技术领域本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种柔性件齿轮平夹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齿轮组机构，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。在抓取物体时主要有两种抓取方法，一种是捏持，一种是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夹取物体，采用两个点或两个软指面去接触物体，主要针对小尺寸物体或具有对立面的较大物体；握持是用手指的多个指段包络环绕物体来实现多个点的接触，达到更稳定的形状包络抓取。工业夹持器一般采用捏持方式，难以具有稳定握持功能，不能适应多种形状物体的稳定包络抓取；自适应欠驱动手指可以采用自适应包络物体的方式握持，但是无法实施捏持抓取；耦合的多关节手可以实现多关节同时转动，能够实现捏持，不能实现针对多种形状物体的稳定的多点包络握持。上述三种手均有很大的提升空间。现实中很需要一种既具有捏持功能，又能够实现稳定自适应包络抓持的机器人手。已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置采用非常复杂的多连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。
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，提供一种柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置。该装置具有多种抓取模式，既能平动第二指段夹持物体，也能先后合上第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；无需复杂的传感和控制系统。本发明的技术方案如下：本发明设计的一种柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴和驱动器；所述驱动器与基座固接；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；其特征在于：该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置还包括传动机构、第一传动轮、第二传动轮、柔性传动件、主动齿轮、从动齿轮、齿轮组、凸块拨盘、第一指段凸块、第一簧件、第二簧件、第一限位凸块和第二限位凸块；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连；所述柔性传动件的一端与传动机构的输出端相连，所述柔性传动件的另一端与第二指段固接；所述第一传动轮活动套接在近关节轴上，所述第二传动轮套接在远关节轴上，第二传动轮与第二指段固接；定义该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置抓取物体的一侧为该装置的前方，相对的另一侧即远离抓取物体的那一侧为该装置的后方；所述柔性传动件依次从前方缠绕经过第一传动轮，穿过第一指段，从前方缠绕经过第二传动轮；所述主动齿轮活动套接在近关节轴上；所述从动齿轮套接在远关节轴上，从动齿轮与第二指段固接；所述主动齿轮与齿轮组的输入端相连，所述齿轮组的输出端与从动齿轮相连；所述齿轮组安装在第一指段中；相对于第一指段，所述齿轮组的传动使得从动齿轮的转动方向与主动齿轮的转动方向相同；相对于第一指段，所述齿轮组的传动使得从动齿轮的转动速度与主动齿轮的转动速度相等；所述凸块拨盘活动套接在近关节轴上，所述凸块拨盘与主动齿轮固接；所述第一限位凸块与基座固接；所述凸块拨盘与第一限位凸块相接触或离开一段距离；设第一指段靠向物体的转动方向为近关节正方向，第一指段远离物体的转动方向为近关节反方向；在该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，凸块拨盘与第一限位凸块接触，设此时凸块拨盘相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，凸块拨盘朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，凸块拨盘朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述第一限位凸块限制凸块拨盘的转动角度只能为正；所述第一簧件的两端分别连接凸块拨盘和基座；第一传动轮的半径大于第二传动轮的半径；所述柔性传动件采用传动带、腱绳或链条，所述第一传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮采用带轮、绳轮或链轮，所述柔性传动件、第一传动轮和第二传动轮三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系；所述第二簧件的两端分别连接第一指段和基座；所述第一指段凸块与第一指段固接，所述第二限位凸块与基座固接，所述第一指段凸块与第二限位凸块相接触或离开一段距离；在该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时，第一指段凸块与第二限位凸块接触，设此时第一指段凸块相对基座的旋转角度为0度，从该位置开始，第一指段凸块朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，第一指段凸块朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述第二限位凸块限制第一指段凸块的转动角度只能为正。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：还包括过渡滑轮和滑轮轴，所述过渡滑轮套接在滑轮轴上，所述滑轮轴套设在基座或第一指段中，所述柔性传动件分别缠绕经过不同的过渡滑轮。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第一中间轴、第二中间轴和第三中间轴；所述第一齿轮与主动齿轮啮合，所述第一齿轮套接在第一中间轴上；所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述第二齿轮套接在第二中间轴上；所述第三齿轮与第二齿轮啮合，所述第三齿轮套接在第三中间轴上；所述第三齿轮与从动齿轮啮合；所述第一中间轴、第二中间轴和第三中间轴分别套设在第一指段中。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驱动器、两个柔性件、传动轮、齿轮、两个簧件、凸块拨盘和两个限位凸块等综合实现了平行夹持及通用抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。附图说明图1是本发明设计的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。图2是图1所示实施例的正面外观图。图3是图1所示实施例的一个侧面外观图(图2的右视图)。图4是图1所示实施例的另一个侧面外观图(图2的左视图)。图5是图1所示实施例的A-A剖视图(部分零件未画出)。图6是图1所示实施例的B-B剖视图(部分零件未画出)。图7是图1所示实施例的从一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。图8是图1所示实施例的从另一个角度观察的内部立体视图(未画出部分零件)。图9是图1所示实施例的正面视图(未画出基座前板、基座表面板、第一指段左侧板、第一指段右侧板和第一指段表面板)。图10是图1所示实施例的爆炸视图。图11至图15是图1所示实施例在以包络握持的方式抓取物体的动作过程示意图。图16至图18是图1所示实施例抓取物体的另一种方式——平行开合用第二指段夹持物体(称为平夹抓取)的动作过程示意图。图19至图21是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程中几个关键位置时，凸块拨盘、第一簧件与第一限位凸块的相对位置的变化情况。图22是图15和图21所示情况的侧后方观察的立体外观图，展示出第一限位凸块与凸块拨盘的相对位置，以及第二限位凸块与第一指段凸块的相对位置。在图1至图22中：1－基座，111－基座前板，112－基座后板，113－基座左侧板，114－基座右侧板，115－基座表面板，116－基座底板，181－第一限位凸块，182－第二限位凸块，2－第一指段，21－第一指段骨架，22－第一指段左侧板，23－第一指段右侧板，24－第一指段表面板，25－第一指段凸块，3－第二指段，4－近关节轴，5－远关节轴，6－第一传动轮，7－第二传动轮，8－柔性传动件，81－过渡滑轮，82－过渡滑轮轴，83－轴承，84－套筒，85－螺钉，9－主动齿轮，10－从动齿轮，11－齿轮组，91－第一齿轮，92－第二齿轮，93－第三齿轮，911－第一中间轴，921－第二中间轴，931－第三中间轴，12－凸块拨盘，13－第一簧件，14－驱动器(电机)，141－减速器，142－螺杆，143－螺母板，17－物体，19－第二簧件；M－本实施例抓取物体的一侧，简称前方；N－背向物体的一侧，简称后方。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。本发明设计的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图10所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近关节轴4、远关节轴5和驱动器14；所述驱动器14与基座1固接；所述近关节轴4的中心线与远关节轴5的中心线平行。本实施例还包括传动机构、第一传动轮6、第二传动轮7、柔性传动件8、主动齿轮9、从动齿轮10、齿轮组11、凸块拨盘12、第一指段凸块25、第一簧件13、第二簧件19、第一限位凸块181和第二限位凸块182；所述近关节轴4活动套设在基座1中；所述远关节轴5活动套设在第一指段2中；所述第一指段2套固在近关节轴4上；所述第二指段3套固在远关节轴5上；所述传动机构设置在基座1中；所述驱动器14的输出轴与传动机构的输入端相连；所述柔性传动件8的一端与传动机构的输出端相连，所述柔性传动件8的另一端与第二指段3固接；所述第一传动轮6活动套接在近关节轴4上，所述第二传动轮7套接在远关节轴5上，第二传动轮7与第二指段3固接；定义该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置抓取物体17的一侧为该装置的前方(图5和图6中标记M的一侧)，相对的另一侧即远离抓取物体17的那一侧为该装置的后方(图5和图6中标记N的一侧)；所述柔性传动件8依次从前方缠绕经过第一传动轮6，穿过第一指段2，从前方缠绕经过第二传动轮7；所述主动齿轮9活动套接在近关节轴4上；所述从动齿轮10套接在远关节轴5上，从动齿轮10与第二指段3固接；所述主动齿轮9与齿轮组11的输入端相连，所述齿轮组11的输出端与从动齿轮10相连；所述齿轮组11安装在第一指段2中；相对于第一指段2，所述齿轮组11的传动使得从动齿轮10的转动方向与主动齿轮9的转动方向相同；相对于第一指段2，所述齿轮组11的传动使得从动齿轮10的转动速度与主动齿轮9的转动速度相等；所述凸块拨盘12活动套接在近关节轴4上，所述凸块拨盘12与主动齿轮9固接；所述第一限位凸块181与基座1固接；所述凸块拨盘12与第一限位凸块181相接触或离开一段距离；设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向(如图11中的顺时针方向)，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向；在该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态(如图11所示的伸直状态)时，凸块拨盘12与第一限位凸块181接触，设此时凸块拨盘12相对基座1的旋转角度为0度，从该位置开始，凸块拨盘12朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，凸块拨盘12朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述第一限位凸块181限制凸块拨盘12的转动角度只能为正；所述第一簧件13的两端分别连接凸块拨盘12和基座1；第一传动轮6的半径大于第二传动轮7的半径，此半径为传动的有效半径，即节圆半径；所述柔性传动件8采用传动带、腱绳或链条，所述第一传动轮6采用带轮、绳轮或链轮，所述第二传动轮7采用带轮、绳轮或链轮，所述柔性传动件8、第一传动轮6和第二传动轮7三者之间配合形成带轮传动关系、绳轮传动关系或链轮传动关系；所述第二簧件19的两端分别连接第一指段2和基座1，如图5所示。所述第二簧件19的作用是配合柔性传动件8，使得第一指段2相对于第二指段3保持或恢复到位于某个初始姿态(例如伸直的状态)；在初始状态时，第一指段2的后方局部接触基座1的后方局部，图11是本实施例的初始状态，此时，基座1限制了第一指段2在图11中的逆时针旋转，在图11中的第一指段2只能顺时针旋转，如图11中的箭头所示方向。本实施例中，所述第一指段凸块25与第一指段2固接，所述第二限位凸块182与基座1固接，所述第一指段凸块25与第二限位凸块182相接触或离开一段距离。在该柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态(如图11所示的伸直状态)时，第一指段凸块25与第二限位凸块182接触，设此时第一指段凸块25相对基座1的旋转角度为0度，从该位置开始，第一指段凸块25朝近关节正方向旋转时的转动角度为正，第一指段凸块25朝近关节反方向旋转时的转动角度为负；所述第二限位凸块182限制第一指段凸块25的转动角度只能为正。定义第一指段凸块25与第二限位凸块182相接触的位置为第一指段2绕近关节轴4的转角为零，如图11所示的顺时针方向(箭头方向)为正方向，逆时针为负方向，第二限位凸块182单向限制了第一指段凸块25和第一指段2绕近关节轴4的中心线只能旋转的正的角度，不能旋转到负的角度，第二簧件19使得第一指段凸块25倾向于与第二限位凸块182相接触。设第一指段2靠向物体17的转动方向为近关节正方向(如图11中的顺时针方向)，第一指段2远离物体17的转动方向为近关节反方向(如图11中的逆时针方向)；在柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置处于初始状态时(如图1、图11所示的伸直状态)，凸块拨盘12与第一限位凸块181接触，设此时凸块拨盘122相对基座1的旋转角度为0度(如图19所示)，从该位置开始，凸块拨盘12朝近关节正方向旋转时(小于180度)的转动角度为正，凸块拨盘12朝近关节反方向旋转时(小于180度)的转动角度为负；所述第一限位凸块181限制凸块拨盘12的转动角度只能为正，即凸块拨盘12只能沿着如图20所示的箭头指示方向转动。本发明所述的柔性件齿轮平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述驱动器14采用电机、气缸或液压缸。所述第一簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。所述第二簧件采用拉簧、压簧、片簧或扭簧。本实施例中，所述驱动器14采用电机；所述第一簧件13采用拉簧。所述第二簧件19采用拉簧。本实施例还包括3个过渡滑轮81和3个对应的过渡滑轮轴82；每个所述过渡滑轮81套接在对应的过渡滑轮轴82上；所述第一过渡滑轮轴套设在基座1中，所述第二过渡滑轮轴、第三过渡滑轮轴分别套设在第一指段2中；所述柔性传动件8分别缠绕经过第一过渡滑轮、第二过渡滑轮和第三过渡滑轮。第一过渡滑轮、第二过渡滑轮、第三过渡滑轮的设置可以加大柔性传动件8在第一传动轮6、第二传动轮7上的缠绕弧长，获得更大的手指弯曲角度范围，还可以减少传动摩擦，降低能耗。本实施例中，所述齿轮组11包括第一齿轮91、第二齿轮92、第三齿轮93、第一中间轴911、第二中间轴921和第三中间轴931；所述第一齿轮91与主动齿轮9啮合，所述第一齿轮91套接在第一中间轴911上；所述第二齿轮92与第一齿轮91啮合，所述第二齿轮92套接在第二中间轴921上，所述第三齿轮93与从动齿轮10啮合，所述第三齿轮93套接在第三中间轴931上；所述第一中间轴911、第二中间轴921和第三中间轴931均分别套设在第一指段2中。本实施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左侧板113、基座右侧板114、基座表面板115和基座底板116。本实施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左侧板22、第一指段右侧板23和第一指段表面板24。本实施例中，所述传动机构包括减速器141，螺杆142和螺母板143；所述电机14的输出轴与减速器141的输入轴相连，所述螺杆142与减速器141的输出轴固接，所述螺杆142的中心线与减速器141的输出轴的中心线一致，所述螺母板143与螺杆142形成螺纹传动关系，所述螺母板143滑动镶嵌在基座1中，所述螺母板143与柔性传动件8的一端固接。本实施例还采用了若干轴承83、若干套筒84和若干螺钉85等零件，属于公知技术，不赘述。本实施例的工作原理，结合附图11至图22，叙述如下：凸块拨盘12转角与第二指段3运动的关系介绍如下：本实施例中，将初始位置设置为手指伸直的状态(如图11所示)。(也可以将初始位置设置为其他位置。)a)当凸块拨盘12的旋转角度为0度时(如图19所示)，无论第一指段2处于何位置，由于凸块拨盘12与主动齿轮9固接，所以主动齿轮9相对基座1的位置不变，由于主动齿轮9通过齿轮组11到从动齿轮10的传动比为1(等速传动)，因而在齿轮组11的作用下，所以从动齿轮10相对基座1的只进行平移运动而不会旋转，由于从动齿轮10与第二指段3固接，所以第二指段3相对基座1只进行平移运动而不会旋转。b)当凸块拨盘12的旋转角度为正时，由于主动齿轮9和从动齿轮10的半径相等，即两者转动的传动比为1，在齿轮组11的作用下，从动齿轮10的旋转角度等于主动齿轮9的旋转角度，也就是等于凸块拨盘12的旋转角度。当本实施例抓取物体17时，驱动器14通过传动机构(本实施例中为螺杆和螺母)拉动柔性传动件8，使得第一传动轮6正转，第一传动轮6相对基座1的转角为α。在柔性传动件8的作用下，第一传动轮6相对第一指段2的转角与第二传动轮7相对第一指段2的转角有一定比例的关系。设从第一传动轮6通过柔性传动件8传动到第二传动轮7的传动比为i，该传动比是相对于第一指段2，第一传动轮6转速与第二传动轮7转速之比，它等于第二传动轮7的半径与第一传动轮6的半径之比。由于第一传动轮6的半径大于第二传动轮7的半径，因此是增速传动，输出速度大于输入速度，故传动比i小于1。设第一指段2绕近关节轴4的转角为δ。由于第二传动轮7与第二指段3固接，而第二指段3相对于基座1没有发生转动，因此此时第二传动轮7也就相对于基座1没有发生转动，于是可以推导得出本实施例装置将平衡于满足如下(公式1)的位置：α＝δ(1-i)(公式1)由于i小于1，可以求出一个α和δ分别为正的不同角度(其中α小于δ)。因此当驱动器14通过传动机构的传动，向下拉动柔性传动件8一段距离时，第一传动轮6转动了一个角度α，此时，第一指段2绕近关节轴4转过了一个角度δ，此时第二簧件19发生变形，第二指段3相对于基座1始终是同一个姿态，只是位置发生了变化。这是平行夹持的阶段。这一阶段适合以第二指段3去夹持物体17，或者通过外张的方式用第二指段3去从内向外打开的方式外张撑取物体17。例如一个空心圆柱筒的拿取，从该物体的内侧向外张开撑住筒壁，从而拿取物体。当第一指段2接触物体17而被物体17阻挡不能再转动，自动进入自适应包络的第二阶段(如图14、图15所示)，这时驱动器(电机)14通过传动机构的传动，继续向下拉动柔性传动件8，拉动第二指段3、第二传动轮7和从动齿轮10固接在一起的三者同时绕远关节轴5转动，通过齿轮组11带动主动齿轮9和凸块拨盘12绕近关节轴4转动，第一簧件13发生变形(如图20、图21所示)，此时第二指段3会绕远关节轴5的中心线继续转动，直到第二指段3接触物体17为止，完成自适应包络抓取物体的效果。针对不同形状、大小的物体，本实施例具有自适应性，能够通用抓取多种物体。图11至图15是图1所示实施例以包络握持的方式抓取物体17的动作过程示意图，其中，图11为初始状态，图11至图13为第一指段2接触到物体17之前的动作过程——平行开合方式动作，图13为第一指段2刚接触到物体的情况，图13至图15为第一指段2接触到物体17之后的动作过程——自适应包络物体，直到第二指段3接触物体，如图15所示，抓取结束。图16至图18是图1所示实施例抓取物体17的另一种可能方式——平行捏持物体的典型动作过程，直到第二指段3接触物体17，如图18所示，抓取结束。图19至图21是图1所示实施例依次以平行开合及自适应包络抓取物体的动作过程中的几个关键位置，展示出凸块拨盘12、第一簧件13与第一限位凸块181的相对位置的变化情况：1)图19所示的情况是图11、图12和图13的相同凸块拨盘位置情况，此时实施例处在初始位置或者仅弯曲了第一指段，第一簧件13使凸块拨盘12与第一限位凸块181相接触，第二指段3处于相对于基座1的固定姿态(例如本实施例中的竖直的初始姿态)，这种情况一直持续到图13；2)图20与图14情况相似，此时实施例的第一指段2已经接触到物体17被阻挡而不能运动，在电机14的驱动作用下，通过传动机构、柔性传动件8、第一传动轮6、第二传动轮7的传动作用下，第二指段3已经绕远关节轴5转动一个角度(相对于基座1也就发生转动了)，第二指段3已经不再保持原来竖直的初始姿态，通过从动齿轮10、齿轮组11、主动齿轮9和凸块拨盘12,，拉动第一簧件12发生了变形，凸块拨盘12离开了原来一直接触的第一限位凸块181；3)直到图21的情况，图21与图15的情况相同，此时实施例完成对物体的两个指段的接触——实现包络抓取，与图20的情况相比，图21中的凸块拨盘12转动到了更大的角度，离开第一限位凸块181远的距离了，第二指段3也转动了同样的角度。图22是图15和图21所示情况的侧后方观察的立体外观图，展示出第一限位凸块181与凸块拨盘12的相对位置，以及第二限位凸块182与第一指段凸块25的相对位置，此时第一指段2绕近关节轴4的中心线已经转动了一个角度，第一指段凸块25已经离开第二限位凸块182一段距离，此时第二指段3相对于基座1已经发生了转动，凸块拨盘12已经离开第一限位凸块181一段距离，此时，第一簧件13和第二簧件19均已发生变形。释放物体的过程与上述过程刚好相反，不再赘述。本发明装置利用单个驱动器、两个柔性件、传动轮、齿轮、两个簧件、凸块拨盘和两个限位凸块等综合实现了平行夹持及通用抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个驱动器驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。