專利名稱：自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
與人類似，擬人機(jī)器人的多數(shù)功能要通過(guò)手部操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而手部結(jié)構(gòu)是擬人機(jī)器人的重要組成部分，其設(shè)計(jì)是擬人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了增加手部的擬人化，手部要設(shè)計(jì)較多的關(guān)節(jié)自由度，然而，為了減輕擬人機(jī)器人手部的控制難度，以及減小手部的體積、重量，需要減少驅(qū)動(dòng)器數(shù)目，這兩者有一定的矛盾，另外，為了更好地抓取物體，還需要手指在抓取物體時(shí)具有一定的自適應(yīng)性。設(shè)計(jì)自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置能夠更好的實(shí)現(xiàn)較多關(guān)節(jié)自由度、較少驅(qū)動(dòng)器數(shù)目、抓取不同形狀、尺寸的物體時(shí)的較強(qiáng)的自適應(yīng)性這三個(gè)目標(biāo)。
已有的一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，如美國(guó)發(fā)明專利US5762390，包括第一指節(jié)、第二指節(jié)、第三指節(jié)、電機(jī)、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座、連桿機(jī)構(gòu)、彈簧。第一指節(jié)、第二指節(jié)、第三指節(jié)與底座串連絞接在一起，并且兩兩之間設(shè)有彈簧和連桿相連，形成3個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相串連設(shè)置在底座里。該裝置由自身攜帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。其工作原理為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第一、二、三指節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝恢腹?jié)接觸到物體時(shí)，第一指節(jié)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)第一、二2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第二、三指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)诙腹?jié)也接觸到物體，第二指節(jié)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)第一、二、三3個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第三指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第三指節(jié)也接觸物體為止。
該裝置的不足之處為該裝置的電機(jī)、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅裝置復(fù)雜，而且較重、體積較大，不能安裝于手指指節(jié)中，只能安裝在手掌底座里，造成手掌底座體積很大；實(shí)現(xiàn)手指指節(jié)依次轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)裝置復(fù)雜、制造成本高；不適合安裝在擬人機(jī)器人上使用。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，包括第一指節(jié)、主動(dòng)板、第二指節(jié)、欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)；第一指節(jié)、主動(dòng)板與第二指節(jié)之間套設(shè)該欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)；所說(shuō)的欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)包括大齒輪軸、雙聯(lián)齒輪軸、小齒輪軸、彈簧。大齒輪軸、小齒輪軸分別與雙聯(lián)齒輪軸的小齒輪、大齒輪嚙合。三個(gè)齒輪軸均套設(shè)在第一指節(jié)上。大齒輪軸與主動(dòng)板固接。小齒輪軸與第二指節(jié)骨架固接。彈簧連接在第一指節(jié)與第二指節(jié)之間。
第一指節(jié)包括第一指節(jié)中部板、左軸承板、右軸承板，三者固接在一起。
主動(dòng)板包括主動(dòng)板骨架、左側(cè)板、右側(cè)板、主動(dòng)板表面板，主動(dòng)板骨架與左側(cè)板、右側(cè)板固接在一起。主動(dòng)板表面板固接在主動(dòng)板骨架的表面。
第二指節(jié)包括第二指節(jié)骨架、第二指節(jié)表面板、后蓋板。第二指節(jié)骨架與后蓋板固接。第二指節(jié)表面板固接在第二指節(jié)骨架表面上。主動(dòng)板表面板和第二指節(jié)表面板采用有適當(dāng)彈性的工業(yè)橡皮材料。這樣在抓取物體時(shí)，手指表面與物體之間將形成軟指面接觸，一方面增加了手指對(duì)物體的約束程度，另一方面也可以增加摩擦力，從而增加抓取物體的穩(wěn)定性。
第一指節(jié)、第二指節(jié)和主動(dòng)板的主要材料采用尼龍610，較大程度的減輕了重量，同時(shí)由于尼龍610具有一定的潤(rùn)滑作用，省去了各齒輪軸與第一指節(jié)之間的滑動(dòng)軸承零件。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置的工作原理為當(dāng)手指伸直時(shí)，讓彈簧受拉，第一指節(jié)與主動(dòng)板之間的初始角度最好呈3～30度的角度。
當(dāng)抓取物體時(shí)，其他手指轉(zhuǎn)動(dòng)后壓迫物體，物體擠壓第一指節(jié)主動(dòng)板，帶動(dòng)與主動(dòng)板固接的大齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)與小齒輪軸固接的第二指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第二指節(jié)接觸物體，因而具有對(duì)物體大小、形狀的適應(yīng)性。由于從大齒輪軸到小齒輪軸的二級(jí)齒輪傳動(dòng)為增速傳動(dòng)，所以第二指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度遠(yuǎn)大于主動(dòng)板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使得第二指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)仿佛有電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一般，能夠快速扣住物體，實(shí)現(xiàn)了手指自身不用驅(qū)動(dòng)器，卻可以有多個(gè)關(guān)節(jié)自由度的目的；當(dāng)放開(kāi)物體時(shí)，其他手指在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下離開(kāi)物體，物體也就不再壓迫第一指節(jié)主動(dòng)板，第一指節(jié)和第二指節(jié)之間連接的彈簧將第二指節(jié)拉回到原始伸直的位置，通過(guò)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)第一指節(jié)主動(dòng)板也恢復(fù)原位。另外，如果抓取的物體直徑較小，不適合接觸到第一指節(jié)主動(dòng)板，則可以采用其他手指的最末尾一個(gè)指節(jié)與此自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指的第二指節(jié)接觸的方式抓取，此時(shí)，欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也同樣能夠很好的抓取物體。
本發(fā)明的特點(diǎn)為本發(fā)明的裝置自身不帶驅(qū)動(dòng)器，間接利用手部其他手指對(duì)物體的抓取力作為驅(qū)動(dòng)源，并利用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手指指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)所抓物體形狀、大小具有很強(qiáng)的自適應(yīng)，降低了抓取物體時(shí)需要的控制精度，降低了裝置對(duì)控制系統(tǒng)的要求。該裝置外形與人手的手指相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，體積小、重量輕，可以作為機(jī)器人擬人手的一個(gè)手指或手指的一部分，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人擬人手以較少驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多的手指關(guān)節(jié)自由度，并具有抓取不同形狀、大小物體的很強(qiáng)的自適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明的一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指實(shí)施例的正面結(jié)構(gòu)圖，未畫出左側(cè)板8、主動(dòng)板骨架17、右側(cè)板18、主動(dòng)板表面板19。
圖2是本實(shí)施例自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖。
圖3是圖1中的C-C剖面圖。
圖4是圖2中的B向視圖，僅畫出左側(cè)板8、主動(dòng)板骨架17、右側(cè)板18、主動(dòng)板表面板19。
圖5是本實(shí)施例自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指抓握物體的示意圖。
圖6是應(yīng)用了本實(shí)施例的一種機(jī)器人擬人手結(jié)構(gòu)的側(cè)面外觀圖，此時(shí)拇指已擺動(dòng)到與手掌正對(duì)的位置。
圖7是應(yīng)用了本實(shí)施例的一種機(jī)器人擬人手結(jié)構(gòu)的正面外觀圖，此時(shí)拇指已擺動(dòng)到與手掌的側(cè)面。
圖8是應(yīng)用了本實(shí)施例的一種機(jī)器人擬人手捏持小尺寸圓柱物體的示意圖。
圖9是應(yīng)用了本實(shí)施例的一種機(jī)器人擬人手握持小尺寸圓柱物體的示意圖。
在圖1至圖9中1是第一指節(jié)， 2是第二指節(jié)， 3是欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，4主動(dòng)板， 5是第一指節(jié)中部板， 6是右軸承板，7是左軸承板， 8是左側(cè)板， 9是第二指節(jié)后蓋板，10是彈簧， 11是第二指節(jié)骨架，12是第二指節(jié)表面板，13是大齒輪軸， 14是雙聯(lián)齒輪軸， 15是小齒輪軸，16是圓錐銷，17是主動(dòng)板， 18是右側(cè)板，19是主動(dòng)板表面板， 20是物體，21是手掌， 22是食指第一指節(jié)，23是食指第二指節(jié)，24是拇指第一指節(jié)， 25是拇指第二指節(jié)，26是食指第一關(guān)節(jié)，27是食指第二關(guān)節(jié)， 28是拇指第一關(guān)節(jié)，29是拇指第二關(guān)節(jié)。
第一指節(jié)1包括第一指節(jié)中部板5、左軸承板7、右軸承板6。三者通過(guò)螺釘固接在一起。
主動(dòng)板4包括主動(dòng)板骨架17、左側(cè)板8、右側(cè)板18、主動(dòng)板表面板19。主動(dòng)板骨架17與左側(cè)板8、右側(cè)板18通過(guò)螺釘固接在一起。主動(dòng)板表面板19用膠水粘接在主動(dòng)板骨架17的表面。
第二指節(jié)2包括第二指節(jié)骨架11、第二指節(jié)表面板12、后蓋板9。第二指節(jié)骨架11與后蓋板9通過(guò)螺釘固接。第二指節(jié)表面板12用膠水粘接在第二指節(jié)骨架11表面上。
欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)3包括大齒輪軸13、雙聯(lián)齒輪軸14、小齒輪軸15、圓錐銷16、彈簧10。大齒輪軸13、小齒輪軸15分別與雙聯(lián)齒輪軸14的小齒輪、大齒輪嚙合。三個(gè)齒輪軸13、14、15均套設(shè)在第一指節(jié)1上。大齒輪軸13與小齒輪軸15同軸。大齒輪軸13通過(guò)圓錐銷16與主動(dòng)板17固接。小齒輪軸15通過(guò)圓錐銷16與第二指節(jié)骨架11固接。彈簧10連接在第一指節(jié)中部板5與第二指節(jié)骨架11之間。當(dāng)手指伸直時(shí)，讓彈簧10受拉，第一指節(jié)1與主動(dòng)板4之間的初始角度β最好呈3～30度的角度。
主動(dòng)板4和第二指節(jié)2的表面均覆蓋有適當(dāng)彈性的工業(yè)橡皮作為表面板19、12，這樣在抓取物體時(shí)，手指表面與所抓物體20之間將形成軟指面接觸，一方面增加了手指對(duì)物體20的約束程度，另一方面也可以增加摩擦力，從而增加抓取物體的穩(wěn)定性。
本實(shí)施例的主要材料采用尼龍610，較大程度的減輕了重量，同時(shí)由于尼龍610具有一定的潤(rùn)滑作用，省去了各齒輪軸13、14、15與第一指節(jié)1之間的滑動(dòng)軸承零件。
本實(shí)施例的工作原理，如圖5所示，敘述如下當(dāng)機(jī)器人擬人手抓取物體20時(shí)，其他手指在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下壓緊物體20，此時(shí)物體20擠壓第一指節(jié)主動(dòng)板4，帶動(dòng)與主動(dòng)板4固接的大齒輪軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪軸14轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小齒輪軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)與小齒輪軸15固接的第二指節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第二指節(jié)2接觸物體，因而具有對(duì)物體20大小、形狀的適應(yīng)性。由于從大齒輪軸13到小齒輪軸15的二級(jí)齒輪傳動(dòng)為增速傳動(dòng)，所以第二指節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)的角度φ遠(yuǎn)大于主動(dòng)板4轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ，使得第二指節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)仿佛有電機(jī)等驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一般，能夠快速扣住物體20，實(shí)現(xiàn)了手指自身不用驅(qū)動(dòng)器，卻可以有多個(gè)關(guān)節(jié)自由度的目的；當(dāng)放開(kāi)物體20時(shí)，其他手指在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下離開(kāi)物體20，物體20也就不再壓迫第一指節(jié)主動(dòng)板4，第一指節(jié)1和第二指節(jié)2之間連接的彈簧10將第二指節(jié)2拉回到原始伸直的位置，通過(guò)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)第一指節(jié)主動(dòng)板4也恢復(fù)原位。
另外，如果抓取的物體20直徑較小，不適合接觸到第一指節(jié)主動(dòng)板4，則可以利用其他手指的最末尾一個(gè)指節(jié)與此自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指的第二指節(jié)2接觸的方式抓取，此時(shí)，欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也同樣能夠很好的抓取物體。
本實(shí)施例用于機(jī)器人擬人手的結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。
應(yīng)用本實(shí)施例的機(jī)器人擬人手包括手掌21、食指第一指節(jié)22、食指第二指節(jié)23、拇指第一指節(jié)24、拇指第二指節(jié)25、食指第一關(guān)節(jié)26、食指第二關(guān)節(jié)27、拇指第一關(guān)節(jié)28、拇指第二關(guān)節(jié)29、手腕連接板30。
其中，拇指第一指節(jié)24、拇指第二關(guān)節(jié)29、拇指第二指節(jié)25、主動(dòng)板4應(yīng)用了本實(shí)施例結(jié)構(gòu)，其中，拇指第二關(guān)節(jié)29作為欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。食指第一關(guān)節(jié)、食指第二關(guān)節(jié)、拇指第一關(guān)節(jié)均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)關(guān)節(jié)。
應(yīng)用本實(shí)施例的機(jī)器人擬人手抓取小尺寸物體的原理如圖8所示。轉(zhuǎn)動(dòng)拇指第一關(guān)節(jié)28，使拇指24、29、25轉(zhuǎn)到手掌21正對(duì)面，轉(zhuǎn)動(dòng)食指第一指節(jié)22和食指第二指節(jié)23，利用食指第二指節(jié)23和拇指第二指節(jié)25表面接觸物體20，此時(shí)，拇指第二關(guān)節(jié)29并不轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓取物體20。
應(yīng)用本實(shí)施例的機(jī)器人擬人手抓取大尺寸物體的原理如圖9所示。轉(zhuǎn)動(dòng)拇指第一關(guān)節(jié)28，使拇指24、29、25轉(zhuǎn)到手掌21正對(duì)面，轉(zhuǎn)動(dòng)食指第一指節(jié)22和食指第二指節(jié)23，利用食指第一、二指節(jié)24、25壓迫物體20，物體20壓迫主動(dòng)板4，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拇指第二指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)后緊緊扣住物體20，實(shí)現(xiàn)抓取物體20。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于包括第一指節(jié)、主動(dòng)板、第二指節(jié)、欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)；第一指節(jié)、主動(dòng)板與第二指節(jié)之間套設(shè)該欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)；所說(shuō)的欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)包括大齒輪軸、雙聯(lián)齒輪軸、小齒輪軸、彈簧；所說(shuō)的大齒輪軸、小齒輪軸分別與雙聯(lián)齒輪軸的小齒輪、大齒輪嚙合；該三個(gè)齒輪軸均套設(shè)在所說(shuō)的第一指節(jié)上；大齒輪軸與主動(dòng)板固接；該小齒輪軸與第二指節(jié)固接；所說(shuō)的彈簧連接在第一指節(jié)與第二指節(jié)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一指節(jié)包括第一指節(jié)中部板、左軸承板、右軸承板，三者固接在一起。
3.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于所說(shuō)的主動(dòng)板包括主動(dòng)板骨架、左側(cè)板、右側(cè)板、主動(dòng)板表面板，所說(shuō)的主動(dòng)板骨架與左側(cè)板、右側(cè)板固接在一起；該主動(dòng)板表面板固接在主動(dòng)板骨架的表面。
4.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第二指節(jié)包括第二指節(jié)骨架、第二指節(jié)表面板、后蓋板；該第二指節(jié)骨架與后蓋板固接；該第二指節(jié)表面板固接在第二指節(jié)骨架的表面上。
5.如權(quán)利要求3或4所述的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于所說(shuō)的主動(dòng)板表面板和第二指節(jié)表面板采用有適當(dāng)彈性的工業(yè)橡皮材料。
6.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一指節(jié)、第二指節(jié)、主動(dòng)板的主要材料采用尼龍610。
全文摘要
本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指裝置。包括第一指節(jié)、主動(dòng)板、第二指節(jié)、欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié);欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)包括大齒輪軸、雙聯(lián)齒輪軸、小齒輪軸、彈簧;大齒輪軸、小齒輪軸分別與雙聯(lián)齒輪軸的小齒輪、大齒輪嚙合;該三個(gè)齒輪軸均套設(shè)在第一指節(jié)上;大齒輪軸與主動(dòng)板固接;小齒輪軸與第二指節(jié)骨架固接;彈簧連接在第一指節(jié)與第二指節(jié)之間。本發(fā)明自身不帶驅(qū)動(dòng)器,外形與人手的手指相似,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,體積小、重量輕,僅需要較低的控制系統(tǒng)要求。可以作為機(jī)器人擬人手的一個(gè)手指或手指的一部分,用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人擬人手較少驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多的手指關(guān)節(jié)自由度,并具有抓取不同形狀、尺寸的物體的自適應(yīng)性。
文檔編號(hào)B25J15/08GK1365875SQ0210373
公開(kāi)日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2002年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者張文增, 陳強(qiáng), 孫振國(guó) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)