CN101288954A - 双联锥齿轮欠驱动机器人手指 - Google Patents

Abstract

双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，属于拟人机器人技术领域，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、主动锥齿轮、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段。该装置还包括双联锥齿轮、从动锥齿轮和簧件；中部指段套接在近关节轴上，簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。该装置利用一组双联锥齿轮机构、套接活动的中部指段以及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，结构简单、可靠，成本较低，便于安装维护，与人手指相似，体积小，特别适合作为拟人机器人手的拇指或其他手指的一部分，以较少的驱动器驱动较多的转动关节，自动适应抓取不同形状大小的物体。

Description

双联锥齿轮欠驱动机器人手指

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置的结构设计。

背景技术

与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，手部要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积、重量，需要减少驱动器数目，这两者有一定的矛盾，另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。本发明提供的机器人拟人手指欠驱动装置能够更好的实现较多关节自由度、较少驱动器数目、抓取不同形状、尺寸的物体时的较强的自适应性这三个目标。

已有的一种自适应欠驱动机械手装置，如美国发明专利US5762390A，包括第一指段、第二指段、第三指段、电机、带轮传动机构、丝杆传动机构、底座、连杆机构、弹簧。第一指节、第二指节、第三指节与底座串联铰接在一起，并且两两之间设有弹簧和连杆相连，形成多个四连杆机构，电机、带轮传动机构、丝杆传动机构相串联设置在底座里。该装置由自身携带的电机驱动，由带轮传动机构、丝杆传动机构将电机的转动转化为连杆机构的运动。由于弹簧的作用，第一、第二、第三指节初始保持伸直状态。其工作原理为：电机转动，通过带轮传动机构和丝杆传动机构的运动，推动第一个四连杆机构运动，从而推动第一、第二、第三指节同时转动。当第一指节接触到物体时，第一指节不再转动，电机继续转动，设置在第一、二指节之间的弹簧开始变形，同时，第一个四连杆机构变形运动，从而推动第二、三指节继续转动。当第二指节也接触到物体，第二指节不再转动，电机继续转动，设置在第二、三指节之间的弹簧开始变形，同时推动第二个四连杆机构变形运动，从而推动第三指节继续转动，直到第三指节也接触物体为止。

该装置的不足之处为：多个连杆机构装置复杂、体积大、制造成本高，手指外观与人手指有较大差异。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，结构简单、可靠，成本低，外形与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用，以实现机器人手采用较少驱动器驱动较多手指转动关节，需要较低的控制***要求，并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、第一齿轮、主动锥齿轮、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所说的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器输入轴相连，减速器的输出轴与第一齿轮固接，第一齿轮与主动锥齿轮相啮合，主动锥齿轮固接于近关节轴，所说的近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上，其特征在于：该双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置还包括双联锥齿轮、从动锥齿轮和簧件；所说的中部指段套接在近关节轴上；所说的主动锥齿轮套固在近关节轴上，所说的从动锥齿轮套固在远关节轴上，所说的双联锥齿轮包括下端锥齿轮、上端锥齿轮和齿轮轴，所说的下端锥齿轮、上端锥齿轮和齿轮轴三者固接，所说的齿轮轴套接在中部指段中，所说的下端齿轮与主动齿轮啮合，所说的上端锥齿轮与从动锥齿轮啮合，所说的簧件的两端分别连接中部指段和末端指段。

本发明所说的双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、橡皮筋或弹性绳。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用一组双联锥齿轮机构，套接活动的中部指段以及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，结构简单、可靠、成本较低，便于安装维护，与人手相似，体积小，特别适合作为拟人机器人手的拇指或其他手指的一部分，以较少的驱动器驱动较多的转动关节，仅需要较低的控制***要求，并具有抓取不同形状、大小物体的很强的自适应性。

附图说明

图1是本发明提供的双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置的实施例的正面外观图。

图2是本实施例的侧视图，也是图1的左视图。

图3是本实施例的正面剖视图，也是图1的剖视图。

图4是本实施例的侧面剖视图，也是图2的剖视图。

图5是本实施例的簧件的安装位置示意图，也是图1的右侧视图的局部视图。

图9、图10、图11、图12是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。

图6、图7、图8是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面剖视图，分别对应图9、图10、图11的剖视图。

图13是用双联锥齿轮欠驱动机器人手指组装成的完整手掌的正面外观图。

图14是用双联锥齿轮欠驱动机器人手指组装成的完整手掌的侧面外观图。

在图1至图12中：

1-基座，        2-电机，           3-减速器，

4-第一齿轮，    5-近关节轴，       6-主动锥齿轮，

7-中部指段，    8-双联锥齿轮，     81-下端锥齿轮，

82-齿轮轴，     83-上端锥齿轮，    9-从动锥齿轮，

10-远关节轴，   11-簧件，          12-末端指段，

101-销钉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理。

本发明设计的一种双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5所示，包括基座1、电机2、减速器3、第一齿轮4、近关节轴5、中部指段7、远关节轴10和末端指段12；所说的电机2和减速器3均与基座1固接，电机2的输出轴与减速器3的输入轴相连，减速器3的输出轴与第一齿轮4固接，第一齿轮4与主动锥齿轮6相啮合，主动锥齿轮固接于近关节轴5，所说的近关节轴5套设在基座1中；所说的远关节轴10套设在中部指段7上，所说的末端指段12套固在远关节轴10上。该装置包括双联锥齿轮8。从动锥齿轮9和簧件11；所说的中部指段7套接在近关节轴5上，所说的双联锥齿轮8包括下端锥齿轮81、上端锥齿轮83和齿轮轴82，所说的下端锥齿轮81、上端锥齿轮83和齿轮轴82三者固接，所说的双联锥齿轮8套设在中部指段中，所说的从动锥齿轮9套固在远关节轴10上，所说的主动锥齿轮6与双联锥齿轮下端齿轮81相啮合，所说的从动锥齿轮9与双联锥齿轮上端锥齿轮83相啮合，所说的簧件11的两端分别连接中部指段7和末端指段12。为了安装方便，可将双联锥齿轮分为两部分，其中上端锥齿轮与齿轮轴加工为一体，将下端锥齿轮单独加工，安装后再与齿轮轴固接。

本发明所述的双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置中，所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、橡皮筋或弹性绳。

本实施例中，所说的簧件11采用扭簧。

本实施例的工作原理，如图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，叙述如下：

该装置的初始位置如图6、图9所示，此时中部指段7和末端指段12与基座1呈一条直线，即相当于人的手指伸直的状态。当使用装有本实施例的机器人手抓取物体时，电机2的输出轴转动，通过第一齿轮4带动固接有主动锥齿轮6的近关节轴5转动。由于簧件11的约束作用，中部指段7与末端指段12仿佛固接在一起，因此主动锥齿轮6的转动将通过双联锥齿轮8和从动锥齿轮9，优先使得中部指段7和末端指段12一起绕着近关节轴5转动，此过程直到中部指段7碰到物体，如图7、10所示。

当中部指段7碰到物体被阻挡无法继续旋转时，主动锥齿轮6的继续转动将使双联锥齿轮8转动，让从动锥齿轮9转动，使得远关节轴10转动，从而使末端指段12克服簧件11的弹力而转动，同时簧件11变形量增大。此过程直到末端指段12也碰到物体，如图8、图11所示。至此，本实施例装置抓紧了物体。

即使物体形状大小不同，该装置也能顺利包络物体。如果该装置中部指段7和末端指段12同时旋转时，末端指段12优先于中部指段7接触到物体表面，由于末端指段12受到中部指段7的阻挡而难以反转，因此该装置将不再运动而牢牢用末端指段抓紧物体，如图12所示。

当放开物体时，电机2反向转动，带动近关节轴5反转，带动主动锥齿轮6反转，从而通过带动双联锥齿轮8反转使从动锥齿轮9反向转动，此时簧件11的变形量逐渐减小，末端指段12绕远关节轴10的轴线反转而离开物体表面，直到末端指段12已到达相对于中部指段7的伸直状态，如图7、图10所示。由于末端指段12被中部指段7阻挡而不能再继续反转，此时电机2继续反向转动，将带动整个中部指段7、远关节轴10、从动锥齿轮9和末端指段12一起绕着近关节轴5的轴线反向转动，中部指段7离开物体表面，直到恢复到初始手指伸直的位置，如图6、图9所示。

由本发明可以组装成欠驱动机械手，组装的机械手正面外观如图13所示，侧面外观如图14所示。由本发明组装成的欠驱动机械手能达到以较少的驱动器驱动较多关节，对物体有形状自适应抓取包络能力的效果。

本发明利用一组双联锥齿轮机构、套接活动的中部指段及簧件所具有的解耦作用综合实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果。

Claims (2)

1、一种双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器(3)、第一齿轮(4)、主动锥齿轮(6)、近关节轴(5)、中部指段(7)、远关节轴(10)和末端指段(12)；所说的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与第一齿轮固接，第一齿轮与主动锥齿轮啮合，主动锥齿轮固接于近关节轴，所说的近关节轴套设在基座中，所说的远关节轴套设在中部指段中，所说的末端指段套固在远关节轴上，所说的中部指段套接在近关节轴上；所说的主动锥齿轮套固在近关节轴上，其特征在于：该双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置还包括双联锥齿轮(8)、从动锥齿轮(9)和簧件(11)；所说的双联锥齿轮(8)包括下端锥齿轮(81)、上端锥齿轮(83)和齿轮轴(82)，所说的下端锥齿轮、上端锥齿轮和齿轮轴三者固接；所说的从动锥齿轮套固在远关节轴上，所说的齿轮轴套接在中部指段中，所说的下端齿轮与主动锥齿轮啮合，所说的上端锥齿轮与从动锥齿轮啮合，所说的簧件两端分别连接中部指段和末端指段。

2、如权利要求1所述的双联锥齿轮欠驱动机器人手指装置，其特征在于：所说的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、橡皮筋或弹性绳。

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