專利名稱：三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(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)器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動 機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人手作為機(jī)器人不可或缺的一部分，相對于機(jī)器人的其它部分，機(jī)器人手具 有關(guān)節(jié)自由度多、體積小，非常靈巧、控制復(fù)雜等特點(diǎn)與難點(diǎn)。機(jī)器人手主要用于對物體的 抓持和空間移動以及作手勢等其它手部動作。目前現(xiàn)有的靈巧手雖然控制靈活，但是電機(jī) 數(shù)量多，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制難度相當(dāng)大，制造和維護(hù)成本非常高，這些因素阻礙了靈巧手 型機(jī)器人手在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛推廣應(yīng)用。近年來快速發(fā)展的耦合抓取型機(jī)器人手和欠驅(qū) 動抓取型機(jī)器人手雖然不具備靈巧手的高靈活度，但是電機(jī)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易， 大大降低了制造和使用成本，并且能較好抓取常見物體，成為發(fā)展和研究的熱點(diǎn)。已有的一種雙關(guān)節(jié)并聯(lián)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，如中國發(fā)明專利CN 101633171A, 包括基座、電機(jī)、近關(guān)節(jié)軸、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸和末端指段，還包括分別實(shí)現(xiàn)耦合和欠驅(qū)動轉(zhuǎn)動的傳 動機(jī)構(gòu)以及多個(gè)簧件解耦裝置等。當(dāng)手指碰觸物體前實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動的效果，當(dāng)手指 碰觸物體后采用多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動方式抓取物體。該裝置的不足之處為該裝置由于采用了兩 套傳動機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)耦合和欠驅(qū)動抓取，使得整個(gè)手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造加工成本高；該裝置 耦合傳動機(jī)構(gòu)和欠驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)相互影響，采用了三個(gè)簧件來解耦，但內(nèi)耗了電機(jī)的功率； 該裝置的兩套傳動機(jī)構(gòu)平行排列，再加上多個(gè)簧件在關(guān)節(jié)軸上安裝，致使手指過于粗大；該 裝置的兩套傳動機(jī)構(gòu)均采用柔性傳動件，容易松動產(chǎn)生間隙，傳動不夠精確，要實(shí)現(xiàn)良好效 果，還需要預(yù)緊裝置，進(jìn)一步增加制造、安裝和維護(hù)成本和難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng) 欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置。該裝置能實(shí)現(xiàn)耦合轉(zhuǎn)動與欠驅(qū)動轉(zhuǎn)動相結(jié)合的效果，能耦合擬人 化抓取，且具備欠驅(qū)動自適應(yīng)功能，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)精確，制造和維護(hù)成本低，外形與人 手指相似，適用于擬人機(jī)器人手。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，包括基座、近 關(guān)節(jié)軸、第一指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、第二指段和電機(jī)，所述的電機(jī)設(shè)置在基座中，電機(jī)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)在所述的基座中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在第一指段中， 所述的第二指段套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上；其特征在于該三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動 機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪、第一齒條、第一滑塊、第二齒條、第二齒輪、撥塊、第三齒 輪、第三齒條、第二滑塊和第一簧件，所述的第一指段套固在近關(guān)節(jié)軸上；所述的第一齒輪 套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸上，第一齒輪與基座固接；所述的第一齒條與第一齒輪嚙合，第一滑塊的兩 端分別固接第一齒條和第二齒條；所述的第一滑塊鑲嵌在第一指段的第一滑槽中，所述的第二齒條與第二齒輪嚙合，第二齒輪套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，撥塊與第二齒輪固接，撥塊與第二指段活接觸；所述的第三齒輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，所述的第三齒條與第三齒輪嚙合，所述的 第二滑塊與第三齒條固接，第二滑塊鑲嵌在第一指段的第二滑槽中；令第一齒條與第一齒 輪的嚙合點(diǎn)為，第二齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為，第一齒輪的中心點(diǎn)為，第二齒輪的中心點(diǎn) 為O2，線段O1A、線段AB、線段BO2和線段O2O1構(gòu)成“8”字形，線段AB和線段O1O2的交點(diǎn)位于 O1和O2之間；所述的第一簧件設(shè)置在第一指段與第二指段之間并且第一簧件的兩端分別與 第一指段和第二指段相連接，或者所述的第一簧件設(shè)置在第二滑塊與第一指段之間并且第 一簧件的兩端分別與第二滑塊和第一指段相連接。本發(fā)明所述的又一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，包括基座、 近關(guān)節(jié)軸、第一指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、第二指段和電機(jī)，所述的電機(jī)設(shè)置在基座中，電機(jī)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)在所述的基座中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在第一指段 中，所述的第二指段套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上；其特征在于該三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠 驅(qū)動機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪、第一齒條、第一滑塊、第二齒條、第二齒輪、撥塊、第 三齒輪、第三齒條、第二滑塊、第一簧件和第二簧件，所述的第一指段套接在近關(guān)節(jié)軸上，所 述的第二簧件的兩端分別連接第一指段和近關(guān)節(jié)軸；所述的第一齒輪套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸上， 第一齒輪與基座固接；所述的第一齒條與第一齒輪嚙合，第一滑塊的兩端分別固接第一齒 條和第二齒條；所述的第一滑塊鑲嵌在第一指段的第一滑槽中，所述的第二齒條與第二齒 輪嚙合，第二齒輪套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，撥塊與第二齒輪固接，撥塊與第二指段活接觸；所述 的第三齒輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，所述的第三齒條與第三齒輪嚙合，所述的第二滑塊與第三 齒條固接，第二滑塊鑲嵌在第一指段的第二滑槽中；令第一齒條與第一齒輪的嚙合點(diǎn)為A， 第二齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪的中心點(diǎn)為O1,第二齒輪的中心點(diǎn)為O2，線段 O1A、線段AB、線段BO2和線段O2O1構(gòu)成“8”字形，線段AB和線段O1O2的交點(diǎn)位于O1和O2之 間；所述的第一簧件設(shè)置在第一指段與第二指段之間并且第一簧件的兩端分別與第一指段 和第二指段相連接，或者所述的第一簧件設(shè)置在第二滑塊與第一指段之間并且第一簧件的 兩端分別與第二滑塊和第一指段相連接。本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述 的撥塊與第二指段的活接觸方式采用撥塊與第二指段單面接觸，所述的撥塊推動第二指段 繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝抓取物體方向轉(zhuǎn)動。本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述 的撥塊與第二指段的活接觸方式采用繩連接，所述的撥塊拉動第二指段繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝 抓取物體方向轉(zhuǎn)動。本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述 的第一簧件采用壓簧、扭簧、拉簧、片簧、發(fā)條或彈性繩。本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于還包 括傳動機(jī)構(gòu)，所述的傳動機(jī)構(gòu)包括減速器、第四齒輪和第五齒輪；所述的電機(jī)的輸出軸與減 速器的輸入軸相連，所述的第四齒輪套固在減速器的輸出軸上，所述的第五齒輪套固在近 關(guān)節(jié)軸上，所述的第四齒輪與第五齒輪嚙合。本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述 的第二滑塊表面覆蓋有第二滑塊表面板。
本發(fā)明所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在于所述 的近關(guān)節(jié)軸與基座之間設(shè)置有軸承，所述的近關(guān)節(jié)軸與第一齒輪之間設(shè)置有軸承；所述的 遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸與第一指段之間設(shè)置有軸承。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果本發(fā)明裝置利用電機(jī)、三對齒輪齒條機(jī)構(gòu)和簧件綜合實(shí)現(xiàn)了耦合轉(zhuǎn)動與欠驅(qū)動轉(zhuǎn) 動緊密結(jié)合的傳動效果，不僅能夠耦合轉(zhuǎn)動更擬人化地抓取物體，而且具備欠驅(qū)動功能，自 適應(yīng)抓取不同形狀、大小的物體；該裝置結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，安裝容易，制造加工成本低；該裝 置耦合傳動機(jī)構(gòu)和欠驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)有機(jī)融合，不相互影響，利用滑塊活接觸的多種方式實(shí) 現(xiàn)了自然解耦，此解耦不消耗電機(jī)功率，能量利用率高；該裝置由于采用齒輪齒條傳動，傳 動平穩(wěn)精確，外形與人手手指相似，可以作為擬人機(jī)器人手的一個(gè)手指或手指的一部分，也 可以用多個(gè)這樣的雙齒條滑塊式并聯(lián)耦合欠驅(qū)動手指組合成為機(jī)器人手，用以達(dá)到擬人機(jī) 器人手高關(guān)節(jié)自由度、高自適應(yīng)性的優(yōu)良效果。


圖1與圖2分別是本發(fā)明提供的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置的 一種實(shí)施例的側(cè)剖視圖與正剖視圖。圖3是手指在扭簧連接下的正剖視圖。圖4、圖5分別是本發(fā)明手指在扭簧連接下外觀的側(cè)視圖和外觀的正視圖。圖6為第一齒條與第一齒輪的嚙合點(diǎn)為A、第二齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為B、第 一齒輪的中心點(diǎn)O1和第二齒輪的中心點(diǎn)O2四點(diǎn)所形成的8字形示意圖。圖7是圖1所示實(shí)施例外觀的立體圖。圖8是圖1所示實(shí)施例的三維爆炸視圖。圖9、10、11、12、13、14是圖1所示實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)耦合抓取過程的側(cè)面外觀示意圖。圖15、16、17、18、19、20是圖1所示實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)耦合抓取過程的側(cè)剖視圖。圖21、22、23、24、25是圖1所示實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)耦合抓取以及欠驅(qū)動自適應(yīng)抓取過 程的側(cè)面外觀示意圖。圖26、27、28、29、30是圖1所示實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)先耦合后自適應(yīng)欠驅(qū)動的抓取方式 過程的側(cè)面外觀示意圖。圖31、32、33、34、35是圖1所示實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)耦合抓取以及欠驅(qū)動自適應(yīng)抓取過 程的側(cè)剖面圖。在圖1至圖35中1-基座，Ia-基座架，Ib-基座背板，Ic-基座前板，Id-基座右支承板， 191-第一凸塊，2-電機(jī)，3-近關(guān)節(jié)軸，4-第一指段，4a_第一指段底板， 4b_第一指段背板，4c-第一指段左支承板，4d-第一指段右支承板，4e-第一滑槽，4f_第二滑槽，491-第二凸塊，5-遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，6-第二指段，7-第一齒輪，8-第一齒條，9-第一滑塊，
10-第二齒條，11-第二齒輪，12-撥塊，13-第三齒輪，14-第三齒條，15-第二滑塊，I6-第一簧件，17-減速器，18-第四齒輪，19-第五齒輪，20-第二滑塊表面板，21-第二簧件，22-套筒，23-銷，24-所抓物體，25-繩。
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)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過程。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例，剖視 圖如圖1、2所示，外觀如圖5、6所示，立體外觀如圖7所示，部分零件如圖8所示，三維爆炸 圖如圖9所示，動作原理如圖10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21所示。本實(shí)施例包括 基座、近關(guān)節(jié)軸、第一指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、第二指段6和電機(jī)2，所述的電機(jī)2設(shè)置在基座1中， 電機(jī)2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)在所述的基座1中，所述的遠(yuǎn)關(guān) 節(jié)軸5套設(shè)在第一指段4中，所述的第二指段6套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上；其特征在于 該三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪7、第一齒條8、第一滑塊 9、第二齒條10、第二齒輪11、撥塊12、第三齒輪13、第三齒條14、第二滑塊15和第一簧件 16，所述的第一指段4套固在近關(guān)節(jié)軸3上；所述的第一齒輪7套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸3上，第一 齒輪7與基座1固接；所述的第一齒條8與第一齒輪7嚙合，第一滑塊9的兩端分別固接第 一齒條8和第二齒條；所述的第一滑塊9鑲嵌在第一指段4的第一滑槽4e中，所述的第二 齒條10與第二齒輪11嚙合，第二齒輪11套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，撥塊12與第二齒輪11固 接，撥塊12與第二指段6活接觸；所述的第三齒輪13套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，所述的第三齒 條14與第三齒輪13嚙合，所述的第二滑塊15與第三齒條14固接，第二滑塊15鑲嵌在第 一指段4的第二滑槽4f中；令第一齒條8與第一齒輪7的嚙合點(diǎn)為A，第二齒條10與第二 齒輪11的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪7的中心點(diǎn)為O1，第二齒輪11的中心點(diǎn)為O2，線段(VUAB、 BO2和O2O1構(gòu)成“8”字形，AB和O1O2的交點(diǎn)位于O1和O2之間；所述的第一簧件16設(shè)置在 第一指段4與第二指段6之間并且第一簧件16的兩端分別與第一指段4和第二指段6相 連接，或者所述的第一簧件16設(shè)置在第二滑塊15與第一指段4之間并且第一簧件16的兩 端分別與第二滑塊15和第一指段4相連接。本發(fā)明提供的又一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例如 圖4所示，包括基座1、近關(guān)節(jié)軸3、第一指段4、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5、第二指段6和電機(jī)2，所述的電 機(jī)2設(shè)置在基座1中，電機(jī)2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)在所述的 基座1中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5套設(shè)在第一指段4中，所述的第二指段6套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié) 軸5上；其特征在于該三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪7、 第一齒條8、第一滑塊9、第二齒條10、第二齒輪11、撥塊12、第三齒輪13、第三齒條14、第二 滑塊15、第一簧件16和第二簧件21，所述的第一指段4套接在近關(guān)節(jié)軸3上，所述的第二 簧件21的兩端分別連接第一指段4和近關(guān)節(jié)軸3 ；所述的第一齒輪7套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸3上，第一齒輪7與基座1固接；所述的第一齒條8與第一齒輪7嚙合，第一滑塊9的兩端分別固接第一齒條8和第二齒條；所述的第一滑塊9鑲嵌在第一指段4的第一滑槽4e中，所述的 第二齒條10與第二齒輪11嚙合，第二齒輪11套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，撥塊12與第二齒輪11 固接，撥塊12與第二指段6活接觸；所述的第三齒輪13套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，所述的第三 齒條14與第三齒輪13嚙合，所述的第二滑塊15與第三齒條14固接，第二滑塊15鑲嵌在 第一指段4的第二滑槽4f中；令第一齒條8與第一齒輪7的嚙合點(diǎn)為A，第二齒條10與第 二齒輪11的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪7的中心點(diǎn)為O1，第二齒輪11的中心點(diǎn)為O2，線段AA、 ΑΒ、Β02和O2O1構(gòu)成“8”字形，AB和O1O2的交點(diǎn)位于O1和O2之間；所述的第一簧件16設(shè)置 在第一指段4與第二指段6之間并且第一簧件16的兩端分別與第一指段4和第二指段6相 連接，或者所述的第一簧件16設(shè)置在第二滑塊15與第一指段4之間并且第一簧件16的兩 端分別與第二滑塊15和第一指段4相連接。所述的第二簧件21的功能是，當(dāng)電機(jī)2帶動 近關(guān)節(jié)軸3轉(zhuǎn)動時(shí)，套接在近關(guān)節(jié)軸3上的第二簧件21產(chǎn)生形變，可帶動第一指段4轉(zhuǎn)動， 當(dāng)手指已經(jīng)抓取物體后，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度，第二簧件發(fā)生變形產(chǎn)生較大的彈力，此彈 力通過手指施加在物體上形成抓取力，因此可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動角度來控制抓取力而達(dá) 到變抓取力的目的。
本實(shí)施例中，所述的撥塊12與第二指段6的活接觸方式采用撥塊12與第二指段 6單面接觸，所述的撥塊12推動第二指段6繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝抓取物體方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)?shù)诙?齒輪11運(yùn)動時(shí)(沿圖示抓取物體方向)帶動第二指段6運(yùn)動，反之第二指段6運(yùn)動時(shí)(沿 抓取物體方向)卻不受第二齒輪11影響，實(shí)現(xiàn)了自然解耦。本發(fā)明裝置的另一種實(shí)施方式所述的撥塊12與第二指段6的活接觸方式采用繩 25連接，如圖3所示，所述的撥塊12拉動第二指段6繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝抓取物體方向轉(zhuǎn)動。 當(dāng)?shù)诙X輪11運(yùn)動時(shí)(沿圖示抓取物體方向)帶動第二指段6運(yùn)動，反之第二指段6運(yùn)動 時(shí)(沿抓取物體方向)卻不受第二齒輪11影響，實(shí)現(xiàn)了自然解耦。本發(fā)明所述的第一簧件16采用壓簧、扭簧、拉簧、片簧、發(fā)條或彈性繩。本實(shí)施例 中，所述的第一簧件16采用壓簧。所述的壓簧的兩端分別連接第二滑塊15和第一指段4 的背板4b。其作用是使第一指段4和第二指段6趨向于伸直狀態(tài)。本實(shí)施例還包括傳動機(jī)構(gòu)，所述的傳動機(jī)構(gòu)包括減速器17、第四齒輪18和第五齒 輪19 ；所述的電機(jī)2的輸出軸與減速器17的輸入軸相連，所述的第四齒輪18套固在減速 器17的輸出軸上，所述的第五齒輪19套固在近關(guān)節(jié)軸3上，所述的第四齒輪18與第五齒 輪19嚙合。本實(shí)施例中，所述的第二滑塊15表面覆蓋有第二滑塊表面板20?；瑝K表面板20 表面還可以覆蓋有適當(dāng)彈性的工業(yè)橡皮材料。這樣在抓取物體時(shí)，手指表面與物體之間將 形成軟指面接觸，一方面增加了手指對物體的約束程度，另一方面也可以增加摩擦力，從而 增加抓取物體的穩(wěn)定性。本實(shí)施例中，所述的近關(guān)節(jié)軸3與基座1之間設(shè)置有軸承，所述的近關(guān)節(jié)軸3與第 一齒輪7之間設(shè)置有軸承；所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5與第一指段4之間設(shè)置有軸承。下面結(jié)合附圖介紹所示的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置的實(shí)施 例的工作原理。機(jī)器人手指的初始狀態(tài)如圖15所示，此時(shí)手指未接觸物體24時(shí)，第一指段4相對 于基座1處于伸直狀態(tài)(第一凸塊191頂著第一指段4使手指不致于反向彎曲)；第一簧件16采用的是壓簧，該壓簧迫使第二指段6與第一指段4之間保持伸直的初始狀態(tài)，即遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5不發(fā)生轉(zhuǎn)動(第二凸塊491頂著第二指段6)，此時(shí)整個(gè)手指保持伸直狀態(tài)。本實(shí)施例的抓取方式有兩種，分別敘述如下(a)耦合抓取過程當(dāng)機(jī)器人手指抓取物體24時(shí)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)，通過減速器17帶動第四齒輪18轉(zhuǎn)動， 驅(qū)動第五齒輪19轉(zhuǎn)動，使近關(guān)節(jié)軸3正轉(zhuǎn)，帶動第一指段4繞近關(guān)節(jié)軸3的中心線正轉(zhuǎn)(此 正轉(zhuǎn)方向是指第一指段4逐漸迎向需要抓取的物體)。由于第一齒輪7套接在近關(guān)節(jié)軸3 上且與基座1固接，因此第一指段4的轉(zhuǎn)動，會使得與第一齒條8被第一齒輪7向下?lián)軇?(第一齒條8在手指內(nèi)部沿圖示方向做平移運(yùn)動)，于是鑲嵌在第一指段4中的第一滑塊9 隨著齒條在手指內(nèi)部做圖示方向的平移運(yùn)動，因此，第二齒條10會在第一滑塊9的帶動下 向下沿圖示方向做平移運(yùn)動，從而撥動第二齒輪11以及與第二齒輪11固連的撥塊12沿途 始終逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(即抓取物體方向)。因?yàn)閾軌K12與第二指段單面接觸，撥塊12會帶 動第二指段6向第一指段4里滑移(抓取物體方向)，第二指段6正轉(zhuǎn)(迎向需要抓取的物 體)，直到手指接觸物體。本實(shí)施例的第一齒輪7和第二齒輪11的分度圓直徑相等，所以第一指段4相對于 基座1轉(zhuǎn)動的角度與第二指段6相對于第一指段4轉(zhuǎn)動的角度相同，即實(shí)現(xiàn)了 1 1的耦 合傳動。綜上所述，本實(shí)施例在物體不動的情況下實(shí)現(xiàn)了耦合抓取的功能。具體運(yùn)動過程 如圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14所示。放開物體的過程與上述抓取物體的過程相同，電機(jī)2反轉(zhuǎn)，將帶動第一指段4和第 二指段6同時(shí)反向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)放開物體，最終回復(fù)到手指初始的伸直狀態(tài)。(b)欠驅(qū)動抓取過程有兩種欠驅(qū)動抓取過程1)第一種欠驅(qū)動抓取過程其他手指和外力直接擠壓物體，物體擠壓第二滑塊觸 發(fā)欠驅(qū)動抓取，最終第二指段快速扣住物體。具體來說，當(dāng)?shù)谝恢付?上可滑動的第二滑塊 與物體24接觸，第二指段6未與物體接觸，物體在其它手指或外力作用下向手指內(nèi)推動第 二滑塊15時(shí)，第二滑塊15向手指里滑移，因?yàn)榈诙瑝K15帶動第三齒條14沿垂直于第二 滑塊表面板20方向做平移運(yùn)動，從而使第三齒條14帶動第三齒輪以及與其固連的第二指 段6沿遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸軸線方向如圖示逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(即第二指段6抓取物體方向)，因?yàn)榈诙?指段6與受耦合運(yùn)動的影響的撥塊僅有單面約束，所以當(dāng)?shù)诙瑝K表面板20因受力從而產(chǎn) 生第二指段最終轉(zhuǎn)動變化(轉(zhuǎn)動方向如前所述)時(shí)，不會對撥塊12運(yùn)動產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)了 自然解耦(圖3所示實(shí)施例采用扭簧接方式實(shí)現(xiàn)了自然解耦，原理與此相同，不再贅述)。 第二滑塊15的滑移會帶動第三齒條14沿垂直于第二滑塊表面板20方向向手指內(nèi)做平移 運(yùn)動，從而帶動遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5正轉(zhuǎn)，使第二指段6正轉(zhuǎn)直到接觸物體實(shí)現(xiàn)了抓取，且能夠自動 適應(yīng)物體的大小形狀，是一種無需電機(jī)工作的自適應(yīng)欠驅(qū)動抓取方式。具體運(yùn)動過程如圖 21、圖22、圖23、圖24、圖25所示。2)第二種欠驅(qū)動抓取過程物體固定不動(被手掌或其他手指、外力約束)，此時(shí) 本實(shí)施例繼續(xù)轉(zhuǎn)動致使第二滑塊因物體阻擋而被壓入第一指段中從而觸發(fā)了欠驅(qū)動抓取， 最終第二指段快速扣住物體。具體來說，當(dāng)?shù)谝恢付?上可滑動的第二滑塊15與物體24 接觸，第二指段6未與物體接觸，此時(shí)由于物體被手掌或其他手指約束住固定不動，第二滑塊15被物體阻擋，此時(shí)第一指段4還可以轉(zhuǎn)動一個(gè)很小的角度δ，θ此轉(zhuǎn)動將產(chǎn)生一個(gè)第 二指段6相對于第一指段(4) 1 1的耦合轉(zhuǎn)動角度δ (原因見前述的耦合抓取過程)，而 此時(shí)由于第二滑塊15已經(jīng)相對于第一指段4向手指內(nèi)部滑動了一段較小的距離Ad，因此 該變化的距離將使得第三齒條14滑動，從而帶動第三齒輪13和第二指段6轉(zhuǎn)動一個(gè)較大 的角度θ，由于物體與第二滑塊15表面的接觸點(diǎn)到近關(guān)節(jié)軸中心線的距離h大于第二齒輪 11的分度圓半徑巧，通過下面的計(jì)算可知，O1會大于(^1，從而實(shí)現(xiàn)第二指段6轉(zhuǎn)過的角度 是一個(gè)較大的角度Q1，不再是耦合轉(zhuǎn)動的角度φ1()計(jì)算分析如下此時(shí)撥塊12在第一指 段的較小角度S的轉(zhuǎn)動過程中也會轉(zhuǎn)動較小角度S。而第二滑塊在第一指段的較小角度 δ的 轉(zhuǎn)動過程中會移動一個(gè)較大的距離(12，從而帶動第二指段6沿上述方向轉(zhuǎn)動一個(gè)較大 的角度，此時(shí)第二指段6與撥塊12脫開，實(shí)現(xiàn)了自然解耦，第二滑塊平移一個(gè)距離d2，導(dǎo)致 第二指段快速扣向物體，此過程直到第二指段緊緊扣住物體，從而實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū)動抓取過程。 此欠驅(qū)動抓取實(shí)現(xiàn)了對不同形狀大小物體的抓取，具有自適應(yīng)性，減輕了對控制系統(tǒng)的要 求。第二種欠驅(qū)動抓取過程如圖26、圖27、圖28、圖29、30所示。綜合(a)和(b)耦合和自適應(yīng)抓取過程可知，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了一種特殊的先耦合 后自適應(yīng)欠驅(qū)動的抓取方式，解耦方式自然，無需損耗電機(jī)功率。本發(fā)明裝置利用電機(jī)、三對齒輪齒條機(jī)構(gòu)和簧件綜合實(shí)現(xiàn)了耦合轉(zhuǎn)動與欠驅(qū)動轉(zhuǎn) 動緊密結(jié)合的傳動效果，不僅能夠耦合轉(zhuǎn)動更擬人化地抓取物體，而且具備欠驅(qū)動功能，自 適應(yīng)抓取不同形狀、大小的物體；該裝置結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，安裝容易，制造加工成本低；該裝 置耦合傳動機(jī)構(gòu)和欠驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)有機(jī)融合，不相互影響，利用滑塊活接觸的多種方式實(shí) 現(xiàn)了自然解耦，此解耦不消耗電機(jī)功率，能量利用率高；該裝置由于采用齒輪齒條傳動，傳 動平穩(wěn)精確，外形與人手手指相似，可以作為擬人機(jī)器人手的一個(gè)手指或手指的一部分，也 可以用多個(gè)這樣的雙齒條滑塊式并聯(lián)耦合欠驅(qū)動手指組合成為機(jī)器人手，用以達(dá)到擬人機(jī) 器人手高關(guān)節(jié)自由度、高自適應(yīng)性的優(yōu)良效果。
權(quán)利要求
一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，包括基座(1)、近關(guān)節(jié)軸(3)、第一指段(4)、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)、第二指段(6)和電機(jī)(2)，所述的電機(jī)(2)設(shè)置在基座(1)中，所述的第一指段(4)套固在近關(guān)節(jié)軸(3)上；電機(jī)(2)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)在所述的基座(1)中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)套設(shè)在第一指段(4)中，所述的第二指段(6)套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，其特征在于該三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪(7)、第一齒條(8)、第一滑塊(9)、第二齒條(10)、第二齒輪(11)、撥塊(12)、第三齒輪(13)、第三齒條(14)、第二滑塊(15)和第一簧件(16)，所述的第一齒輪(7)套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸(3)上，第一齒輪(7)與基座(1)固接；所述的第一齒條(8)與第一齒輪(7)嚙合，第一滑塊(9)的兩端分別固接第一齒條(8)和第二齒條；所述的第一滑塊(9)鑲嵌在第一指段(4)中，所述的第二齒條(10)與第二齒輪(11)嚙合，第二齒輪(11)套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，撥塊(12)與第二齒輪(11)固接，撥塊(12)與第二指段(6)活接觸；所述的第三齒輪(13)套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，所述的第三齒條(14)與第三齒輪(13)嚙合，所述的第二滑塊(15)與第三齒條(14)固接，第二滑塊(15)鑲嵌在第一指段(4)中；令第一齒條(8)與第一齒輪(7)的嚙合點(diǎn)為A，第二齒條(10)與第二齒輪(11)的嚙合點(diǎn)為B，第一齒輪(7)的中心點(diǎn)為O1，第二齒輪(11)的中心點(diǎn)為O2，線段O1A、線段AB、線段BO2和線段O2O1構(gòu)成“8”字形，線段AB和線段O1O2的交點(diǎn)位于O1和O2之間；所述的第一簧件(16)設(shè)置在第一指段(4)與第二指段(6)之間并且第一簧件(16)的兩端分別與第一指段(4)和第二指段(6)相連接，或者所述的第一簧件(16)設(shè)置在第二滑塊(15)與第一指段(4)之間并且第一簧件(16)的兩端分別與第二滑塊(15)和第一指段(4)相連接。
2.一種三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，包括基座(1)、近關(guān)節(jié)軸(3)、 第一指段⑷、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)、第二指段(6)和電機(jī)(2)，所述的電機(jī)⑵設(shè)置在基座⑴中， 所述的第一指段⑷套接在近關(guān)節(jié)軸⑶上，電機(jī)⑵的輸出軸與近關(guān)節(jié)軸⑶相連；所述 的近關(guān)節(jié)軸(3)套設(shè)在所述的基座(1)中，所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)套設(shè)在第一指段(4)中，所 述的第二指段(6)套固在所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上；其特征在于該三齒條滑塊耦合自適應(yīng) 欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置還包括第一齒輪(7)、第一齒條(8)、第一滑塊(9)、第二齒條(10)、 第二齒輪(11)、撥塊(12)、第三齒輪(13)、第三齒條(14)、第二滑塊(15)、第一簧件(16) 和第二簧件(21)，所述的第二簧件(21)的兩端分別連接第一指段(4)和近關(guān)節(jié)軸(3)；所 述的第一齒輪(7)套設(shè)在近關(guān)節(jié)軸(3)上，第一齒輪(7)與基座(1)固接；所述的第一齒 條(8)與第一齒輪(7)嚙合，第一滑塊(9)的兩端分別固接第一齒條(8)和第二齒條；所述 的第一滑塊(9)鑲嵌在第一指段(4)中，所述的第二齒條(10)與第二齒輪(11)嚙合，第二 齒輪(11)套接在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，撥塊(12)與第二齒輪(11)固接，撥塊(12)與第二指段 (6)活接觸；所述的第三齒輪(13)套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)上，所述的第三齒條(14)與第三齒 輪(13)嚙合，所述的第二滑塊(15)與第三齒條(14)固接，第二滑塊(15)鑲嵌在第一指段 (4中；令第一齒條⑶與第一齒輪(7)的嚙合點(diǎn)為A，第二齒條(10)與第二齒輪(11)的嚙 合點(diǎn)為B，第一齒輪(7)的中心點(diǎn)為，第二齒輪(11)的中心點(diǎn)為02，線段(VUABJOjP OA構(gòu)成“8”字形，AB和0A的交點(diǎn)位于和02之間；所述的第一簧件(16)設(shè)置在第一 指段(4)與第二指段(6)之間并且第一簧件(16)的兩端分別與第一指段(4)和第二指段 (6)相連接，或者所述的第一簧件(16)設(shè)置在第二滑塊(15)與第一指段(4)之間并且第一 簧件(16)的兩端分別與第二滑塊(15)和第一指段(4)相連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述的撥塊(12)與第二指段(6)的活接觸方式采用撥塊(12)與第二指段(6)單面接 觸，所述的撥塊(12)推動第二指段(6)繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝抓取物體方向轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述的撥塊(12)與第二指段(6)的活接觸方式采用繩(25)連接，所述的撥塊(12)拉 動第二指段(6)繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸中心朝抓取物體方向轉(zhuǎn)動。
5.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述的第一簧件(16)采用壓簧、扭簧、拉簧、片簧、發(fā)條或彈性繩。
6.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述裝置還包括傳動機(jī)構(gòu)，所述的傳動機(jī)構(gòu)包括減速器(17)、第四齒輪(18)和第五齒 輪(19)；所述的電機(jī)(2)的輸出軸與減速器(17)的輸入軸相連，所述的第四齒輪(18)套 固在減速器(17)的輸出軸上，所述的第五齒輪(19)套固在近關(guān)節(jié)軸(3)上，所述的第四齒 輪(18)與第五齒輪(19)嚙合。
7.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述的第二滑塊(15)表面覆蓋有第二滑塊表面板(20)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，其特征在 于所述的近關(guān)節(jié)軸⑶與基座⑴之間設(shè)置有軸承，所述的近關(guān)節(jié)軸⑶與第一齒輪(7) 之間設(shè)置有軸承；所述的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)與第一指段(4)之間設(shè)置有軸承。
全文摘要
三齒條滑塊耦合自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手指裝置，屬于擬人機(jī)器人手技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括基座、近關(guān)節(jié)軸、第一指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、第二指段、電機(jī)、三齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)和簧件。該裝置實(shí)現(xiàn)了耦合轉(zhuǎn)動與欠驅(qū)動轉(zhuǎn)動緊密結(jié)合的傳動效果，能耦合擬人化抓取，且具備欠驅(qū)動自適應(yīng)功能。整個(gè)手指結(jié)構(gòu)簡潔，制造加工成本低；將耦合傳動與欠驅(qū)動傳動有機(jī)融合起來，利用滑塊活接觸方式實(shí)現(xiàn)自然解耦，此解耦不消耗電機(jī)功率，能量利用率高。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)精確，制造和維護(hù)成本低，外形與人手指相似，可以作為機(jī)器人手的一個(gè)手指或手指的一部分，也可以用多個(gè)手指組合成為機(jī)器人手，用以達(dá)到擬人機(jī)器人手高關(guān)節(jié)自由度、高自適應(yīng)性的優(yōu)良效果。
文檔編號B25J17/00GK101829992SQ201010159870
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者孫任飛, 張文增 申請人:清華大學(xué)