專利名稱：差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于仿人機器人手技術領域，特別涉及一種差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置的結構設計。
背景技術：
手對人來說是非常重要的器官，在仿人機器人領域，增強機器人手的機能具有非常重要的意義。一方面，通過增加關節數目、驅動數目可以使機器手動作更多樣精確，但同時這樣又會使機構復雜繁瑣；另一方面，如果過分追求機構精簡，則勢必對機器手的靈活性及抓取動作的精確性產生負面影響。同時，機器人手要求同時保證小巧靈活與足夠的抓取力。目前在這一領域仍存在著許多技術難題。欠驅動機構是指該機構的驅動器數目少于關節自由度數目。諸多的仿人靈巧手也可以歸類為欠驅動手，廣義的欠驅動手指包括耦合欠驅動手指和自適應欠驅動手指。耦合欠驅動手指常稱為耦合手指，自適應欠驅動手指簡稱為自適應手指或欠驅動手指。欠驅動機構的核心優勢在于引入了自適應抓取的動作模式。這種自適應抓取模式的引入，使機器手在保證擬人化動作的同時，大大地降低了對于手部實時控制和傳感系統的要求，使機器手具有結構簡單、控制精確、控制穩定、外觀擬人和造價低廉等的優點。由于自適應欠驅動機器手的優點，近十年來引起了國內外研究人員的廣泛興趣，使自適應欠驅動機器手領域飛速發展。自適應欠驅動手存在如下較大的不足1)該手指初始構形是固定(伸直或呈某個彎曲角度)，這與人手抓取方式有較大不同，不夠擬人化，不便于對某些尺寸、形狀的物體進行穩定抓取。人手一般不會在抓取物體時采用類似這樣非常別扭的動作。2)欠驅動手的抓取方式主要為握持方式，難實現較好的末端捏持抓取效果；不能做到沒有物體抓取時，類似人手的握拳動作；也難以做到末端指段(7)捏持物體時各關節呈自然彎曲狀態。3)欠驅動手抓取物體時需要第一指段對物體施加足夠的力，才能觸發第二關節拉動簧件變形彎曲，這會導致該抓持力擠跑物體的不穩定抓取現象發生，即使抓住了物體，也可能會造成第一指段對物體的抓持力過大而損壞物體。人手若按照自適應欠驅動抓取模式會極不方便。耦合欠驅動手指的多個關節由一個驅動器驅動并按一定比例(如1 1)同時轉動(聯動)。耦合手的多關節聯動彎曲過程與人手抓取物體時相似，耦合手指適合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物體，在握持中不會發生近指段擠跑物體的不穩定現象發生，因而抓取過程較穩定。耦合手也是一個長期以來仿人機器手常用方案。目前已經有較多的耦合機構被開發出來。耦合手指的不足之處在于不具備抓取物體時對不同物體的自適應性。為了克服傳統自適應手指和耦合手指各自的不足，一種復合欠驅動抓取模式被提出來先多關節耦合抓取而后再自適應抓取。這一抓取模式既區別于單純的耦合抓取過程， 也區別于單純的自適應抓取過程。為了實現這一抓取模式，將耦合機構與自適應機構復合起來所產生的一種新的手指類別耦合與自適應復合型欠驅動手指，簡稱復合欠驅動手指或復合型手指。這種“復合” 不是簡單的并聯，更不是串聯。機器人手指裝置在彎曲抓握物體過程中，碰到物體之前各指段按一定角度比例同時彎曲，動作過程非常擬人；而在手指碰到物體后，又可自動適應物體表面形狀，完全包絡物體，并且只通過一個驅動器驅動多個關節的機器人手指裝置，能夠有很好的抓取性能。復合欠驅動手指既能夠自適應抓取物體又能夠具備較好的多關節聯動擬人化抓取特點，而且電機數量保持了最少，結構簡單、控制精確、控制容易、成本低。由于人手指就是既有耦合轉動的特點，也同時有自適應抓取的特點，因此，復合欠驅動手指類別是更加仿人手指的新型手指類別，是一種介于傳統自適應手指、耦合手指之間的第三大類手指類別。可以說，傳統的耦合欠驅動手指與傳統的自適應欠驅動手指僅僅是復合欠驅動手指的兩個特例而已。由復合欠驅動手指所構成的復合欠驅動手將具有非常大的市場潛力，或將成為未來非常主流的仿人機器手技術趨勢和方向。已有的一種能實現復合欠驅動的機器人手指裝置，如中國發明專利 CN101767338A，主要由基座、電機、減速器、近關節軸、中部指段、遠關節軸、末端指段、耦合傳動機構、欠驅動傳動機構和多個簧件構成。該裝置可以實現復合欠驅動抓取，缺點在于機構復雜，安裝維修困難；簧件數目過多，利用簧件解耦調和耦合傳動機構與自適應傳動機構之間的矛盾，常常使得多個簧件形變較大，導致過大且不必要的能量損耗。
發明內容
本發明旨在針對現有技術的不足之處，提供一種差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置。該裝置能夠實現耦合與自適應復合欠驅動抓取動作，即不僅具有抓握動作擬人的多關節耦合特性，而且兼備對不同形狀、大小物體的自適應抓取特性；擁有較多靈活關節的同時只需單一電機驅動，減少操控難度與成本；同時結構簡單、控制精確、能量損耗小、傳動效率高。本發明的技術方案如下一種差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置，包括電機、減速器、近關節軸、基座、遠關節軸、中部指段和末端指段；所述電機和減速器均固接在基座上，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；所述近關節軸活動套接于基座中，所述遠關節軸活動套接于中部指段中，所述中部指段套固在近關節軸上；所述末端指段套固在遠關節軸上；其特征在于該差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置還包括第一錐齒輪、第二錐齒輪、第三錐齒輪、第四錐齒輪、簧件、雙聯錐齒輪；所述雙錐齒輪由中間軸、下錐齒輪和上錐齒輪組成；所述第一錐齒輪套固在減速器的輸出軸上，所述第二錐齒輪活動套接在近關節軸上，所述第三錐齒輪活動套接在近關節軸上，所述第四錐齒輪套固在遠關節軸上；所述第一錐齒輪分別與第二錐齒輪、第三錐齒輪嚙合；所述中間軸活動套設于中間軸套筒中，所述下錐齒輪套固在所述中間軸下端，所述上錐齒輪套固在中間軸的上端，所述下錐齒輪與第三錐齒輪嚙合，所述上錐齒輪與第四錐齒輪嚙合；所述中間軸的中心線與近關節軸的中心線相互垂直；所述第三錐齒輪和第四錐齒輪位于中間軸軸線的同一側；所述簧件的兩端分別連接第二錐齒輪與近關節軸。本發明所述差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置，其特征在于所述簧件采用拉簧、壓簧、扭簧或彈性繩。本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果本發明裝置采用單個電機、多軸多路相異傳動比的傳動機構及簧件等綜合實現了復合欠驅動抓取效果手指先耦合轉動抓向物體然后再自適應抓取物體；抓取過程擬人， 動作靈巧，抓取物體穩定，可自動適應抓取不同尺寸、形狀的物體，對控制系統要求低，操控容易；同時結構簡單、控制精確、緊湊，能量損耗小，傳動效率高，成本低廉，裝配維護便利， 且外形與人手指相近，適用于仿人機器手。
圖1是本發明提供的差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置的一種實施例的正面剖視圖。圖2是圖1所示實施例的正面外觀圖。圖3是圖1所示實施例的右側外觀圖。圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10是本實施例抓握物體過程的幾個關鍵位置側面外觀示意圖。在圖1至圖12中1-電機，2-減速器，21-第一錐齒輪3-近關節軸，31-第二錐齒輪32-第三錐齒輪 33-簧件4_基座，41-基座擋板，5-遠關節軸， 51-第四錐齒輪，6-中部指段，61-中間軸套筒62-中部指段擋板7-末端指段，81-中間軸，82-下錐齒輪 83-上錐齒輪 9_物體
具體實施例方式下面結合附圖及實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構及工作原理。本發明所述差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置的一種實施例，如圖 1至圖3所示，包括電機1、減速器2、近關節軸3、基座4、遠關節軸5、中部指段6和末端指段7 ；所述電機1和減速器2均固接在基座4上，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；所述近關節軸3活動套接于基座4中，所述遠關節軸5活動套接于中部指段6中，所述中部指段6套固在近關節軸3上；所述末端指段7套固在遠關節軸5上；本實施例還包括第一錐齒輪21、第二錐齒輪31、第三錐齒輪32、第四錐齒輪51、簧件33、雙聯錐齒輪；所述雙錐齒輪由中間軸81、下錐齒輪82和上錐齒輪83組成；所述第一錐齒輪21套固在減速器2的輸出軸上，所述第二錐齒輪31活動套接在近關節軸3上，所述第三錐齒輪32活動套接在近關節軸3上，所述第四錐齒輪51套固在遠關節軸5上；
所述第一錐齒輪21分別與第二錐齒輪31、第三錐齒輪32嚙合；所述中間軸81活動套設于中間軸套筒61中，所述下錐齒輪82套固在所述中間軸81下端，所述上錐齒輪83 套固在中間軸81的上端，所述下錐齒輪82與第三錐齒輪32嚙合，所述上錐齒輪83與第四錐齒輪51嚙合；所述中間軸81的中心線與近關節軸3的中心線相互垂直；所述第三錐齒輪 32和第四錐齒輪51位于中間軸81軸線的同一側；所述簧件33的兩端分別連接第二錐齒輪31與近關節軸3。本發明所述簧件33采用拉簧、壓簧、扭簧或彈性繩。本實施例中，簧件33采用扭
器本實施例的具體工作原理，如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示，敘述如下該裝置一種情形下的初始位置如圖4所示，在這種情況下，初始時中部指段6和末端指段7都沒有接觸物體，并且物體9與中部指段6相距較近，手指在轉動過程中會由中部指段6首先碰觸物體9。電機1剛開始轉動時，中部指段6和末端指段7與基座4呈伸直的狀態。當使用本實施例的機器人手指抓取物體9時，在電機1的帶動下，減速器2的輸出軸轉動，帶動第二錐齒輪31和第三錐齒輪32 ；由于簧件33的約束作用，第二錐齒輪31帶動中部指段6轉動角度α ；第三錐齒輪32的轉動帶動與之嚙合的下錐齒輪82的轉動，由于雙聯錐齒輪的傳動作用，進而帶動與之嚙合的第四錐齒輪51的轉動，最終帶動末端指段 7轉動，本實施例中第二錐齒輪31和第三錐齒輪32齒數相同，下錐齒輪82和上錐齒輪83 齒數相同，第三錐齒輪32和第四錐齒輪51齒數之比叫n4 = 1 2，因此第四錐齒輪51 帶動末端指段7轉動角度α/2。在中部指段6轉動過程中，遠關節軸5相對于近關節軸3 的位置將改變，由于下錐齒輪82與第三錐齒輪32嚙合，故而中部指段6的轉動會使得上錐齒輪83轉動同樣一個角度α，進而帶動與之嚙合的第四錐齒輪51轉動角度α/2，也即末端指段7又轉動角度α/2。因此當中部指段6繞近關節軸3的軸線轉動角度α時，末端指段繞遠關節軸5的軸線轉動角度α。當第三錐齒輪32和第四錐齒輪51齒數之比113 η4 =1 2時，兩關節的耦合轉動角度為1 1，改變二者的齒數，則將獲得不同的耦合效果。此時，如果末端指段7接觸物體9，則完成抓持，采用的是捏持方式抓取物體。如圖 8所示。此時，如果末端指段7還未接觸物體9，如圖6所示。電機1的輸出軸繼續轉動，通過減速器帶動第一齒輪21轉動，進而帶動第二錐齒輪31和第三錐齒輪32轉動。由于這時中部指段6已經接觸物體9，中部指段6不能繼續繞近關節軸3轉動，簧件33的繼續變形將使中部指段6以越來越大的抓取力緊靠物體7。同時隨著電機1的繼續轉動，第三錐齒輪32轉動，通過雙聯錐齒輪帶動第四錐齒輪51轉動，進而帶動末端指段 7繼續轉動。這一過程直到末端指段7接觸到物體9，完成抓持動作，如圖7所示。此過程使得該裝置能夠自動適應抓取不同形狀和尺寸大小的物體。該裝置在另一種情形下的初始位置如圖9所示，這種情況下，物體9與末端指段7 相距較近，在這種情況下會由末端指段首先碰觸物體。在這種情形下手指一直會以上面所述那種耦合抓取模式轉動，直到末端指段7碰觸到物體為止，完成抓持，在這種情形下手指的運動過程中沒有進行欠驅動自適應模式，手指直接通過耦合抓取模式完成抓持，如圖10 所示。
權利要求
1.一種差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置，包括電機(1)、減速器O)、 近關節軸(3)、基座(4)、遠關節軸(5)、中部指段(6)和末端指段(7)；所述電機(1)和減速器⑵均固接在基座⑷上，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；所述近關節軸⑶活動套接于基座(4)中，所述遠關節軸( 活動套接于中部指段(6)中，所述中部指段(6)套固在近關節軸( 上；所述末端指段(7)套固在遠關節軸( 上；其特征在于該差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置還包括第一錐齒輪、第二錐齒輪(31)、第三錐齒輪(32)、第四錐齒輪(51)、簧件(3 和雙聯錐齒輪；所述雙錐齒輪由中間軸(81)、下錐齒輪(82)和上錐齒輪(83)組成；所述第一錐齒輪套固在減速器的輸出軸上，所述第二錐齒輪(31)活動套接在近關節軸C3)上，所述第三錐齒輪(3 活動套接在近關節軸C3)上，所述第四錐齒輪 (51)套固在遠關節軸(5)上；所述第一錐齒輪分別與第二錐齒輪(31)、第三錐齒輪(3 嚙合；所述中間軸 (81)活動套設于中間軸套筒(61)中，所述下錐齒輪(82)套固在所述中間軸(81)下端，所述上錐齒輪(8 套固在中間軸(81)的上端，所述下錐齒輪(8 與第三錐齒輪(3 嚙合， 所述上錐齒輪(83)與第四錐齒輪(51)嚙合；所述中間軸(81)的中心線與近關節軸(3)的中心線相互垂直；所述第三錐齒輪(32)和第四錐齒輪(51)位于中間軸(81)軸線的同一側；所述簧件(3 的兩端分別連接第二錐齒輪(31)與近關節軸(3)。
2.如權利要求1所述差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置，其特征在于 所述簧件(3 采用拉簧、壓簧、扭簧或彈性繩。
全文摘要
差動錐齒輪系復合欠驅動雙關節機器人手指裝置，屬于仿人機器人手技術領域，包括基座、電機、減速器、基座軸、近關節軸、中部指段、遠關節軸、末端指段、雙聯錐齒輪和簧件。本發明裝置采用單個電機、差動錐齒輪系傳動機構及簧件等綜合實現了復合欠驅動抓取效果手指先耦合轉動抓向物體然后再自適應抓取物體；抓取過程擬人，動作靈巧，抓取物體穩定，可自動適應抓取不同尺寸、形狀的物體，對控制系統要求低，操控容易；同時結構簡單、緊湊，控制精確、能量損耗小，傳動效率高，成本低廉，裝配維護便利，且外形與人手指相近，適用于仿人機器手。
文檔編號B25J15/08GK102179818SQ20111013167
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者劉晗, 張文增 申請人:清華大學