CN110900641B - 一种平夹自适应三指欠驱动机器人手 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种平夹自适应三指欠驱动机器人手。该手具有6个自由度，由底座和3个欠驱动手指组成。3个欠驱动手指包括第一指、第二指和第三指，三指呈三角形分布安装在底座中，通过螺钉与底座固定连接在一起。3个欠驱动手指结构尺寸完全相同，均利用驱动器、齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构传动，实现一个电机控制手指的两个关节。该手可对不同形状尺寸的物体实现平行夹持和自适应包络的复合抓取模式，结构紧凑，集成度高，制造维修成本低，抓取范围大，可用作智能机器人的末端执行器。

Description

一种平夹自适应三指欠驱动机器人手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种平夹自适应欠驱动机器人手的结构设计。

背景技术

随着社会进步和科技发展，机器人技术在人们日常生活中的应用越来越广泛。机器人手作为机器人与外界接触并完成任务的执行部件，其性能直接影响到机器人抓取物体的执行效果和工作效率。多指灵巧手每个自由度均配备一个驱动器，传感器丰富，功能强大，但其结构复杂，质量和体积都比较大，控制困难，降低了机械手的灵活性和可控性，同时还增加了机械手的开发成本。

欠驱动机器人手可以克服多指灵巧手的一些不足，可利用较少的电机驱动较多的自由度关节，同时纯机械式的反馈***无需复杂的传感器实时反馈也可以实现稳定抓取。欠驱动机器人手因体积小、重量轻、控制简单、制造与维护成本低等特点，越来越得到人们的重视。

机器人手抓取物体主要分为捏持和握持两种方式，捏持是用末端指尖夹取物体，而握持是用手指的多个指段包络物体。现实中需要一个既能平行夹持物体，又能自适应包络物体的机器人手，以满足人们日常生活的需要。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足之处，提供一种平夹自适应三指欠驱动机器人手。该手可以安装在机械臂上，配合机械臂实施物体的抓取动作，实现对物体平行夹持和自适应包络的复合功能。该手结构简单，制造和维护成本低，抓取范围大，可用作智能机器人的末端执行器。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种平夹自适应三指欠驱动机器人手，其特征在于：该手包括底座和3个欠驱动手指；

进一步，所述底座包括底座底板、底座中板和底座上盖板；所述底座底板、底座中板和底座上盖板通过螺钉固定连接在一起；所述底座中板设有3个呈三角形分布的安装槽，3个欠驱动手指安装在安装槽中，通过螺钉与底座中板固定连接在一起；

进一步，所述3个欠驱动手指结构尺寸完全相同，包括基座、近指段、远指段、基座轴、近关节轴、远关节轴、电机、减速器、齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构和簧件；所述基座轴套接于基座中，所述近关节轴套接在基座和近指段中，所述远关节轴套接在近指段中，所述远关节轴套固在远指段中；所述基座轴、近关节轴和远关节轴相互平行；所述驱动器包括电机和减速器；所述电机和减速器固接，电机的输出轴与减速器输入轴相连；所述减速器与基座固接；所述齿轮传动机构包括主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮；所述主动锥齿轮与减速器输出轴固接；所述从动锥齿轮套固在基座轴上，并与主动锥齿轮啮合；所述第一齿轮和第三齿轮套固在基座轴上；所述第二齿轮套接在近关节轴上，并与第一齿轮啮合；所述第四齿轮套固在近关节轴上，并与第三齿轮啮合；所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第一连杆轴、第二连杆轴；所述第一连杆一端套接在近关节轴上，并与第二齿轮固连，另一端套接在第一连杆轴上；所述第二连杆一端套接在第一连杆轴上，另一端套接在第二连杆轴上；所述齿轮齿条机构包括第五齿轮、第六齿轮、第一齿条、第二齿条；所述第一齿条固定在近指段中；所述第二齿条两端嵌入近指段两侧的滑动槽内，第二齿条可在滑动槽内滑动；所述第五齿轮套接在第二连杆轴上，并与第一齿条和第二齿条啮合；所述第六齿轮套固在远关节轴上，并与第二齿条啮合；所述簧件套接在近关节轴上，一端与近关节轴固定，一端与近指段固定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明利用3个欠驱动手指实现机器人手平夹自适应的抓取能力，根据目标物体形状大小的不同，即可以平行夹持物体，也可以自适应包络物体；本发明采用欠驱动的方式，每个手指利用一个驱动器驱动两个关节，通过纯机械式的反馈***，无需实时电子传感器反馈也可以实现对物体的稳定抓取；本发明结构紧凑，集成度高，制造和维护成本低，抓取范围大，适用于智能机器人的末端执行器。

附图说明

图1是本发明设计的平夹自适应三指欠驱动机器人手的整体立体外观图；

图2是图1所示实施例的前视图；

图3是图1所示实施例的右视图；

图4是图1所示实施例的结构示意图；

图5是图1所示实施例的手指的整体立体外观图；

图6是图1所示实施例的手指从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)；

图7是图1所示实施例的手指从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)；

图8是图6的左视图(未画出部分零件)；

图9是图6的右视图(未画出部分零件)；

图10是图1所示实施例的手指的***视图；

图11至图13是图1所示实施例的手指平行夹持物体的动作过程示意图；

图14至图16是图1所示实施例的手指自适应包络物体的动作过程示意图；

图17是图1所示实施例平行夹持圆柱状物体的外观示意图；

图18是图1所示实施例自适应包络圆柱状物体的外观示意图；

在图1至图18中：

1-底座， 11-底座底板， 12-底座中板， 13-底座上盖，

2-第一手指， 21-基座， 211-基座底板， 212-基座左侧板，

213-基座右侧板， 22-近指段， 221-近指段前侧板， 222-近指段左侧板，

223-近指段后侧板， 224-近指段右侧板， 23-远指段， 231-远指段前端，

232-远指段左侧板， 233-远指段右侧板， 241-基座轴， 242-近关节轴，

243-远关节轴， 251-电机， 252-减速器， 261-主动锥齿轮，

262-从动锥齿轮， 263-第一齿轮， 264-第三齿轮， 265-第二齿轮，

266-第四齿轮， 271-第一连杆， 272-第二连杆， 273-第一连杆轴，

274-第二连杆轴， 281-第五齿轮， 282-第一齿条， 283-第二齿条，

284-第六齿轮， 291-簧件， 292-轴承， 3-第二手指，

4-第三手指， 51-第一圆柱体， 52-第二圆柱体。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图18所示，图1是本发明设计的平夹自适应三指欠驱动机器人手的整体立体外观图，图2是图1所示实施例的前视图，图3是图1所示实施例的右视图，图4是图1所示实施例的结构示意图，图5是图1所示实施例的手指的整体立体外观图，图6是图1所示实施例的手指从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)，图7是图1所示实施例的手指从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)，图8是图6的左视图(未画出部分零件)，图9是图6的右视图(未画出部分零件)，图10是图1所示实施例的手指的***视图，图11至图13是图1所示实施例的手指平行夹持物体的动作过程示意图，图14至图16是图1所示实施例的手指自适应包络物体的动作过程示意图，图17是图1所示实施例平行夹持圆柱状物体的外观示意图，图18是图1所示实施例自适应包络圆柱状物体的外观示意图。

本实施例提供了一种平夹自适应三指欠驱动机器人手，参图1～图10所示，该机器人手包括底座1和3个欠驱动手指。所述底座1包括底座底板11、底座中板12和底座上盖板13；所述3个欠驱动手指包括第一手指2、第二手指3和第三手指4。

所述底座底板11、底座中板12和底座上盖板13通过螺钉固定连接在一起；所述第一手指2包括基座21、近指段22、远指段23、基座轴241、近关节轴242、远关节轴243、驱动器、齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构和簧件291；所述基座轴241套接在基座21中，所述近关节轴242套接在基座21和近指段22中，所述远关节轴243套接在近指段22中，所述远关节轴243套固在远指段23中；所述基座轴241、近关节轴242和远关节轴243相互平行；所述驱动器包括电机251和减速器252；所述电机251和减速器252固接，电机251的输出轴与减速器252输入轴相连；所述减速器252与基座21固接；所述齿轮传动机构包括主动锥齿轮261、从动锥齿轮262、第一齿轮263、第三齿轮264、第二齿轮265、第四齿轮266；所述主动锥齿轮261与减速器252输出轴固接；所述从动锥齿轮262套固在基座轴241上，并与主动锥齿轮261啮合；所述第一齿轮263和第三齿轮264套固在基座轴上；所述第二齿轮265套接在近关节轴242上，并与第一齿轮263啮合；所述第四齿轮266套固在近关节轴242上，并与第三齿轮264啮合；所述连杆机构包括第一连杆271、第二连杆272、第一连杆轴273、第二连杆轴274；所述第一连杆271一端套接在近关节轴242上，并与第二齿轮265固连，另一端套接在第一连杆轴273上；所述第二连杆272一端套接于第一连杆轴273上，另一端套接在第二连杆轴274上；所述齿轮齿条机构包括第五齿轮281、第一齿条282、第二齿条283、第六齿轮284；所述第一齿条282固定在近指段22中，所述第二齿条283两端嵌入近指段22两侧的滑动槽内，第二齿条283可在滑动槽内滑动；所述第五齿轮281套接在第二连杆轴274上，并与第一齿条282和第二齿条283啮合；所述第六齿轮284套固在远关节轴243上，并与第二齿条283啮合；所述簧件291套接在近关节轴242上，一端与近关节轴242固定，一端与近指段22固定。

所述基座21包括固接在一起的基座底板211、基座左侧板212、基座右侧板213；所述近指段包括固接在一起的近指段前侧板221、近指段左侧板222、近指段后侧板223、近指段右侧板224；所述远指段包括固接在一起的远指段前端231、远指段左侧板232、远指段右侧板233。

所述第二手指3、第三手指4与第一手指2结构尺寸完全相同；所述底座中板12设有3个呈三角形分布的安装槽，第一手指2、第二手指3和第三手指4安装在安装槽中，通过螺钉与底座中板12固定连接在一起。

本实施例的具体工作原理，结合图11至图18，叙述如下：

本实施例中，将初始位置设置为每个手指与底座1呈135°状态，如图3所示。

第一手指2的工作原理为：

(a)平行夹持物体过程

当近指段22和远指段23均未接触到物体前，驱动器正转，带动主动锥齿轮261转动，主动锥齿轮261带动从动锥齿轮262转动，从动锥齿轮262与基座轴241固接，于是带动固接在基座轴241上的第一齿轮263和第三齿轮264转动，第一齿轮263与第二齿轮265啮合，第三齿轮264和第四齿轮266啮合，从而带动第二齿轮265和第四齿轮266转动；第一齿轮263和第二齿轮265的传动比为1:i，第三齿轮264和第四齿轮266的传动比为i:1，其中i>1。

当没有物体51阻挡近指段22和远指段23时，由于簧件291的存在，近关节轴242和近指段22仿佛固连在一起；当第四齿轮266转动角度α时，近指段22也相对于基座21转动角度α；而第二齿轮转动角度小于α，由于第一连杆271与第二齿轮265固连，所以第一连杆271相对于基座21转动角度也小于α，从而第五齿轮281在第一齿条282上作向靠近基座21方向的滚动，第五齿轮281带动第二齿条283向靠近基座21方向滑动，第二齿条283带动第六齿轮284反向转动角度α，第六齿轮284和远指段23固接在远关节轴243上，从而远指段23也相对于近指段22反向转动角度α，即远指段23相对于基座21只发生了平移，未发生相对转动，远指段23相对于底座1一直保持竖直的状态。

当远指段23接触到物体51时，远指段23因为物体51的阻挡而无法转动，但远指段23在物体51的反作用力下，有反转的趋势；驱动器通过齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构的传动，约束远指段23的反转，使远指段23一直保持相对于底座1竖直的状态，并可平行夹持物体51。平行夹持物体的具体运动过程如图11、图12、图13所示。

释放物体51时，驱动器反转，过程与上述平行夹持物体过程相反。

(b)自适应包络物体过程

当远指段23和近指段22均未接触到物体52前，欠驱动手指按照平夹模式运动。当近指段22接触到物体52时，近指段22停止转动，欠驱动手指切换到自适应模式。由于簧件291的存在，近关节轴242仍可继续转动，并且通过簧件291将其继续旋转产生的扭矩作用于近指段22，近指段22产生对物体52的抓握力。由于第四齿轮266继续旋转，第一连杆271与第二齿轮265固连，第一连杆271转动带动第二连杆272转动，第二连杆272推动第五齿轮281在第一齿条282上向远离基座21的方向作纯滚动，第五齿轮281带动第二齿条283向远离基座21的方向滑动，从而第二齿条283带动第六齿轮284转动，实现远指段23正向转动，远指段23开始包络物体52。当远指段23握住物体52时，自适应抓取物体模式结束。自适应抓取物体的具体运动过程如图14、图15、图16所示。

释放物体52时，驱动器反转，过程与上述自适应包络物体过程相反。

第二手指3和第三手指4的工作原理同第一手指2相同，3个欠驱动手指同时工作，机器人手可实现对平行夹持物体和自适应包络物体的复合抓取功能。

上述各种情况下，本发明所提出的该实施例装置均可正常工作。

本发明提供一种平夹自适应三指欠驱动机器人手，具有如下有益效果：

1)该机器人手可对不同形状尺寸的物体实现平行夹持和自适应包络的复合抓取模式；

2)该机器人手结构紧凑，集成度高，制造和维护成本低，抓取范围大，适用于智能机器人的末端执行器。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.一种平夹自适应三指欠驱动机器人手，其特征在于：该手包括底座和3个欠驱动手指；所述底座包括底座底板、底座中板和底座上盖板；所述3个欠驱动手指结构尺寸完全相同，包括基座、近指段、远指段、基座轴、近关节轴、远关节轴、驱动器、齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构和簧件；

所述基座轴套接于基座中，所述近关节轴套接在基座和近指段中，所述远关节轴套接在近指段中，所述远关节轴套固在远指段中；所述基座轴、近关节轴和远关节轴相互平行；所述驱动器包括电机和减速器；所述电机和减速器固接，电机的输出轴与减速器输入轴相连；所述减速器与基座固接；所述齿轮传动机构包括主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮；所述主动锥齿轮与减速器输出轴固接；所述从动锥齿轮套固在基座轴上，并与主动锥齿轮啮合；所述第一齿轮和第三齿轮套固在基座轴上；所述第二齿轮套接在近关节轴上，并与第一齿轮啮合；所述第四齿轮套固在近关节轴上，并与第三齿轮啮合；所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第一连杆轴、第二连杆轴；所述第一连杆一端套接在近关节轴上，并与第二齿轮固连，另一端套接在第一连杆轴上；所述第二连杆一端套接在第一连杆轴上，另一端套接在第二连杆轴上；所述齿轮齿条机构包括第五齿轮、第六齿轮、第一齿条、第二齿条；所述第一齿条固定在近指段中；所述第二齿条两端嵌入近指段两侧的滑动槽内，第二齿条可在滑动槽内滑动；所述第五齿轮套接在第二连杆轴上，并与第一齿条和第二齿条啮合；所述第六齿轮套固在远关节轴上，并与第二齿条啮合；所述簧件套接在近关节轴上，一端与近关节轴固定，一端与近指段固定；

当近指段和远指段均未接触到物体前，驱动器正转，带动主动锥齿轮转动，主动锥齿轮带动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮与基座轴固接，于是带动固接在基座轴上的第一齿轮和第三齿轮转动，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮和第四齿轮啮合，从而带动第二齿轮和第四齿轮转动；第一齿轮和第二齿轮的传动比为1:i，第三齿轮和第四齿轮的传动比为i:1，其中i>1；当没有物体阻挡近指段和远指段时，由于簧件的存在，近关节轴和近指段仿佛固连在一起；当第四齿轮转动角度α时，近指段也相对于基座转动角度α；而第二齿轮转动角度小于α，由于第一连杆与第二齿轮固连，所以第一连杆相对于基座转动角度也小于α，从而第五齿轮在第一齿条上作向靠近基座方向的滚动，第五齿轮带动第二齿条向靠近基座方向滑动，第二齿条带动第六齿轮反向转动角度α，第六齿轮和远指段固接在远关节轴上，从而远指段也相对于近指段反向转动角度α，即远指段相对于基座只发生了平移，未发生相对转动，远指段相对于底座一直保持竖直的状态；当远指段接触到物体时，远指段因为物体的阻挡而无法转动，但远指段在物体的反作用力下，有反转的趋势；驱动器通过齿轮传动机构、连杆机构、齿轮齿条机构的传动，约束远指段的反转，使远指段一直保持相对于底座竖直的状态，并可平行夹持物体。

2.如权利要求1所述的一种平夹自适应三指欠驱动机器人手，其特征在于：所述底座为安装3个欠驱动手指的壳体；所述底座中板设有3个呈三角形分布的安装槽，3个欠驱动手指安装在安装槽中，通过螺钉与底座中板固定连接在一起；所述底座底板、底座中板和底座上盖板通过螺钉固定连接在一起。

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