專利名稱：差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿人機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
手對人來說是非常重要的器官，在仿人機器人領(lǐng)域，增強機器人手的機能具有非常重要的意義。一方面，通過增加關(guān)節(jié)數(shù)目、驅(qū)動數(shù)目可以使機器手動作更多樣精確，但同時這樣又會使機構(gòu)復雜繁瑣；另一方面，如果過分追求機構(gòu)精簡，則勢必對機器手的靈活性及抓取動作的精確性產(chǎn)生負面影響。同時，機器人手要求同時保證小巧靈活與足夠的抓取力。目前在這一領(lǐng)域仍存在著許多技術(shù)難題。欠驅(qū)動機構(gòu)是指該機構(gòu)的驅(qū)動器數(shù)目少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)目。諸多的仿人靈巧手也可以歸類為欠驅(qū)動手，廣義的欠驅(qū)動手指包括耦合欠驅(qū)動手指和自適應(yīng)欠驅(qū)動手指。耦合欠驅(qū)動手指常稱為耦合手指，自適應(yīng)欠驅(qū)動手指簡稱為自適應(yīng)手指或欠驅(qū)動手指。欠驅(qū)動機構(gòu)的核心優(yōu)勢在于引入了自適應(yīng)抓取的動作模式。這種自適應(yīng)抓取模式的引入，使機器手在保證擬人化動作的同時，大大地降低了對于手部實時控制和傳感系統(tǒng)的要求，使機器手具有結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)定、外觀擬人和造價低廉等的優(yōu)點。由于自適應(yīng)欠驅(qū)動機器手的優(yōu)點，近十年來引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛興趣，使自適應(yīng)欠驅(qū)動機器手領(lǐng)域飛速發(fā)展。自適應(yīng)欠驅(qū)動手存在如下較大的不足1)該手指初始構(gòu)形是固定(伸直或呈某個彎曲角度)，這與人手抓取方式有較大不同，不夠擬人化，不便于對某些尺寸、形狀的物體進行穩(wěn)定抓取。人手一般不會在抓取物體時采用類似這樣非常別扭的動作。2)欠驅(qū)動手的抓取方式主要為握持方式，難實現(xiàn)較好的末端捏持抓取效果；不能做到?jīng)]有物體抓取時，類似人手的握拳動作；也難以做到末端指段捏持物體時各關(guān)節(jié)呈自然彎曲狀態(tài)。3)欠驅(qū)動手抓取物體時需要第一指段對物體施加足夠的力，才能觸發(fā)第二關(guān)節(jié)拉動簧件變形彎曲，這會導致該抓持力擠跑物體的不穩(wěn)定抓取現(xiàn)象發(fā)生，即使抓住了物體，也可能會造成第一指段對物體的抓持力過大而損壞物體。人手若按照自適應(yīng)欠驅(qū)動抓取模式會極不方便。耦合欠驅(qū)動手指的多個關(guān)節(jié)由一個驅(qū)動器驅(qū)動并按一定比例(如1 1)同時轉(zhuǎn)動(聯(lián)動)。耦合手的多關(guān)節(jié)聯(lián)動彎曲過程與人手抓取物體時相似，耦合手指適合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物體，在握持中不會發(fā)生近指段擠跑物體的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，因而抓取過程較穩(wěn)定。耦合手也是一個長期以來仿人機器手常用方案。目前已經(jīng)有較多的耦合機構(gòu)被開發(fā)出來。耦合手指的不足之處在于不具備抓取物體時對不同物體的自適應(yīng)性。為了克服傳統(tǒng)自適應(yīng)手指和耦合手指各自的不足，一種復合欠驅(qū)動抓取模式被提出來先多關(guān)節(jié)耦合抓取而后再自適應(yīng)抓取。這一抓取模式既區(qū)別于單純的耦合抓取過程， 也區(qū)別于單純的自適應(yīng)抓取過程。為了實現(xiàn)這一抓取模式，將耦合機構(gòu)與自適應(yīng)機構(gòu)復合起來所產(chǎn)生的一種新的手指類別耦合與自適應(yīng)復合型欠驅(qū)動手指，簡稱復合欠驅(qū)動手指或復合型手指。這種“復合” 不是簡單的并聯(lián)，更不是串聯(lián)。機器人手指裝置在彎曲抓握物體過程中，碰到物體之前各指段按一定角度比例同時彎曲，動作過程非常擬人；而在手指碰到物體后，又可自動適應(yīng)物體表面形狀，完全包絡(luò)物體，并且只通過一個驅(qū)動器驅(qū)動多個關(guān)節(jié)的機器人手指裝置，能夠有很好的抓取性能。復合欠驅(qū)動手指既能夠自適應(yīng)抓取物體又能夠具備較好的多關(guān)節(jié)聯(lián)動擬人化抓取特點，而且電機數(shù)量保持了最少，結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、成本低。由于人手指就是既有耦合轉(zhuǎn)動的特點，也同時有自適應(yīng)抓取的特點，因此，復合欠驅(qū)動手指類別是更加仿人手指的新型手指類別，是一種介于傳統(tǒng)自適應(yīng)手指、耦合手指之間的第三大類手指類別?？梢哉f，傳統(tǒng)的耦合欠驅(qū)動手指與傳統(tǒng)的自適應(yīng)欠驅(qū)動手指僅僅是復合欠驅(qū)動手指的兩個特例而已。由復合欠驅(qū)動手指所構(gòu)成的復合欠驅(qū)動手將具有非常大的市場潛力，或?qū)⒊蔀槲磥矸浅Ｖ髁鞯姆氯藱C器手技術(shù)趨勢和方向。已有的一種能實現(xiàn)復合欠驅(qū)動的機器人手指裝置，如中國發(fā)明專利CN101664929， 主要由基座、電機、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段、耦合傳動機構(gòu)、欠驅(qū)動傳動機構(gòu)和多個簧件構(gòu)成。該裝置可以實現(xiàn)復合欠驅(qū)動抓取，缺點在于機構(gòu)復雜，安裝維修困難；簧件數(shù)目過多，利用簧件解耦調(diào)和耦合傳動機構(gòu)與自適應(yīng)傳動機構(gòu)之間的矛盾，常常使得多個簧件形變較大，導致過大且不必要的能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)耦合與自適應(yīng)復合欠驅(qū)動抓取動作，即不僅具有抓握動作擬人的多關(guān)節(jié)耦合特性，而且兼?zhèn)鋵Σ煌螤睢⒋笮∥矬w的自適應(yīng)抓取特性；擁有較多靈活關(guān)節(jié)的同時只需單一電機驅(qū)動，減少操控難度與成本；同時結(jié)構(gòu)簡單、能量損耗小、傳動效率高。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，包括基座、電機、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸和末端指段；所述電機和減速器均固接在基座上，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；所述近關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)于基座中，所述遠關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)于中部指段中，所述中部指段套固在近關(guān)節(jié)軸上；所述末端指段套固在遠關(guān)節(jié)軸上，近關(guān)節(jié)軸與遠關(guān)節(jié)軸平行；其特征在于該差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置還包括第一錐齒輪、第二錐齒輪、第三錐齒輪、第一直齒輪、第二直齒輪、齒條和簧件；所述第一錐齒輪固接在減速器的輸出軸上，所述第二錐齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上，所述第三錐齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上；所述第一錐齒輪和第二錐齒輪嚙合，第一錐齒輪和第三錐齒輪嚙合；所述第一直齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上且與第三錐齒輪固接，所述第二直齒輪套固在遠關(guān)節(jié)軸上；所述齒條鑲嵌在中部指段中，齒條的下部和上部分別與第一直齒輪和第二直齒輪嚙合，齒條的下部和上部的齒分別位于齒條的兩側(cè)；設(shè)齒條的下部與第一直齒輪的嚙合點為A， 齒條的上部與第二直齒輪的嚙合點為B，第一直齒輪的中心點為O1，第二直齒輪的中心點為 O2,則AB連線與OA連線交叉成“X”形，AB連線和OA連線的交點位于O1和&之間；所述簧件兩端分別連接第二錐齒輪和近關(guān)節(jié)軸。本發(fā)明所述的差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于所述簧件采用拉簧、扭簧、壓簧、片簧或彈性繩。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和突出性效果本發(fā)明裝置采用單個電機、多軸多路相異傳動比的傳動機構(gòu)及簧件等綜合實現(xiàn)了復合欠驅(qū)動抓取效果手指先耦合轉(zhuǎn)動抓向物體然后再自適應(yīng)抓取物體；抓取過程擬人， 動作靈巧，抓取物體穩(wěn)定，可自動適應(yīng)抓取不同尺寸、形狀的物體，對控制系統(tǒng)要求低，操控容易；同時結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能量損耗小，傳動效率高，成本低廉，裝配維護便利，且外形與人手指相近，適用于仿人機器手。


圖1是本發(fā)明提供的差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置的一種實施例正視剖視示意圖。圖2是圖1所示實施例的正視外觀圖。圖3是圖1所示實施例的側(cè)視剖視圖。圖4是圖1所示實施例的側(cè)視外觀圖。圖5是與圖3對應(yīng)的A、B、O1和仏這四個點的連線圖。圖6、圖7、圖8是本實施例用中部指段、末端指段耦合抓握物體過程示意。圖9、圖10是本實施例用末端指段自適應(yīng)抓握物體過程的示意圖。在圖1至圖10中1-基座，2-電機，21-減速器，3-近關(guān)節(jié)軸，
4-中部指段， 5-遠關(guān)節(jié)軸，6-末端指段， 71-第一錐齒輪，72-第二錐齒輪，73-第三錐齒輪，81-第一直齒輪，82-第二直齒輪，83-齒條，9-簧件，91-所抓物體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳細介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及工作原理。本發(fā)明所述的差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置的一種實例，如圖1 至圖5所示，包括基座1、電機2、減速器21、近關(guān)節(jié)軸3、中部指段4、遠關(guān)節(jié)軸5和末端指段6 ；所述電機2和減速器21均固接在基座1上，電機2的輸出軸與減速器21的輸入軸相連；所述近關(guān)節(jié)軸3活動套設(shè)于基座1中，所述遠關(guān)節(jié)軸5活動套設(shè)于中部指段4中，所述中部指段4套固在近關(guān)節(jié)軸3上；所述末端指段6套固在遠關(guān)節(jié)軸5上，近關(guān)節(jié)軸3與遠關(guān)節(jié)軸5平行；該差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置還包括第一錐齒輪71、第二錐齒輪72、第三錐齒輪73、第一直齒輪81、第二直齒輪82、齒條83和簧件9 ；所述第一錐齒輪71固接在減速器21的輸出軸上，所述第二錐齒輪72活動套接在近關(guān)節(jié)軸3上，所述第三錐齒輪73活動套接在近關(guān)節(jié)軸3上；所述第一錐齒輪71和第二錐齒輪72嚙合，第一錐
5齒輪71和第三錐齒輪73嚙合；所述第一直齒輪81活動套接在近關(guān)節(jié)軸3上且與第三錐齒輪73固接，所述第二直齒輪82套固在遠關(guān)節(jié)軸5上；所述齒條83鑲嵌在中部指段4中，齒條83的下部和上部分別與第一直齒輪81和第二直齒輪82嚙合，齒條83的下部和上部的齒分別位于齒條83的兩側(cè)；設(shè)齒條83的下部與第一直齒輪81的嚙合點為A，齒條83的上部與第二直齒輪82的嚙合點為B，第一直齒輪81的中心點為O1，第二直齒輪82的中心點為 O2,則AB連線與OA連線交叉成“X”形，AB連線和OA連線的交點位于O1和&之間；所述簧件9兩端分別連接第二錐齒輪72和近關(guān)節(jié)軸3。本發(fā)明所述的差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于所述簧件9采用拉簧、扭簧、壓簧、片簧或彈性繩。本實施例中，所述簧件9采用扭簧。本實施例的具體工作原理，如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示，敘述如下本裝置的初始位置如圖6所示處于伸直位置，此時中部指段4和末端指段6均處于伸直狀態(tài)。當本實施例中的機器人手指運動時，電機2輸出軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器21通過第一錐齒輪71帶動第二錐齒輪72正向轉(zhuǎn)動，第二錐齒輪72帶動中部指段4繞近關(guān)節(jié)軸3正向轉(zhuǎn)動一個角度α 此轉(zhuǎn)動將會使得齒條83在第一直齒輪81上純滾動，即齒條83相對第一直齒輪81向下平動，從而導致第二直齒輪82耦合轉(zhuǎn)動一個角度Ci2 ；此外，第一錐齒輪 71帶動第三錐齒輪73反向轉(zhuǎn)動，第三錐齒輪73帶動第一直齒輪81反向轉(zhuǎn)動，第一直齒輪 81帶動齒條83向下平動，齒條83帶動第二直齒輪82正向轉(zhuǎn)動，第二直齒輪82帶動末端指段6繞遠關(guān)節(jié)軸5正向轉(zhuǎn)動一個角度β 1;此過程為耦合轉(zhuǎn)動過程。當中部指段4接觸物體91被阻擋不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，中部指段4繞近關(guān)節(jié)軸3正向轉(zhuǎn)動一個角度α 3，末端指段 6繞遠關(guān)節(jié)軸5正向轉(zhuǎn)動一個角度β 2，此時，第二錐齒輪72繼續(xù)轉(zhuǎn)動，簧件9發(fā)生變形，實現(xiàn)解耦；同時，第三錐齒輪73繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將使得末端指段6繼續(xù)轉(zhuǎn)動，末端指段6繞遠關(guān)節(jié)軸5轉(zhuǎn)動一個角度β 3，直到末端指段6接觸物體91，末端指段6繞遠關(guān)節(jié)軸5轉(zhuǎn)動一個角度β 4，實現(xiàn)自適應(yīng)抓取物體91。當放開物體時，電機反轉(zhuǎn)，與上述過程相反。本發(fā)明裝置采用單個電機、多軸多路相異傳動比的傳動機構(gòu)及簧件等綜合實現(xiàn)了復合欠驅(qū)動抓取效果手指先耦合轉(zhuǎn)動抓向物體然后再自適應(yīng)抓取物體；抓取過程擬人， 動作靈巧，抓取物體穩(wěn)定，可自動適應(yīng)抓取不同尺寸、形狀的物體，對控制系統(tǒng)要求低，操控容易；同時結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能量損耗小，傳動效率高，成本低廉，裝配維護便利，且外形與人手指相近，適用于仿人機器手。
權(quán)利要求
1.一種差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，包括基座(1)、電機O)、減速器(21)、近關(guān)節(jié)軸(3)、中部指段0)、遠關(guān)節(jié)軸( 和末端指段(6)；所述電機和減速器均固接在基座上，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連；所述近關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)于基座中，所述遠關(guān)節(jié)軸活動套設(shè)于中部指段中，所述中部指段套固在近關(guān)節(jié)軸上；所述末端指段套固在遠關(guān)節(jié)軸上，近關(guān)節(jié)軸與遠關(guān)節(jié)軸平行；其特征在于該差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置還包括第一錐齒輪 (71)、第二錐齒輪(72)、第三錐齒輪(73)、第一直齒輪(81)、第二直齒輪(82)、齒條(83)和簧件(9)；所述第一錐齒輪固接在減速器的輸出軸上，所述第二錐齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上，所述第三錐齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上；所述第一錐齒輪和第二錐齒輪嚙合，第一錐齒輪和第三錐齒輪嚙合；所述第一直齒輪活動套接在近關(guān)節(jié)軸上且與第三錐齒輪固接，所述第二直齒輪套固在遠關(guān)節(jié)軸上；所述齒條鑲嵌在中部指段中，齒條的下部和上部分別與第一直齒輪和第二直齒輪嚙合，齒條的下部和上部的齒分別位于齒條的兩側(cè)；設(shè)齒條的下部與第一直齒輪的嚙合點為A，齒條的上部與第二直齒輪的嚙合點為B，第一直齒輪的中心點為O1，第二直齒輪的中心點為02，則AB連線與OA連線交叉成“X”形，AB連線和OA連線的交點位于O1和A之間；所述簧件兩端分別連接第二錐齒輪和近關(guān)節(jié)軸。
2.如權(quán)利要求1所述的差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于 所述簧件采用拉簧、扭簧、壓簧、片簧或彈性繩。
全文摘要
差動錐齒輪齒條式復合欠驅(qū)動機器人手指裝置，屬于仿人機器人手技術(shù)領(lǐng)域，包括基座、電機、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠關(guān)節(jié)軸、末端指段、齒條和簧件。本發(fā)明裝置采用單個電機、多軸多路相異傳動比的傳動機構(gòu)及簧件等綜合實現(xiàn)了復合欠驅(qū)動抓取效果手指先耦合轉(zhuǎn)動抓向物體然后再自適應(yīng)抓取物體；抓取過程擬人，動作靈巧，抓取物體穩(wěn)定，可自動適應(yīng)抓取不同尺寸、形狀的物體，對控制系統(tǒng)要求低，操控容易；同時結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能量損耗小，傳動效率高，成本低廉，裝配維護便利，且外形與人手指相近，適用于仿人機器手。
文檔編號B25J15/08GK102284957SQ20111021033
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者張文增, 王智 申請人:清華大學