CN102825610A - 双电机协同复合抓取机器人手指装置 - Google Patents

Abstract

双电机协同复合抓取机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、两个电机及减速器、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、两个单向传动机构、主动轮、从动轮、传动件和簧件等。该装置采用分散存放的两个电机、两个单向传动机构、反向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；各运动形式之间没有过多干涉，耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，能耗小；两个电机分别存放在基座和中部指段空间；两个电机协同作用于两个关节，使得中部指段尤其是末端指段能够提供较大的抓持力；结构紧凑，成本低、控制容易。

Description

双电机协同复合抓取机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种双电机协同强力复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术

手是人最重要的器官之一，在拟人机器人领域，机器人手同样是至关重要的环节，其结构设计与功能改进是机器人领域的关键技术之一。一方面，机器人手需要完成抓取、搬运等复杂动作，因此需要较为精确的控制机制；另一方面，机器人手的拟人要求决定了其体积小、重量轻等特点。现有的灵巧手有足够的关节数及驱动数以完成精确动作，但非常复杂、昂贵。目前在机器人手领域还存在许多技术难题。欠驱动手在一定程度上解决了这一矛盾。

耦合型欠驱动手指采用多关节同时弯曲的耦合抓取模式，由一个驱动器驱动多个关节按一定比例同时转动。这一模式与人手抓取物体动作类似，拟人性较好，抓取过程较稳定。耦合型手指的不足之处在于：动作模式较为固定，无法适应不同形状的物体，一般以捏持方式抓取物体，对于大尺寸物体很难实现握持抓取方式，抓取效果不好。

自适应欠驱动手指采用自适应抓取的动作模式，由一个驱动器驱动一个关节，其余关节在手指与物体接触后才开始转动。这种手指可以根据物体的不同形状改变抓取角度，从而达到握持抓取方式，结构简单且控制稳定。自适应欠驱动手指的不足之处在于：未接触物体时手指呈固定形态，拟人效果较差；需要在接触物体的过程中产生对远端指节的驱动力，可能导致近端指节受力过大，不利于抓取；对于小尺寸物体无法实现捏持抓取方式，抓取效果受到限制。

针对耦合型手指与自适应欠驱动手指各自的不足之处，一种将两者结合起来的新型复合型欠驱动抓取模式被提出来，该抓取模式为：手指碰到物体之前先按照耦合模式运动，接触物体之后近端指节的运动被物体限制，此时远端指节继续以自适应模式抓取物体，直至各指节完全接触物体。

已有的一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，如中国发明专利CN102166753A，主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取过程，其不足之处在于：采用三个相啮合的锥齿轮，由锥齿轮机构达到驱动器分两路输出的目的，要求两侧的锥齿轮完全对称，成本高；锥齿轮传动要求装配精度高，在制造和装配精度低时的传动损耗大；电机只能放置在基座（手掌）中，手掌空间无法充分利用，没有充分利用中部指段的空间。

在抓取力方面，手指对物体一般需要有较大的抓持力。人的手指所提供的力量非常大，例如人手能够将易拉罐握扁，目前尺寸与人手指相接近的机器人手指难以有较大的出力，原因是尺寸能够藏入手中的电机往往功率不够大，电机的体积和功率之间的这个矛盾一直存在，影响了机器人手的发展。

此外，尽管中部指段和末端指段各自对物体的抓持力对于稳定抓取物体都很重要，但是研究发现如果末端指段对物体的抓持力大更有好处，目前的机器人手缺少末端指段的大抓持力，一般将电机放入手掌中，通过传动机构传递到末端关节和末端指段，由于传动路径上的传动效率带来的功率损耗，会使得末端指段对物体的抓持力不足。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种双电机协同强力复合抓取机器人手指装置，该装置可实现先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合抓取模式；充分利用手掌空间和中部指段空间；末端指段能够提供大的抓持力；该装置结构简单，成本低能量损耗小，控制容易。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，包括基座、第一电机、第一减速器、主动轮、从动轮、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴活动套接于基座中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套接于中部指段中；所述末端指段活动套接在远关节轴上；所述近关节轴和远关节轴平行；第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连；所述的从动轮固定套接在远关节轴上；其特征在于：该双电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机、第二减速器、第一传动机构、第二传动机构、第一单向传动机构、第二单向传动机构和簧件；所述第一电机和第一减速器均固接在中部指段中，所述第二电机和第二减速器均固接在基座上，第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连；所述的簧件的两端分别连接基座和近关节轴；所述的主动轮与从动轮直接相连或通过传动件相连，主动轮转动方向与从动轮转动方向相反；所述的主动轮固定套接在近关节轴上；所述第一单向传动机构设置在第一减速器输出轴、第一传动机构和近关节轴三者的传动链上；所述第二单向传动机构设置在第二减速器输出轴、第二传动机构和近关节轴三者的传动链上；所述的簧件采用拉簧、压簧或扭簧；所述第一减速器的输出轴通过第一传动机构与近关节轴相连；所述第二减速器的输出轴通过第二传动机构与近关节轴相连。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的主动轮、从动轮均采用齿轮，所述的主动轮与从动轮相啮合。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用传动带或腱绳，所述的主动轮采用带轮或绳轮，所述的从动轮采用带轮或绳轮；所述的传动件、主动轮和从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“8”字形。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件采用齿条，所述的主动轮、从动轮均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮、从动轮啮合；令齿条与主动轮的啮合点为A，齿条与从动轮的啮合点为B，主动轮的中心点为O₁，从动轮的中心点为O₂，线段O₁A、线段AB、线段BO₂和线段O₂O₁构成“8”字形，线段AB和线段O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间，所述的齿条镶嵌在中部指段中。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件（43）采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮（41）、从动轮（42）铰接；令连杆与主动轮（41）的铰接点为C，连杆与从动轮（42）的铰接点为D，主动轮（41）的中心点为O₁，从动轮（42）的中心点为O₂，线段O₁C、线段CD、线段DO₂和线段O₂O₁构成“8”字形，线段CD和线段O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件包括第一子传动件、第二子传动件；所述的第一子传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“S”字形，第一子传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接；所述的第二子传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“Z”字形，第二子传动件的两端分别与主动轮、从动轮固接，第一子传动件和第二子传动件交叉成“8”字形；所述的第一子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件、第二子传动件、主动轮和从动轮四者能够配合形成传动关系。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件包括第1传动齿轮、第2传动齿轮、……、第2n-1传动齿轮、第2n传动齿轮、第1过渡轴、第2过渡轴、……、第2n-1过渡轴和第2n过渡轴；所述的主动轮、从动轮均采用齿轮；所述的主动轮与第1传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+1传动齿轮相啮合，第2n传动齿轮与从动轮相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段中，所有的过渡轴与近关节轴平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n传动齿轮活动套接在第2n过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-1，n为自然数。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一锥齿轮固定套接在第一减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮固定套接在近关节轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合。所述第二传动机构包括第三锥齿轮和第四锥齿轮，所述第三锥齿轮套接在近关节轴上并与近关节轴相连，所述第四锥齿轮套接在第二减速器的输出轴并与第二减速器的输出轴相连，第三锥齿轮与第四锥齿轮相啮合。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器。

本发明所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第二单向传动机构包括第一凸块和第二凸块，所述第一凸块与第二减速器输出轴固接，所述第二凸块与第二传动机构的输入端固接；所述第一凸块拨动第二凸块。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置采用分散存放的两个电机、两个单向传动机构、反向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式；该装置各运动形式之间没有过多干涉，耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；在该装置中，驱动器分散存放：两个电机分别放置在基座和中部指段中，充分利用手掌空间和中部指段空间；两个电机协同作用于两个关节，尤其是作用于末端关节，使得中部指段尤其是末端指段能够提供较大的抓持力，达到更好的稳定抓持目的，使得采用该装置的机器人手具有更大范围的抓取适应能力，适用于非结构化未知复杂环境的稳定抓取；两个电机之间无内部干涉和能量损耗；且该装置结构紧凑、简洁，成本低、控制容易。

附图说明

图1是本发明的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第一种实施例立体图。

图2是图1所示实施例的正面外观图。

图3是图1所示实施例的正面外观图（不含中部指段前板）。

图4是图1所示实施例的左侧外观图。

图5是图1所示实施例的侧面剖视图。

图6是图1所示实施例的第一电机与第一锥齿轮的局部剖视图。

图7、图8和图9是图1所示实施例先耦合后自适应欠驱动后末端加力抓取抓握物体过程中第一单向传动机构相对位置的示意图。

图10、图11、图12和图13是图1所示实施例先耦合后自适应欠驱动后末端加力抓取抓握物体过程的示意图。

图14是图1所示实施例末端变位抓取物体过程的示意图。

图15是本发明提供的第二种实施例（采用一级齿轮传动机构）的主动轮和从动轮示意。

图16是本发明提供的第三种实施例（采用柔性件机构）的主动轮、从动轮和传动件示意。

图17是本发明提供的第四种实施例（采用齿条机构）的主动轮、从动轮和传动件示意。

图18是图17所示实施例的几个关键点的位置关系示意。

图19是本发明提供的第五种实施例（采用连杆机构）的主动轮、从动轮和传动件示意。

图20是图19所示实施例的几个关键点的位置关系示意。

图21是本发明提供的第六种实施例（采用多级齿轮机构）的主动轮、从动轮和多个传动件示意。

图22是本发明提供的第七种实施例（采用两级柔性件传动机构）的主动轮、从动轮和多个传动件示意。

图23是图22所示实施例的V-V剖视图。

图24是本发明提供的第八种实施例（采用柔性件和齿轮两级传动机构）的主动轮、从动轮和多个传动件示意。

图25是图24所示实施例的Q-Q剖视图。

图26是本发明提供的第九种实施例（采用齿条两级传动机构）的主动轮、从动轮和多个传动件示意。

图27是图26所示实施例的N-N剖视图。

图28是本发明提供的第十种实施例（采用锥齿轮两级传动机构）的主动轮、从动轮和传动件示意。

图29、图30是扭矩限制器的俯视图。

图31是扭矩限制器的横截面剖视图。

在图1至图30中：

11－基座，          12－中部指段，     13－末端指段，

2－簧件，           31－近关节轴，     32－远关节轴，

41－主动轮，        42－从动轮，       43－传动件，

44－第一子传动件，  45－第二子传动件，

51－第一电机，      52－第一减速器，   521－第一减速器输出轴，

53－第二电机，      54－第二减速器，   541－第二减速器输出轴，

61－第一锥齿轮，    62－第二锥齿轮，   63－第三锥齿轮，

64－第四锥齿轮，    71－第一凸块，     72－第二凸块，

73－扭矩限制器，    81－第1传动齿轮，  82－第2传动齿轮，

83－第1过渡轴，     84－第2过渡轴，    91－中间轴，

92－中间主动轮，    93－中间从动轮，   94－第一中间传动件，

95－第二中间传动件，96－双联锥齿轮，   10－物体，

900－扭矩限制器，   910－壳体，        911－连接槽，

912－倾斜面，       920－旋转构件，    921－槽，

930－旋转轴，       940－滚珠，        950－罩，

960－凹穴，         970－压力弹簧，    980－卷簧，

981－弯曲段。

具体实施方式

下面结合附图及多个实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图所示，包括基座11、第一电机51、第一减速器52、主动轮41、从动轮42、中部指段12、末端指段13、近关节轴31和远关节轴32；所述近关节轴31活动套接于基座11中，所述中部指段12活动套接在近关节轴31上，所述远关节轴32活动套接于中部指段12中；所述末端指段13活动套接在远关节轴32上；所述近关节轴31和远关节轴32平行；第一电机51的输出轴与第一减速器52的输入轴相连；所述的从动轮42固定套接在远关节轴32上；该双电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机53、第二减速器54、第一传动机构、第二传动机构、第一单向传动机构、第二单向传动机构和簧件2；所述第一电机51和第一减速器52均固接在中部指段12中，所述第二电机53和第二减速器均固接在基座11上，第二电机53的输出轴与第二减速器54的输入轴相连；所述的簧件2的两端分别连接基座11和近关节轴31；所述的主动轮41与从动轮42直接相连或通过传动件相连，主动轮41转动方向与从动轮42转动方向相反；所述的主动轮41固定套接在近关节轴31上；所述第一单向传动机构设置在第一减速器52输出轴、第一传动机构和近关节轴31三者的传动链上；所述第二单向传动机构设置在第二减速器54输出轴、第二传动机构和近关节轴31三者的传动链上；所述的簧件2采用拉簧、压簧或扭簧；本实施例中，所述的簧件2采用扭簧；所述第一减速器52的输出轴通过第一传动机构与近关节轴31相连；所述第二减速器54的输出轴通过第二传动机构与近关节轴31相连。

本实施例中，所述的传动件包括第一子传动件44、第二子传动件45；所述的第一子传动件44缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“S”字形，第一子传动件44的两端分别与主动轮41、从动轮42固接；所述的第二子传动件45缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“Z”字形，第二子传动件45的两端分别与主动轮41、从动轮42固接，第一子传动件44和第二子传动件45交叉成“8”字形。

本发明中，所述的第一子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件、第二子传动件、主动轮和从动轮四者能够配合形成传动关系。

本实施例中，所述的第一子传动件44采用腱绳（钢丝绳），所述的第二子传动件45采用腱绳（钢丝绳），所述的主动轮41采用绳轮，所述的从动轮42采用绳轮；所述的第一子传动件44、第二子传动件45、主动轮41和从动轮42四者能够配合形成传动关系。

本实施例中，所述的第一子传动件44两端分别固接有第一端块71和第二端块72；第二子传动件45两端分别固接有第三端块73和第四端块74；所述的第一端块71镶嵌固定在第一主动轮41的槽内，所述的第二端块72镶嵌固定在第一从动轮42的槽内；所述的第三端块73镶嵌固定在第一主动轮41的槽内，所述的第四端块74镶嵌固定在第一从动轮42的槽内。

本实施例还包括第二传动机构，所述的减速器21输出轴通过第二传动机构与近关节轴31相连。

本实施例中，所述的第二传动机构包括第一锥齿轮61和第二锥齿轮62；所述的减速器21输出轴与第一锥齿轮61固接，第一锥齿轮61与第二锥齿轮62相啮合，第二锥齿轮62固定套接在近关节轴31上。

本实施例中，所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器900。

本实施例中，所述的第二单向传动机构包括第一凸块71和第二凸块72，所述第一凸块71与第二减速器54输出轴固接，所述第二凸块72与第二传动机构的输入端固接；所述第一凸块71拨动第二凸块72。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第二种实施例，如图29、图30和图31所示，所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器900；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器900。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第三种实施例，如图15所示，所述的主动轮41、从动轮42均采用齿轮，所述的主动轮41与从动轮42相啮合。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第四种实施例，如图16所示，所述的传动件采用传动带或腱绳，所述的主动轮采用带轮或绳轮，所述的从动轮采用带轮或绳轮；所述的传动件、主动轮和从动轮三者能够配合形成传动关系；所述的传动件缠绕在主动轮和从动轮上并形成“8”字形。

本实施例中，所述的传动件43采用腱绳（钢丝绳），所述的主动轮41采用绳轮，所述的从动轮42采用绳轮；所述的传动件43、主动轮41和从动轮42三者能够配合形成传动关系；所述的传动件43缠绕在主动轮41和从动轮42上并形成“8”字形。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第五种实施例，如图17和图18所示，所述的传动件43采用齿条，所述的主动轮41、从动轮42均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮41、从动轮42啮合；令齿条与主动轮41的啮合点为A，齿条与从动轮42的啮合点为B，主动轮41的中心点为O₁，从动轮42的中心点为O₂，线段O₁A、AB、BO₂和O₂O₁构成“8”字形，AB和O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间，所述的齿条镶嵌在中部指段中。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第六种实施例，如图19和图20所示，所述的传动件43采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮41、从动轮42铰接；令连杆与主动轮41的铰接点为C，连杆与从动轮42的铰接点为D，主动轮41的中心点为O₁，从动轮42的中心点为O₂，线段O₁C、CD、DO₂和O₂O₁构成“8”字形，CD和O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第七种实施例，如图21所示，所述的传动件包括第1传动齿轮、第2传动齿轮、……、第2n-1传动齿轮、第2n传动齿轮、第1过渡轴、第2过渡轴、……、第2n-1过渡轴和第2n过渡轴；所述的主动轮、从动轮均采用齿轮；所述的主动轮与第1传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+1传动齿轮相啮合，第2n传动齿轮与从动轮相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段中，所有的过渡轴与近关节轴平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n传动齿轮活动套接在第2n过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-1，n为自然数。

本实施例中，所述的传动件包括第1传动齿轮81、第2传动齿轮82、第1过渡轴83、第2过渡轴84；所述的主动轮41、从动轮42均采用齿轮；所述的主动轮41与第1传动齿轮81相啮合，第1传动齿轮81与第2传动齿轮82相啮合，第2传动齿轮82与从动轮42相啮合；第1过渡轴83和第2过渡轴84分别活动套接于中部指段11中并近关节轴31平行；第1传动齿轮81活动套接在第1过渡轴83上，第2传动齿轮82活动套接在第2过渡轴84上。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第八种实施例，如图22和图23所示，所述的主动轮41和传动轮42之间采用两级传动方式连接，所述的传动件包括中间轴91、中间主动轮92、中间从动轮93、第一中间传动件94和第二中间传动件95；所述的中间轴91活动套接于中部指段11中，中间轴91与近关节轴31平行；所述的中间主动轮92和中间从动轮93固定套接在中间轴91上；所述的主动轮41和中间从动轮93通过第一中间传动件94相连，所述的中间主动轮92和从动轮42通过第二中间传动件95相连；所述的第一中间传动件和第二中间传动件采用传动带或腱绳，所述的主动轮、从动轮、中间主动轮和中间从动轮采用带轮或绳轮，所述的主动轮、中间从动轮和第一中间传动件三者能够配合形成传动关系，所述的中间主动轮、从动轮和第二中间传动件三者能够配合形成传动关系；本实施例中，所述的第一中间传动件94和第二中间传动件95采用腱绳（钢丝绳），所述的主动轮41、从动轮42、中间主动轮92和中间从动轮93采用带轮；所述的第一中间传动件94缠绕在主动轮41和中间从动轮93上并形成“O”字形；所述的第二中间传动件95缠绕在中间主动轮92和从动轮42上并形成“8”字形。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第九种实施例，如图24和图25所示，所述的主动轮41和传动轮42之间采用两级传动方式连接，所述的传动件包括中间轴91、中间主动轮92、中间从动轮93和第一中间传动件94；所述的中间轴91活动套接于中部指段11中，中间轴91与近关节轴31平行；所述的中间主动轮92和中间从动轮93固定套接在中间轴91上；所述的主动轮41和中间从动轮93相啮合，所述的中间主动轮92和从动轮42通过第一中间传动件94相连；所述的主动轮41和中间从动轮93均采用齿轮，所述的第一中间传动件采用传动带或腱绳，所述的从动轮和中间主动轮采用带轮或绳轮，所述的中间主动轮、从动轮和第一中间传动件三者能够配合形成传动关系；本实施例中，所述的第一中间传动件94采用腱绳（钢丝绳），所述的从动轮42和中间主动轮92采用带轮；所述的第一中间传动件94缠绕在中间主动轮92和从动轮42上并形成“O”字形。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第十种实施例，如图26和图27所示，所述的主动轮41和传动轮42之间采用两级传动方式连接，所述的传动件包括中间轴91、中间主动轮92、中间从动轮93、第一中间传动件94和第二中间传动件95；所述的中间轴91活动套接于中部指段11中，中间轴91与近关节轴31平行；所述的中间主动轮92和中间从动轮93固定套接在中间轴91上；所述的主动轮41和中间从动轮93均采用齿轮，所述的第一中间传动件94采用齿条，第一中间传动件94分别与主动轮41和中间从动轮93相啮合，两个啮合点分别位于主动轮41中心和中间从动轮93中心连线的两侧；所述的中间主动轮92和从动轮42均采用齿轮，所述的第二中间传动件95采用齿条，第二中间传动件95分别与中间主动轮92和从动轮42相啮合，两个啮合点位于主动轮41中心和中间从动轮93中心连线的同侧；所述的齿条均镶嵌在中部指段中。

本发明设计的双电机协同复合抓取机器人手指装置的第十一种实施例，如图28所示，所述的传动件为双联锥齿轮96；所述的双联锥齿轮96活动套设在中部指段中，其中心线与近关节轴31的中心线、远关节轴32的中心线位于平面内，双联锥齿轮96的中心线近关节轴31的中心线相垂直；所述的主动轮41和主动轮42均采用锥齿轮，双联锥齿轮96一端的锥齿轮与主动轮41相啮合，另一端的锥齿轮与从动轮42相啮合。

以图1、图2、图3、图4、图5和图6所示的第一种实施例为例介绍本发明装置的工作原理，结合图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图29和图31，叙述如下：

该装置的初始位置如图10所示，此时中部指段11、末端指段12和基座1呈伸直状态。当使用本实施例的机器人手抓取物体10时，第一电机51带动减速器21的输出轴转动，通过第二传动机构带动近关节轴31转动；由于簧件5的约束作用，基座1与近关节轴31仿佛固接在一起，第一电机51将带动自身所在的中部指段11转动角度θ；本实施例中，减速器21的输出轴通过第一锥齿轮61带动与第二锥齿轮62固接的近关节轴31转动。

由于主动轮41固接在近关节轴31上，在中部指段11转动过程中，远关节轴32相对于近关节轴31的位置将改变，此时主动轮41通过第一传动机构带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度θ，改变主动轮41和从动轮42的相对大小可以获得不同的耦合效果；远关节轴32的转动使得与其固接的末端指段12同样转过角度θ，从而达到耦合效果；本实施例的第一传动机构中第一子传动件44一端与主动轮41固接，另一端与从动轮42固接，主动轮41通过第一子传动件44带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度θ，从而实现了耦合过程，达到较好的拟人效果。

假设中部指段11与末端指段12均转过θ角后碰到物体10，此时可能出现以下两种情况：

1）中部指段11先接触物体10，如图11所示。此时中部指段11由于物体10的阻挡不会继续转动，第一电机51继续运行，簧件5将发生变形，使得近关节轴31得以独立于基座1继续转动；主动轮41通过第一传动机构带动从动轮42绕远关节轴32继续转动，使得末端指段继续转动α角，直至末端指段都与物体表面接触；此后由于末端指段12被物体阻挡而无法继续绕远关节轴32的中心线转动，此时控制第一电机51停转，启动第二电机53，通过第二单向传动机构，固接在第二减速器54输出轴541的第一凹块71拨动第二凹块72运动，扭矩限制器900内弹簧变形，从而近关节轴31转动，使得固定套接在近关节轴31上的第四锥齿轮64转动，由于主动轮41固接在第四锥齿轮64上，主动轮41通过第一子传动件44和第二子传动件45带动从动轮42反向转动，从而带动末端指段13转动，填补末端指段13和物体10之间可能出现的间隙，同时达到末端增力的作用，从而完成抓取过程，达到握持效果，如图12所示；本实施例的第一传动机构中第一子传动件44一端与主动轮41固接，另一端与从动轮42固接，主动轮41通过第一子传动件44带动从动轮42绕远关节轴32的中心线转过角度α。

2）末端指段12先接触物体10而中部指段11尚未接触物体10，如图13所示。此时远关节轴32无法继续转动，使得近关节轴31也无法转动，从而完成抓取过程，达到捏持效果；本实施例的第一传动机构中第一子传动件44一端与主动轮41固接，另一端与从动轮42固接。

如图14所示，当需要钩取物体10时，开动第二电机53，通过第二单向传动机构，固接在第二减速器54输出轴541的第一凹块71拨动第二凹块72运动，扭矩限制器900内弹簧变形，从而近关节轴31转动，由于主动轮41通过第四锥齿轮64固接在近关节轴31上，主动轮41通过第一子传动件44和第二子传动件45带动从动轮42反向转动，从而带动末端指段13转动，达到钩取物体的目的。

图29、图30和图31所示的第二种实施例的工作原理与前一种实施例基本相同，区别在于第二传动机构采用扭矩限制器900取代了第一凸块71和第二凸块72，达到相同的单向传动效果。

该装置采用分散存放的两个电机、两个单向传动机构、反向传动机构、活动套接的中部指段和簧件等综合实现了先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；该装置在抓取过程中既可以多关节联动，产生较好的拟人效果；又可以适应不同形状、尺寸的物体，产生较好的自适应抓取效果；可实现握持、捏持等多种抓取模式；该装置各运动形式之间没有过多干涉，耦合运动时簧件变形小，手指可以自然停留在耦合运动的任一中间位置，因此能耗小；在该装置中，驱动器分散存放：两个电机分别放置在基座和中部指段中，充分利用手掌空间和中部指段空间；两个电机协同作用于两个关节，尤其是作用于末端关节，使得中部指段尤其是末端指段能够提供较大的抓持力，达到更好的稳定抓持目的，使得采用该装置的机器人手具有更大范围的抓取适应能力，适用于非结构化未知复杂环境的稳定抓取；两个电机之间无内部干涉和能量损耗；且该装置结构紧凑、简洁，成本低、控制容易。

Claims (10)

1.一种双电机协同复合抓取机器人手指装置，包括基座（11）、第一电机（51）、第一减速器（52）、主动轮（41）、从动轮（42）、中部指段（12）、末端指段（13）、近关节轴（31）和远关节轴（32）；所述近关节轴（31）活动套接于基座（11）中，所述中部指段（12）活动套接在近关节轴（31）上，所述远关节轴（32）活动套接于中部指段（12）中；所述末端指段（13）活动套接在远关节轴（32）上；所述近关节轴（31）和远关节轴（32）平行；第一电机（51）的输出轴与第一减速器（52）的输入轴相连；所述的从动轮（42）套固在远关节轴（32）上；其特征在于：该双电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第二电机（53）、第二减速器（54）、第一传动机构、第二传动机构、第一单向传动机构、第二单向传动机构和簧件（2）；所述第一电机（51）和第一减速器（52）均固接在中部指段（12）中，所述第二电机（53）和第二减速器均固接在基座（11）上，第二电机（53）的输出轴与第二减速器（54）的输入轴相连；所述的簧件（2）的两端分别连接基座（11）和近关节轴（31）；所述的主动轮（41）固定套接在近关节轴（31）上；所述的主动轮（41）与从动轮（42）直接相连或通过传动件（43）相连，主动轮（41）转动方向与从动轮（42）转动方向相反；所述第一单向传动机构设置在第一减速器（52）输出轴、第一传动机构和近关节轴（31）三者的传动链上；所述第二单向传动机构设置在第二减速器（54）输出轴、第二传动机构和近关节轴（31）三者的传动链上；所述的簧件（2）采用拉簧、压簧或扭簧；所述第一减速器（52）的输出轴通过第一传动机构与近关节轴（31）相连；所述第二减速器（54）的输出轴通过第二传动机构与近关节轴（31）相连。

2.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的主动轮（41）、从动轮（42）均采用齿轮，所述的主动轮（41）与从动轮（42）相啮合。

3.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件（43）采用传动带或腱绳，所述的主动轮（41）采用带轮或绳轮，所述的从动轮（42）采用带轮或绳轮；所述的传动件（43）、主动轮（41）和从动轮（42）三者能够配合形成传动关系；所述的传动件（43）缠绕在主动轮（41）和从动轮（42）上并形成“8”字形。

4.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件（43）采用齿条，所述的主动轮（41）和从动轮（42）均采用齿轮；所述的齿条分别与主动轮（41）和从动轮（42）啮合；令齿条与主动轮（41）的啮合点为A，齿条与从动轮（42）的啮合点为B，主动轮（41）的中心点为O₁，从动轮（42）的中心点为O₂，线段O₁A、线段AB、线段BO₂和线段O₂O₁构成“8”字形，线段AB和线段O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间，所述的齿条镶嵌在中部指段中。

5.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件（43）采用连杆，所述的连杆的两端分别与主动轮（41）、从动轮（42）铰接；令连杆与主动轮（41）的铰接点为C，连杆与从动轮（42）的铰接点为D，主动轮（41）的中心点为O₁，从动轮（42）的中心点为O₂，线段O₁C、线段CD、线段DO₂和线段O₂O₁构成“8”字形，线段CD和线段O₁O₂的交点位于O₁和O₂之间。

6.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件包括第一子传动件（44）和第二子传动件（45）；所述的第一子传动件（44）缠绕在主动轮（41）和从动轮（42）上并形成“S”字形，第一子传动件（44）的两端分别与主动轮（41）和从动轮（42）固接；所述的第二子传动件（45）缠绕在主动轮（41）和从动轮（42）上并形成“Z”字形，第二子传动件（45）的两端分别与主动轮（41）和从动轮（42）固接，第一子传动件（44）和第二子传动件（45）交叉成“8”字形；所述的第一子传动件（44）采用传动带、腱绳或链条，所述的第二子传动件（45）采用传动带、腱绳或链条，所述的主动轮（41）采用带轮、绳轮或链轮，所述的从动轮（42）采用带轮、绳轮或链轮；所述的第一子传动件（44）、第二子传动件（45）、主动轮（41）和从动轮（42）四者能够配合形成传动关系。

7.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的传动件包括第1传动齿轮、第2传动齿轮、……、第2n-1传动齿轮、第2n传动齿轮、第1过渡轴、第2过渡轴、……、第2n-1过渡轴和第2n过渡轴；所述的主动轮（41）、从动轮（42）均采用齿轮；所述的主动轮（41）与第1传动齿轮相啮合，第k传动齿轮与第k+1传动齿轮相啮合，第2n传动齿轮与从动轮（42）相啮合；所有的过渡轴均分别活动套接于中部指段（11）中，所有的过渡轴与近关节轴（31）平行；第k传动齿轮活动套接在第k过渡轴上，第2n传动齿轮活动套接在第2n过渡轴上，其中，k为1、2、……、2n-1，n为自然数。

8.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一锥齿轮（21）和第二锥齿轮（22），所述第一锥齿轮（21）固定套接在第一减速器（52）的输出轴上，所述第二锥齿轮（22）固定套接在近关节轴上，第一锥齿轮（21）与第二锥齿轮（22）相啮合；所述第二传动机构包括第三锥齿轮（23）和第四锥齿轮（24），所述第三锥齿轮（23）套接在近关节轴（31）上并与近关节轴（31）相连，所述第四锥齿轮（24）套接在第二减速器（54）的输出轴并与第二减速器（54）的输出轴相连，第三锥齿轮（23）与第四锥齿轮（24）相啮合。

9.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第一单向传动机构采用扭矩限制器（900）；所述的第二单向传动机构采用扭矩限制器（900）。

10.如权利要求1所述的双电机协同复合抓取机器人手指装置，其特征在于：所述的第二单向传动机构包括第一凸块（71）和第二凸块（72），所述第一凸块（71）与第二减速器（54）输出轴固接，所述第二凸块（72）与第二传动机构的输入端固接；所述第一凸块（71）拨动第二凸块（72）。

Images