本發(fā)明屬于手機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

欠驅(qū)動機(jī)器人手是指關(guān)節(jié)自由度數(shù)目多于所使用的驅(qū)動器數(shù)目的一類機(jī)器人手。平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指的主動抓取功能能夠抓取多種不同尺寸、不同形狀的物體，能夠在簡單控制模塊的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的抓取效果。欠驅(qū)動機(jī)器人手的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、功能強(qiáng)大，可以適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人、社會服務(wù)機(jī)器人或人體義肢等不同領(lǐng)域中，對機(jī)器人手的抓取需求。

具有兩個關(guān)節(jié)自由度的欠驅(qū)動機(jī)器人手的基本抓取類別包括耦合抓取模式。耦合抓取模式是指兩個關(guān)節(jié)按一定的比例或者變化的比例同時轉(zhuǎn)動，具體可以分為正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式。正向耦合抓取模式常常簡稱為耦合抓取，反向耦合抓取模式中按相同比例的抓取模式應(yīng)用比較廣泛，常稱為平行夾持耦合抓取模式，常常簡稱為平夾抓取。正向耦合抓取適合用末端指段去捏持小的物體，反向耦合抓取適合用末端指段平行夾持物體。

在基本類別的組合中，主要有兩種復(fù)合抓取模式：一種是先耦合后主動的抓取模式，稱為耦合主動抓取模式；另一種是先平行夾持后主動的抓取模式，稱為平夾主動抓取模式。其中，耦合主動抓取模式能夠具有更加擬人性的特點(diǎn)，同時末端的捏持效果也是比較容易實(shí)現(xiàn)。平夾主動抓取模式能夠具有兩個平行開合的末端指段，在工業(yè)上適合平行捏持薄片狀物體或者具有兩個相平行面的物體。

已有的一種齒條耦合式靈巧機(jī)器人手指裝置(中國發(fā)明專利cn102514012b)，包括基座、電機(jī)、中部指段、末端指段、雙聯(lián)齒條和齒輪等。該裝置實(shí)現(xiàn)了耦合主動抓取模式，第一傳動機(jī)構(gòu)帶動中部指段繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，末端指段會同時轉(zhuǎn)動一個角度，達(dá)到近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸同時轉(zhuǎn)動的耦合轉(zhuǎn)動效果；當(dāng)中部指段碰觸物體后就采用第二傳動機(jī)構(gòu)帶動末端指段獨(dú)立轉(zhuǎn)動，具有主動抓取不同尺寸物體的好處。其不足之處在于，該裝置僅能實(shí)現(xiàn)耦合主動抓取模式，無法實(shí)現(xiàn)平夾主動抓取模式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)耦合主動抓取模式，在簡單的平動切換后，又可以實(shí)現(xiàn)平夾主動抓取模式；包括：1)雙關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動抓取模式；2)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動抓取模式；3)雙關(guān)節(jié)先耦合轉(zhuǎn)動，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動的抓取模式；4)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動，之后再耦合轉(zhuǎn)動的抓取模式；5)雙關(guān)節(jié)平動抓取模式；6)雙關(guān)節(jié)先平夾，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動的抓取模式；7)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動，之后再平夾主動的抓取模式；8)雙關(guān)節(jié)先平夾轉(zhuǎn)動，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動的抓取模式。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的一種平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置，包括基座、中部指段、末端指段、近關(guān)節(jié)軸、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、第一齒輪、第二齒輪、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一傳動機(jī)構(gòu)和第二傳動機(jī)構(gòu)；所述近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中；所述中部指段套固在近關(guān)節(jié)軸上；所述遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在中部指段中；所述末端指段套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上；所述近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸平行；所述第一電機(jī)與基座固接；所述第一電機(jī)的輸出軸與第一傳動機(jī)構(gòu)的輸入端相連；所述第一傳動機(jī)構(gòu)的輸出端與近關(guān)節(jié)軸相連；所述第二電機(jī)與基座固接；所述第二電機(jī)的輸出軸與第二傳動機(jī)構(gòu)的輸入端相連；所述第二傳動機(jī)構(gòu)的輸出端與第一齒輪相連；所述第一齒輪套接在近關(guān)節(jié)軸上；所述第二齒輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上并與末端指段固接；其特征在于：該平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置還包括下齒條、導(dǎo)軌、滑塊、導(dǎo)向桿、第一上齒條和第二上齒條；所述下齒條的上端和導(dǎo)軌固接；所述第一上齒條的下端與滑塊固接；所述第二上齒條的下端與滑塊固接；所述滑塊滑動鑲嵌在導(dǎo)軌中；所述下齒條滑動鑲嵌在中部指段中；所述下齒條與第一齒輪嚙合；當(dāng)所述滑塊滑動到導(dǎo)軌的一側(cè)時，所述第一上齒條與第二齒輪嚙合；當(dāng)所述滑塊滑動到導(dǎo)軌的另一側(cè)時，所述第二上齒條與第二齒輪嚙合；所述第一上齒條和第二上齒條位于第二齒輪的兩側(cè)；所述下齒條在中部指段中的滑動方向與滑塊滑動方向垂直；令下齒條與第一齒輪的嚙合點(diǎn)為a，第一上齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為b，第一齒輪的中心點(diǎn)為o，第二齒輪的中心點(diǎn)為m，線段oa、ab、bm和mo構(gòu)成“8”字形，線段ab和om的交點(diǎn)位于o和m之間；令第二上齒條與第二齒輪的嚙合點(diǎn)為c，線段oa、ac、cm和mo構(gòu)成平行四邊形；所述第二傳動機(jī)構(gòu)采用具有自鎖特性的傳動機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明所述平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置，其特征在于：所述第一傳動機(jī)構(gòu)包括第一減速器、第一帶輪、第一傳動帶和第三帶輪；所述第一帶輪套固在第一減速器的輸出軸上，第三帶輪套固在近關(guān)節(jié)軸上，第一帶輪與第三帶輪之間通過第一傳動帶連接且三者形成帶傳動關(guān)系。

本發(fā)明所述平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置，其特征在于：所述第二傳動機(jī)構(gòu)包括第二減速器、第二帶輪、第二傳動帶和第四帶輪；所述第二帶輪套固在第二減速器的輸出軸上，第四帶輪套接在近關(guān)節(jié)軸上，第二帶輪與第四帶輪之間通過第二傳動帶連接且三者形成帶傳動關(guān)系，第四帶輪與第一齒輪固接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果：

本發(fā)明裝置利用電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、齒輪、齒條、導(dǎo)軌和滑塊等綜合實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手指平夾主動抓取模式與耦合主動抓取模式可以簡單平動切換的功能：該裝置可以實(shí)現(xiàn)平夾主動抓取模式，在簡單手動平切后，又可以實(shí)現(xiàn)耦合主動抓取模式；在平夾主動抓取模式中，該裝置既能平動末端指段捏持物體，也能依次轉(zhuǎn)動末端指段和中部指段包絡(luò)不同形狀、大小的物體；在耦合主動抓取模式中，該裝置可以同時聯(lián)動兩個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，并在中部指段接觸物體被阻擋后自然轉(zhuǎn)入彎曲第二指段的主動抓取階段；平動切換操作方便且動作較小，齒條在運(yùn)行過程中穩(wěn)定；抓取范圍大；采用欠驅(qū)動的方式，利用一個驅(qū)動器驅(qū)動兩個關(guān)節(jié)，無需復(fù)雜的傳感和控制系統(tǒng)；該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，制造和維護(hù)成本低，適用于機(jī)器人手。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置的一種實(shí)施例的正面外觀圖。

圖2是本實(shí)施例的側(cè)視圖，也是圖1的右視圖。

圖3是本實(shí)施例的背面剖視圖，也是圖1的剖視圖。

圖4是本實(shí)施例的側(cè)面內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實(shí)施例的正面內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本實(shí)施例的三維外觀圖。

圖7a、7b是本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動連線圖。

圖8a、8b是本實(shí)施例的傳動機(jī)構(gòu)三維外觀圖。

圖9是本實(shí)施例的三維爆炸視圖。

圖10、圖11和圖12是本實(shí)施例抓握物體過程的幾個關(guān)鍵位置側(cè)面外觀示意圖。

圖13a、13b是本實(shí)施例捏持物體的情況示意圖。

圖中標(biāo)號：

1—基座，2—中部指段，3—末端指段，

4—近關(guān)節(jié)軸，5—遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，

61—第一齒輪，62—第二齒輪，63—下齒條，

641—第一上齒條，642—第二上齒條，643—滑塊，

644—導(dǎo)向桿，

65—導(dǎo)軌，71—第一電機(jī)，72—第二電機(jī)，

73—第一傳動機(jī)構(gòu)，74—第二傳動機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)例進(jìn)一步介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置的一種實(shí)施例，如圖4所示，包括基座1、中部指段2、末端指段3、近關(guān)節(jié)軸4、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5、第一齒輪61、第二齒輪62、第一電機(jī)71、第二電機(jī)72、第一傳動機(jī)構(gòu)73和第二傳動機(jī)構(gòu)74；所述近關(guān)節(jié)軸4套設(shè)在基座1中；所述中部指段2套固在近關(guān)節(jié)軸4上；所述遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5套設(shè)在中部指段2中；所述末端指段3套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上；所述近關(guān)節(jié)軸4和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5平行；所述第一電機(jī)71與基座1固接；所述第一電機(jī)71的輸出軸與第一傳動機(jī)構(gòu)73的輸入端相連；所述第一傳動機(jī)構(gòu)73的輸出端與近關(guān)節(jié)軸4相連；所述第二電機(jī)72與基座1固接；所述第二電機(jī)72的輸出軸與第二傳動機(jī)構(gòu)74的輸入端相連；所述第二傳動機(jī)構(gòu)74的輸出端與第一齒輪61相連；所述第一齒輪61套接在近關(guān)節(jié)軸4上；所述第二齒輪62套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上并與末端指段3固接；其特征在于：該平夾耦合平動切換靈巧機(jī)器人手指裝置還包括下齒條63、導(dǎo)軌65、滑塊643、導(dǎo)向桿644、第一上齒條641和第二上齒條642；所述下齒條63的上端和導(dǎo)軌65固接；所述第一上齒條641的下端與滑塊643固接；所述第二上齒條642的下端與滑塊643固接；所述滑塊643滑動鑲嵌在導(dǎo)軌中；所述下齒條63滑動鑲嵌在中部指段2中；所述下齒條63與第一齒輪61嚙合；當(dāng)所述滑塊643滑動到導(dǎo)軌65的一側(cè)時，所述第一上齒條641與第二齒輪62嚙合，當(dāng)所述滑塊643滑動到導(dǎo)軌65的另一側(cè)時，所述第二上齒條642與第二齒輪62嚙合；所述第一上齒條641和第二上齒條642位于第二齒輪62的兩側(cè)；所述下齒條63在中部指段2中的滑動方向與滑塊643滑動方向垂直；令下齒條63與第一齒輪61的嚙合點(diǎn)為a，第一上齒條641與第二齒輪62的嚙合點(diǎn)為b，第一齒輪61的中心點(diǎn)為o，第二齒輪62的中心點(diǎn)為m，線段oa、ab、bm和mo構(gòu)成“8”字形，線段ab和om的交點(diǎn)位于o和m之間；令第二上齒條642與第二齒輪62的嚙合點(diǎn)為c，線段oa、ac、cm和mo構(gòu)成平行四邊形；所述第二傳動機(jī)構(gòu)74采用具有自鎖特性的傳動機(jī)構(gòu)。

本實(shí)施例所述的第一傳動機(jī)構(gòu)73包括第一減速器、第一帶輪、第一傳動帶和第三帶輪；所述第一帶輪套固在第一減速器的輸出軸上，第三帶輪套固在近關(guān)節(jié)軸4上，第一帶輪與第三帶輪之間通過第一傳動帶連接且三者形成帶傳動關(guān)系。

本實(shí)施例所述的第二傳動機(jī)構(gòu)74包括第二減速器、第二帶輪、第二傳動帶和第四帶輪；所述第二帶輪套固在第二減速器的輸出軸上，第四帶輪套接在近關(guān)節(jié)軸4上，第二帶輪與第四帶輪之間通過第二傳動帶連接且三者形成帶傳動關(guān)系，第四帶輪與第一齒輪固接。

本實(shí)施例的工作原理如圖3、圖4、圖5、圖8a、圖8b、圖10、圖11、圖12和圖13a、13b所示，敘述如下：

本實(shí)施例采用齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)、兩套電機(jī)和減速器綜合實(shí)現(xiàn)了兩自由度機(jī)器人手指，該裝置具有8種抓取模式，包括：

1)雙關(guān)節(jié)平夾轉(zhuǎn)動抓取模式：此時只讓第一電機(jī)71轉(zhuǎn)動，第二電機(jī)72不使用；

2)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動抓取模式：此時兩個電機(jī)可以同時轉(zhuǎn)動，第一電機(jī)71會使得手指產(chǎn)生平夾聯(lián)動，第二電機(jī)72可以在此基礎(chǔ)上任意改變末端指段的角度；

3)雙關(guān)節(jié)先平夾轉(zhuǎn)動，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動的抓取模式：此時先轉(zhuǎn)動第一電機(jī)71，當(dāng)中部指段碰觸物體之后，停止第一電機(jī)71，再轉(zhuǎn)動第二電機(jī)72；

4)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動，之后再平夾轉(zhuǎn)動的抓取模式：此時先同時啟動兩個電機(jī)，根據(jù)情況一段時間之后停止第二電機(jī)72，再轉(zhuǎn)動第一電機(jī)71；

5)雙關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動抓取模式：此時只讓第一電機(jī)71轉(zhuǎn)動，第二電機(jī)72不使用；

6)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動抓取模式：此時兩個電機(jī)可以同時轉(zhuǎn)動，第一電機(jī)71會使得手指產(chǎn)生耦合聯(lián)動，第二電機(jī)72可以在此基礎(chǔ)上任意改變末端指段的角度；

7)雙關(guān)節(jié)先耦合轉(zhuǎn)動，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動的抓取模式：此時先轉(zhuǎn)動第一電機(jī)71，當(dāng)中部指段碰觸物體之后，停止第一電機(jī)71，再轉(zhuǎn)動第二電機(jī)72；

8)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動，之后再耦合轉(zhuǎn)動的抓取模式：此時先同時啟動兩個電機(jī)，根據(jù)情況一段時間之后停止第二電機(jī)72，再轉(zhuǎn)動第一電機(jī)71；

下面對常用的抓取模式進(jìn)一步舉例解釋其動作原理。該裝置采用第六種抓取模式抓取物體的過程分為兩個階段：耦合抓取階段和靈巧抓取階段。

該裝置的初始位置如圖10所示，此時中部指段2和末端指段3與基座1呈手指伸直狀態(tài)。當(dāng)使用本實(shí)施例的機(jī)器人手指抓取物體時，第一電機(jī)71轉(zhuǎn)動，經(jīng)第一減速器通過第一帶輪再通過第一傳動帶帶動固接在近關(guān)節(jié)軸4上的第三帶輪轉(zhuǎn)動，帶動中部指段2繞著近關(guān)節(jié)軸4轉(zhuǎn)動角度α，如圖11所示。

此時，第二電機(jī)72并未轉(zhuǎn)動，由于第二減速器的減速比很大(275:1)，呈現(xiàn)“軟自鎖”狀態(tài)(第二減速器也可采用具有自鎖特性的減速器)，第一齒輪61不動(仿佛固接在基座1上)。因此，中部指段2的轉(zhuǎn)動會讓下齒條63和第一上齒條641帶動第二齒輪62繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的中心線轉(zhuǎn)動角度α，使得末端指段3繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的中心線轉(zhuǎn)動角度α，從而實(shí)現(xiàn)了近關(guān)節(jié)軸4與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5兩個關(guān)節(jié)的同時轉(zhuǎn)動，即第一抓取階段的耦合轉(zhuǎn)動，如圖11所示。當(dāng)?shù)谝积X輪61與第二齒輪62分度圓直徑相同時，兩個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度相同，即1:1耦合轉(zhuǎn)動。改變第一齒輪61與第二齒輪62的大小可獲得不同角度比例的耦合效果。

此時，如果末端指段3接觸物體，而中部指段2沒有接觸物體，此時末端指段3和中部指段2均轉(zhuǎn)過了角度φ，那么抓取結(jié)束，在這種抓取情況下僅有一個耦合抓取過程，這實(shí)現(xiàn)了捏持物體的效果，如圖12所示。

如果耦合抓取過程中，中部指段2先接觸到物體，此時中部指段2已轉(zhuǎn)動了角度β，末端指段3也轉(zhuǎn)動了角度β，如圖13a、13b所示，那么，此時停止第一電機(jī)71，啟動第二電機(jī)72，那么后續(xù)過程為一個靈巧抓取階段，如下：

第二電機(jī)72轉(zhuǎn)動，末端指段3可不受中部指段2轉(zhuǎn)角β的限制，繼續(xù)轉(zhuǎn)動直至最終轉(zhuǎn)動到接觸物體，此時末端指段3多轉(zhuǎn)動了一個角度γ，即實(shí)現(xiàn)第二抓取階段的靈巧抓取，如圖13所示。

放開物體的過程為：第一電機(jī)71和第二電機(jī)72分別反轉(zhuǎn)，與抓取物體過程相反，不再贅述。

本實(shí)施例既能達(dá)到傳統(tǒng)耦合主動手指所實(shí)現(xiàn)的單個電機(jī)驅(qū)動多個關(guān)節(jié)同時轉(zhuǎn)動的耦合效果，又具有傳統(tǒng)平夾主動手指所實(shí)現(xiàn)的單個電機(jī)驅(qū)動多個關(guān)節(jié)同時轉(zhuǎn)動的平夾效果，實(shí)現(xiàn)了平夾主動抓取模式與平夾主動抓取模式的簡單平動切換；所有電機(jī)、減速器均藏入基座中，手指轉(zhuǎn)動部分體積小、重量輕。