一種齒輪齒條傳動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)三關(guān)節(jié)手指的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種擬人機(jī)器人手指，特別涉及一種齒輪齒條傳動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)三關(guān)節(jié)手指。
【背景技術(shù)】
[0002]手爪是機(jī)器人與外界接觸并完成相關(guān)任務(wù)的關(guān)鍵執(zhí)行部件。傳統(tǒng)的單自由度機(jī)械手主要用于規(guī)則物體的夾持，當(dāng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，必然要求提高機(jī)械手的自由度，以提高其適應(yīng)能力。用機(jī)械裝置模仿人手、實(shí)現(xiàn)人手的功能是仿人機(jī)器人研宄的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
[0003]人手具有復(fù)雜的自由度，精確模擬難度很大。早期研宄主要從人手解剖學(xué)角度出發(fā)，采用腱繩驅(qū)動(dòng)的方式，但該方式產(chǎn)生的抓持力較小。近30年來(lái)，多功能靈巧手的研宄獲得了較大進(jìn)展，出現(xiàn)了 Stanford/JPL、Utah/MIT、Robonaut等仿人機(jī)械手。但由于各手指關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)(少部分關(guān)節(jié)存在耦合)，使該類(lèi)手爪成本高昂、控制復(fù)雜，可靠性不高且維護(hù)困難，難以推廣應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題，人們開(kāi)始關(guān)注欠驅(qū)動(dòng)手爪的研宄。所謂欠驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)數(shù)少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)。
[0004]廣義上講，欠驅(qū)動(dòng)包括耦合欠驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)。前者指各關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角成一定的比例關(guān)系；后者不存在比例關(guān)系。耦合欠驅(qū)動(dòng)與人手的運(yùn)動(dòng)相仿，但遠(yuǎn)端指節(jié)有可能在接觸物體之前停止轉(zhuǎn)動(dòng)，不能適應(yīng)物體的形狀。反之，自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)有別于人手彎曲的過(guò)程，但能保持各指節(jié)與物體均勻接觸，即手指能適應(yīng)物體的形狀。SARAH系列手爪是自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)的典型實(shí)例。
[0005]為實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持物體的正確包絡(luò)，現(xiàn)有的欠驅(qū)動(dòng)手指在關(guān)節(jié)處多裝有扭簧(扭簧同時(shí)還起到恢復(fù)伸直狀態(tài)的作用)(如CN101664929A)，因此在傳動(dòng)過(guò)程中需要消耗額外的能量。還有的欠驅(qū)動(dòng)手指在中指節(jié)處設(shè)置了類(lèi)似于“按鈕”的機(jī)構(gòu)(如CN101829992A)，當(dāng)中指節(jié)與物體接觸時(shí)，該“按鈕”被按下，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)向物體靠攏，由于出現(xiàn)了可動(dòng)部件，與人手的結(jié)構(gòu)不符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種齒輪齒條傳動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)三關(guān)節(jié)手指。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明包括近端指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)端指節(jié)和主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu):
主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括機(jī)座、機(jī)座蓋板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)座和機(jī)座蓋板之間；
近端指節(jié)包括近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、近端指節(jié)底座和近端指節(jié)蓋板，近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在近端指節(jié)底座和近端指節(jié)蓋板之間以及以及機(jī)座和機(jī)座蓋板之間，近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與近端指節(jié)底座連接帶動(dòng)近端指節(jié)繞機(jī)座旋轉(zhuǎn)； 中指節(jié)包括中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、中指節(jié)底座和中指節(jié)蓋板，中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在中指節(jié)底座和中指節(jié)蓋板之間以及近端指節(jié)和近端指節(jié)蓋板之間，中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與中指節(jié)底座連接帶動(dòng)中指節(jié)繞近端指節(jié)旋轉(zhuǎn)；
遠(yuǎn)端指節(jié)包括遠(yuǎn)端指節(jié)底座和遠(yuǎn)端指節(jié)蓋板；
主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)座、近端指節(jié)的近端指節(jié)底座、中指節(jié)的中指節(jié)底座和遠(yuǎn)端指節(jié)的遠(yuǎn)端指節(jié)底座依次鉸接形成聯(lián)動(dòng)關(guān)節(jié)手指，近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)依次連接。
[0008]所述的主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)座和近端指節(jié)的近端指節(jié)底座之間通過(guò)近關(guān)節(jié)軸鉸接，近端指節(jié)繞近關(guān)節(jié)軸相對(duì)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)；近端指節(jié)的近端指節(jié)底座和中指節(jié)的中指節(jié)底座之間通過(guò)中關(guān)節(jié)軸鉸接，中指節(jié)繞中關(guān)節(jié)軸相對(duì)近端指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；中指節(jié)的中指節(jié)底座和遠(yuǎn)端指節(jié)的遠(yuǎn)端指節(jié)底座之間通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸鉸接，遠(yuǎn)端指節(jié)繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸相對(duì)中指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器、絲杠、滑塊和第一齒輪，電機(jī)輸出軸連接減速器，減速器固定在機(jī)座上，減速器輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與絲杠同軸固定連接，絲杠套在滑塊一端并與之螺紋連接，滑塊另一端通過(guò)第一齒輪軸鉸接有第一齒輪，第一齒輪與近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；滑塊靠近機(jī)座蓋板的側(cè)面上開(kāi)有沿絲杠方向的燕尾槽，機(jī)座蓋板上連接有沿絲杠方向的導(dǎo)向條，導(dǎo)向條嵌入燕尾槽中呈滑動(dòng)配合連接，從而使滑塊能夠在絲杠的螺旋傳動(dòng)下沿機(jī)座長(zhǎng)度方向作往復(fù)直線(xiàn)移動(dòng)。
[0010]所述的近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一齒條、第二齒條、第一連桿、第一搖桿、第二連桿和第二齒輪，第一齒條、第二齒條分別嚙合在所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中第一齒輪的兩側(cè)，第一齒條、第二齒條并嵌入機(jī)座兩側(cè)的第一齒條條形槽內(nèi)滑動(dòng)；第一齒條和第二齒條的前端分別固定連接有第一豎直支撐臂和第一斜向支撐臂；第一豎直支撐臂端部設(shè)有第一齒條凸軸，第一齒條凸軸嵌在近端指節(jié)底座的第一限位條形槽內(nèi)，第一豎直支撐臂一側(cè)中部設(shè)有沿豎直方向的第一凹槽，在第一豎直支撐臂前后端形成第一前凸肩和第一后凸肩；第一斜向支撐臂端部設(shè)有第二齒條凸軸，第二齒條凸軸嵌在第一豎直支撐臂的第一凹槽內(nèi)，第二齒條凸軸經(jīng)第一連桿連接到第一搖桿中部，第一搖桿一端鉸接在機(jī)座上；第一搖桿另一端經(jīng)第二連桿鉸接第二齒輪，第二齒輪與中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。
[0011]所述中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第三齒條、第四齒條、第三連桿、第二搖桿、第四連桿和第二齒輪，第三齒條、第四齒條分別嚙合在所述近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的第二齒輪的兩側(cè)，第三齒條、第四齒條并嵌入近端指節(jié)底座兩側(cè)的第二齒條條形槽內(nèi)滑動(dòng)，第三齒條和第四齒條的前端分別固定連接有第二豎直支撐臂和第二斜向支撐臂；第二豎直支撐臂端部設(shè)有第三齒條凸軸，第三齒條凸軸嵌在中指節(jié)底座的第二限位條形槽內(nèi)，第二豎直支撐臂一側(cè)中部設(shè)有沿豎直方向的第二凹槽，在第二豎直支撐臂前后端形成第二前凸肩和第二后凸肩；第二斜向支撐臂端部設(shè)有第四齒條凸軸，第四齒條凸軸嵌在第二豎直支撐臂的第二凹槽內(nèi)，第四齒條凸軸經(jīng)第三連桿連接到第二搖桿中部，第二搖桿一端鉸接在近端指節(jié)底座上；第二搖桿另一端經(jīng)第四連桿與遠(yuǎn)端指節(jié)的遠(yuǎn)端指節(jié)底座鉸接。
[0012]所述第二搖桿的一端鉸接在中關(guān)節(jié)軸處，另一端與第四連桿的一端鉸接，第四連桿的另一端與遠(yuǎn)端指節(jié)底座通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接，遠(yuǎn)端指節(jié)底座與中指節(jié)底座通過(guò)遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸鉸接，四個(gè)鉸接點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)平行四邊形。
[0013]所述的近關(guān)節(jié)軸位于所述近端指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中第一限位條形槽所在方向的直線(xiàn)上。
[0014]所述的中關(guān)節(jié)軸位于所述中指節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中第二限位條形槽所在方向的直線(xiàn)上。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)三關(guān)節(jié)手指3個(gè)自由度依次運(yùn)動(dòng)，屬于自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)范疇，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易，能適應(yīng)被抓持物體的形狀，能量損耗少，對(duì)驅(qū)動(dòng)力要求低。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明手指的外觀視圖。
[0017]圖2為本發(fā)明手指伸直狀態(tài)的機(jī)構(gòu)原理圖。
[0018]圖3為本發(fā)明手指彎曲狀態(tài)的機(jī)構(gòu)原理圖。
[0019]圖4為本發(fā)明手指的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(去掉各指節(jié)蓋板時(shí)的狀態(tài))。
[0020]圖5為本發(fā)明手指伸直狀態(tài)下的俯視圖(去掉各指節(jié)蓋板時(shí)的狀態(tài))。
[0021]圖6為本發(fā)明手指彎曲狀態(tài)下的俯視圖(去掉各指節(jié)蓋板時(shí)的狀態(tài))。
[0022]圖7為圖5中沿A — A方向的剖示圖(加上各指節(jié)蓋板時(shí)的狀態(tài))。
[0023]圖8為圖5中沿B — B方向的剖示圖(加上各指節(jié)蓋板時(shí)的狀態(tài))。
[0024]圖9為圖6中C處局部放大并旋轉(zhuǎn)后的示意視圖。
[0025]圖10為圖6中D處局部放大并旋轉(zhuǎn)后的示意視圖。
[0026]圖11為本發(fā)明手指的裝配爆炸圖。
[0027]圖12為圖2的X區(qū)域局部放大結(jié)構(gòu)分離示意圖。
[0028]圖中，I —電機(jī)，2 —減速器，3 —機(jī)座，4 —近端指節(jié)底座，5 —中指節(jié)底座，6 —遠(yuǎn)端指節(jié)底座，7 —絲杠，8 —滑塊，8a —燕尾槽，8b —第一齒輪軸，9 一第一齒輪，101 —第一齒條，1a 一第一凹槽，1b 一第一前凸肩，1c —第一后凸肩，102 —第二齒條，103 一第一齒條條形槽，105 一第一齒條凸軸，106 一第一限位條形槽，107 一第二齒條凸軸，108 一第一豎直支撐臂，109 一第一斜向支撐臂，11 一第一連桿，12 一第一搖桿，13 一第二連桿，13a 一第