CN102717394B - 锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置 - Google Patents
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Abstract
锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，属于拟人机器人手技术领域，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、两个电机、两个减速器和多个锥齿轮。该装置实现了两自由度的四种抓取模式：1）双关节耦合转动抓取模式；2）双关节独立转动抓取模式；3）双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式；4）双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式。该装置既能达到传统耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，抓取物体时控制容易；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
Description
技术领域
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置的结构设计。
背景技术
随着工业化进程迅猛的发展，越来越多的生产使用机器人或者部分使用机器人。拟人机器人最重要的功能之一是抓取物体，是目前研究的热点。人手具有20个以上的自由度，主要分布在5个手指的多个关节上，如果全部采用电机来驱动控制，其实时控制的要求很高，即使抓取一个简单的物体也需要复杂的传感和控制。为了减轻控制的难度，一种方法是降低同时控制电机的数量，这样抓取物体的实时性能够更容易保证，但是带来一个问题：如何让较少的电机驱动较多的关节（即欠驱动抓取），并且动作过程拟人化效果好，抓取物体仍然稳定可靠。
通常有两种方式可以实现欠驱动抓取，一种是自适应欠驱动手指机构，经常简称为自适应手指或欠驱动手指，另一种是耦合欠驱动手指机构，经常简称为耦合手指。自适应手指虽然被动的实现了自动适应物体的形状和尺寸，但是存在一种不稳定抓取现象：靠近根部的指段会发生挤跑物体或破坏物体；还存在另一种不稳定现象：在自适应抓取达到之后，如果抓持力过大也会进一步导致物体被推开；此外，该手指的抓取过程不拟人，也无法实现自弯曲（握拳）等手势。耦合手指虽然抓取过程比较拟人化，能够自弯曲，且抓取较为稳定，但是不具有自适应性，实现捏持较好，对多数物体难以实现较好的握持效果。
已有的一种双联锥齿轮欠驱动机器人手指，如中国发明专利CN101633172A，包括基座、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、电机、减速器、第一锥齿轮、双联锥齿轮、第二锥齿轮。电机通过减速器带动中部指段绕近关节轴转动，末端指段会同时转动一个角度，达到近关节轴和远关节轴同时转动的耦合转动效果。该装置的不足之处是：在抓取物体的过程中，近关节轴和远关节轴的转动是同时的，当中部指段接触物体被阻挡不能再继续转动时，末端指段即使没有接触物体也无法再进一步转动，因此抓取效果不好。较好的抓取方式应该是中部指段和末端指段都能接触到物体并施加抓持力。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置。该装置具有两个自由度，能实现多种抓取模式，包括：1）双关节耦合转动抓取模式；2）双关节独立转动抓取模式；3）双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式；4）双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式。
本发明采用如下技术方案：
一种锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴；所述的近关节轴套设在基座中，所述的远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行，所述的中部指段套固在近关节轴上，所述的末端指段套固在远关节轴上；
其特征在于：
该锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机、第一减速器、第二电机、第二减速器、第一锥齿轮、双联锥齿轮和第二锥齿轮；
所述的第一电机和第一减速器均与基座固接，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，第一减速器的输出轴与近关节轴相连；
所述的第二电机和第二减速器均与基座固接，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第二减速器的输出轴与第一锥齿轮相连；
所述的双联锥齿轮包括下端锥齿轮、双联锥齿轮轴和上端锥齿轮，所述的下端锥齿轮和上端锥齿轮分别套固在双联锥齿轮轴的两端；
所述的第一锥齿轮套接在近关节轴上，所述的第二锥齿轮套固在远关节轴上并与末端指段固接；所述的双联锥齿轮轴套设在中部指段中，所述的下端锥齿轮与第一锥齿轮啮合；所述的上端锥齿轮与第二锥齿轮啮合；
令下端锥齿轮与第一锥齿轮的啮合点为A，上端锥齿轮与第二锥齿轮的啮合点为B，下端锥齿轮的中心点为O1，上端锥齿轮的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成矩形或梯形。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第一减速器的输出轴通过第一传动机构与近关节轴相连。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第二减速器的输出轴通过第二传动机构与第一齿轮相连。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动机构包括第三锥齿轮和第四锥齿轮；所述的第三锥齿轮套固在第一减速器的输出轴上，第四锥齿轮套固在近关节轴上，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第二传动机构包括第五锥齿轮；所述的第五锥齿轮套固在第二减速器的输出轴上，第五锥齿轮与第一锥齿轮啮合。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第二减速器的减速比至少为100。
本发明所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第二减速器采用具有自锁特性的减速传动机构。
本发明与现有技术比较，具有以下优点和突出性效果：
本发明装置采用锥齿轮传动机构、两套电机和减速器综合实现了2自由度的机器人手指，该装置具有四种抓取模式，包括：1）双关节耦合转动抓取模式；2）双关节独立转动抓取模式；3）双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式；4）双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式。该装置既能达到传统耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，抓取物体时控制容易；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
附图说明
图1是本发明提供的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置的一种实施例的正面外观图
图2是本实施例的侧视图，也是图1的右视图。
图3是本实施例的正面剖视图，也是图1的剖视图。
图4是图3中的C—C剖视图
图5是与图3对应的A、B、O1和O2这四个点的连线图。
图6是本实施例的三维外观图。
图7是本实施例的三维***视图。
图8、图9、图10、图11和图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13和图14是本实施例捏持物体的情况示意图。
在图1至图14中：
1—基座， 2—中部指段， 3—末端指段
4—近关节轴， 5—远关节轴，
61—第一电机， 62—第一减速器， 65-第三锥齿轮，
66—第四锥齿轮，
71—第二电机， 72—第二减速器， 75—第五锥齿轮，
76—第一锥齿轮 77—下端锥齿轮， 78—上端锥齿轮，
79—双联锥齿轮轴， 8—第二锥齿轮。
具体实施方式
下面结合附图及实例进一步介绍本发明的具体结构、工作原理。
本发明设计的一种锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，包括基座1、中部指段2、末端指段3、近关节轴4、远关节轴5；所述的近关节轴4套设在基座1中，所述的远关节轴5套设在中部指段2中，近关节轴4和远关节轴5平行，所述的中部指段2套固在近关节轴4上，所述的末端指段3套固在远关节轴5上；
其特征在于：
该锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机61、第一减速器62、第二电机71、第二减速器72、第一锥齿轮76、双联锥齿轮和第二锥齿轮8；
所述的第一电机61和第一减速器62均与基座1固接，第一电机61的输出轴与第一减速器62的输入轴相连，第一减速器62的输出轴与近关节轴4相连；
所述的第二电机71和第二减速器72均与基座1固接，第二电机71的输出轴与第二减速器72的输入轴相连，第二减速器72的输出轴与第一锥齿轮76相连；
所述的双联锥齿轮包括下端锥齿轮77、双联锥齿轮轴79和上端锥齿轮78，所述的下端锥齿轮77和上端锥齿轮78分别套固在双联锥齿轮轴79的两端；
所述的第一锥齿轮76套接在近关节轴4上，所述的第二锥齿轮8套固在远关节轴5上并与末端指段3固接；所述的双联锥齿轮轴79套设在中部指段2中，所述的下端锥齿轮77与第一锥齿轮76啮合；所述的上端锥齿轮78与第二锥齿轮8啮合；
令下端锥齿轮77与第一锥齿轮76的啮合点为A，上端锥齿轮78与第二锥齿轮8的啮合点为B，下端锥齿轮77的中心点为O1，上端锥齿轮78的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成矩形或梯形。
本实施例所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第一减速器62的输出轴通过第一传动机构与近关节4轴相连。
本实施例所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第二减速器72的输出轴通过第二传动机构与第一锥齿轮76相连。
本实施例所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动机构包括第三锥齿轮65和第四锥齿轮66；所述的第三锥齿轮65套固在第一减速器62的输出轴上，第四锥齿轮66套固在近关节轴4上，第三锥齿轮65与第四锥齿轮66啮合。
本实施例所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第二传动机构包括第五锥齿轮75；所述的第五锥齿轮75套固在第二减速器72的输出轴上，第五锥齿轮75与第一锥齿轮76啮合。
本发明装置中，所述的第二减速器的减速比至少为100。本实施例中的第二减速器采用行星齿轮减速器，其减速比为275。
本发明装置中，所述的第二减速器可以采用具有自锁特性的减速传动机构。另一种实施例中，第二减速器采用具有自锁特性的丝杆螺母传动机构或蜗轮蜗杆传动机构。
本实施例的工作原理如图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14所示，叙述如下：
本实施例采用锥齿轮传动机构、两套电机和减速器综合实现了2自由度的机器人手指，该装置具有四种抓取模式，包括：
1）双关节耦合转动抓取模式：此时只让第一电机61转动，第二电机71不使用；
2）双关节独立转动抓取模式：此时两个电机可以同时转动，第一电机61会使得手指产生耦合联动，第二电机71可以在此基础上任意改变末端指段的角度；
3）双关节先耦合转动，之后再独立转动的抓取模式：此时先转动第一电机61，当中部指段碰触物体之后，停止第一电机61，再转动第二电机71；
4）双关节先独立转动，之后再耦合转动的抓取模式：此时先同时启动两个电机，根据情况一段时间之后停止第二电机71，再转动第一电机61。
下面对常用的第二种抓取模式进一步举例解释其动作原理。该装置采用第二种抓取模式抓取物体的过程分为两个阶段：耦合抓取阶段和灵巧抓取阶段。
该装置的初始位置如图8所示，此时中部指段2和末端指段3与基座1呈手指伸直状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体时，第一电机61的输出轴转动，经第一减速器62通过第三锥齿轮65带动第四锥齿轮66，从而中部指段2绕着近关节轴4的中心线转动一个角度，如图9、图10所示。
在此过程中，第二电机71并未转动，由于第二减速器72的减速比很大（275:1），呈现“软自锁”状态（采用具有自锁特性的减速器也可以），第一锥齿轮76将不发生转动。因此，中部指段2的转动会使双联锥齿轮带动第二锥齿轮8绕远关节轴5的中心线转动，也就使得末端指段3绕远关节轴5的中心线转动相同角度，从而实现了近关节轴4与远关节轴5两个关节的同时转动，即第一抓取阶段的耦合转动，如图9、图10所示。当第一锥齿轮76与第二锥齿轮8的分度圆直径相同时，两个关节的转动角度相同，即1:1耦合转动。改变第一锥齿轮76与第二锥齿轮8的大小可获得不同角度比例的耦合效果。
如果耦合抓取过程中，如果末端指段3接触物体，而中部指段2没有接触物体，那么抓取结束，在这种抓取情况下仅有一个耦合抓取过程，即实现了捏持物体的效果，如图13、图14所示。
如果耦合抓取过程中，中部指段2先接触到物体，如图10所示，则停止第一电机61，再启动第二电机71，这个后续过程为一个灵巧抓取阶段，如下所述：
如果第二电机71转动，通过第二减速器72带动第五锥齿轮75转动，从而带动第一锥齿轮76转动，通过双联锥齿轮实现末端指段3继续转动至角度ψ，如图11所示，这个转角ψ不受中部指段2转角β的限制。末端指段3最终转动到接触物体，此时末端指段3转过角度为θ，如图12所示，达到第二抓取阶段的灵巧抓取目的。
放开物体的过程为：第一电机61和第二电机71分别反转，与抓取物体过程相反，不再赘述。
因此，本实施例既能达到传统耦合手指所实现的单个电机驱动多个关节同时转动的耦合效果，又具有传统耦合手指没有的独立转动单个关节的解耦抓取效果，抓取物体时控制容易；所有电机、减速器均藏入基座中，手指转动部分体积小、重量轻。
Claims (5)
1.一种锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴；所述的近关节轴套设在基座中，所述的远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行，所述的中部指段套固在近关节轴上，所述的末端指段套固在远关节轴上；其特征在于：该锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置还包括第一电机、第一减速器、第二电机、第二减速器、第一锥齿轮、双联锥齿轮和第二锥齿轮；所述的第一电机和第一减速器均与基座固接，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，第一减速器的输出轴与近关节轴相连；所述的第二电机和第二减速器均与基座固接，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，第二减速器的输出轴与第一锥齿轮相连；所述的双联锥齿轮包括下端锥齿轮、双联锥齿轮轴和上端锥齿轮，所述的下端锥齿轮和上端锥齿轮分别套固在双联锥齿轮轴的两端；所述的第一锥齿轮套接在近关节轴上，所述的第二锥齿轮套固在远关节轴上并与末端指段固接；所述的双联锥齿轮轴套设在中部指段中，所述的下端锥齿轮与第一锥齿轮啮合；所述的上端锥齿轮与第二锥齿轮啮合；令下端锥齿轮与第一锥齿轮的啮合点为A，上端锥齿轮与第二锥齿轮的啮合点为B，下端锥齿轮的中心点为O1，上端锥齿轮的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成矩形或梯形；所述的第二减速器的减速比至少为100，或采用具有自锁特性的减速传动机构。
2.如权利要求1所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第一减速器的输出轴通过第一传动机构与近关节轴相连。
3.如权利要求1所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：第二减速器的输出轴通过第二传动机构与第一锥齿轮相连。
4.如权利要求2所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第一传动机构包括第三锥齿轮和第四锥齿轮；所述的第三锥齿轮套固在第一减速器的输出轴上，第四锥齿轮套固在近关节轴上，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合。
5.如权利要求3所述的锥齿轮耦合式灵巧机器人手指装置，其特征在于：所述的第二传动机构包括第五锥齿轮；所述的第五锥齿轮套固在第二减速器的输出轴上，第五锥齿轮与第一锥齿轮啮合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141126 Termination date: 20150601 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |