專利名稱：連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擬人機器人技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及機器人手指機構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
機器人要通過手部操作來完成各項工作，靈巧手是機器人的重要組成部分，因此手指機 構(gòu)就成為了機器人領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。為了使擬人機器人手指體積小重量輕，同時具有較 多的自由度，并且容易控制。 一般需要將機器人手指設(shè)計為驅(qū)動器少于自由度的欠驅(qū)動形式。 使用腱驅(qū)動或摩擦輪實現(xiàn)的欠驅(qū)動手指抓持力很小。本發(fā)明提供的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)， 實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、大抓持力的欠驅(qū)動擬人手指，手指能夠自適應(yīng)地抓取不同形狀和尺寸的物 體。
目前已有的一種擬人欠驅(qū)動機器人手指裝置見2008年7月9日公開的中國發(fā)明專利 CN101214649，包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關(guān)節(jié)軸、至少2個中部指 段、至少l個中關(guān)節(jié)軸、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段，以及至少2個主動輪、至少2個傳動輪、至 少2個從動輪、至少2個簧件，簧件的兩端分別連接相鄰指段。該裝置利用多對帶輪機構(gòu)、 套接活動的多個中部指段及多個簧件所具有的解耦作用綜合實現(xiàn)多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指抓取物體 的效果，并具有對所抓物體形狀自適應(yīng)性。其欠驅(qū)動工作原理為指節(jié)接觸物體后，電機繼 續(xù)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動指節(jié)上的主動滑塊小位移平動，通過主動滑塊上的齒條和固接在下一個指節(jié)上 的齒輪，實現(xiàn)下一指節(jié)的大角度轉(zhuǎn)動。松開物體時，齒輪和齒條通過聯(lián)結(jié)的簧件復(fù)位。
該裝置存在的主要問題是手指能實現(xiàn)的抓持力很小，甚至不如腱驅(qū)動手指所能提供的
抓持力。該裝置產(chǎn)生上述問題的原因在于手指的大小和結(jié)構(gòu)決定了齒條的平動行程非常有
限，為了實現(xiàn)下一指節(jié)的有效轉(zhuǎn)動，齒輪和齒條必須有很大的傳動比，導(dǎo)致指節(jié)上很小的抓 持力都需要非常大的電機驅(qū)動力才能實現(xiàn)。并且隨著指節(jié)數(shù)的增加，這一比例指數(shù)性增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足，提供一種包含1個移動副和7個轉(zhuǎn)動副的8連桿 欠驅(qū)動手指機構(gòu)，手指抓持力大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可完全按照人類手指的尺寸來設(shè)計制作， 實現(xiàn)了簡單控制器控制1個驅(qū)動器驅(qū)動多個指節(jié)，能夠靈活地、自適應(yīng)地抓持不同尺寸和形 狀的物體。
本發(fā)明的特征在于含有第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六
連桿、第七連桿和第八連桿，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)，第一復(fù)位彈簧和第二復(fù)位彈簧，以及一個電機及減速器；
所述的第一連桿是基座，在該基坐上設(shè)有第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)，所述第一關(guān)節(jié)位于第二
關(guān)節(jié)的上方；所述電機及減速器與基座相對固定，所述減速器的輸出軸連接所述第二關(guān)節(jié)； 所述的第二連桿是第一指節(jié)，其一端通過第一關(guān)節(jié)連接基座，其另一端通過第四關(guān)節(jié)連
接第二指節(jié)；
所述第二指節(jié)是第六連桿，其一端連接所述第四關(guān)節(jié)，另一端連接所述第六關(guān)節(jié)和第七 關(guān)節(jié)；在該第六連桿內(nèi)部有一個導(dǎo)軌，在所述導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)置有一滑塊，該滑塊的一端連接第二 復(fù)位彈簧的一端，該第二復(fù)位彈簧的另一端連接所述導(dǎo)軌的底部；在該滑塊上設(shè)置有第五關(guān) 節(jié)，并通過該第五關(guān)節(jié)連接所述第四連桿和第七連桿；所述第五連桿是所述滑塊；
所述第八連桿是第三指節(jié)，其一側(cè)有兩端， 一端通過第六關(guān)節(jié)連接所述第七連桿，另一 端通過所述第七關(guān)節(jié)連接所述第六連桿；
所述基座上的第二關(guān)節(jié)連接所述第三連桿的一端；所述第三連桿的另一端通過所述第三 關(guān)節(jié)連接所述第四連桿的一端；所述第四連桿的另一端連接所述第五關(guān)節(jié)；在所述第三關(guān)節(jié) 處裝有第一復(fù)位彈簧；
所述第三關(guān)節(jié)位于第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)的上方；所述第五關(guān)節(jié)位于第四關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié) 的上方；所述第六關(guān)節(jié)位于第七關(guān)節(jié)的上方。
所述導(dǎo)軌相對于所述第六連的下沿可以向上傾斜。 所述導(dǎo)軌相對于所述第六連的下沿可以向下傾斜。 所述第一關(guān)節(jié)位于第二關(guān)節(jié)的上方，并向第一指節(jié)方向傾斜。 所述第四關(guān)節(jié)安裝于第六連桿的一端。 所述第六關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)安裝于第八連桿的一端。
所述第一復(fù)位彈簧是扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩。 所述第二復(fù)位彈簧是拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩。 有益效果，本發(fā)明利用包含1個移動副和7個轉(zhuǎn)動副的8連桿欠驅(qū)動手指機構(gòu)，實現(xiàn)了 多指節(jié)欠驅(qū)動手指彎曲抓物的特殊效果，手指抓持力大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠、成本低， 體積小、重量輕，可完全按照人類手指的尺寸來設(shè)計制作，實現(xiàn)了 l個驅(qū)動器驅(qū)動多個指節(jié)， 僅需要簡單的控制器，具有抓持不同尺寸和形狀的物體的自適應(yīng)性和靈活性。


圖1是本發(fā)明的8連桿欠驅(qū)動手指機構(gòu)的機構(gòu)示意圖2是本實施例的正視圖3是本實施例的俯視圖4是本實施例第三關(guān)節(jié)處的零件位置關(guān)系圖； 圖5是本實施例第五關(guān)節(jié)處的零件位置關(guān)系圖6、圖8、圖10、圖12是本發(fā)明包絡(luò)抓取過程示意圖；圖7、圖9、圖ll、圖13是本實施例包絡(luò)抓取過程剖視圖； 圖14、圖16是本實施例自適應(yīng)抓取不同大小物體的效果圖； 圖15、圖17是本實施例自適應(yīng)抓取不同大小物體的剖視效果圖； 在圖1至圖17中
l一第一連桿(基座)
4一第四連桿
7—第七連桿
IO—第二關(guān)節(jié)
13—第五關(guān)節(jié)
16—第一復(fù)位彈簧
19一導(dǎo)軌上蓋
2—第二連桿(第一指節(jié)) 5—第五連桿(滑塊) 8—第八連桿(第三指節(jié)) ll一第三關(guān)節(jié) 14一第六關(guān)節(jié) 17—第二復(fù)位彈簧 20—物體
3—第三連桿
6—第六連桿(第二指節(jié))
9一第一關(guān)節(jié)
12—第四關(guān)節(jié)
15—第七關(guān)節(jié)
18—電機及減速器
21—鎖緊螺釘
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)和工作原理。
本發(fā)明的8連桿欠驅(qū)動手指機構(gòu)，如圖l所示，包括l個電機及其減速器、8個連桿、1 個導(dǎo)軌裝置、7個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、l個扭簧和l個線彈簧；所說的第一連桿是基座，所說的第二連 桿、第六連桿和第八連桿分別是第一指節(jié)、第二指節(jié)和第三指節(jié)；所說的導(dǎo)軌位于第二指節(jié) 內(nèi)部，所說的第五連桿為安裝在導(dǎo)軌中的一個滑塊，并可在所說的導(dǎo)軌中滑動；第一關(guān)節(jié)連 接所說的第一連桿(基座)和第二連桿，第二關(guān)節(jié)連接所說的第一連桿(基座)和第三連桿， 第三關(guān)節(jié)連接所說的第三連桿和第四連桿，第四關(guān)節(jié)連接所說的第二連桿和第六連桿，第五 關(guān)節(jié)連接所說的第四連桿、第五連桿(滑塊)和第七連桿，第六關(guān)節(jié)連接所說的第七連桿和 第八連桿，第七關(guān)節(jié)連接所說的第六連桿和第八連桿；第一關(guān)節(jié)位于第二關(guān)節(jié)的上方，可以 向第一指節(jié)方向傾斜或不傾斜，具體應(yīng)與連桿進行聯(lián)合設(shè)計。導(dǎo)軌在第六連桿中，位于第四 關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)的上方，第四關(guān)節(jié)位于第七關(guān)節(jié)的左邊，第三關(guān)節(jié)位于第五關(guān)節(jié)的上方，第 六關(guān)節(jié)位于第七關(guān)節(jié)的上方；所說的電機和減速器與基座固接，電機的輸出軸與減速器的輸 入軸相連，減速器的輸出軸與所說的第二關(guān)節(jié)相連；所說的扭簧(第一復(fù)位彈簧)兩端分別 連接第三連桿和第四連桿；所說的線彈簧(第二復(fù)位彈簧)兩端分別連接第五連桿(滑塊) 和第二指節(jié)；所說的導(dǎo)軌上蓋由鎖緊螺釘與第六連桿固接。本發(fā)明中所指的上方、下方、左 邊等方位是指以機構(gòu)處于水平狀態(tài)時的相對方位，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以機構(gòu)簡圖判定方 位。
導(dǎo)軌的角度可以沿第二指節(jié)的下沿向下傾斜，也可以向上傾斜，只要能夠配合連桿的設(shè) 計，帶動第三指節(jié)運動就可。
本發(fā)明設(shè)計的一種8連桿欠驅(qū)動手指機構(gòu)實施例，如圖1 圖5所示，包括第一連桿(基 座)1、第二連桿(第一指節(jié))2、第三連桿3、第四連桿4、第五連桿(滑塊)5、第六連桿(第二指節(jié))6、第七連桿7、第八連桿(第三指節(jié))8、第一關(guān)節(jié)9、第二關(guān)節(jié)10、第三關(guān) 節(jié)ll、第四關(guān)節(jié)12、第五關(guān)節(jié)13、第六關(guān)節(jié)14、第七關(guān)節(jié)15、第一復(fù)位彈簧16、第二復(fù)位 彈簧17、電機及減速器18、導(dǎo)軌上蓋19、物體20，鎖緊螺釘21。
第一復(fù)位彈簧可采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩；第二復(fù)位 彈簧可采用拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩。
本實施例的工作原理，如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖ll、圖12,敘述如下
本實施例的初始狀態(tài)如圖6、圖7所示，類似人的手指伸直狀態(tài)。
當本實施例抓取物體時，電機及減速器18順時針轉(zhuǎn)動，通過第二關(guān)節(jié)10帶動第三連桿 3轉(zhuǎn)動，通過第三關(guān)節(jié)11帶動第四連桿4運動，通過第五關(guān)節(jié)13帶動第五連桿(滑塊)5和 第七連桿7運動，通過導(dǎo)軌19帶動第六連桿(第二指節(jié))6運動，通過第四關(guān)節(jié)12帶動第 二連桿(第一指節(jié))2轉(zhuǎn)動，第六連桿(第二指節(jié))6通過第七關(guān)節(jié)15,同時第七連桿7通 過第六關(guān)節(jié)14帶動第八連桿(第三指節(jié))8運動，其中由于所有指節(jié)和連桿都處于自由運動 狀態(tài)，第一復(fù)位彈簧16和第二復(fù)位彈簧17也保持不產(chǎn)生彈力的自由狀態(tài)，直到手指與物體 相接觸，此時有3種情況
(a) 第一指節(jié)與物體相接觸，如圖8、圖9所示，由于物體的限制作用，第二連桿(第一 指節(jié))2停止轉(zhuǎn)動。電機及減速器18順時針轉(zhuǎn)動，通過第二關(guān)節(jié)10帶動第三連桿3轉(zhuǎn)動， 通過第三關(guān)節(jié)11帶動第四連桿4運動，通過第五關(guān)節(jié)13帶動第五連桿(滑塊)5和第七連 桿7運動，第五連桿(滑塊)5通過導(dǎo)軌19帶動第六連桿(第二指節(jié))6運動，第六連桿(第 二指節(jié))6通過第七關(guān)節(jié)15，同時第七連桿7通過第六關(guān)節(jié)14帶動第八連桿(第三指節(jié))8 運動。即第六連桿(第二指節(jié))6和第八連桿(第三指節(jié))8在電機的驅(qū)動之下繼續(xù)抓取運動； 此時由于第二連桿(第一指節(jié))2受物體的限制作用停止轉(zhuǎn)動，第三連桿3通過第三關(guān)節(jié)11 帶動第四連桿4運動的過程中，第一復(fù)位彈簧16被拉伸；
(b) 第二指節(jié)與物體相接觸，如圖IO、圖11所示，由于物體的限制作用，第六連桿(第 二指節(jié))6停止運動，第二連桿(第一指節(jié))2無法轉(zhuǎn)動。電機及減速器18順時針轉(zhuǎn)動，通 過第二關(guān)節(jié)10帶動第三連桿3轉(zhuǎn)動，通過第三關(guān)節(jié)11帶動第四連桿4運動，通過第五關(guān)節(jié) 13帶動第五連桿(滑塊)5和第七連桿7運動，通過第六關(guān)節(jié)14帶動第八連桿(第三指節(jié)) 8運動。即第八連桿(第三指節(jié))8在電機的驅(qū)動之下繼續(xù)抓取運動；此時由于第二連桿(第 一指節(jié))2停止轉(zhuǎn)動，第三連桿3通過第三關(guān)節(jié)11帶動第四連桿4運動的過程中，第一復(fù)位 彈簧16被拉伸；由于第六連桿(第二指節(jié))6停止轉(zhuǎn)動，第四連桿4通過第五關(guān)節(jié)13帶動 第五連桿(滑塊)5運動的過程中，第二復(fù)位彈簧17被壓縮；
(c) 第三指節(jié)與物體相接觸，如圖12、圖13所示，由于物體的限制作用，第八連桿(第 三指節(jié))8停止運動，第六連桿(第二指節(jié))6和第二連桿(第一指節(jié))2也就無法運動，抓 取結(jié)束。
在上述抓取過程中，導(dǎo)軌與滑塊的作用是使得第二指節(jié)不能轉(zhuǎn)動時，第三指節(jié)(第八連 桿)仍然能夠在滑塊的帶動下轉(zhuǎn)動。本實施例放開物體時，電機及減速器18反轉(zhuǎn)，通過第二關(guān)節(jié)10帶動第三連桿3反轉(zhuǎn)， 通過第三關(guān)節(jié)11帶動第四連桿4運動，通過第五關(guān)節(jié)13帶動第五連桿(滑塊)5和第七連 桿7運動，通過導(dǎo)軌19帶動第六連桿(第二指節(jié))6運動，通過第四關(guān)節(jié)12帶動第二連桿 (第一指節(jié))2轉(zhuǎn)動，第六連桿(第二指節(jié))6通過第七關(guān)節(jié)15，同時第七連桿7通過第六 關(guān)節(jié)14帶動第八連桿(第三指節(jié))8運動。由于第一復(fù)位彈簧16和第二復(fù)位彈簧17復(fù)位的 彈力作用，保證了各連桿和指節(jié)運動為與抓取時的運動相反，直到手指與物體完全分離。 圖14 17分別示出了抓取大物體和小物體時的狀態(tài)和剖視圖。
權(quán)利要求
1、連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，含有第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、第五連桿、第六連桿、第七連桿和第八連桿，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)，第一復(fù)位彈簧和第二復(fù)位彈簧，以及一個電機及減速器；所述的第一連桿是基座，在該基坐上設(shè)有第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)，所述第一關(guān)節(jié)位于第二關(guān)節(jié)的上方；所述電機及減速器與基座相對固定，所述減速器的輸出軸連接所述第二關(guān)節(jié)；所述的第二連桿是第一指節(jié)，其一端通過第一關(guān)節(jié)連接基座，其另一端通過第四關(guān)節(jié)連接第二指節(jié)；所述第二指節(jié)是第六連桿，其一端連接所述第四關(guān)節(jié)，另一端連接所述第六關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)；在該第六連桿內(nèi)部有一個導(dǎo)軌，在所述導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)置有一滑塊，該滑塊的一端連接第二復(fù)位彈簧的一端，該第二復(fù)位彈簧的另一端連接所述導(dǎo)軌的底部；在該滑塊上設(shè)置有第五關(guān)節(jié)，并通過該第五關(guān)節(jié)連接所述第四連桿和第七連桿；所述第五連桿是所述滑塊；所述第八連桿是第三指節(jié)，其一側(cè)有兩端，一端通過第六關(guān)節(jié)連接所述第七連桿，另一端通過所述第七關(guān)節(jié)連接所述第六連桿；所述基座上的第二關(guān)節(jié)連接所述第三連桿的一端；所述第三連桿的另一端通過所述第三關(guān)節(jié)連接所述第四連桿的一端；所述第四連桿的另一端連接所述第五關(guān)節(jié)；在所述第三關(guān)節(jié)處裝有第一復(fù)位彈簧；所述第三關(guān)節(jié)位于第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)的上方；所述第五關(guān)節(jié)位于第四關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)的上方；所述第六關(guān)節(jié)位于第七關(guān)節(jié)的上方。
2、 如權(quán)利要求1所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于，所述導(dǎo)軌相對于所述第六連的下沿向上傾斜。
3、 如權(quán)利要求1所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于，所述導(dǎo)軌相對于所述第六連的下沿向下傾斜。
4、 如權(quán)利要求l所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于，所述第一關(guān)節(jié)位于第二關(guān)節(jié)的上方，并向第一指節(jié)方向傾斜。
5、 如權(quán)利要求l所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于，所述第四關(guān)節(jié)安裝于第六連桿的一端。
6、 如權(quán)利要求l所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于，所述第六關(guān)節(jié)和第七關(guān)節(jié)安裝于第八連桿的一端。
7、 如權(quán)利要求1所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于所述第一復(fù)位彈簧是扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩。
8、 如權(quán)利要求1所述的連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)，其特征在于所述第二復(fù)位彈簧是拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條、皮筋或彈性繩。
全文摘要
連桿式欠驅(qū)動手指機構(gòu)本發(fā)明屬于擬人機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及機器人手指機構(gòu)設(shè)計。其特征是采用1個移動副和7個轉(zhuǎn)動副的8個連桿欠驅(qū)動手指機構(gòu)，手指抓持力大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可完全按照人類手指的尺寸來設(shè)計制作，實現(xiàn)了簡單控制器控制1個驅(qū)動器驅(qū)動多個指節(jié)，能夠靈活地、自適應(yīng)地抓持不同尺寸和形狀的物體。
文檔編號B25J15/00GK101602207SQ20091008817
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者吳立成, 姚雙吉, 震 陸 申請人:清華大學(xué)