专利名称：齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装 置的结构设计。
背景技术：
在日常生活和生产中，手部对于人类来说是一个极其重要的组成部分。与人类似，机器 人手部对于机器人整体结构来说也是极其重要的。随着科技的发展，各种各样的机器人巳经 逐渐进入人了人类的生产和生活当中，给人类带来了极大的便利，大大提高了社会生产能力。 实际上，多数的机器人都是通过其手部来抓取工件，从而开展工作。因此可以说机器人手部 对于机器人来说是必不可少的。目前机器人手的设计得到了科学界的广泛关注。但由于手部 的关节自由度多，体积又小、出力要求大和控制复杂等特点，又给机器人手设计制造领域带 来了许多技术难题，机器人手的发明设计成为机器人相关技术研究的重点和难点之一。近些 年来，耦合型机械手和欠驱动机械手成为机器人手研发领域的热点。
首先，来简单介绍一下机械手"耦合"抓取模式。人手在抓取物体时一般情况下是同时 弯曲多个手指关节实现抓取。举个例子，当人手从侧面横向抓取一个小直径竖放的圆柱形物
体时，食指、中指和无名指都会呈现出类似的弯曲特点，每个手指的第一、二、三关节均有 一定程度的弯曲转动，而且三个关节是同时弯曲的。在这种同时弯曲各关节的动作模式中， 如果各关节转动角度还成一定比例则称为"耦合"抓取模式。耦合抓取效果在多数抓取过程 是很常用的，不少机械手实现的就是这种耦合抓取效果。
已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)，主要包括基 座、电机、第一指段、第二指段和"8"字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、 "8"字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1:1角度的耦合运动。
已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、 第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮 传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多 个关节耦合转动的效果。
该类耦合抓取式机械手指装置的不足之处为各关节以固定角度比例转动，不能有自由 的角度比例转动，在抓取物体时一般以捏持方式，很难以恰好适应物体表面大小尺寸的方式 实现握持抓取方式，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自动适应性，抓取效果不好。 此外，该类装置中存在带式传动机构，需要对其进行预紧，导致了传动过程的不精确。
其次，来介绍一下"解耦"欠驱动抓取模式。由于前面所说的耦合抓取模式存在不能自 动适应物体大小和形状的缺点， 一种具有"解耦"效果的欠驱动抓取模式被提出来。 一般我 们将"解耦"欠驱动手指直接简称为欠驱动手指。所谓欠驱动机构是指驱动器个数少于被驱
3动的关节自由度数目的机构。在欠驱动机构中，多个关节的转动角度无固定比例，起初电机 驱动整个手指(包括第一指段、第二指段)呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段(最靠 近手指根部的指段)碰触物体被阻挡不能再转动，电机的驱动力会自动转向驱动下一个关节 转动，从而使第二指段再绕远关节轴转动，实现了两个关节顺序转动。该机构有一个自动适 应物体大小的特殊效果，非常有利于稳定抓取。
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、末端指段和平带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓 取物体的特殊效果，具有自适应性。
该类欠驱动机械手指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，动作 和外观与人手有较大差别，拟人化不够；抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持 抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体 时各关节呈自然弯曲状态。此外，该类装置中存在带式传动机构，需要对其进行预紧，直接 导致了传动过程的不精确。
综合可知，现有的耦合型机械手指和欠驱动机械手指均存在较大的不足。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条式并联耦合欠驱动机器人手指 装置，实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者有效地融合。该装置无过渡轴，结 构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很 相似，适合作为拟人机器人手的手指。
本发明的技术方案如下
本发明所述的一种齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、
近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机和减速器与基座固接，减速器的输 出轴与近关节轴相连，所述的近关节轴套设在基座中，所述的中部指段套接在近关节轴上， 所述的远关节轴套设在中部指段中，所述的末端指段套固在远关节轴上，远关节轴和近关节 轴平行；
其特征在于
该齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置还包括第一齿轮、第二齿轮、第一齿条、第三 齿轮、第四齿轮、第二齿条、第一簧件、第二簧件和第三簧件；
所述的第一齿轮套接在近关节轴上，第一齿轮与基座固接；所述的第二齿轮套接在远关 节轴上，所述的第一齿条两端分别与第一齿轮和第二齿轮啮合，令第一齿条与第一齿轮的啮 合点为A，第一齿条与第二齿轮的啮合点为B，第一齿轮的中心点为Oi，第二齿轮的中心点 为02，线段ChA、 AB、 B02和02Ch构成"8"字形，线段AB和Ch02相交且交点在C^Ch 上，所述的第一齿条镶嵌在中部指段中；所述的第一齿轮、第二齿轮和第一齿条三者能够配 合形成传动关系；
所述的第三齿轮固接在近关节轴上，所述的第四齿轮套接在远关节轴上，所述的第二齿条的两端分别与第三齿轮和第四齿轮啮合，令第二齿条与第三齿轮的啮合点为M，第二齿条 与第四齿轮的啮合点为N，第二齿轮的中心点为P，第四齿轮的中心点为Q，线段PM、 MN、 NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交,所述的第二齿条镶嵌在中部指段4中；所述 的第三齿轮、第四齿轮和第二齿条三者之间能够配合形成传动关系；
所述的第一簧件的两端分别连接近关节轴和中部指段；所述的第二簧件的两端分别连接 远关节轴和第二齿轮；所述的第三簧件的两端分连接远关节轴和第四齿轮。
本发明所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于减速器的输出轴通 过传动机构与近关节轴相连。
本发明所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传动机构包 括第一锥齿轮和第二锥齿轮；减速器的输出轴与第一锥齿轮固接，第一锥齿轮与第二锥齿轮 相啮合，第二锥齿轮套固在近关节轴上。
本发明所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的第一簧件、 第二簧件和第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果
该装置采用电机、齿轮齿条耦合传动机构、齿轮齿条欠驱动传动机构和多个簧件综合实
现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者有效地融合。该装置无过渡轴，结构简单；
传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适
合作为拟人机器人手的手指。
图1是本发明提供的齿条式并联耦合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的左侧视图。
图3是本实施例的D-D剖视图。
图4是本实施例的A-A剖视图。
图5是本实施例的B-B剖视图。
图6是本实施例的C-C剖视图。
图7是本实施例的第一齿条安装示意图。
图8是本实施例的第二齿条安装示意图。
图9是本实施例的外观立体图。
图IO是本实施例所有传动机构立体图。
图11是本实施例的三维爆炸视图。
图12、图13、图14、图15、图16和图17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。
在图1至图17中
l一基座， 2—电机， 3—近关节轴，
4—中部指段， 5 —远关节轴， 6—末端指段，7—-减速器，8 —-物体，
11--第一锥齿轮，12--第二锥齿轮，
21一第一齿轮，22--第一齿条，23--第二齿轮，31.-第三齿轮，32-—第二齿条，33.一第四齿轮，
41一第一簧件，42--第二簧件，43.-第三簧件，51.一第一凸台，52-一第二凸台，53.一第三凸台，
54—第四凸台，55-一第五凸台。
具体实施例方式
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。
本发明设计的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置的一种实施例，如图l、图2、图3、 图4、图5和图6所示，包括基座l、电机2、减速器7、近关节轴3、中部指段4、远关节轴 5和末端指段6;所述的电机2和减速器7与基座1固接，减速器7的输出轴与近关节轴3相 连，所述的近关节轴3套设在基座1中，所述的中部指段4套接在近关节轴3上，所述的远 关节轴5套设在中部指段4中，所述的末端指段6套固在远关节轴5上，远关节轴5和近关 节轴3平行；
该齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置还包括第一齿轮21 、第二齿轮23、第一齿条22、 第三齿轮31、第四齿轮33、第二齿条32、第一簧件41、第二簧件42和第三簧件43;
所述的第一齿轮21套接在近关节轴3上，第一齿轮21与基座1固接；所述的第二齿轮 23套接在远关节轴5上，所述的第一齿条22两端分别与第一齿轮21和第二齿轮23啮合， 令第一齿条22与第一齿轮21的啮合点为A，第一齿条22与第二齿轮23的啮合点为B，第 一齿轮21的中心点为O,，第二齿轮23的中心点为02，线段O,A、 AB、 BCh和C^Oi构成 "8"字形，线段AB和0,02相交且交点在Oi02上，所述的第一齿条(22)镶嵌在中部指段 4中；所述的第一齿轮21、第二齿轮23和第一齿条22三者能够配合形成传动关系；
所述的第三齿轮31固接在近关节轴3上，所述的第四齿轮33套接在远关节轴5上，所 述的第二齿条32的两端分别与第三齿轮31和第四齿轮33啮合，令第二齿条32与第三齿轮 31的啮合点为M，第二齿条32与第四齿轮33的啮合点为N，第三齿轮31的中心点为P， 第四齿轮33的中心点为Q，线段PM、 MN、 NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交， 所述的第二齿条32镶嵌在中部指段4中；所述的第三齿轮31、第四齿轮33和第二齿条32 三者之间能够配合形成传动关系；
所述的第一簧件41的两端分别连接近关节轴3和中部指段4;所述的第二簧件42的两端 分别连接远关节轴5和第二齿轮23;所述的第三簧件43的两端分连接远关节轴5和第四齿 轮33。
本实施例还包括传动机构，所述的减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴3相连。 在本实施例中，所述的传动机构包括第一锥齿轮11和第二锥齿轮12;减速器7的输出轴 与第一锥齿轮11固接，第一锥齿轮11与第二锥齿轮12相啮合，第二锥齿轮12套固在近关节轴3上。
本发明所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的第一簧件 (41)、第二簧件(42)和第三簧件(43)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。本实施例 中，所述的第一簧件41、第二簧件42和第三簧件43采用扭簧。
本实施例中，第一凸台51镶嵌固定在基座1和第一齿轮上；第二凸台52镶嵌固定在中 部指段中，用于第一齿条22和第二齿条33的定位；第三凸台53连接第一簧件21—端并镶 嵌固定在中部指段4上；第四凸台54连接第二簧件42—端并镶嵌固定在第二齿轮23上；第 五凸台55连接第三簧件43 —端并镶嵌固定在第四齿轮33上。
本实施例的工作原理，如图12、图13、图14、图15、图16和图17所示，叙述如下-
该装置的初始位置如图12所示,此时中部指段4和末端指段6与基座1呈手指伸直的状态。 当使用本实施例的机器人手指抓取物体8时，电机2的输出轴转动，通过第一锥齿轮ll带动 固接有第二锥齿轮12的近关节轴3转动，由于第一簧件31的约束作用，中部指段4和近关 节轴3仿佛固接在一起，中部指段4将绕着近关节轴3转动角度ct。
由于第一齿轮21固接在基座l上，在中部指段4转动过程中，远关节轴5相对于近关节 轴3的位置将改变，由于第一齿条22的下端与第一齿轮21啮合，故而中部指段4的转动会 让第一齿条22推动与其另一端啮合的第二齿轮23绕远关节轴5的中心线转动同样一个角度 a，第一齿轮和第二齿轮大小一致时，两关节的耦合转动角度为1:1，当然第一齿轮和第二齿 轮也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果，由于第二簧件42的约束作用，第二齿 轮23仿佛和远关节轴5固接在一起，使得第二齿轮23通过第二簧件42带动远关节轴5绕自 身轴线转动角度a。
电机2的输出轴转动，通过第一锥齿轮11带动固接有第三齿轮31的近关节轴3转动， 第三齿轮31推动第二齿条32，使得第四齿轮33绕远关节轴5转动角度ct。由于此时中部指 段4也绕着近关节轴3转动了角度a，故第四齿轮33相对于中部指段4的位置没有改变，因 此连接远关节轴5和第四齿轮33的第三簧件43产生一定的变形量。
此时，由于末端指段6套固在远关节轴5上，末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线 转动角度a，如图13所示。此过程直到中部指段4碰到物体8，中部指段4绕近关节轴3转 动了角度e，末端指段6也绕远关节轴5的中心线转动了角度e，如图14所示。上述过程均 为两关节采用耦合方式转动。
此时，如果末端指段6接触物体8，则完成抓持，采用的是捏持方式抓取物体。如图17 所示。
此时，如果末端指段6还未接触物体8，如图14所示。电机2的输出轴继续转动，通过 第一锥齿轮11带动固接有第二锥齿轮12的近关节轴3转动。
由于这时中部指段4已经接触物体8，中部指段4不能继续绕近关节轴3转动，第一簧件 41的继续变形将使中部指段4以越来越大的抓取力紧靠物体7。第一齿轮21也不再继续转动。
电机2的输出轴继续转动，第三齿轮31将推动第二齿条32,使得第四齿轮33转动。由
7于第四齿轮33的转动，第三簧件43的变形量将逐渐减小到零。接着第四齿轮33继续转动， 第三簧件43将发生与先前相反的变形，由于簧件43的约束作用，第四齿轮33和远关节轴5 仿佛固接在一起，因此会带动固接于远关节轴5上的末端指段6转动，如图15所示。此时连 接在第二齿轮23和远关节轴5的第二簧件42会发生变形，从而使得不再转动的第二齿轮不 会阻碍末端指段6的继续转动。这一过程直到末端指段6接触到物体，完成抓持动作，如图 16所示。此过程使得该装置能够自动适应抓取不同形状和尺寸大小的物体。
该装置采用电机、齿轮齿条耦合传动机构、齿轮齿条欠驱动传动机构和多个簧件综合实 现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者有效地融合。该装置无过渡轴，结构简单； 传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适 合作为拟人机器人手的手指。
权利要求
1、一种齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，包括基座(1)、电机(2)、减速器(7)、近关节轴(3)、中部指段(4)、远关节轴(5)和末端指段(6)；所述的电机(2)和减速器(7)与基座(1)固接，减速器(7)的输出轴与近关节轴(3)相连，所述的近关节轴(3)套设在基座(1)中，所述的中部指段(4)套接在近关节轴(3)上，所述的远关节轴(5)套设在中部指段(4)中，所述的末端指段(6)套固在远关节轴(5)上，远关节轴(5)和近关节轴(3)平行；其特征在于该齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置还包括第一齿轮(21)、第二齿轮(23)、第一齿条(22)、第三齿轮(31)、第四齿轮(33)、第二齿条(32)、第一簧件(41)、第二簧件(42)和第三簧件(43)；所述的第一齿轮(21)套接在近关节轴(3)上，第一齿轮(21)与基座(1)固接；所述的第二齿轮(23)套接在远关节轴(5)上，所述的第一齿条(22)两端分别与第一齿轮(21)和第二齿轮(23)啮合，令第一齿条(22)与第一齿轮(21)的啮合点为A，第一齿条(22)与第二齿轮(23)的啮合点为B，第一齿轮(21)的中心点为O1，第二齿轮(23)的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成“8”字形，线段AB和O1O2相交且交点在O1O2上，所述的第一齿条(22)镶嵌在中部指段(4)中；所述的第三齿轮(31)固接在近关节轴(3)上，所述的第四齿轮(33)套接在远关节轴(5)上，所述的第二齿条(32)的两端分别与第三齿轮(31)和第四齿轮(33)啮合，令第二齿条(32)与第三齿轮(31)的啮合点为M，第二齿条(32)与第四齿轮(33)的啮合点为N，第三齿轮(31)的中心点为P，第四齿轮(33)的中心点为Q，线段PM、MN、NQ和QP构成四边形，线段MN和PQ不相交，所述的第二齿条(32)镶嵌在中部指段(4)中；所述的第一簧件(41)的两端分别连接近关节轴(3)和中部指段(4)；所述的第二簧件(42)的两端分别连接远关节轴(5)和第二齿轮(23)；所述的第三簧件(43)的两端分连接远关节轴(5)和第四齿轮(33)。
2、 如权利要求1所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于减速器的 输出轴通过传动机构与近关节轴(3)相连。
3、 如权利要求2所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的传 动机构包括第一锥齿轮(11)和第二锥齿轮(12);减速器(7)的输出轴与第一锥齿轮(11) 固接，第一锥齿轮(11)与第二锥齿轮(12)相啮合，第二锥齿轮(12)套固在近关节轴(3) 上。
4、 如权利要求1所述的齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，其特征在于所述的第 一簧件(41)、第二簧件(42)和第三簧件(43)采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。
全文摘要
齿条式并联耦合欠驱动机器人手指装置，属于拟人机器人手设计技术领域。包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件。该装置采用电机、齿轮齿条耦合传动机构、齿轮齿条欠驱动传动机构和多个簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果两者有效地融合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。
文档编号B25J15/00GK101664929SQ20091009292
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者张文增, 李国轩 申请人:清华大学