專利名稱：雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
毋庸置疑，手部是人體一個(gè)十分重要的器官。與人類相同，機(jī)械手也是機(jī)器人機(jī)構(gòu)中一個(gè)十分重要的組成部分。機(jī)器人在日常工作過程中使用機(jī)械手進(jìn)行各種動(dòng)作，完成工作任務(wù)。由于機(jī)械手存在體積小、結(jié)構(gòu)精巧、出力要求大和控制難度高等特點(diǎn)，目前機(jī)械手研發(fā)制造領(lǐng)域存在很多熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。
首先介紹一下仿造人手多關(guān)節(jié)同時(shí)彎曲抓取物體模式的機(jī)械手"耦合"抓取模式。所說的"耦合"抓取物體模式就是指，當(dāng)人手部抓取物體時(shí)，往往是各手指的各個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)彎曲。而將這種特點(diǎn)應(yīng)用到機(jī)械手鄰域，并且當(dāng)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度成一定的比例時(shí)稱作機(jī)械手的"耦合"抓取模式。
己有的一種耦合式多關(guān)節(jié)機(jī)械手指裝置(日本發(fā)明專利JP2004-130405A)，包括基座、電機(jī)、第一指段、第二指段、第三指段、第一齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。該裝置采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)了由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，可以作為機(jī)器人手的一個(gè)手指使用。該裝置的不足之處為手指裝置中存在過渡軸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造安裝精度要求高。此外，該裝置中存在帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊，導(dǎo)致了傳動(dòng)過程的不精確。
已有的一種耦合式兩關(guān)節(jié)機(jī)器人手指裝置(中國發(fā)明專利CN101100064A)，主要包括基座、電機(jī)、第一指段、第二指段和"8"字形鋼絲繩和滑輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該裝置采用一個(gè)電機(jī)、"8"字形鋼絲繩和滑輪式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手指上兩個(gè)關(guān)節(jié)的同向1:1角度的耦合運(yùn)動(dòng)。該裝置的不足之處為由于存在"8"字形鋼絲繩，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊，繩子具有彈性，導(dǎo)致傳動(dòng)
過程不精確；繩子被預(yù)緊得過緊容易繃斷損壞，過松又會(huì)使得傳動(dòng)不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手耦合抓取物體模式，無過渡軸，結(jié)構(gòu)簡單；傳動(dòng)件無變形，不用預(yù)緊，傳動(dòng)過程精確，外形與人的手指相似，可以作為擬人機(jī)器人手的手指使用。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明所述的一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，包括基座、電機(jī)、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸和末端指段；所述的電機(jī)和減速器均與基座固接，電機(jī)的輸出軸與
3減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與近關(guān)節(jié)軸相連，所述的近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中，近 關(guān)節(jié)軸和中部指段套接，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在中部指段中，近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸平行； 其特征在于-
本發(fā)明所述的一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，包括基座、電機(jī)、減速器、近關(guān)節(jié) 軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸和末端指段；所述的電機(jī)和減速器均與基座固接，電機(jī)的輸出軸與 減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與近關(guān)節(jié)軸相連，所述的近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中，所 述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在中部指段中，近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸平行；
其特征在于
該雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪、齒條、第二齒輪和簧件；所述的第 一齒輪套接在近關(guān)節(jié)軸上，第一齒輪與基座固接，所述的第二齒輪套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，所述 的第二齒輪與末端指段固接；令齒條與第一齒輪的嚙合點(diǎn)為A，齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為 B，第一齒輪的中心點(diǎn)為0^第二齒輪的中心點(diǎn)為02，線段ChA、 AB、 B02和02Ch構(gòu)成"8" 字形，AB和Oi02的交點(diǎn)位于Oi和02之間，所述的齒條鑲嵌在中部指段中；中部指段采用 以下兩種方式之一與近關(guān)節(jié)軸相連
a) 中部指段套固在近關(guān)節(jié)軸上；
b) 中部指段套接在近關(guān)節(jié)軸上且中部指段通過簧件與近關(guān)節(jié)軸相連。
本發(fā)明所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于減速器的輸出軸通過傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)與近關(guān)節(jié)軸相連。
本發(fā)明所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第三 齒輪和第四齒輪；減速器的輸出軸與第三齒輪固接，第三齒輪與第四齒輪相嚙合，第四齒輪 套固在近關(guān)節(jié)軸上。
本發(fā)明所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述的簧件采用扭簧、拉 簧、壓簧、片簧或彈性繩。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果
該裝置采用電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)手指耦合抓取物體的特殊效果；該裝 置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手耦合抓取物體模式，無過渡軸，結(jié)構(gòu)簡單；傳動(dòng)件無變形，不用預(yù)緊，傳
動(dòng)過程精確，外形與人的手指相似，適合作為擬人機(jī)器人手的手指使用。


圖1是本發(fā)明提供的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例的正面外觀圖。
圖2是本實(shí)施例的側(cè)視圖，也是圖1的右側(cè)視圖。 圖3是本實(shí)施例的正面剖視圖，也是圖1的剖視圖。 圖4是圖3中的A—A剖視圖。
圖5是圖4中的B—B剖面圖，表達(dá)了齒條鑲嵌在中部指段的位置和方式。 圖6是本實(shí)施例的簧件的安裝示意圖。 圖7本實(shí)施例的末端指段的安裝示意圖。
4圖8是本實(shí)施例的齒條特點(diǎn)說明圖。
圖9是與圖8對(duì)應(yīng)的A、 B、 Ch和02這四個(gè)點(diǎn)的連線圖。
圖IO是本實(shí)施例的三維外觀圖。
圖11是本實(shí)施例的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維外觀圖。
圖12是本實(shí)施例的三維爆炸視圖。
圖13、圖14和圖15是本實(shí)施例抓握物體過程的幾個(gè)關(guān)鍵位置側(cè)面外觀示意圖,在圖1至圖15中
2—電機(jī)，5—遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，
3—近關(guān)節(jié)軸，6—末端指段，
12—齒條，
15 —第四齒輪，
42 —第二凸臺(tái)
13 —第二齒輪，
43—第三凸臺(tái),
l一基座，4一中部指段，7—物體，ll一第一齒輪，14一第三齒輪，21 —減速器，31—簧件，41一第一凸臺(tái)，
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例，如圖l、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，包括基座l、電機(jī)2、減速器21、近關(guān)節(jié)軸3、中部指段4、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5和末端指段6;所述的電機(jī)2和減速器21均與基座1固接，電機(jī)2的輸出軸與減速器21的輸入軸相連，減速器21的輸出軸與近關(guān)節(jié)軸3相連，所述的近關(guān)節(jié)軸3套設(shè)在基座1中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5套設(shè)在中部指段4中，近關(guān)節(jié)軸3和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5平行；
該雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪11、齒條12、第二齒輪13和簧件31;所述的第一齒輪11套接在近關(guān)節(jié)軸3上，第一齒輪11與基座1固接，所述的第二齒輪13套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，所述的第二齒輪13與末端指段6固接；令齒條12與第一齒輪11的嚙合點(diǎn)為A，齒條12與第二齒輪13的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪ll的中心點(diǎn)為0"第二齒輪13的中心點(diǎn)為02，線段ChA、 AB、 B02和02Ch構(gòu)成"8"字形，AB和ChCb的交點(diǎn)位于O,和02之間，所述的齒條12鑲嵌在中部指段4中；中部指段4采用以下兩種方式之一與近關(guān)節(jié)軸相連
a) 中部指段4套固在近關(guān)節(jié)軸3上；
b) 中部指段4套接在近關(guān)節(jié)軸3上且中部指段通過簧件與近關(guān)節(jié)軸相連。本實(shí)施例中還包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減速器的輸出軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與近關(guān)節(jié)軸3相連。本實(shí)施例中，所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第三齒輪14和第四齒輪15:減速器的輸出軸與第三
齒輪14固接，第三齒輪14與第四齒輪15相嚙合，第四齒輪15套固在近關(guān)節(jié)軸3上。
本發(fā)明所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述的簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩。
本實(shí)施例中，所述的簧件31采用扭簧。
本實(shí)施例中，所述的第一凸臺(tái)41連接簧件31 —端并鑲嵌固定在中部指段4上；所述的第二凸臺(tái)42鑲嵌固定在基座1和第一齒輪11上；所述的第三凸臺(tái)43限制齒條12的位置并鑲嵌固定在中部指段4上。
本實(shí)施例的工作原理，如圖10、圖11和圖12，敘述如下
該裝置的初始位置如圖10所示，此時(shí)中部指段4和末端指段6與基座1呈手指伸直的狀態(tài)。當(dāng)使用本實(shí)施例的機(jī)器人手指抓取物體7時(shí)，電機(jī)2的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)由減速器21通過第三齒輪11帶動(dòng)固接有第四齒輪12的近關(guān)節(jié)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，由于簧件31的約束作用，中部指段4和近關(guān)節(jié)軸3仿佛固接在一起，中部指段4將繞著近關(guān)節(jié)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)角度(X。
由于第一齒輪ll固接在基座l上，在中部指段4轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5相對(duì)于近關(guān)節(jié)軸3的位置將改變，由于齒條12下部與第一齒輪11嚙合，故而中部指段4的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)讓齒條
12拉動(dòng)與其上部嚙合的第二齒輪13繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)角度e ，第一齒輪11和第二
齒輪13大小一致時(shí)，兩關(guān)節(jié)的耦合轉(zhuǎn)動(dòng)角度相等，第一齒輪11和第二齒輪13也可以設(shè)計(jì)為不同大小，則將獲得不同的耦合效果，由于第二齒輪13和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5固接在一起，使得遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角度P。
此時(shí)，由于末端指段6套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，末端指段6也隨之繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)角度e，如圖10所示。此過程直到中部指段4碰到物體7，中部指段繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)了角度9，末端指段也繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)了角度小，如圖11所示。上述過程為兩關(guān)節(jié)耦合方式轉(zhuǎn)動(dòng)。
該裝置采用電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)手指耦合抓取物體的特殊效果；該裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手耦合抓取物體模式，無過渡軸，結(jié)構(gòu)簡單；傳動(dòng)件無變形，不用預(yù)緊，傳動(dòng)過程精確，外形與人的手指相似，適合作為擬人機(jī)器人手的手指使用。
權(quán)利要求
1、一種雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，包括基座(1)、電機(jī)(2)、減速器(21)、近關(guān)節(jié)軸(3)、中部指段(4)、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)和末端指段(6)；所述的電機(jī)(2)和減速器(21)均與基座(1)固接，電機(jī)(2)的輸出軸與減速器(21)的輸入軸相連，減速器(21)的輸出軸與近關(guān)節(jié)軸(3)相連，所述的近關(guān)節(jié)軸(3)套設(shè)在基座(1)中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)套設(shè)在中部指段(4)中，近關(guān)節(jié)軸(3)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)平行；其特征在于該雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪(11)、齒條(12)、第二齒輪(13)和簧件(41)；所述的第一齒輪(11)套接在近關(guān)節(jié)軸(3)上，第一齒輪(11)與基座(1)固接，所述的第二齒輪(13)套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，所述的第二齒輪(13)與末端指段(6)固接；令齒條(12)與第一齒輪(11)的嚙合點(diǎn)為A，齒條(12)與第二齒輪(13)的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪(11)的中心點(diǎn)為O1，第二齒輪(13)的中心點(diǎn)為O2，線段O1A、AB、BO2和O2O1構(gòu)成“8”字形，AB和O1O2的交點(diǎn)位于O1和O2之間，所述的齒條(12)鑲嵌在中部指段(4)中；中部指段(4)采用以下兩種方式之一與近關(guān)節(jié)軸(3)相連a)中部指段(4)套固在近關(guān)節(jié)軸(3)上；b)中部指段(4)套接在近關(guān)節(jié)軸(3)上且中部指段通過簧件與近關(guān)節(jié)軸相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于減速器的輸出軸 通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與近關(guān)節(jié)軸(3)相連。
3、 如權(quán)利要求2所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 包括第三齒輪(14)和第四齒輪(15);減速器的輸出軸與第三齒輪(14)固接，第三齒輪(14) 與第四齒輪(15)相嚙合，第四齒輪(15)套固在近關(guān)節(jié)軸(3)上。
4、 如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述的簧件采用 扭簧、拉簧、壓簧、片簧或彈性繩。
全文摘要
雙關(guān)節(jié)齒條耦合機(jī)器人手指裝置，屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，包括基座、電機(jī)、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、末端指段、第一齒輪、第二齒輪、齒條和簧件。中部指段與近關(guān)節(jié)軸固接或通過簧件與近關(guān)節(jié)軸相連；第一齒輪套接于近關(guān)節(jié)軸并和基座固接，第二齒輪套接于遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸并和末端指段固接，齒條兩端分別與第一齒輪和第二齒輪嚙合；齒條的兩個(gè)嚙合點(diǎn)的連線交第一齒輪中心與第二齒輪中心的連線與兩齒輪中心之間。該裝置采用電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)手指耦合抓取物體的特殊效果；該裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手耦合抓取物體模式，無過渡軸，結(jié)構(gòu)簡單；傳動(dòng)件無變形，不用預(yù)緊，傳動(dòng)過程精確，外形與人的手指相似，適合作為擬人機(jī)器人手的手指。
文檔編號(hào)B25J15/00GK101653940SQ20091009292
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者張文增, 李國軒 申請(qǐng)人:清華大學(xué)