抓取鎖定自適應機器人手指裝置制造方法
【專利摘要】抓取鎖定自適應機器人手指裝置，屬于機器人手【技術領域】，包括基座、電機、第一傳動機構、近關節軸、中部指段、主動帶輪、同步帶、從動帶輪、遠關節軸、末端指段和第一簧件。該裝置還包括第二傳動機構、棘爪、棘爪軸、棘輪、第二簧件、第三簧件和第四簧件。該裝置可以安裝到機械臂上，配合機械臂的主動運動實施反作用面撤離的物體抓取，具有對所抓物體的形狀、大小的自適應能力，抓取物體達到形狀封閉和力封閉的穩定抓取，防止在抓取過程中因為振動干擾導致關節回復的失穩現象，該裝置結構簡單，體積小，質量小，制造和維護成本低，與人手的手指相似。
【專利說明】抓取鎖定自適應機器人手指裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人手【技術領域】，特別涉及一種抓取鎖定自適應機器人手指裝置的結構設計。
【背景技術】
[0002]與人類似，擬人機器人的多數功能要通過手部操作來實現，因而手部結構是擬人機器人的重要組成部分，其設計是擬人機器人的關鍵技術之一。為了增加手部的擬人化，手部要設計較多的關節自由度，然而，為了減輕擬人機器人手部的控制難度，以及減小手部的體積、重量，需要減少驅動器數目，這兩者有一定的矛盾，另外，為了更好地抓取物體，還需要手指在抓取物體時具有一定的自適應性。欠驅動手指能夠更好的實現較多關節自由度、較少驅動器數目、抓取不同形狀、尺寸的物體時的較強的自適應性這三個目標。
[0003]已有的一種帶輪欠驅動機器人手指裝置，如中國發明專利CN101234489B，包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關節軸、中部指段、遠關節軸、末端指段、主動帶輪、同步帶、從動帶輪和簧件；中部指段套接在近關節軸上，簧件的兩端分別連接中部指段和末端指段。該裝置能夠實現自適應欠驅動功能。
[0004]該裝置的不足之處為:該裝置在物體不擠壓中部指段時，末端指段將回復伸直的初始狀態，因此該裝置無法實施在抓取過程中反作用面撤銷的物體抓取。例如一個物體放置在桌面上，當安裝在機械臂上的手指靠向物體，電機驅動第一關節轉動，物體會阻擋和擠壓中部指段，從而同步帶機構會導致手指的第二關節彎曲，但是當機械臂離開桌面時，此時物體不再擠壓中部指段，末端指段將回復伸直的初始狀態，手指的彎曲不能保持，于是物體脫落，抓取失敗。另一方面該裝置在抓取物體時雖然達到了外形上的一種自適應包絡效果，但是沒有產生抓持力，從而并未實現力封閉穩定抓取，只有同時具有形狀封閉和力封閉兩種包絡才能達到穩定的抓持。在只有形狀封閉時，如果遇到振動干擾，物體在某時刻對中部指段的擠壓力突然減小，就會導致末端指段迅速放開物體，產生失穩現象。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對已有技術的不足之處，提供一種抓取鎖定自適應機器人手指裝置。該裝置可以安裝到機械臂上，配合機械臂的主動運動實施反作用面撤離的物體抓取，具有對所抓物體的形狀、大小的自適應能力，抓取物體達到形狀封閉和力封閉的穩定抓取，防止在抓取過程中因為振動干擾導致關節回復的失穩現象，該裝置結構簡單，體積小，質量小，制造和維護成本低，與人手的手指相似。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]本發明設計的一種抓取鎖定自適應機器人手指裝置，包括基座、電機、第一傳動機構、近關節軸、中部指段、主動帶輪、同步帶、從動帶輪、遠關節軸、末端指段和第一簧件；所述電機與基座固接，電機的輸出軸與第一傳動機構的輸入軸相連，第一傳動機構的輸出軸與近關節軸相連，所述近關節軸活動套設在基座中，所述遠關節軸活動套設在中部指段中，所述中部指段活動套接在近關節軸上，所述末端指段套固在遠關節軸上；所述同步帶的兩側分別連接主動帶輪、從動帶輪，所述同步帶、主動帶輪和從動帶輪三者形成同步帶傳動關系；所述第一簧件的兩端分別連接中部指段和末端指段；其特征在于:該裝置還包括第二傳動機構、棘爪、棘爪軸、棘輪、第二簧件、第三簧件和第四簧件；所述主動帶輪活動套接在近關節軸上；所述從動帶輪活動套接在遠關節軸上，所述近關節軸與第二傳動機構的輸入端相連，第二傳動機構的輸出端與棘爪相連，所述棘爪活動套接在棘爪軸上，棘爪軸固定套設在中部指段中，所述棘輪活動套接在遠關節軸上，所述棘輪與從動帶輪固接，第二簧件的兩端分別連接中部指段和棘爪，所述第三簧件的兩端分別連接棘輪和末端指段，所述第四簧件的兩端分別連接近關節軸和主動帶輪。
[0008]本發明所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第二傳動機構包括套筒和柔性件；所述套筒套固在近關節軸上；所述柔性件的一端連接在套筒上，另一端連接在棘爪上。
[0009]本發明所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第二簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第三簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第四簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩。
[0010]本發明所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一傳動機構包括減速器、第一齒輪和第二齒輪。
[0011]本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果:
[0012]該裝置適合安裝于機械臂末端作為擬人機器人手或手的一部分，配合機械臂的主動運動實施反作用面撤離的物體抓取；具有對所抓物體的形狀、大小的自適應能力，抓取物體達到形狀封閉和力封閉的穩定抓取，防止在抓取過程中因為振動干擾導致關節回復的失穩現象；該裝置利用反作用面對物體的作用力來擠壓中部指段，再配合同步帶機構等實現手指第二關節的彎曲，采用棘輪棘爪實現手指第二關節只允許正向彎曲而不能反向伸直，防止在機械臂撤離反作用面時物體脫落；采用第三簧件的變形產生末端指段對物體施加穩定的抓持力；采用電機實現在需要釋放物體時解除棘爪對棘輪的單向約束作用，實現釋放物體；該裝置結構簡單，體積小，質量小，制造和維護成本低，與人手的手指相似。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明提供的抓取鎖定自適應機器人手指裝置的實施例的立體外觀圖。
[0014]圖2是本實施例的正面剖視圖。
[0015]圖3是本實施例的爆炸視圖。
[0016]圖4是本實施例的側面外觀。
[0017]圖5是圖2的左側視圖(未畫出部分零件)。
[0018]在圖1至圖5中:
[0019]I —基座， 11—電機， 12 —第一傳動機構，
[0020]121 一減速器，122 —第一齒輪，123 —第二齒輪，
[0021]2—近關節軸，
[0022]3—中部指段，31_主動帶輪， 32—同步帶，[0023]33 —從動帶輪，
[0024]4 一遠關節軸，5—末端指段， 6 —第一簧件，
[0025]71 —第四簧件，72 —第二傳動機構，722 —套筒，
[0026]723 —腱繩，73 —棘爪，731 —擺桿，
[0027]732 —連桿，
[0028]74—棘爪軸，75-棘輪，76—第二簧件，
[0029]8 —第三簧件，10 —所抓取的物體。
【具體實施方式】
[0030]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、工作原理的內容。
[0031]本發明設計的一種抓取鎖定自適應機器人手指裝置的實施例，如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，包括基座1、電機11、第一傳動機構12、近關節軸2、中部指段3、主動帶輪31、同步帶32、從動帶輪33、遠關節軸4、末端指段5和第一簧件6 ;所述電機11與基座I固接，電機11的輸出軸與第一傳動機構12的輸入軸相連，第一傳動機構12的輸出軸與近關節軸2相連，所述近關節軸2活動套設在基座I中，所述遠關節軸4活動套設在中部指段3中，所述中部指段3活動套接在近關節軸2上，所述末端指段5套固在遠關節軸4上；所述同步帶32的兩側分別連接主動帶輪31、從動帶輪33,所述同步帶32、主動帶輪31和從動帶輪33三者形成同步帶傳動關系；所述第一簧件6的兩端分別連接中部指段3和末端指段5 ；該裝置還包括第二傳動機構72、棘爪73、棘爪軸74、棘輪75、第二簧件76、第三簧件8和第四簧件71 ;所述主動帶輪31活動套接在近關節軸2上；所述從動帶輪33活動套接在遠關節軸4上，所述近關節軸2與第二傳動機構72的輸入端相連，第二傳動機構72的輸出端與棘爪73相連，所述棘爪73活動套接在棘爪軸74上，棘爪軸74固定套設在中部指段3中，所述棘輪75活動套接在遠關節軸4上，所述棘輪75與從動帶輪33固接，第二簧件76的兩端分別連接中部指段3和棘爪73，所述第三簧件8的兩端分別連接棘輪75和末端指段5，所述第四簧件71的兩端分別連接近關節軸2和主動帶輪31。
[0032]本實施例中，所述第二傳動機構72包括套筒722和柔性件；所述套筒722套固在近關節軸上；所述柔性件的一端連接在套筒722上，另一端連接在棘爪73上；所述柔性件為腱繩723。
[0033]本發明所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，所述第一簧件6采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第二簧件76采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第三簧件8采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第四簧件71采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩。
[0034]本實施例中，所述第一簧件6采用扭簧，所述第二簧件76采用扭簧，所述第三簧件8采用扭簧，所述第四簧件71采用扭簧。
[0035]本發明所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，所述第一傳動機構12包括減速器121、第一齒輪122和第二齒輪123。
[0036]本實施例的工作原理，結合圖1至圖5，敘述如下:
[0037]該裝置的初始位置，此時中部指段3和末端指段5與基座I呈一直線，即相當于人的手指伸直的狀態。當使用裝有本實施例的機器人手抓取物體10時，電機11的輸出軸轉動，通過減速器121、第一齒輪122帶動固接有第二齒輪123的近關節軸2轉動，使主動帶輪31轉動。由于第一簧件6的約束作用，中部指段3與末端指段5仿佛固接在一起，因此主動帶輪31的轉動將通過同步帶32和從動帶輪33，優先使得中部指段3和末端指段5 —起繞著近關節軸2轉動，此過程直到中部指段3碰到物體10。
[0038]當中部指段3碰到物體10被阻擋而無法繼續旋轉時，此時主動帶輪31將通過同步帶32讓從動帶輪33轉動，使得棘輪75轉動，通過第三簧件帶動末端指段5克服第一簧件6的彈力而轉動，同時第一簧件6變形量增大。此過程直到末端指段5也碰到物體。
[0039]此時，電機11使主動帶輪31繼續轉動一個角度，從而讓棘輪75跟隨多轉動一個角度，第三簧件8發生變形，此變形量帶來的彈力形成末端指段5對物體10施加的抓持力。
[0040]由于棘爪73在第二簧件76的作用下，始終靠向棘輪75，并約束棘輪75，只允許棘輪75正向旋轉，不能反向轉動，當物體10不再擠壓中部指段3時手指遠關節不會反轉，保持穩定抓取效果。
[0041]至此，本實施例裝置抓緊了物體。
[0042]即使物體形狀大小不同，該裝置也能順利包絡物體。如果該裝置中部指段3和末端指段5同時旋轉時，末端指段5優先于中部指段3接觸到物體10表面，由于末端指段5受到中部指段3的阻擋而難以反轉，因此該裝置將不再運動而牢牢用末端指段5抓緊物體10。
[0043]當放開物體時，電機11反向轉動，通過第一傳動機構12帶動近關節軸2反向轉動；近關節軸2通過第四簧件71，帶動主動帶輪31轉動，由于棘爪73對棘輪75的約束，從動帶輪33無法反轉，此時，可能發生兩種情況:
[0044]I)如果物體與末端指段5的摩擦力較大，整個手指不能由主動帶輪31的反轉而反轉，近關節軸2的轉動將使得第四簧件71發生變形，近關節軸2的轉動也同時通過第二傳動機構72拉動棘爪73，將棘爪73撥動離開棘輪75表面，棘輪75和從動帶輪33遂不再受棘爪73約束而在第三簧件8、第四簧件71的作用下反向轉動，末端指段5反向轉動到與中部指段3伸直的位置，電機11反轉，將帶動中部指段3和末端指段5兩者整體反向繞近關節軸2轉回到伸直的初始位置。
[0045]II)如果物體與末端指段5的摩擦力較小，整個手指則由主動帶輪31的反轉而反轉，此時末端指段5仍為彎曲，直到中部指段3已經伸直，不能再反轉，此時，近關節軸2繼續反轉，第四簧件71發生變形，近關節軸2的反轉通過第二傳動機構72拉動棘爪73，將棘爪73撥動離開棘輪75表面，棘輪75和從動帶輪33遂不再受棘爪73約束而在第三簧件8、第四簧件71的作用下反向轉動，末端指段5反向轉動到與中部指段3伸直的位置，至此，完全恢復初始伸直狀態。
[0046]該裝置適合安裝于機械臂末端作為擬人機器人手或手的一部分，配合機械臂的主動運動實施反作用面撤離的物體抓取；具有對所抓物體的形狀、大小的自適應能力，抓取物體達到形狀封閉和力封閉的穩定抓取，防止在抓取過程中因為振動干擾導致關節回復的失穩現象；該裝置利用反作用面對物體的作用力來擠壓中部指段，再配合同步帶機構等實現手指第二關節的彎曲，采用棘輪棘爪實現手指第二關節只允許正向彎曲而不能反向伸直，防止在機械臂撤離反作用面時物體脫落；采用第三簧件的變形產生末端指段對物體施加穩定的抓持力；采用電機實現在需要釋放物體時解除棘爪對棘輪的單向約束作用，實現釋放物體；該裝置結構簡單，體積小，質量小，制造和維護成本低，與人手的手指相似。
【權利要求】
1.一種抓取鎖定自適應機器人手指裝置，包括基座(1)、電機(11)、第一傳動機構(12)、近關節軸(2)、中部指段(3)、主動帶輪(31)、同步帶(32)、從動帶輪(33)、遠關節軸(4)、末端指段(5)和第一簧件(6);所述電機(11)與基座⑴固接，電機(11)的輸出軸與第一傳動機構(12)的輸入軸相連，第一傳動機構(12)的輸出軸與近關節軸(2)相連，所述近關節軸(2)活動套設在基座(1)中，所述遠關節軸(4)活動套設在中部指段(3)中，所述中部指段(3)活動套接在近關節軸(2)上，所述末端指段(5)套固在遠關節軸(4)上；所述同步帶(32)的兩側分別連接主動帶輪(31)、從動帶輪(33),所述同步帶(32)、主動帶輪(31)和從動帶輪(33)三者形成同步帶傳動關系；所述第一簧件(6)的兩端分別連接中部指段(3)和末端指段(5);其特征在于:該裝置還包括第二傳動機構(72)、棘爪(73)、棘爪軸(74)、棘輪(75)、第二簧件(76)、第三簧件(8)和第四簧件(71);所述主動帶輪(31)活動套接在近關節軸(2)上;所述從動帶輪(33)活動套接在遠關節軸(4)上，所述近關節軸(2)與第二傳動機構(72)的輸入端相連,第二傳動機構(72)的輸出端與棘爪(73)相連,所述棘爪(73)活動套接在棘爪軸(74)上，棘爪軸(74)固定套設在中部指段(3)中，所述棘輪(75)活動套接在遠關節軸(4)上，所述棘輪(75)與從動帶輪(33)固接，第二簧件(76)的兩端分別連接中部指段⑶和棘爪(73)，所述第三簧件⑶的兩端分別連接棘輪(75)和末端指段(5)，所述第四簧件(71)的兩端分別連接近關節軸(2)和主動帶輪(31)。
2.如權利要求1所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第二傳動機構包括套筒(722)和柔性件；所述套筒(722)套固在近關節軸上；所述柔性件的一端連接在套筒(722)上，另一端連接在棘爪(73)上。
3.如權利要求1所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第二簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第三簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩；所述第四簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩。
4.如權利要求1所述的抓取鎖定自適應機器人手指裝置，其特征在于:所述第一傳動機構包括減速器、第一齒輪和第二齒輪。
【文檔編號】B25J15/00GK104015193SQ201410242304
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】張蓉, 陳霽, 張文增 申請人:清華大學