双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置的制作方法

1.本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置的结构设计。


背景技术：

2.机器人手是机器人的重要部件，执行抓取工具或者物体的功能，帮助人类完成各种各样的任务。在机器日益广泛推广应用的过程中，机器人手也随之不断提高功能和性能。传统的机器人手往往是一种工业流水线夹取物体而产生的一种装置，包括了各种机床上的三爪卡盘，能够执行比较稳定而牢固的抓取工件任务，对于具有对称特点的物体尤为适合，这种方式一直到现在都广泛被采用。这种具有两个或者多个相向开合的手爪抓取模式被称为平行夹持模式。
3.另一方面，随着人形机器人的发展，仿人机器人的手部的研究也得到诸多的研究，逐渐开发出来各种仿人手的抓持器，也称为多指抓持器，或者多指机器人手。多指机器人手不仅具有相向弯曲的包络形抓取，也能够实施末端指尖的捏持。前者能够实现力量型抓取，后者可以达到精确的抓取，各有应用范畴。
4.在多指手发展到一定时候产生了灵巧手，即具有多个手指，每个手指具有2个以上关节的手指，一般需要达到9个主动驱动的自由度才成为具有完备操控性能的灵巧手。将更多的电机放入手中往往带来了机器人手的灵巧性提高，但是也造成成本高企的不足，尤其是控制的难度随着电机数量的增加而显著增加，在实时抓取不同的物体方面需要更大的传感与控制需求，给机器人手的实际应用推广带来麻烦。
5.一个将工业夹持器的实用低成本与灵巧手指的抓取模式多样性结合起来的中间道路遂逐渐浮出水面。在几十年前就有一些为残疾人造福的假手诞生出来，它们不仅具有人手指的外观、大致抓取功能，而且仅采用人身上的少量动力来源(例如扩胸运动)或者采用较少量的电机(或其他动力来源)驱动。这种方式——将驱动器数量设置得少于关节数量的机构设计方式，在机器人手设计领域被称为欠驱动(与控制学科领域的欠驱动控制含义有不同)。欠驱动手指技术在近十年来得到了较多的发展，从最初仅仅是联动双关节或三关节的耦合手指，发展到具有正向或者反向的耦合方式，后来又增加了自适应抓取模式，可以适应抓取不同形状、尺寸的物体。耦合抓取是一种将多个关节联动的单主动自由度而多关节的机构实现方式，给机器人手指带来了许多好处——降低了设计难度，降低了控制难度，提高了抓取机构的包络抓取效果，从动作上看也更加具有拟人化特点。此外反向耦合也是一类耦合机构，利用了两个关节相反方向的联动，实现了末端指段始终保持与基座固定不变的姿态，从而获得了平行夹持的功能。
6.平行夹持简称平夹，是一种末端指段从初始状态开始一直保持相对于基座(即手掌)不变的姿态，能够实现平行夹持抓取模式，在工业流水线上抓取多种物体均能够有较好的通用性。
7.此外，一种利用传动机构、弹簧和限位块综合巧妙设计获得的自适应抓取手指也
被陆续发明出来，这种抓取可以让两个以上的指段接触物体，而事先并未知晓物体的形状、尺寸，在抓取时仅驱动单个电机，获得对不同形状尺寸自适应包络抓取的效果。这种手指被称为自适应抓取机器人手指。
8.将平行夹持与自适应两种模式通过时间前后方式叠加起来构成的手指称为平行夹持自适应机器人手指，简称平夹自适应手指。目前加拿大robotiq公司(美国us8973958b2)开发了一种平夹自适应手指能够实现平夹与自适应抓取两种功能。不过其平夹抓取阶段，末端指段虽然能够实现平行夹持功能，但是其末端指段在运动中呈现出圆弧轨迹的运动，这对于抓取桌面上不同尺寸的物体时，会造成一定的困难——可能会有碰撞放置物体桌面的危险，因此往往需要机械臂(该机器人手安装在这个机械臂末端)配合协调控制，这样一来增加了控制难度，另一方面也在平夹物体变形的过程中不仅有相向挤压物体的动作，还有在手掌高度上移动了物体，这个移动量对于精确抓取控制来说也需要考虑到控制中去，这些都是该机器人手的不足之处。
9.一种实现末端沿着直线(或近似直线)轨迹的直线平行夹持手指被发明出来，川崎重工(世界专利wo2016063314a1)设计了一种利用切比雪夫连杆的直线平夹手指，其末端呈直线轨迹运动，其不足在于没有自适应抓取功能，无法包络抓取不同形状、尺寸的物体。


技术实现要素：

10.本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置。该装置具有末端指段呈近似直线轨迹的直线平行夹持功能，并具有自适应包络抓取模式，对不同形状、尺寸物体具有自适应性，仅利用单个电机驱动。
11.本发明的技术方案如下：
12.本发明设计的双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置，包括基座、电机、过渡传动机构、第一指段、第二指段、近关节轴和远关节轴；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；所述近关节轴套设在基座中，所述远关节轴套设在第一指段中，所述第二指段套接在远关节轴上；所述近关节轴、远关节轴的中心线相互平行；其特征在于：该双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴、第七轴、第一传动机构、第二传动机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第一拨轮、第一簧件、第二簧件和限位块；所述过渡传动机构的输出端分别与第一传动机构的输入端、第二传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端的转动方向与第二传动机构的输出端的转动方向相反；所述第一传动机构的输出端与第一拨轮相连；所述第一拨轮套接在近关节轴上；所述第一簧件的两端分别连接第一拨轮、第一连杆；所述第一连杆活动套接在近关节轴上；所述第二传动机构的输出端与第三连杆相连；所述第三连杆套接在近关节轴上；所述第二传动机构包括传动轴、第二拨轮、第三拨轮、主动拨块和从动拨块；所述主动拨块与第二拨轮固接，所述从动拨块与第三拨轮固接；所述传动轴套设在基座中，所述第二拨轮、第三拨轮分别套接在传动轴上；在初始状态时，所述主动拨块与从动拨块之间存在一段距离；所述第一轴套设在基座中，所述第二连杆套接在第一轴上，所述第二轴套设在第二连杆中，所述第一指段套接在第二轴上，所述第三轴套设在第一连杆中，第一指段套接在第三轴上，所述第四轴套设在第三连杆中，所述第四连杆套接在第四轴上，所述第五轴套设在第四连杆中，所述第五连杆套接
在第五轴上，第五连杆套接在第三轴上，所述第六轴套设在第五连杆中，所述第六连杆套接在第六轴上，所述第七轴套设在第六连杆中，所述第二指段套接在第七轴上；所述限位块与基座固接；在初始状态时，所述第三连杆或第四轴与限位块接触；设近关节轴、远关节轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴和第七轴的中心点分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i；线段af与线段eg长度相等,线段ae与线段fg长度相等；线段be与线段ih长度相等，线段bi与线段eh长度相等；线段ae、线段de、线段be、线段ac和线段cd的长度关系满足：ae:de:be:ac:cd＝1:1.4:2.4:3.4:2.6。
13.本发明所述的双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一传动机构包括第一齿轮、第二齿轮；所述第二传动机构包括第一齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮；所述第一传动机构的输入端与第二传动机构的输入端均为第一齿轮；所述第一齿轮与过渡传动机构的输出端相连，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮套接在近关节轴上，所述第二齿轮与第一拨轮相连；所述第三齿轮与第一齿轮啮合，所述第三齿轮与第二拨轮固接，所述第四齿轮与第三拨轮固接，所述第四齿轮与第五齿轮啮合，所述第五齿轮活动套接在近关节轴上，所述第五齿轮与第三连杆固接。
14.本发明所述的双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置，其特征在于：所述过渡传动机构包括减速器、蜗杆、蜗轮和过渡轴；所述过渡轴套设在基座中；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述蜗杆套固在减速器的输出轴上；所述蜗轮套固在过渡轴上；所述蜗杆与蜗轮啮合。
15.本发明所述的双路齿轮多连杆直线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、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧。
16.本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
17.该装置可以实现两关节直线平夹和自适应抓取模式。在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：第二指段平动且轨迹为近似直线，适合夹持平面上的物体；当第一指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：第二指段绕远关节轴转动，直到包络抓取物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用单个电机驱动两个关节，抓取稳定且具有变抓力效果，控制简单，制造和维护成本低。
附图说明
18.图1是本发明设计的双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例的立体外观图。
19.图2是图1所示实施例的另一角度的立体外观图。
20.图3是图1所示实施例的正视图。
21.图4是图1所示实施例的后视图。
22.图5是从图1相近视角观察的内部立体图(未画出部分零件)。
23.图6是从图2相近视角观察的内部立体图(未画出部分零件)。
24.图7是图1所示实施例中部分零件立体图。
25.图8是图1所示实施例中部分零件的剖视图。
26.图9是部分连杆机构的原理简图，该连杆机构实现了末端点近似直线轨迹运动。
27.图10是图1所示实施例的机构原理简图。
28.图11至图13是图1所示实施例中主动拨块、从动拨块、第四齿轮、第五齿轮、第三连杆的相对位置动作过程。
29.图14是图1所示实施例直线平行夹持动作过程。
30.图15是图1所示实施例采用直线平夹模式抓取物体。
31.图16是图1所示实施例采用自适应模式抓取物体。
32.在图1至图16中：
33.1－基座，
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10－限位块，
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11－电机，
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12－减速器，
34.13－蜗杆，
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14－蜗轮，
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15－过渡轴，
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21－第一指段，
35.22－第二指段，
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31－近关节轴，
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32－远关节轴，
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33－传动轴，
36.41－第一轴，
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42－第二轴，
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43－第三轴，
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44－第四轴，
37.45－第五轴，
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46－第六轴，
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47－第七轴，
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51－第一齿轮，
38.52－第二齿轮，
39.53－第三齿轮(同时也是第二拨轮)， 54－第四齿轮(同时也是第三拨轮)，
40.55－第五齿轮，
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61－第一连杆，
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62－第二连杆，
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63－第三连杆，
41.64－第四连杆，
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65－第五连杆，
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66－第六连杆，
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71－第一簧件，
42.72－第二簧件，
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81－拨轮，
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9－物体，
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100－第一手指，
43.200－第二手指。
具体实施方式
44.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。
45.本发明设计的双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图8所示。
46.图1中，两个本实施例对称布置，形成一款完整的机器人手。
47.本发明所述双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置的实施例，包括基座1、电机11、过渡传动机构、第一指段21、第二指段22、近关节轴31和远关节轴32；所述电机11与基座1固接，所述电机11的输出轴与过渡传动机构的输入端相连；所述近关节轴31套设在基座1中，所述远关节轴32套设在第一指段21中，所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述近关节轴31、远关节轴32的中心线相互平行。该双路齿轮多连杆直线平夹自适应机器人手指装置还包括第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46、第七轴47、第一传动机构、第二传动机构、第一连杆61、第二连杆62、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65、第六连杆66、第一拨轮81、第一簧件71、第二簧件72和限位块10；所述过渡传动机构的输出端分别与第一传动机构的输入端、第二传动机构的输入端相连；所述第一传动机构的输出端的转动方向与第二传动机构的输出端的转动方向相反；所述第一传动机构的输出端与第一拨轮81相连；所述第一拨轮81套接在近关节轴上；所述第一簧件71的两端分别连接第一拨轮81、第一连杆61；所述第一连杆61活动套接在近关节轴31上；所述第二传动机构的输出端与第三连杆63相连；所述第三连杆63套接在近关节轴31上；所述第二传动机构包括传动轴33、第二拨轮53、第三拨轮54、主动拨块531和从动拨块541；所述主动拨块531与第二拨轮541固接，所述从动拨块541与第三拨轮54固接；所述传动轴33套设在基座1中，所述第二拨轮53、第三拨轮54分别套接在传动轴33上；在初始状态时，所述主动拨块531与从动拨
块541之间存在一段距离；所述第一轴41套设在基座1中，所述第二连杆62套接在第一轴41上，所述第二轴42套设在第二连杆62中，所述第一指段21套接在第二轴42上，所述第三轴43套设在第一连杆61中，第一指段21套接在第三轴43上，所述第四轴44套设在第三连杆63中，所述第四连杆64套接在第四轴44上，所述第五轴45套设在第四连杆64中，所述第五连杆65套接在第五轴45上，第五连杆65套接在第三轴43上，所述第六轴46套设在第五连杆65中，所述第六连杆66套接在第六轴46上，所述第七轴47套设在第六连杆66中，所述第二指段22套接在第七轴47上；所述限位块10与基座1固接。
48.本发明中，在初始状态时，所述第三连杆63或第四轴44与限位块10接触；本实施例中，在初始状态时，所述第四轴44与限位块10接触。
49.本实施例中，设近关节轴31、远关节轴32、第一轴41、第二轴42、第三轴43、第四轴44、第五轴45、第六轴46和第七轴47的中心点分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i；线段af与线段eg长度相等,线段ae与线段fg长度相等；线段be与线段ih长度相等，线段bi与线段eh长度相等；线段ae、线段de、线段be、线段ac和线段cd的长度关系满足：ae:de:be:ac:cd＝1:1.4:2.4:3.4:2.6。
50.本实施例中，所述第一传动机构包括第一齿轮51和第二齿轮52；所述第二传动机构包括第一齿轮51、第三齿轮53、第四齿轮54和第五齿轮55。所述第一齿轮51与过渡传动机构的输出端相连，所述第一齿轮51与第二齿轮52啮合，所述第二齿轮52套接在近关节轴31上；所述第二齿轮52与第一拨轮81相连；所述第三齿轮53与第一齿轮51啮合；所述第三齿轮53与第二拨轮固接，在本实施例中第三齿轮53同时也是第二拨轮；所述第四齿轮54与第三拨轮固接，在本实施例中第四齿轮54同时也是第三拨轮；所述第四齿轮54与第五齿轮55啮合，所述第五齿轮55活动套接在近关节轴31上，所述第五齿轮55与第三连杆63固接。
51.本实施例中，所述过渡传动机构包括减速器12、蜗杆13、蜗轮14和过渡轴15；所述过渡轴15套设在基座1中；所述电机11的输出轴与减速器12的输入轴相连；所述蜗杆13套固在减速器12的输出轴上；所述蜗轮14套固在过渡轴15上；所述蜗杆13与蜗轮14啮合。
52.本实施例中，第一齿轮51套固在过渡轴15上，第二齿轮52套固在近关节轴31上，第一拨轮81套固在近关节轴上。
53.本发明所述的双路齿轮多连杆直线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、压簧或扭簧；所述第二簧件采用拉簧、压簧或扭簧。本实施例中，所述第一簧件71采用扭簧；所述第二簧件72采用拉簧。
54.本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：
55.(1)直线平夹抓取模式
56.电机11转动，通过减速器12带动蜗杆13转动，蜗轮14转动，过渡轴15转动，第一齿轮51转动，分别带动第二齿轮52和第三齿轮53转动。
57.其中，第二齿轮52转动，带动近关节轴31转动，带动第一拨轮81转动，通过第一簧件71使得第一连杆61转动。
58.第一连杆61、第二连杆62、基座1和第一指段21构成了远关节轴中心点(b点)沿近似直线运动的一种连杆机构。该机构在第一连杆61摆动时，远关节轴的中心点(b点)沿着近似直线轨迹运动。连杆机构原理如图9所示，点b在近似直线s上运动。
59.所以，在第一连杆61转动过程中b点的运动轨迹为近似直线。
60.又由于第一连杆61、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65四者构成平行四连杆机构，而且第一指段21、第五连杆65、第六连杆66、第二指段22四者也构成平行四连杆机构，机构原理如图10所示，因此，线段af与线段ge平行，线段bi与线段eh平行，故线段af与线段bi平行。
61.此时，在第二簧件72的作用下，第三连杆63与限位块10接触，第三连杆63相对于基座1保持不变姿态，因此，第五连杆65、第二指段22均分别相对基座1保持不变的姿态，因此第二指段22在此运动过程中沿近似直线轨迹平动，该装置实现了直线平行夹持功能。
62.最初，主动拨块531和从动拨块541之间存在一段距离，所以在电机11开动后的一段时间，主动拨块与第三齿轮(与第二拨轮固接)53转动，但是从动拨块与第四齿轮(与第三拨轮固接)54不动，故第五齿轮55不动，因此第三连杆63(以及第四轴)在第二簧件72的作用下保持相对于基座1的不变姿态。
63.上述过程中，第二指段22相对于基座1不变的姿态沿着近似直线轨迹平动，实现了直线平行夹持(简称直线平夹)运动过程，如图14所示。在此过程中，当第二指段22接触物体9，抓取结束，从而实现了直线平夹物体的功能，如图15所示。
64.第二指段22接触物体9之后，电机11继续转动，第一簧件71变形量增大，对物体99的抓取力增大，获得变抓力调节的效果。
65.(2)自适应抓取模式
66.在上述的直线平行夹持运动过程中，当第一指段21率先接触物体时，电机11继续转动，第一指段21被阻挡而无法进一步转动，因此第一连杆61无法继续转动。此时，第一齿轮51、第二齿轮52继续转动，第一簧件71变形量增大(对物体的抓取力增大)。过渡轴15继续转动，第一齿轮51继续转动，第三齿轮(第二拨轮)53继续转动，主动拨块531会在一段空行程之后接触到从动拨块541，主动拨块531拨动从动拨块541，使得第四齿轮(第三拨轮)54转动，此过程如图11至图13所示。图11为初始状态时的情况，此时，主动拨块531与从动拨块541有一段距离，第三连杆63在第二簧件72的作用下处于初始位置，第四轴44靠在与基座1固接的限位块10上。图12为平夹状态结束即将进行自适应的状态，此时主动拨块531经过一段空程间隙之后转动到刚接触到从动拨块541，此时第三连杆63仍然处于初始位置。图13为自适应状态，此时主动拨块531推动从动拨块541一起转动了一个角度，此时第三连杆63也相应的因为第五齿轮55与第四齿轮54的啮合而发生了转动(从而带来第二指段22的转动)，此时第四轴44离开了接触限位块10的初始位置，第二簧件72的变形量增大。
67.从动拨块541和第四齿轮54转动，从而使得第五齿轮55和第三连杆63转动，第三连杆63的转动方向与第二齿轮52的转动方向相反。
68.因为前述的两个平行四连杆机构(第一连杆61、第三连杆63、第四连杆64、第五连杆65和第一指段21、第五连杆65、第六连杆66和第二指段22)，所以第二指段22随着第三连杆63转动而同向转动。此时，第二簧件72变形量增大，第三连杆63不再接触限位块10，第三连杆63离开限位块10方向转动。
69.因为第一传动机构与第二传动机构的传动方向相反，因此，第三连杆63的转动方向与第一连杆61的转动方向相反，会带来第二指段22向抓取物体9靠拢，直到第二指段22接触到物体9，抓取结束，如图16所示。该过程对不同形状尺寸物体具有自适应性，实现自适应包络抓取。
70.释放物体9的过程与上述过程相反，不再赘述。
71.该装置可以实现两关节直线平夹和自适应抓取模式。在初始阶段，该装置为直线平行夹持模式：第二指段平动且轨迹为近似直线，适合夹持平面上的物体；当第一指段接触物体被阻挡，该装置进入自适应抓取模式：第二指段绕远关节轴转动，直到包络抓取物体。该装置对不同形状、尺寸物体具有自适应性，采用单个电机驱动两个关节，抓取稳定且具有变抓力效果，控制简单，制造和维护成本低。