本發(fā)明屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)的流水線上，機器人手扮演了至關(guān)重要的角色。隨著機器人手所需適應(yīng)的環(huán)境增多，所需執(zhí)行的任務(wù)更多更復(fù)雜，簡單的末端執(zhí)行器已經(jīng)滿足不了需求。因此，擬人化的機器人手成為了一個熱門的課題。機器人手目前主要分為了三大類：靈巧手、欠驅(qū)動手和工業(yè)夾持器。其中，靈巧手的多數(shù)關(guān)節(jié)都需要對應(yīng)的電機進行驅(qū)動，這使其有能力完成多種復(fù)雜的抓取姿態(tài)、手勢和適應(yīng)不同形狀的物體，但是也導(dǎo)致其笨重、昂貴、難以控制。工業(yè)夾持器一般具有兩到三個手指，每個手指的根部能夠轉(zhuǎn)動或平動，但是手指中部沒有關(guān)節(jié)，控制容易、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是其缺陷在于只能完成簡單的夾持動作，而且對所抓物體的形狀無法自動適應(yīng)。欠驅(qū)動手在一定程度上結(jié)合了二者的優(yōu)點，克服了它們的不足。欠驅(qū)動手主要分為耦合手和自適應(yīng)手兩大類。

耦合型欠驅(qū)動手指在抓取物體時，通過一個電機驅(qū)動，使多個關(guān)節(jié)按照一定的比例同時進行轉(zhuǎn)動。這一模式與人手抓取物體動作類似，擬人性較好，抓取過程比較穩(wěn)定。其不足在于，動作模式固定，通常只能完成捏持的動作，無法適應(yīng)不同形狀的物體，對相當多數(shù)的物體握持效果差。

自適應(yīng)欠驅(qū)動手指在抓取物體時，通過一個電機的驅(qū)動，使得近關(guān)節(jié)先轉(zhuǎn)動，其他關(guān)節(jié)不相對于前一指段轉(zhuǎn)動，即后續(xù)的多個指段保持伸直狀態(tài)，當?shù)谝恢付谓佑|到物體被阻擋后，第二指段才開始繞中部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。這種手指可以完成多種物體的抓取，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，尤其是它可以對不同形狀物體改變中部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。其不足在于，在未接觸到物體之前，手指保持僵化的伸直狀態(tài)，擬人度差，而且當?shù)谝恢付螌ξ矬w進行擠壓時，為了推動后續(xù)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，需要較大的壓力，會導(dǎo)致振動以及所抓物體可能被擠開的情況，抓取不穩(wěn)定。

針對耦合型手指與自適應(yīng)欠驅(qū)動手指各自的不足之處，一種將兩者結(jié)合起來的耦合與自適應(yīng)復(fù)合欠驅(qū)動抓取模式(簡稱耦合自適應(yīng)抓取模式)被提出來。在第一指段未觸碰物體時，通過一個電機，整個手指呈聯(lián)動的耦合狀態(tài)去接近物體，動作比較擬人化，也能夠防止后續(xù)擠跑物體的現(xiàn)象發(fā)生；當?shù)谝恢付谓佑|到物體后，自動切換到自適應(yīng)狀態(tài)，第二指段會進一步彎曲去彎曲貼合所抓物體外形。這種復(fù)合抓取模式在很大程度上結(jié)合了耦合、自適應(yīng)兩種手指的優(yōu)點，克服了兩者的不足。但是，傳統(tǒng)的耦合自適應(yīng)機器人手指存在許多不足之處。

已有的一種雙關(guān)節(jié)同向轉(zhuǎn)動復(fù)合欠驅(qū)動機器人手指，如中國發(fā)明專利CN102161204B,主要由基座、電機、減速器、基座軸、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段、多個齒輪、同向傳動機構(gòu)及簧件等組成。已有的一種錐齒輪系耦合欠驅(qū)動兩關(guān)節(jié)機器人手指，如中國發(fā)明專利CN101767338B，主要由基座、電機、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段、耦合傳動機構(gòu)、欠驅(qū)動傳動機構(gòu)和多個簧件等組成。這兩個裝置都可實現(xiàn)耦合與自適應(yīng)復(fù)合抓取模式，它們的不足在于：它們均通過七個齒輪完成傳動，摩擦損耗大，傳動效率低，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且中部指段中空，電機藏入手指基座，使其占用過多基座(即機器人手的手掌)位置，會導(dǎo)致基座(手掌)較大，影響了控制系統(tǒng)的安裝空間，使得整個機器人手的體積過于龐大。

已有的一種雙關(guān)節(jié)并聯(lián)欠驅(qū)動機器人手指裝置，如中國發(fā)明專利CN101633171A，主要由基座、電機、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段、耦合傳動機構(gòu)、欠驅(qū)動傳動機構(gòu)和多個簧件組成。該裝置可以實現(xiàn)耦合與自適應(yīng)復(fù)合抓取模式，其缺點在于：使用了三個簧件，設(shè)計制造困難，簧件的選型是關(guān)鍵，帶來能量的內(nèi)部損耗，而且在長期使用中簧件容易疲勞失效；而且，電機安裝在手指的基座中，使其占用過多基座(機器人手的手掌)位置，導(dǎo)致基座(手掌)較大等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置，該裝置可實現(xiàn)耦合與自適應(yīng)復(fù)合欠驅(qū)動抓取模式，單個電機驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，先耦合聯(lián)動，抓取過程動作擬人化程度高，當中部指段接觸物體后，再自動切換為末端指段繼續(xù)轉(zhuǎn)動，能夠適應(yīng)不同形狀尺寸物體的抓取，結(jié)構(gòu)簡單、容易控制，傳動精確，能耗低，多數(shù)機構(gòu)嵌入手指中部，不占用基座空間，解放手掌空間。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明設(shè)計的一種電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置，包括基座、電機、減速器、中部指段、末端指段、近關(guān)節(jié)軸和遠關(guān)節(jié)軸；所述近關(guān)節(jié)軸套固在基座中，所述遠關(guān)節(jié)軸活動套接在中部指段中，所述末端指段套固在遠關(guān)節(jié)軸上；近關(guān)節(jié)軸和遠關(guān)節(jié)軸平行；所述電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；其特征在于：該電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置還包括過渡軸、主動齒輪、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪和簧件；所述電機固接在中部指段中，所述主動齒輪套固在減速器的輸出軸上；所述過渡軸套設(shè)在中部指段中，所述中部指段活動套接在近關(guān)節(jié)軸上，近關(guān)節(jié)軸和過渡軸平行；所述主動齒輪與第三齒輪嚙合，所述第三齒輪、第二齒輪分別活動套接在過渡軸上；所述簧件的兩端分別連接第二齒輪和第三齒輪；所述第二齒輪與第一齒輪嚙合；第一齒輪套固在近關(guān)節(jié)軸上；所述第四齒輪與主動齒輪嚙合；所述第四齒輪套固在遠關(guān)節(jié)軸上。

本發(fā)明所述電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述簧件采用扭簧。

本發(fā)明所述電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述第一齒輪與第二齒輪的傳動比為1，從所述主動齒輪到第三齒輪的傳動比為a，從主動齒輪到第四齒輪的傳動比為a，其中a為正有理數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果：

本發(fā)明裝置采用設(shè)置在中部指段的電機、五齒輪傳動機構(gòu)和簧件綜合實現(xiàn)雙關(guān)節(jié)機器人手指的耦合與自適應(yīng)復(fù)合欠驅(qū)動抓取模式，該裝置由單個電機驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，該裝置抓取物體時，先耦合聯(lián)動，抓取過程動作擬人化程度高；當中部指段接觸物體后，再自動切換為末端指段繼續(xù)轉(zhuǎn)動的自適應(yīng)抓取模式，該裝置能夠適應(yīng)不同形狀尺寸物體的抓取，結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、傳動精確、成本低、能耗低，該裝置的電機、傳動零件多數(shù)嵌入到手指中部，基本不占用基座空間，解放了手掌空間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置的一種實施例的正面外觀圖。

圖2是圖1所示實施例的側(cè)面外觀圖。

圖3是圖1所示實施例的立體圖(未畫出部分零件)。

圖4是圖1所示實施例的正面視圖(未畫出部分零件)。

圖5是圖1所示實施例的側(cè)面視圖(未畫出部分零件)。

圖6是圖1所示實施例的爆炸視圖。

圖7是圖1所示實施例中部分零件的位置關(guān)系圖。

圖8是圖7的立體視圖。

圖9至圖12是圖1所示實施例抓取物體過程中幾個關(guān)鍵位置的側(cè)面外觀圖。

圖13是采用圖1所示實施例構(gòu)成的一種機器人手立體外觀圖。

圖14是圖13所示實施例抓取物體的情況示意圖。

圖15是圖13所示實施例彎曲手指的背面立體外觀圖。

在圖1至圖15中：

1－基座， 2－中部指段， 3－末端指段， 4－近關(guān)節(jié)軸，

5－遠關(guān)節(jié)軸， 6－第一齒輪， 7－第二齒輪， 8－第三齒輪，

9－主動齒輪， 10－第四齒輪， 11－簧件， 12－電機，

13－減速器， 14－傳動機構(gòu)， 15－過渡軸， 16－物體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及多個實施例進一步詳細介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。

本發(fā)明設(shè)計的電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置的第一種實施例，如圖1至圖8所示，包括基座1、電機12、減速器13、中部指段2、末端指段3、近關(guān)節(jié)軸4和遠關(guān)節(jié)軸5；所述近關(guān)節(jié)軸4套固在基座1中，所述遠關(guān)節(jié)軸5活動套接在中部指段2中，所述末端指段3套固在遠關(guān)節(jié)軸5上；近關(guān)節(jié)軸4和遠關(guān)節(jié)軸5平行；所述電機12的輸出軸與減速器13的輸入軸相連；該電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置還包括過渡軸15、主動齒輪9、第一齒輪6、第二齒輪7、第三齒輪8、第四齒輪10和簧件11；所述電機12固接在中部指段2中，所述主動齒輪9套固在減速器13的輸出軸上；所述過渡軸15套設(shè)在中部指段2中，所述中部指段2活動套接在近關(guān)節(jié)軸4上，近關(guān)節(jié)軸4和過渡軸15平行；所述主動齒輪9與第三齒輪8嚙合，所述第三齒輪8、第二齒輪7分別活動套接在過渡軸15上；所述簧件11的兩端分別連接第二齒輪7和第三齒輪8；所述第二齒輪7與第一齒輪6嚙合；第一齒輪6套固在近關(guān)節(jié)軸4上；所述第四齒輪10與主動齒輪9嚙合；所述第四齒輪10套固在遠關(guān)節(jié)軸5上。

本發(fā)明中所述第一齒輪6與第二齒輪7的傳動比為1，從所述主動齒輪9到第三齒輪8的傳動比為a，從主動齒輪9到第四齒輪10的傳動比為a，其中a為正有理數(shù)。

本發(fā)明中所述簧件11采用扭簧。本實施例采用扭簧。

采用圖1所示實施例可以構(gòu)成機器人手，一種采用電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置的多指機器人手，如圖13至圖15所示，包括手掌和五個電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置，所有所述電機中置五齒輪耦合自適應(yīng)機器人手指裝置的基座分別固接在手掌上。該機器人手具有5個手指，每個手指均采用1個圖1所示實施例，如圖13所示，抓取物體如圖14所示，彎曲的狀態(tài)如圖15所示。當然，也可以1個手指采用2個圖1所示實施例串聯(lián)起來構(gòu)成，獲得更高的耦合自適應(yīng)效果，不再贅述。

本實施例的具體工作原理，結(jié)合附圖9至圖12所示，敘述如下：

本裝置的初始狀態(tài)如圖9所示處于豎直位置，此時中部指段和末端指段均處于伸直狀態(tài)。當本實施例中的機器人手指裝置運動時，電機輸出軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器帶動主動齒輪。通過主動齒輪帶動套接在過渡軸的第三齒輪以及固接與遠關(guān)節(jié)軸的第四齒輪轉(zhuǎn)動，并且通過簧件帶動第二齒輪轉(zhuǎn)動。同時第二齒輪與固結(jié)于基座的第一齒輪嚙合。

當沒有物體阻擋手指時，如圖10所示，主動齒輪帶動固接于遠關(guān)節(jié)軸的第四齒輪，從而帶動末端指段轉(zhuǎn)動，主動齒輪通過第三齒輪、第二齒輪，使得中部指段圍繞固定的第一齒輪開始轉(zhuǎn)動。中部指段相對其初始位置的轉(zhuǎn)動角度與末端指段相對于中部指段的轉(zhuǎn)動角度相等。從而實現(xiàn)擬人化的耦合抓取模式——近關(guān)節(jié)和遠關(guān)節(jié)均同時轉(zhuǎn)動。

當物體阻擋手指，接觸到中部指段時，如圖11所示，第二齒輪停止圍繞第一齒輪，第三齒輪通過主動齒輪傳動繼續(xù)轉(zhuǎn)動，固接與第二齒輪與第三齒輪之間的簧件發(fā)生形變，第四齒輪依舊通過主動齒輪傳動繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而帶動末端指段傳動。

直至末端指段扣住物體，如圖12所示，抓取過程結(jié)束。此過程實現(xiàn)了先擬人化耦合再自適應(yīng)物體形狀的抓取模式。

本發(fā)明裝置采用設(shè)置在中部指段的電機、五齒輪傳動機構(gòu)和簧件綜合實現(xiàn)雙關(guān)節(jié)機器人手指的耦合與自適應(yīng)復(fù)合欠驅(qū)動抓取模式，該裝置由單個電機驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，該裝置抓取物體時，先耦合聯(lián)動，抓取過程動作擬人化程度高；當中部指段接觸物體后，再自動切換為末端指段繼續(xù)轉(zhuǎn)動的自適應(yīng)抓取模式，該裝置能夠適應(yīng)不同形狀尺寸物體的抓取，結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、傳動精確、成本低、能耗低，該裝置的電機、傳動零件多數(shù)嵌入到手指中部，基本不占用基座空間，解放了手掌空間。