主动滑块；其特征在于：所述的欠驱动关节还包括第一轴、连杆、第二轴和拨盘；所述的连杆的一端与主动滑块通过第一轴铰接，另一端与拨盘通过第二轴铰接；拨盘套固在关节轴上；第一轴的中心线、第二轴的中心线与关节轴的中心线平行；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中。

本发明所述的曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述欠驱动关节的各部分的结构参数符合以下关系：设连杆长度为L，关节轴的中心线到第二轴的中心线的距离为R，则：L∶R＝2.5～3.5∶1。

本发明所述的曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的关节轴由左关节半轴和右关节半轴组成，所述的左关节半轴和右关节半轴共轴套设在第一指段中。

本发明还提供了一种采用所述曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置的曲柄滑块式欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于：包括n个指段和n-1个所述的欠驱动关节，其中n为大于2的整数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置采用曲柄滑块机构实现了第二指段转动功能，经过合理的尺寸设计，主动滑块很短的运动距离可带来第二指段大角度的转动；本发明装置能够配合其他主动驱动的手指或手指上的其他主动驱动关节实现抓取物体，并具有对所抓物体的形状大小的自适应功能，降低了控制系统要求；该装置仅采用一个连杆传动，传动件少，传动链短，结构简单可靠，体积小，加工成本低，易于维护，外形与人手手指相似。该装置可以作为拟人机器人手的一个手指或手指的一部分，也可以串联起来构成高形状自适应和高欠驱动的手指，还可以用多个这样的高欠驱动手指组合构成高欠驱动的拟人机器人手，用以达到拟人机器人手高关节自由度、高自适应性的优良效果。

附图说明

图1是本发明提供的曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置的一种实施例的正视图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的右剖视图，即图4的B-B剖视图。

图4是图1的剖视图，即图3的A-A剖视图。

图5是左支承板外观图。

图6是主动滑块外观图。

图7是拨盘及关节轴外观图。

图8是图1的右剖视图(此时主动滑块处于行程的中间位置，第二指段已转动一个角度)。

图9是图1的右剖视图(此时主动滑块运动到接近其行程极限位置，第二指段已转动一个较大角度)。

图10、11、12、13是第一指段固定于手掌上的本实施例手指抓握物体的示意图。

图14、15、16、17是第一指段与主动关节连接后的本实施例手指抓握物体的示意图。

图18是应用了图1所示实施例的曲柄滑块式欠驱动机器人多关节手指装置实施例(采用了两个欠驱动关节)的正视图。

图19是图18的双关节手指的左视图。

图20是图18实施例的双关节手指在两个欠驱动关节转动下抓握大尺寸物体的示意图，其根部指段与主动关节相连接。

图21是应用了三个图18所示双关节手指实施例的三手指抓握物体示意图。

图22是图21的左视图。

在图1至图22中：

1.第一指段， 11.支座， 12.左支承板，

121.第一指段上的凸块， 13.右支承板， 14.背面板，

2.第二指段， 3.欠驱动关节， 4.主动滑块，

41.盖板， 42.主动滑块上的凹槽， 5.连杆，

6.拨盘， 7.关节轴， 71.左关节半轴，

72.右关节半轴， 8.弹簧， 91.第一轴，

92.第二轴， 93.中间指段。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的一种曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置的实施例，外观如图1、2所示，剖视图如图3、4所示，部分零件如图5、6、7所示，动作原理如图8、9、10、11、12、13、14、15、16、17所示。本实施例包括第一指段1、第二指段2和设置在两者之间的欠驱动关节3，所述的欠驱动关节包括主动滑块4、关节轴7和弹簧8；所述的关节轴7套设在第一指段1中，所述的第二指段2套固在关节轴7上，所述的弹簧8设置在第一指段1中，弹簧8的两端分别连接第一指段1和主动滑块4；其特征在于：所述的欠驱动关节3还包括第一轴91、连杆5、第二轴92和拨盘6；所述的连杆5的一端与主动滑块4通过第一轴91铰接，另一端与拨盘6通过第二轴82铰接；拨盘6套固在关节轴4上；第一轴91的中心线、第二轴92的中心线与关节轴7的中心线平行；所述的主动滑块4镶嵌在第一指段1中。

本实施例中，所述的关节轴7由左关节半轴71和右关节半轴72组成，所述的左关节半轴71和右关节半轴72共轴套设在第一指段1中。

本实施例中，为了更好地实现由主动滑块4小位移的滑动引起第二指段2大角度的转动这一欠驱动功能，所述欠驱动关节3的各部分的结构参数符合以下关系：设连杆5长度为L(即第一轴91的中心线到第二轴92的中心线的距离为连杆5的长度)，关节轴7的中心线到第二轴92的中心线的距离为R，则：L∶R＝2.5～3.5∶1。

本实施例中，所述的第一指段1包括支座11、左支承板12、右支承板13和背面板14。第一指段1形成中空的容器状，并且在左支承板12上有凸块121(如图5所示)，主动滑块4上设有不贯通的主动滑块上的凹槽42(如图6所示)，该凸块121插入主动滑块上的凹槽42中，这部分结构起到限制主动滑块4滑动方向和防止主动滑块4脱离第一指段1的作用，即起到定位及导向的作用，以保证主动滑块4的运动方向为沿着主动滑块滑槽的方向。拨盘6如图7所示，可以为部分中空的两个轮盘构成，两个轮盘为边缘固接，中间无轴，便于连杆5在运动过程中在拨盘6中经过。

第一轴和第二轴可以采用铆钉。

所述的主动滑块4的表面还覆盖有盖板41.盖板表面还可以覆盖有适当弹性的工业橡皮材料。这样在抓取物体时，手指表面与物体之间将形成软指面接触，一方面增加了手指对物体的约束程度，另一方面也可以增加摩擦力，从而增加抓取物体的稳定性。

所述的弹簧8的功能是：自然状态下和放开物体时，弹簧8将主动滑块4推向靠手指外侧，在连杆5和拨盘6的作用下推动第二指段2处于竖直，即保持手指伸直状态；抓取物体时，弹簧8将在外物的推动下变形。

曲柄滑块式欠驱动机器人多关节手指装置的一种双关节手指实施例，包括3个指段和2个所述的欠驱动关节，如图18、19所示。

下面结合附图介绍图1所示的单关节手指装置实施例的工作原理。

(a).如果将本实施例的第一指段1固定于拟人机器人手的手掌上，本实施例的工作原理，如图10、11、12、13所示，叙述如下：

当机器人手不接触物体时，手指处于自由状态，此时弹簧8使得第二指段2不发生转动，手指保持伸直状态。

当机器人手抓取物体时，其他手指转动后压迫物体，物体挤压主动滑块4，主动滑块沿垂直手指表面的方向向第一指段1里平移一定的位移d，通过连杆5和拨盘6的传动，带动第二指段2绕关节轴7中心线作大角度转动角度α，直到第二指段2接触物体为止，因而该机器人手将具有对物体大小、形状的自动适应性。这使得第二指段转动时仿佛有电机等驱动器驱动一般，能够快速扣住物体，实现了手指自身不用驱动器，却可以有多个关节自由度的目的。

当机器人手放开物体时，其他手指在电机转动下离开物体，物体也就不再压迫主动滑块4，弹簧8将推动主动滑块到靠向手指外侧，通过连杆5和拨盘6的传动，带动第二指段2绕关节轴7中心线转回初始位置。

(b).如果将本实施例(图1所示实施例)的第一指段1根部套接在一个由驱动器驱动的主动关节上，本实施例的工作原理，如图14、15、16、17所示，叙述如下：

当机器人手抓取物体时，套有第一指段1的主动关节在驱动力矩m作用下转动，使得整个欠驱动手指绕根部的主动关节转动，直到主动滑块4接触物体，由于物体在其他手指的作用下不能离开，所以，当主动关节继续转动时，主动滑块4在物体的阻挡挤压下沿垂直手指表面的方向朝第一指段1里平移，其后抓取过程与(a)类似。

应用图1所示实施例的欠驱动双关节手指实施例如图18、19所示。该欠驱动双关节手指由第一指段1、中间指段93、第二指段2和两个欠驱动关节3组成。该欠驱动双关节手指用两个欠驱动关节转动抓取物体的原理如图20所示。当机器人手抓取物体时，两个欠驱动关节会顺序动作，最终自动适应物体的形状、尺寸。仿佛该手指在欠驱动关节处有电机主动驱动一般。应用图1所示实施例的三指机器人手如图21、22所示。

Claims

1.一种曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，包括第一指段(1)、第二指段(2)和设置在两者之间的欠驱动关节(3)，所述的欠驱动关节包括主动滑块(4)、关节轴(7)和弹簧(8)；所述的关节轴套设在第一指段中，所述的第二指段套固在关节轴上，所述的弹簧设置在第一指段中，弹簧的两端分别连接第一指段和主动滑块；其特征在于：所述的欠驱动关节还包括第一轴(91)、连杆(5)、第二轴(92)和拨盘(6)；所述的连杆的一端与主动滑块通过第一轴铰接，另一端与拨盘通过第二轴铰接；拨盘套固在关节轴上；第一轴的中心线、第二轴的中心线与关节轴的中心线平行；所述的主动滑块镶嵌在第一指段中。

2.如权利要求1所述的曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述欠驱动关节的各部分的结构参数符合以下关系：设连杆长度为L，关节轴的中心线到第二轴的中心线的距离为R，则：L∶R＝2.5～3.5∶1。

3.如权利要求1或2所述的曲柄滑块式欠驱动机器人单关节手指装置，其特征在于：所述的关节轴(7)由左关节半轴(71)和右关节半轴(72)组成，所述的左关节半轴和右关节半轴共轴套设在第一指段中。

4.一种采用如权利要求1所述装置的曲柄滑块式欠驱动机器人多关节手指装置，其特征在于：包括n个指段和n-1个所述的欠驱动关节，其中n为大于2的整数。