本發(fā)明屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

背景技術(shù)：

自適應(yīng)欠驅(qū)動機器人手采用少量電機驅(qū)動多個自由度關(guān)節(jié)，由于電機數(shù)量少，藏入手掌的電機可以選擇更大的功率和體積，出力大，同時純機械式的反饋系統(tǒng)無需對環(huán)境敏感也可以實現(xiàn)穩(wěn)定抓取，自動適應(yīng)不同形狀尺寸的物體，沒有實時傳感和閉環(huán)反饋控制的需求，控制簡單方便，降低了制造成本。

在抓取物體時主要有兩種抓取方法，一種是捏持，一種是握持。

捏持是用末端手指的指尖部分去夾取物體，采用兩個點或兩個軟指面去接觸物體，主要針對小尺寸物體或具有對立面的較大物體；握持是用手指的多個指段包絡(luò)環(huán)繞物體來實現(xiàn)多個點的接觸，達到更穩(wěn)定的形狀包絡(luò)抓取。

自適應(yīng)欠驅(qū)動手指可以采用自適應(yīng)包絡(luò)物體的方式握持，但是無法實施末端捏持抓取。

已有的一種欠驅(qū)動兩關(guān)節(jié)機器人手指裝置(中國發(fā)明專利CN101234489A)，包括基座、電機、中部指段、末端指段、近關(guān)節(jié)軸、遠關(guān)節(jié)軸、帶輪傳動機構(gòu)和簧件等。該裝置實現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指彎曲抓取物體的特殊效果，具有自適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同形狀尺寸的物體。該欠驅(qū)動兩關(guān)節(jié)機器人手指裝置的不足之處為：1)抓取方式只能為握持方式，難實現(xiàn)彎曲遠關(guān)節(jié)的末端捏持抓取效果；2)該裝置抓取物體的過程不擬人，該裝置在未碰觸物體前始終呈現(xiàn)伸直的狀態(tài)。

具有平夾與自適應(yīng)復合抓取模式的機器人手指稱為平夾自適應(yīng)手指。所謂的平夾與自適應(yīng)復合抓取模式是指該手指可以實現(xiàn)平夾抓取與自適應(yīng)欠驅(qū)動抓取相結(jié)合的復合欠驅(qū)動抓取，即機器人手指裝置在彎曲抓握物體過程中，碰到物體之前近指段彎曲；而在近指段碰到物體后，又可轉(zhuǎn)動第二關(guān)節(jié)，使第二指段自動適應(yīng)物體表面形狀，從而完全包絡(luò)握持物體，并且只通過一個電機驅(qū)動多個關(guān)節(jié)；如果在平夾轉(zhuǎn)動兩個關(guān)節(jié)的過程中，第一指段接觸物體，則抓取結(jié)束，實現(xiàn)了捏持效果。

具有兩種抓取模式的傳統(tǒng)欠驅(qū)動手已經(jīng)被開發(fā)出來，已有的一種欠驅(qū)動手指，如美國專利US8973958B2，包括五個連桿、彈簧、機械約束和驅(qū)動器等。該裝置實現(xiàn)了平行夾持與自適應(yīng)抓取模式。在工作時，開始階段相對于基座保持末端指段的姿態(tài)進行近關(guān)節(jié)彎曲動作，之后根據(jù)物體的位置可以實現(xiàn)平行夾持或自適應(yīng)包絡(luò)握持的功能。其不足之處在于，該裝置采用多連桿機構(gòu)，運動存在較大的死區(qū)，抓取范圍小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平夾與自適應(yīng)復合抓取模式，既能平動第一指段用捏持物體，也能先轉(zhuǎn)動第一指段碰觸物體后再轉(zhuǎn)動第二指段包絡(luò)握持物體，達到對不同形狀尺寸物體的自適應(yīng)握持效果；無需復雜的傳感和控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明設(shè)計的一種空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關(guān)節(jié)軸、遠關(guān)節(jié)軸和電機；所述電機與基座固接；所述近關(guān)節(jié)軸的中心線與遠關(guān)節(jié)軸的中心線平行；其特征在于：該空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置還包括過渡傳動機構(gòu)、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第四齒輪、主動帶輪、從動帶輪、傳動帶、第一連桿、第二連桿、第一簧件、第二簧件、第一凸塊、第二凸塊、限位塊、第一軸和第二軸；所述近關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)在基座中；所述遠關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)在第一指段中；所述第一指段活動套接在近關(guān)節(jié)軸上；所述第二指段套接在遠關(guān)節(jié)軸上；所述過渡傳動機構(gòu)設(shè)置在基座中；所述電機的輸出軸與過渡傳動機構(gòu)的輸入端相連，所述過渡傳動機構(gòu)的輸出端與第一軸相連；所述第一軸套設(shè)在基座中，所述第一軸的中心線與近關(guān)節(jié)軸的中心線平行；所述第二軸的中心線與近關(guān)節(jié)軸的中心線平行；所述第一齒輪套固在第一軸上，所述第二齒輪套接在近關(guān)節(jié)軸上，所述第一齒輪與第二齒輪嚙合；所述第一連桿的一端套接在第一軸上，第一連桿的另一端套接在第二軸上；所述主動帶輪套固在第一軸上，所述從動帶輪套固在第二軸上，所述傳動帶分別連接主動帶輪、從動帶輪，傳動帶呈“O”形，所述傳動帶、主動帶輪和從動帶輪三者構(gòu)成帶輪傳動關(guān)系；所述第二連桿的一端套接在第二軸上，第二連桿的另一端套接在遠關(guān)節(jié)軸上；所述第三齒輪套固在第二軸上，所述第四齒輪套接在遠關(guān)節(jié)軸上，所述第三齒輪與第四齒輪嚙合；所述第一簧件的兩端分別連接第二齒輪、第一指段；所述第二簧件的兩端分別連接第二指段、第二連桿；所述限位塊固接在第二連桿上，所述限位塊在初始狀態(tài)時與第二指段相接觸，限位塊使得第二指段相對于第二連桿只能向抓取物體方向轉(zhuǎn)動；所述第一凸塊固接在第四齒輪上，所述第二凸塊固接在第二指段上；所述第一凸塊在初始狀態(tài)時與第二凸塊相隔一定的角度，第一凸塊在運動過程中會接觸第二凸塊并推動第二凸塊；設(shè)近關(guān)節(jié)軸的中心為點A，遠關(guān)節(jié)軸的中心為點B，第二軸的中心為點C，第一軸的中心為點D，線段AB的長度等于線段CD長度，線段AD的長度等于線段BC長度。

本發(fā)明所述的空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述第一簧件、第二簧件均采用扭簧。

本發(fā)明所述的空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述第二齒輪的分度圓直徑與第一齒輪的分度圓直徑相等，所述從動帶輪的傳動直徑與主動帶輪的傳動直徑相等，所述第四齒輪的分度圓直徑與第三齒輪的分度圓直徑相等。

本發(fā)明所述的空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置，其特征在于：所述過渡傳動機構(gòu)包括減速器、第一過渡齒輪、第二過渡齒輪、過渡軸、第一過渡帶輪、第二過渡帶輪和過渡傳動帶；所述電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連，所述第一過渡齒輪套固在減速器的輸出軸上，所述第一過渡齒輪與第二過渡齒輪嚙合，所述第二過渡齒輪套固在過渡軸上，所述過渡軸套設(shè)在基座中，所述第一過渡帶輪套固在過渡軸上，所述第二過渡帶輪套固在第一軸上，所述過渡傳動帶分別與第一過渡帶輪、第二過渡帶輪相連，所述過渡傳動帶呈“O”形，所述過渡傳動帶、第一過渡帶輪和第二過渡帶輪構(gòu)成帶輪傳動關(guān)系。

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)明裝置利用單個電機、平行四連桿機構(gòu)、齒輪、帶輪和簧件等綜合實現(xiàn)了平行夾持與自適應(yīng)復合抓取模式，該裝置既能平動第二指段用捏持物體，動作擬人度高，也能先轉(zhuǎn)動第一指段碰觸物體后再轉(zhuǎn)動第二指段包絡(luò)握持物體，抓取力量大，達到對不同形狀尺寸物體的自適應(yīng)抓取效果；由于平行四連桿機構(gòu)與多級帶輪機構(gòu)的配合實現(xiàn)了平夾抓取模式，同時利用兩個簧件和空程傳動機構(gòu)達到了自適應(yīng)抓取的效果，該裝置抓取穩(wěn)定可靠；僅利用一個電機驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，無需復雜的傳感和實時控制系統(tǒng)；同時結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，加工、裝配和維修成本低，適用于機器人手。

附圖說明

圖1是本發(fā)明設(shè)計的空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置的一種實施例的立體外觀圖。

圖2是圖1所示實施例的正視圖。

圖3是圖1所示實施例的側(cè)視圖(圖2的左視圖)。

圖4是圖1所示實施例的正視圖(未畫出基座前板、基座表面板、第一指段前板、第一指段表面板)。

圖5是圖1所示實施例中的一個方向立體外觀圖(未畫出部分零件)。

圖6是圖1所示實施例中的另一個方向的立體外觀圖(未畫出部分零件)。

圖7是圖1所示實施例的爆炸視圖。

圖8至圖11是圖1所示實施例在以平夾抓取方式抓取物體的動作過程示意圖。

圖12至圖18是圖1所示實施例在以自適應(yīng)抓取方式抓取物體的過程示意圖。

圖19是圖1所示實施例自適應(yīng)抓取物體的側(cè)視圖(未畫出基座右側(cè)板、第一指段右側(cè)板)，此時第一指段繞近關(guān)節(jié)軸相對基座轉(zhuǎn)動了一個角度，第二指段也繞遠關(guān)節(jié)軸相對基座轉(zhuǎn)動了一個角度，第一簧件發(fā)生了變形，第二簧件也發(fā)生變形，第一凸塊接觸并推動了第二凸塊。

在圖1至圖17中：

1－基座， 111－基座底板， 112－基座左側(cè)板， 113－基座右側(cè)板，

114－基座后板， 115－基座前板， 116－基座表面板， 2－第一指段，

21－第一指段左側(cè)板， 22－第一指段右側(cè)板，23－第一指段后板， 24－第一指段前板

25－第一指段表面板， 3－第二指段， 31－軸承， 4－近關(guān)節(jié)軸，

41－第一齒輪， 42－第二齒輪， 43－主動帶輪， 44－從動帶輪，

45－第三齒輪， 46－第四齒輪， 5－遠關(guān)節(jié)軸， 61－第一軸，

62－第二軸， 71－第一連桿， 72－第二連桿， 9－簧件，

92－傳動帶， 14－電機， 141－減速器， 142－第一過渡齒輪，

143－第二過渡齒輪， 144－過渡軸， 145－第一過渡帶輪， 146－第二過渡帶輪，

147－過渡傳動帶， 8－物體， 81—第一簧件， 82—第二簧件，

83—第一凸塊 84—第二凸塊， 721－限位塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及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)計的空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖7、圖19所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近關(guān)節(jié)軸4、遠關(guān)節(jié)軸5和電機14；所述電機14與基座1固接；所述近關(guān)節(jié)軸4的中心線與遠關(guān)節(jié)軸5的中心線平行；其特征在于：該空程傳動連桿齒輪平夾自適應(yīng)機器人手指裝置還包括過渡傳動機構(gòu)、第一齒輪41、第二齒輪42、第三齒輪45、第四齒輪46、主動帶輪43、從動帶輪44、傳動帶92、第一連桿71、第二連桿72、第一簧件81、第二簧件82、第一凸塊83、第二凸塊84、限位塊721、第一軸61和第二軸62；所述近關(guān)節(jié)軸4活動套設(shè)在基座1中；所述遠關(guān)節(jié)軸5活動套設(shè)在第一指段2中；所述第一指段2活動套接在近關(guān)節(jié)軸4上；所述第二指段3套接在遠關(guān)節(jié)軸5上；所述過渡傳動機構(gòu)設(shè)置在基座1中；所述電機14的輸出軸與過渡傳動機構(gòu)的輸入端相連，所述過渡傳動機構(gòu)的輸出端與第一軸61相連；所述第一軸61套設(shè)在基座1中，所述第一軸61的中心線與近關(guān)節(jié)軸4的中心線平行；所述第二軸62的中心線與近關(guān)節(jié)軸4的中心線平行；所述第一齒輪41套固在第一軸61上，所述第二齒輪42套接在近關(guān)節(jié)軸4上，所述第一齒輪41與第二齒輪42嚙合；所述第一連桿71的一端套接在第一軸61上，第一連桿71的另一端套接在第二軸62上；所述主動帶輪43固在第一軸61上，所述從動帶輪44套固在第二軸62上，所述傳動帶92分別連接主動帶輪43、從動帶輪44，傳動帶92呈“O”形，所述傳動帶92、主動帶輪43和從動帶輪44三者構(gòu)成帶輪傳動關(guān)系；所述第二連桿72的一端套接在第二軸62上，第二連桿72的另一端套接在遠關(guān)節(jié)軸5上；所述第三齒輪45套固在第二軸62上，所述第四齒輪46套接在遠關(guān)節(jié)軸5上，所述第三齒輪45與第四齒輪46嚙合；所述第一簧件81的兩端分別連接第二齒輪42、第一指段2；所述第二簧件82的兩端分別連接第二指段3、第二連桿72；所述限位塊721固接在第二連桿72上，所述限位塊721在初始狀態(tài)時與第二指段3相接觸，限位塊721使得第二指段3相對于第二連桿72只能向抓取物體8方向轉(zhuǎn)動；所述第一凸塊83固接在第四齒輪46上，所述第二凸塊84固接在第二指段3上；所述第一凸塊83在初始狀態(tài)時與第二凸塊84相隔一定的角度，第一凸塊83在運動過程中會接觸第二凸塊84并推動第二凸塊84；設(shè)近關(guān)節(jié)軸4的中心為點A，遠關(guān)節(jié)軸5的中心為點B，第二軸62的中心為點C，第一軸61的中心為點D，線段AB的長度等于線段CD長度，線段AD的長度等于線段BC長度。

本實施例在最初階段時獲得了平夾效果，即第一指段相對于基座繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動一個角度的同時，第二指段相對于第一指段沒有進行運動。

本實施例中，所述第一簧件81、第二簧件82均采用扭簧。

本實施例中，所述第二齒輪的分度圓直徑與第一齒輪的分度圓直徑相等，所述從動帶輪的傳動直徑與主動帶輪的傳動直徑相等，所述第四齒輪的分度圓直徑與第三齒輪的分度圓直徑相等。

本實施例中，所述過渡傳動機構(gòu)包括減速器141、第一過渡齒輪142、第二過渡齒輪143、過渡軸144、第一過渡帶輪145、第二過渡帶輪146、過渡傳動帶147；所述電機14的輸出軸與減速器141的輸入軸相連，所述第一過渡齒輪142套固在減速器141的輸出軸上，所述第二過渡齒輪143套固在過渡軸144上，所述第一過渡齒輪142與第二過渡齒輪143嚙合；所述過渡軸144套設(shè)在基座1中，所述第一過渡帶輪145套固在過渡軸144上，所述第二過渡帶輪146套固在第一軸61上，所述過渡傳動帶147分別與第一過渡帶輪145、第二過渡帶輪146相連，所述過渡傳動帶呈“O”形，所述過渡傳動帶147、第一過渡帶輪145和第二過渡帶輪146形成帶輪傳動關(guān)系。

所述基座1包括固接在一起的基座底板111、基座左側(cè)板112、基座右側(cè)板113、基座后板114、基座前板115和基座表面板116；所述第一指段2包括固接在一起的第一指段左側(cè)板21、第一指段右側(cè)板22、第一指段后板23、第一指段前板24和第一指段表面板25。

本實施例還包括軸承31、緊定螺釘、圓柱銷和套筒等，屬于公知技術(shù)，不再贅述。

圖19是抓取物體情況。

本實施例的工作原理，結(jié)合附圖敘述如下：

本實施例處于初始狀態(tài)時，如圖1、圖8和圖12所示。

電機14轉(zhuǎn)動，通過減速機141帶動第一過渡齒輪142，帶動第二過渡齒輪143，帶動過渡軸144，帶動第一過渡帶輪145，通過過渡傳動帶147驅(qū)動第二過渡帶輪146轉(zhuǎn)動，帶動第一軸61轉(zhuǎn)動，帶動第一齒輪41逆時針轉(zhuǎn)動一個角度α，帶動第二齒輪42轉(zhuǎn)動，通過簧件9拉動第一指段2繞近關(guān)節(jié)軸4順時針轉(zhuǎn)動一個角度β，實現(xiàn)近關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

由于A、B、C、D四個點構(gòu)成了平行四邊形的四個頂點，所以基座1、第一連桿71、第二連桿72和第一指段2構(gòu)成了平行四連桿機構(gòu)，即第一連桿71始終平行于第一指段2，當?shù)谝恢付?繞近關(guān)節(jié)軸4相對于基座1順時針轉(zhuǎn)動一個角度β時，第一連桿71也繞第一軸61相對于基座1順時針轉(zhuǎn)動了一個角度β，因為第一軸61帶著主動帶輪43相對于基座1逆時針轉(zhuǎn)動了一個角度α，因此，主動帶輪43相對于第一連桿71逆時針轉(zhuǎn)動了一個角度α+β，因此，通過傳動帶92帶動從動帶輪44繞著第二軸62相對于第一連桿71逆時針轉(zhuǎn)動了一個角度α+β，由于第一連桿71相對于第二連桿72順時針轉(zhuǎn)動了一個角度β，所以從動帶輪44相對于第二連桿72逆時針轉(zhuǎn)動了一個角度α，通過第二軸62，即第三齒輪45繞著第二軸62相對于第二連桿72逆時針轉(zhuǎn)動了一個角度α，帶動第四齒輪46繞著遠關(guān)節(jié)軸5相對于第二連桿72順時針轉(zhuǎn)動了一個角度φ，由于第一指段2相對于第二連桿72順時針轉(zhuǎn)動了一個角度β，所以第四齒輪46相對于第一指段2轉(zhuǎn)動了一個角度φ-β，此時，在初始狀態(tài)，第四齒輪46的第一凸塊83與第二指段3的第二凸塊84相隔一個角度，該角度在本實施例中設(shè)置為90°，因此當?shù)谒凝X輪46相對于第二連桿72轉(zhuǎn)動時，開始的90°轉(zhuǎn)動過程中第四齒輪46不會推動第二指段3，于是第二指段3在第二簧件84的作用下始終靠向第二連桿72的限位塊721，因為第二指段3與第二連桿72姿態(tài)保持一致，由于平行四連桿機構(gòu)的作用，第二指段3與第二連桿72在最初的階段始終保持與基座1姿態(tài)不變，上述過程為第一指段2繞近關(guān)節(jié)軸4相對于基座1順時針轉(zhuǎn)動一個角度β的同時，第二指段3始終保持相對于基座1固定的一個姿態(tài)，即平行夾持抓取狀態(tài)。在此過程進行中，如果第二指段3接觸物體，則抓取結(jié)束，這是平行夾持的抓取模式。如圖8至圖11所示。

在上述平行夾持抓取模式中，當?shù)谝恢付?接觸物體8被阻擋不能再轉(zhuǎn)動，第二指段3還沒有接觸物體8時，則進入自適應(yīng)抓取模式：

當?shù)谝恢付?接觸物體后，電機14繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電機14的動力帶動第一齒輪41、第一傳動帶91和第二齒輪42，此時第一簧件81發(fā)生變形；與此同時，電機14的動力通過第一軸61、主動帶輪43、傳動帶92、從動帶輪44、第三齒輪45、第四齒輪46和遠關(guān)節(jié)軸5，帶動第四齒輪46繞遠關(guān)節(jié)軸5繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度δ，直到第四齒輪46上的第一凸塊83接觸第二指段3上的第二凸塊84并推動第二凸塊84轉(zhuǎn)動，達到推動第二指段3繞遠關(guān)節(jié)軸5轉(zhuǎn)動，此時，第二簧件84發(fā)生變形，第二指段3離開限位塊721，直到第二指段3接觸物體8為止。不論物體8的形狀和尺寸，均可以包絡(luò)抓取，達到了自動適應(yīng)不同形狀尺寸物體的效果。抓取結(jié)束。上述過程如圖12至圖18所示。

釋放過程與上述過程相反，不再贅述。

本發(fā)明裝置利用單個電機、平行四連桿機構(gòu)、齒輪、帶輪和簧件等綜合實現(xiàn)了平行夾持與自適應(yīng)復合抓取模式，該裝置既能平動第二指段用捏持物體，動作擬人度高，也能先轉(zhuǎn)動第一指段碰觸物體后再轉(zhuǎn)動第二指段包絡(luò)握持物體，抓取力量大，達到對不同形狀尺寸物體的自適應(yīng)抓取效果；由于平行四連桿機構(gòu)與多級帶輪機構(gòu)的配合實現(xiàn)了平夾抓取模式，同時利用兩個簧件和空程傳動機構(gòu)達到了自適應(yīng)抓取的效果，該裝置抓取穩(wěn)定可靠；僅利用一個電機驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，無需復雜的傳感和實時控制系統(tǒng)；同時結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，加工、裝配和維修成本低，適用于機器人手。