变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置

摘要

一种变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，属于拟人机器人手技术领域，包括基座、两个指段、两个关节轴、电机、三个连杆、两个滑块和两个簧件等。本发明利用连杆机构、滑块移动副、套接指段及簧件综合实现了两关节手指欠驱动自适应和可变抓取力的特殊效果，该手指装置既具有变抓取力抓取功能，从而抓取稳定且抓取范围广，又有多关节欠驱动自适应抓取效果，仅采用一个驱动器驱动两个关节自由度，自动适应所抓物体的大小和形状，降低了对控制系统的控制要求，而且出力大、结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。

说明书

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

欠驱动机构应用于机器人手，具有自适应抓取的突出优点，同时带来了控制更加简单的好处。另外，安装在手指基座或手掌中的电机可以更大从而使手指出力变大，从而使欠驱动机器人手指在这些方面优于传统无欠驱动机构的机器人手指。

当前欠驱动手指已经有若干实例被成功设计出来，这些装置从其电机是否直接与多个关节相连接来看，可以分为两大类。一类是间接连接方式，可称为间接欠驱动手指，另一类为直接连接方式，可称为直接欠驱动手指。

现有的技术中，机械手抓取物体有多种方式：(1)采用几何包络式抓取方式。一般适合较小物体抓取，无法适应较大的物体，适应抓取物体尺寸范围小。另外，该方法无法准确控制物体在手中的位置。(2)采用持续工作的电机等。抓取范围好于前一种，但是电机必须是可以长期堵转使用的特殊电机，成本昂贵。(3)采用具有力保持特点的特殊机构，这种方式由于不用电机持续工作而且对物体的抓取力可以精确控制，因而近年来得到重点关注和研究，称为变抓力手指机构。带有变抓力机构的手抓取物体范围大大扩展，同时机构复杂度增加不大，成本较低，也很容易维修维护。

一种欠驱动机械手指装置如美国发明专利US5762390A，该装置属于直接欠驱动手指，由于采用多套四连杆机构将驱动源的动力传递到多个关节处，为了达到末端手指转动较大角度，必须设置体积相当庞大的手指机构，手指外观不够拟人化；另外，该机械手采用持续保持抓取力的驱动源——液压缸，导致存在油压密封问题和整个手掌体积过于庞大，而且成本昂贵、制造维修不便。

一种如中国发明专利CN1215925C所述的手指装置虽然具有变抓取力机构的手指但不具有欠驱动多关节驱动和自适应抓取效果。另外，一种如美国发明专利US4946380所述的装置使用钢丝绳驱动，使用了变抓力机构。但是钢丝绳承受力较小导致手指出力小。另外多套钢丝绳和绳轮机构相当复杂，而且钢丝绳如果拉得不紧起不到较精确的控制驱动要求，如果钢丝绳拉得过紧又寿命不长，钢丝绳较为容易崩断，维修费时费力。若采用高性能钢丝绳或特殊材料腱绳则又成本非常昂贵。而且该手的变抓力机构难以直接应用到其他传动方式中。

综上所述，如果将特别设计的变抓取力机构与欠驱动技术融合到同一款机械手中，可以得到功能强大、抓取范围广、抓取稳定性好、成本较低、出力大的实用型机器人手，尤其适合成为拟人机器人手。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，既具有变抓取力抓取功能，从而抓取稳定且抓取范围广，又有欠驱动自适应抓取效果，同时外观拟人化、出力大。

本发明采用如下技术方案：

一种变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、传动机构和电机；所说的电机与基座固接，电机的输出轴通过所说的传动机构与所说的近关节轴相连，近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在所说的第一指段中；第一指段套接在近关节轴上，所说的第二指段套接在远关节轴上；所说的近关节轴和远关节轴的轴线相互平行；

其特征在于：

该变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置包括第一连杆、第一轴、第二连杆、第二轴、第一滑块、第二滑块、第三轴、第三连杆、第四轴、第一簧件和第二簧件；

所说的第一连杆的一端套固在近关节轴上；所说的第二连杆一端通过所说的第一轴与第一连杆的另一端铰接，第二连杆的另一端通过所说的第二轴与所说的第一滑块铰接；所说的第三连杆一端通过所说的第三轴与所说的第二滑块铰接，第二指段通过所说的第四轴与第三连杆的另一端铰接；第一滑块和第二滑块镶嵌在第一指段中，第一滑块与第二滑块的滑动方向相同；所说的第一簧件的两端分别连接第一滑块和第一指段，所说的第二簧件的两端分别连接第一滑块和第二滑块；所说的第一轴、第二轴、第三轴、第四轴和近关节轴的轴线相互平行。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、第一滑块和第二滑块符合如下关系：设近关节轴的轴线与远关节轴的轴线所在平面为P平面，则第一轴的轴线、第二轴的轴线和第三轴的轴线在P平面的同侧；所说的第一滑块和第二滑块的滑动方向均平行于所说的P平面。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，其特征在于：在所说的电机输出轴与传动机构之间设有减速器，所说的减速器的输出轴与传动机构相连；所说的传动机构采用齿轮传动机构。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，其特征在于：在所说的电机上设有编码器。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明利用连杆机构、滑块移动副、套接指段及簧件综合实现了两关节手指欠驱动自适应和可变抓取力的特殊效果，该手指装置既具有变抓取力抓取功能，从而抓取稳定且抓取范围广，又有多关节欠驱动自适应抓取效果，仅采用一个驱动器驱动两个关节自由度，自动适应所抓物体的大小和形状，降低了对控制系统的控制要求，而且出力大、结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。

附图说明

图1是本发明提供的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是图1的左侧视图。

图3是图1所示实施例的立体外观图。

图4是图1的剖视图。

图5是图2的剖视图。

图6是图1的右侧剖视图。

图7是图1所示实施例的爆炸视图。

图8是图1所示实施例的立体视图(未画出齿轮传动机构中的从动直齿轮、第一簧件、

第一指段前盖板、第一指段左侧板、第二指段前盖板和第二指段左侧板)。

图9是图1所示实施例握持物体的立体外观图。

图10是图1所示实施例的左侧剖视图(第一指段和第二指段呈一个整体绕着近关节轴转动的结果)

图11是图1所示实施例的左侧剖视图(此时第一指段被所抓物体阻挡且到达极限位置)。

图12是图1所示实施例的左侧剖视图(此时第一指段和第二指段均被所抓物体阻挡且到达极限位置)。

图13、图14、图15、图16和图17是图1所示实施例以两个指段完全握持方式抓取物体过程示意图(第一指段和第二指段分别依次绕近关节轴、远关节轴轴线转动)。

图18是本实施例以第二指段碰触物体的示意图。

图19是包括了本实施例的机器人手装置示意图。

图20是图17所示机器人手装置抓持物体示意图。

在图1至图16中：

1-基座，      2-第一指段，     3-第二指段，   4-近关节轴，

5-远关节轴，  6-齿轮传动机构， 7-电机，

8-第一连杆，  9-第一轴，       10-第二连杆，  11-第二轴，

12-第一滑块， 13-第二滑块，    14-第三轴，    15-第三连杆，

16-第四轴，   17-第一簧件，    18-第二簧件，  19-减速器，

20-编码器，   21-物体，        22-拇指。

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具体结构、工作原理的内容。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5、传动机构6和电机7；所说的电机7与基座1固接，电机7的输出轴通过所说的传动机构6与所说的近关节轴4相连，近关节轴4套设在基座1中，所说的远关节轴5套设在所说的第一指段2中；第一指段2套接在近关节轴5上，所说的第二指段3套接在远关节轴5上；

该实施例包括第一连杆8、第一轴9、第二连杆10、第二轴11、第一滑块12、第二滑块13、第三轴14、第三连杆15、第四轴16、第一簧件17和第二簧件18；

所说的第一连杆8的一端套固在近关节轴4上；所说的第二连杆10一端通过所说的第一轴9与第一连杆8的另一端铰接，第二连杆10的另一端通过所说的第二轴11与所说的第一滑块12铰接；所说的第三连杆15一端通过所说的第三轴14与所说的第二滑块13铰接，第二指段3通过所说的第四轴16与第三连杆15的另一端铰接；所说的近关节轴4和远关节轴5的轴线相互平行；第一滑块12和第二滑块13镶嵌在第一指段2中，第一滑块12与第二滑块13的滑动方向相同；所说的第一簧件17的两端分别连接第一滑块12和第一指段2，所说的第二簧件18的两端分别连接第一滑块12和第二滑块13；所说的第一轴9、第二轴11、第三轴14、第四轴16、和近关节轴4的轴线相互平行。

本实施例中，所说的近关节轴4、远关节轴5、第一轴9、第二轴11、第三轴14、第一滑块12和第二滑块13符合如下关系：设近关节轴4的轴线与远关节轴5的轴线所在为P平面，则第一轴9的轴线、第二轴11的轴线和第三轴14的轴线在P平面的同侧；所说的第一滑块12和第二滑块13的滑动方向均平行于所说的P平面。

本发明所说的变抓力的双关节滑块式直接欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条或弹性绳。

在本实施例中，所说的第一簧件17采用拉簧，所说的第二簧件18采用压簧。

在本实施例中，在所说的电机7输出轴与传动机构6之间设有减速器19，所说的减速器19的输出轴与传动机构6相连。

在本实施例中，所说的传动机构6采用齿轮传动机构。

在本实施例中，在所说的电机7上设有编码器20。

本实施例的工作原理，如图13、图14、图15、图16、图17、图18，叙述如下：

本实施例的初始状态如图13所示，类似人的手指伸直状态。

当本实施例抓取物体时，电机7转动，通过减速器19、齿轮传动机构6带动近关节轴4转动，近关节轴4带动与之固接的第一连杆8转动，由于第一簧件17和第二簧件18的共同限制作用，第一滑块12和第二滑块13不发生滑动，第一连杆8、第二连杆10和第三连杆15相对位置关系不变，第一指段2和第二指段3仿佛一个“刚体”，因此近关节轴4的转动将通过第一连杆8带动第一指段2和第二指段3作为一个整体绕近关节轴4的轴线转动，如图14所示。此时会遇到以下两种情况：

(a)第二指段3碰到物体，第二指段3受限制无法运动，此时第一连杆8在近关节轴4的带动下继续转动，依次通过第一轴9、第二连杆10、第二轴11驱动第一滑块12克服第一簧件17和第二簧件18的变形弹力在第一指段2内滑动，第二滑块13由于第二指段3被限制并不滑动，随着第二簧件18变形的增加，第二指段3上的抓取力逐渐增大，直到第二簧件18不再变形为止，抓取结束，如图18所示。

(b)第一指段2碰到物体，如图15所示，第一指段2受限制无法运动，此时第一连杆8在近关节轴4的带动下继续转动，依次通过第一轴9、第二连杆10、第二轴11驱动第一滑块12克服第一簧件17的变形弹力在第一指段2内滑动，此时第一簧件17发生变形，而第二簧件18由于第二指段3没有限制不发生变形，在第二簧件18的作用下，第一滑块12驱动第二滑块13在第一指段2内滑动，第二滑块13通过第三轴14、第三连杆15和第四轴16推动第二指段3绕远关节轴5轴线转动，如图16所示。直到第二指段3接触到物体，此时第一连杆8在近关节轴4的带动下继续转动，依次通过第一轴9、第二连杆10、第二轴11继续驱动第一滑块12克服第一簧件17和第二簧件18的变形弹力在第一指段2内滑动，第二滑块13由于第二指段3被限制并不滑动，随着第二簧件18变形的增加，第一指段2和第二指段3上的抓取力逐渐增大，直到第二簧件18不再变形为止，抓取结束，如图17所示。

当放开物体时，电机7反转，通过减速器19、齿轮传动机构6带动近关节轴4反转，第一连杆8在近关节轴4带动下反转，第一连杆8依次通过第一轴9、第二连杆10、第二轴11拉动第一滑块12运动，此时第一簧件17和第二簧件18的变形逐渐减小，第二滑块13并不滑动，第一指段2和第二指段3上的抓取力逐渐减小，直到第二簧件18完全恢复到未变形状态，继而第一滑块12通过第二簧件18拉动第二滑块13运动，第二簧件18不再发生变形，第二滑块13通过第三轴14、第三连杆15、第四轴16拉动第二指段3绕远关节轴5轴线反转。由于在第一指段2的后背上方有凸台，此凸台将限制第二指段3反转时超过其相对于第一指段2的初始伸直位置，起到限位作用，因此第二指段3将受到第一指段2的阻挡不能再反向转动，此时第二指段3已经反转到手指伸直的位置，如图15所示。同时，第一连杆8将继续反转，拉动处于伸直状态的第一指段2和第二指段3作为一个整体一起绕近关节轴5轴线反转。由于在基座1的后背上方有凸台，此凸台将限制第一指段2反转时超过其相对于基座1的初始伸直位置，起到限位作用，因此第一指段2将受到基座1的阻挡不能再反向转动，直到手指装置完全恢复到初始的伸直位置，如图13所示。

本发明利用连杆机构、滑块移动副、套接指段及簧件综合实现了两关节手指欠驱动自适应和可变抓取力的特殊效果，该手指装置既具有变抓取力抓取功能，从而抓取稳定且抓取范围广，又有多关节欠驱动自适应抓取效果，仅采用一个驱动器驱动两个关节自由度，自动适应所抓物体的大小和形状，降低了对控制系统的控制要求，而且出力大、结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。