连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术：

自适应欠驱动机器人手采用少量电机驱动多个自由度关节，由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。但传统的欠驱动机器人手多采用纯连杆机构，由于机构的限制，指段靠向物体的过程中具有极限位置，从而产生运动死区，自适应性受到大大削弱。

欠驱动手指是指手指上的驱动电机的数量少于所驱动的关节自由度的数量。由于欠驱动技术可以使得机器人手具有较好的抓取效果同时传感控制的需求极大减少而得到重视。人手在抓取物体时有两种常用的抓取方法，一种是相对两指的末端夹持——捏持，另一种是力量较大的包络握持。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平行齿轮式传动机构等。该装置实现了双关节手指自适应抓取效果。该装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，不能实现耦合抓取效果。

已有的一种耦合机器人手指装置(中国发明专利CN105666508A)，包括基座、驱动器、两个指段、两个关节轴、两个传动轮、传动件、两个连杆、簧件、转轴和拨块等。该装置实现了圆弧耦合与自适应抓取模式。在工作时，第一指段和第二指段能够同时转动，且远关节的转动速度大于近关节，而后进行自适应包络抓取物体，对所抓物体的形状、尺寸具有自适应性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置。该装置具有耦合和自适应抓取两种抓取模式，该装置能够直线平动第一指段，同时第二指段耦合转动去抓取物体，而在第一指段碰到物体后，又可解耦转动第二指段，使第二指段自动适应物体表面形状，从而达到完全包络握持物体的效果；如果在耦合转动两个指段的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持物体的效果。该装置能够自动适应不同形状、大小的物体；抓取范围大，稳定可靠。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置，其特征在于：包括基座、第一指段、第二指段、电机、过渡传动机构、第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮、第一传动件、第二传动件、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一轴、第二轴、第三轴、近关节轴、远关节轴和弹簧；所述电机与基座固接；所述电机的输出轴与过渡传动机构的输入端相连，所述过渡传动机构的输出端与第一轴相连；所述第一轴套设在基座中，所述第一传动轮套固在第一轴上；所述弹簧的两端分别连接第一传动轮、第一连杆；所述第一连杆的一端套接在第一轴上，第一连杆的另一端套接在第二轴上；所述第二连杆的一端套接在第二轴上，第二连杆的另一端套接在远关节轴上；所述远关节轴套设在第一指段中，所述第一指段与第二连杆固接；所述近关节轴套设在第二连杆的中部；所述第三连杆的一端套接在近关节轴上，第三连杆的另一端套接在第三轴上，所述第三轴套设在基座中；所述第二指段套接在远关节轴上，所述第一轴、第二轴、第三轴、近关节轴、远关节轴的中心线相互平行；所述第二传动轮套接在第二轴上，所述第一传动件分别连接第一传动轮、第二传动轮，所述第一传动件、第一传动轮和第二传动轮三者构成同向传动关系；所述第三传动轮套接在第二轴上，所述第二传动轮与第三传动轮固接，所述第四传动轮套接在远关节轴上，所述第四传动轮与第二指段固接；所述第二传动件分别连接第三传动轮、第四传动轮，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者构成同向传动关系；设所述第一轴的中心点为A，第二轴的中心点为B，近关节轴的中心点为C，第三轴的中心点为D，远关节轴的中心点为E；线段AD长度为线段AB长度的2倍，线段CD长度为线段AB长度的2.5倍，线段CD长度等于线段BC长度，线段BC长度等于线段CE长度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单个电机、多个连杆、多个齿轮、两个带轮和弹簧等综合实现了机器人手指直线耦合与自适应复合抓取的功能；利用单个电机驱动两个指段，达到欠驱动效果；根据物体形状和位置的不同，可以在耦合与自适应两种模式之间自动切换；该装置能够直线平动远关节轴，同时第二指段耦合转动去抓取物体，而在第一指段碰到物体后，又可解耦转动第二指段，使第二指段自动适应物体表面形状，从而达到完全包络握持物体的效果；如果在耦合转动两个指段的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持物体的效果。该装置能够自动适应不同形状、大小的物体；抓取范围大，稳定可靠。

附图说明

图1是本发明设计的连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置的一种实施例的初始状态时的立体外观图。

图2是图1所示实施例的立体外观图(未画出部分零件)。

图3是图1所示实施例的侧视外观图。

图4是图1所示实施例的正视图。

图5是图10所示实施例的正视图(未画出第一指段和第一表面板)。

图6是图1所示实施例的爆炸图。

图7是图1所示实施例的侧面外观(未画出部分零件)，显示出点A、B、C、D和E的位置。

图8是图7所示的AB、BCD、CE及基座连杆AD的四连杆机构简图，显示出在主动转动连杆AB时点E的移动轨迹，该轨迹中有一段直线轨迹就是本实施例的远关节轴平动阶段的移动轨迹。

图9至图11是图1所示实施例在耦合阶段的动作过程图。

图12至图14是图1所示实施例在自适应包络阶段的动作过程图。

图15是图1所示实施例自适应抓取物体示意图(未画出部分零件)。

在图1至图15中：

1－基座， 11－基座左板， 12－基座右板， 13－基座后板，

14－基座底板， 2－电机， 21－第一轴， 22－第二轴，

24－第三轴， 25－近关节轴， 26－远关节轴， 9－物体，

51－第一指段， 511—第一表面板， 52－第二指段， 6—第二传动件，

71－第一连杆， 72－第二连杆， 73－第三连杆， 8－弹簧，

91—第一传动轮， 92—第二传动轮， 93—第一传动件， 96—第三传动轮，

97—第四传动轮， 210—过渡传动机构， 211—减速器， 94—主动齿轮，

95—从动齿轮。

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、工作原理的内容。

本发明设计的连杆行星轮直线耦合自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图7所示，包括基座1、第一指段51、第二指段52、电机2、过渡传动机构210、第一传动轮91、第二传动轮92、第三传动轮96、第四传动轮97、第一传动件93、第二传动件6、第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73、第一轴21、第二轴22、第三轴24、近关节轴25、远关节轴26和弹簧8；所述电机2与基座1固接；所述电机2的输出轴与过渡传动机构210的输入端相连，所述过渡传动机构210的输出端与第一轴21相连；所述第一轴21套设在基座1中，所述第一传动轮91套固在第一轴21上；所述弹簧8的两端分别连接第一传动轮91、第一连杆71；所述第一连杆71的一端套接在第一轴21上，第一连杆71的另一端套接在第二轴22上；所述第二连杆72的一端套接在第二轴22上，第二连杆72的另一端套接在远关节轴26上；所述远关节轴26套设在第一指段51中，所述第一指段51与第二连杆72固接；所述近关节轴25套设在第二连杆72的中部；所述第三连杆73的一端套接在近关节轴25上，第三连杆73的另一端套接在第三轴24上，所述第三轴24套设在基座1中；所述第二指段52套接在远关节轴26上，所述第一轴21、第二轴22、第三轴24、近关节轴25、远关节轴26的中心线相互平行；所述第二传动轮92套接在第二轴22上，所述第一传动件93分别连接第一传动轮91、第二传动轮92，所述第一传动件93、第一传动轮91和第二传动轮92三者构成同向传动关系；所述第三传动轮96套接在第二轴22上，所述第二传动轮92与第三传动轮96固接，所述第四传动轮97套接在远关节轴26上，所述第四传动轮97与第二指段52固接；所述第二传动件6分别连接第三传动轮96、第四传动轮97，所述第二传动件6、第三传动轮96和第四传动轮97三者构成同向传动关系；设所述第一轴21的中心点为A，第二轴22的中心点为B，近关节轴25的中心点为C，第三轴24的中心点为D，远关节轴26的中心点为E；线段AD长度为线段AB长度的2倍，线段CD长度为线段AB长度的2.5倍，线段CD长度等于线段BC长度，线段BC长度等于线段CE长度。

本实施例中，所述弹簧8采用扭簧。

本实施例中，所述第一传动轮91、第二传动轮92、第一传动件93采用齿轮，所述第一传动件93分别与第一传动轮91、第二传动轮92啮合。

本实施例中，所述第三传动轮96、第四传动轮97采用带轮，所述第二传动件6采用传动带，所述第二传动件、第三传动轮和第四传动轮三者构成带轮传动关系。

本实施例中，所述过渡传动机构210包括减速器211、主动齿轮94和从动齿轮95；所述电机2的输出轴与减速器211的输入轴相连，所述主动齿轮94套固在减速器211的输出轴上，所述从动齿轮95套固在第一轴21上，所述主动齿轮94与从动齿轮95啮合。

所述基座1包括固接在一起的基座左板11、基座右板12、基座后板13和基座底板14；所述第一指段51还包括与其表面固接的第一表面板511。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图1、图2、图3和图4所示。

电机2转动，通过过渡传动机构210带动第一轴21转动，带动第一传动轮91转动，同时通过弹簧8 拉动第一连杆71绕着第一轴21的中心线转动；因为第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73和基座1构成了四连杆机构，并且满足以下条件：

a)线段BC的长度、线段CD的长度和线段CE的长度三者相等，

b)线段AD的长度等于线段AB的长度的2倍，

c)线段CD的长度是线段AB的长度的2.5倍；

所以，当第一连杆71逆时针从上方转动到下方时，点E的轨迹为直线，即运动中的点E到线段AD的垂线段长度始终不变，如图8所示。

此外，在初始阶段，由于第一传动轮91通过弹簧8拉动第一连杆71绕第一轴21的中心相对于基座1逆时针转动一个角度α，第一传动轮91相对第一连杆71是静止的，通过第一传动件93的传动，第二传动轮92相对第一连杆71是静止的，第三传动轮96相对第一连杆71是静止的，根据四连杆(第一连杆71、第二连杆72、第三连杆73和基座1连杆AD)的动作原理，远关节轴26会沿直线向左移动一段距离d，此时，第一连杆71和第三传动轮96相对第二连杆72绕第二轴22逆时针转动了一个角度β，通过第二传动件6带动第四传动轮97绕远关节轴26相对于第二连杆72逆时针转动一个角度β，第二指段52绕远关节轴26相对于第二连杆72逆时针转动一个角度β，实现直线耦合的抓取动作——当远关节轴26沿直线向左移动一段距离d的同时，第二指段52绕远关节轴26相对于第一指段51逆时针转动了一个角度β。在此过程中如果第二指段52接触物体9被阻挡，则抓取结束，此过程称为直线耦合抓取模式。直线耦合抓取过程如图9至图11所示。

当上述直线耦合抓取过程中，如果第二指段52还没有接触物体9，且第一指段51已经接触物体9并被阻挡不能再继续运动，则自动进入第二阶段——自适应抓取阶段，介绍如下：

电机2继续转动，通过过渡传动机构210带动第一轴21、第一传动轮91逆时针转动，第二连杆72和第一指段51被物体9阻挡而不再运动，故第一连杆71也不再运动，弹簧8发生变形，第二连杆72和第一指段52对物体9施加一个增大的抓持力，同时电机2的动力将带动第一传动轮91绕第一轴21继续逆时针转动，通过第一传动件93带动第二传动轮92绕第二轴22转动，第三传动轮95转动，通过第二传动件6带动第四传动轮97绕远关节轴26逆时针转动，第二指段52转动，直到第二指段52接触物体9，抓取结束，此过程称为自适应抓取模式。针对不同形状、尺寸的物体9，该装置具有自适应抓取的特点。自适应抓取过程如图12至图14所示。

释放物体9时，电机2反转，与上述过程相反，不再赘述。

本发明装置利用单个电机、多个连杆、多个齿轮、两个带轮和弹簧等综合实现了机器人手指直线耦合与自适应复合抓取的功能；利用单个电机驱动两个指段，达到欠驱动效果；根据物体形状和位置的不同，可以在耦合与自适应两种模式之间自动切换；该装置能够直线平动远关节轴，同时第二指段耦合转动去抓取物体，而在第一指段碰到物体后，又可解耦转动第二指段，使第二指段自动适应物体表面形状，从而达到完全包络握持物体的效果；如果在耦合转动两个指段的过程中，第二指段接触物体，则抓取结束，实现了捏持物体的效果。该装置能够自动适应不同形状、大小的物体；抓取范围大，稳定可靠。