專利名稱：變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于擬人機器人手技術(shù)領域，特別涉及一種變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設計。
背景技術(shù)：
欠驅(qū)動機構(gòu)應用于機器人手，具有自適應抓取的突出優(yōu)點，同時帶來了控制更加簡單的好處。另外，安裝在手指基座或手掌中的電機可以更大從而使手指出力變大，從而使欠驅(qū)動機器人手指在這些方面優(yōu)于傳統(tǒng)無欠驅(qū)動機構(gòu)的機器人手指。
當前欠驅(qū)動手指己經(jīng)有若干實例被成功設計出來，這些裝置從其電機是否直接與多個關節(jié)相連接來看，可以分為兩大類。 一類是間接連接方式，可稱為間接欠驅(qū)動手指，另一類為直接連接方式，可稱為直接欠驅(qū)動手指。
現(xiàn)有的技術(shù)中，機械手抓取物體有多種方式(1)采用幾何包絡式抓取方式。 一般適合較小物體抓取，無法適應較大的物體，適應抓取物體尺寸范圍小。另外，該方法無法準確控制物體在手中的位置。(2)采用持續(xù)工作的電機等。抓取范圍好于前一種，但是電機必須是可以長期堵轉(zhuǎn)使用的特殊電機，成本昂貴。(3)采用具有力保持特點的特殊機構(gòu)，這種方式由于不用電機持續(xù)工作而且對物體的抓取力可以精確控制，因而近年來得到重點關注和研究，稱為變抓力手指機構(gòu)。帶有變抓力機構(gòu)的手抓取物體范圍大大擴展，同時機構(gòu)復雜度增加不大，成本較低，也很容易維修維護。
一種欠驅(qū)動機械手指裝置如美國發(fā)明專利US5762390A，該裝置屬于直接欠驅(qū)動手指，由于采用多套四連桿機構(gòu)將驅(qū)動源的動力傳遞到多個關節(jié)處，為了達到末端手指轉(zhuǎn)動較大角度，必須設置體積相當龐大的手指機構(gòu)，手指外觀不夠擬人化；另外，該機械手采用持續(xù)保持抓取力的驅(qū)動源——液壓缸，導致存在油壓密封問題和整個手掌體積過于龐大，而且成本昂貴、制造維修不便。
一種如中國發(fā)明專利CN1215925C所述的手指裝置雖然具有變抓取力機構(gòu)的手指但不具有欠驅(qū)動多關節(jié)驅(qū)動和自適應抓取效果。另外， 一種如美國發(fā)明專利US4946380所述的裝置使用鋼絲繩驅(qū)動，使用了變抓力機構(gòu)。但是鋼絲繩承受力較小導致手指出力小。另外多套鋼絲繩和繩輪機構(gòu)相當復雜，而且鋼絲繩如果拉得不緊起不到較精確的控制驅(qū)動要求，如果鋼絲繩拉得過緊又壽命不長，鋼絲繩較為容易崩斷，維修費時費力。若采用高性能鋼絲繩或特殊材料腱繩則又成本非常昂貴。而且該手的變抓力機構(gòu)難以直接應用到其他傳動方式中。
綜上所述，如果將特別設計的變抓取力機構(gòu)與欠驅(qū)動技術(shù)融合到同一款機械手中，可以得到功能強大、抓取范圍廣、抓取穩(wěn)定性好、成本較低、出力大的實用型機器人手，尤其適合成為擬人機器人手。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提出一種變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，既具有變抓取力抓取功能，從而抓取穩(wěn)定且抓取范圍廣，又有欠驅(qū)動自適應抓取效果，同時外觀擬人化、出力大。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案-
一種變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節(jié)軸、遠關節(jié)軸、傳動機構(gòu)和電機；所說的電機與基座固接，電機的輸出軸通過所說的傳動機構(gòu)與所說的近關節(jié)軸相連，近關節(jié)軸套設在基座中，所說的遠關節(jié)軸套設在所說的第一指段中；第一指段套接在近關節(jié)軸上，所說的第二指段套接在遠關節(jié)軸上；所說的近關節(jié)軸和遠關節(jié)軸的軸線相互平行；
其特征在于
該變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置包括第一連桿、第一軸、第二連桿、第二軸、第一滑塊、第二滑塊、第三軸、第三連桿、第四軸、第一簧件和第二簧件；
所說的第一連桿的一端套固在近關節(jié)軸上；所說的第二連桿一端通過所說的第一軸與第一連桿的另一端鉸接，第二連桿的另一端通過所說的第二軸與所說的第一滑塊鉸接；所說的第三連桿一端通過所說的第三軸與所說的第二滑塊鉸接，第二指段通過所說的第四軸與第三連桿的另一端鉸接；第一滑塊和第二滑塊鑲嵌在第一指段中，第一滑塊與第二滑塊的滑動方向相同；所說的第一簧件的兩端分別連接第一滑塊和第一指段，所說的第二簧件的兩端分別連接第一滑塊和第二滑塊；所說的第一軸、第二軸、第三軸、第四軸和近關節(jié)軸的軸線相互平行。
本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于所說的近關節(jié)軸、遠關節(jié)軸、第一軸、第二軸、第三軸、第一滑塊和第二滑塊符合如下關系設近關節(jié)軸的軸線與遠關節(jié)軸的軸線所在平面為P平面，則第一軸的軸線、第二軸的軸線和第三軸的軸線在尸平面的同側(cè)；所說的第一滑塊和第二滑塊的滑動方向均平行于所說的P平面。
本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于所說的第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于在所說的電機輸出軸與傳動機構(gòu)之間設有減速器，所說的減速器的輸出軸與傳動機構(gòu)相連；所說的傳動機構(gòu)采用齒輪傳動機構(gòu)。
本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于在所說的電機上設有編碼器。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果
本發(fā)明利用連桿機構(gòu)、滑塊移動副、套接指段及簧件綜合實現(xiàn)了兩關節(jié)手指欠驅(qū)動自適應和可變抓取力的特殊效果，該手指裝置既具有變抓取力抓取功能，從而抓取穩(wěn)定且抓取范圍廣，又有多關節(jié)欠驅(qū)動自適應抓取效果，僅采用一個驅(qū)動器驅(qū)動兩個關節(jié)自由度，自動適應所抓物體的大小和形狀，降低了對控制系統(tǒng)的控制要求，而且出力大、結(jié)構(gòu)簡單可靠、成
本低，適合長期使用，與人手的手指外觀和動作相似，適用于擬人機器人手上。


圖1是本發(fā)明提供的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置的一種實施例的正面外觀圖。
圖2是圖1的左側(cè)視圖。
圖3是圖1所示實施例的立體外觀圖。
圖4是圖1的剖視圖。
圖5是圖2的剖視圖。
圖6是圖1的右側(cè)剖視圖。
圖7是圖1所示實施例的爆炸視圖。
圖8是圖1所示實施例的立體視圖(未畫出齒輪傳動機構(gòu)中的從動直齒輪、第一簧件、第一指段前蓋板、第一指段左側(cè)板、第二指段前蓋板和第二指段左側(cè)板)。圖9是圖1所示實施例握持物體的立體外觀圖。
圖IO是圖1所示實施例的左側(cè)剖視圖(第一指段和第二指段呈一個整體繞著近關節(jié)軸轉(zhuǎn)動的結(jié)果)
圖11是圖1所示實施例的左側(cè)剖視圖(此時第一指段被所抓物體阻擋且到達極限位置)。圖12是圖1所示實施例的左側(cè)剖視圖(此時第一指段和第二指段均被所抓物體阻擋且到達極限位置)。
圖13、圖14、圖15、圖16和圖17是圖1所示實施例以兩個指段完全握持方式抓取物體過程示意圖(第一指段和第二指段分別依次繞近關節(jié)軸、遠關節(jié)軸軸線轉(zhuǎn)動)。圖18是本實施例以第二指段碰觸物體的示意圖。圖19是包括了本實施例的機器人手裝置示意圖。圖20是圖17所示機器人手裝置抓持物體示意圖。在圖1至圖16中
3—第二指段，7—電機，IO—第二連桿，14一第三軸，18—第二簧件，22 —拇指。
2—第一指段，
6—齒輪傳動機構(gòu)，
9一第一軸，
13—第二滑塊，
17—第一簧件，
21—物體，
4一近關節(jié)軸，
ll一第二軸，
15—第三連桿，
19一減速器，
1_基座，5 —遠關節(jié)軸，8 —第一連桿，12—第一滑塊，16—第四軸，20—編碼器，
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳細說明本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置的一種實施例，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11和圖12所示，包括基座1、
5第一指段2、第二指段3、近關節(jié)軸4、遠關節(jié)軸5、傳動機構(gòu)6和電機7;所說的電機7與 基座1固接，電機7的輸出軸通過所說的傳動機構(gòu)6與所說的近關節(jié)軸4相連，近關節(jié)軸4 套設在基座1中，所說的遠關節(jié)軸5套設在所說的第一指段2中；第一指段2套接在近關節(jié) 軸5上，所說的第二指段3套接在遠關節(jié)軸5上；
該實施例包括第一連桿8、第一軸9、第二連桿IO、第二軸ll、第一滑塊12、第二滑塊 13、第三軸14、第三連桿15、第四軸16、第一簧件17和第二簧件18;
所說的第一連桿8的一端套固在近關節(jié)軸4上；所說的第二連桿10 —端通過所說的第一 軸9與第一連桿8的另一端鉸接，第二連桿10的另一端通過所說的第二軸11與所說的第一 滑塊12鉸接；所說的第三連桿15—端通過所說的第三軸14與所說的第二滑塊13鉸接，第 二指段3通過所說的第四軸16與第三連桿15的另一端鉸接；所說的近關節(jié)軸4和遠關節(jié)軸 5的軸線相互平行；第一滑塊12和第二滑塊13鑲嵌在第一指段2中，第一滑塊12與第二滑 塊13的滑動方向相同；所說的第一簧件17的兩端分別連接第一滑塊12和第一指段2，所說 的第二簧件18的兩端分別連接第一滑塊12和第二滑塊13;所說的第一軸9、第二軸ll、第 三軸14、第四軸16、和近關節(jié)軸4的軸線相互平行。
本實施例中，所說的近關節(jié)軸4、遠關節(jié)軸5、第一軸9、第二軸ll、第三軸14、第一滑 塊12和第二滑塊13符合如下關系設近關節(jié)軸4的軸線與遠關節(jié)軸5的軸線所在為戶平面， 則第一軸9的軸線、第二軸11的軸線和第三軸14的軸線在戶平面的同側(cè)；所說的第一滑塊 12和第二滑塊13的滑動方向均平行于所說的P平面。
本發(fā)明所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于所說的 第一簧件和第二簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性繩。
在本實施例中，所說的第一簧件17采用拉簧，所說的第二簧件18采用壓簧。
在本實施例中，在所說的電機7輸出軸與傳動機構(gòu)6之間設有減速器19，所說的減速器 19的輸出軸與傳動機構(gòu)6相連。
在本實施例中，所說的傳動機構(gòu)6采用齒輪傳動機構(gòu)。
在本實施例中，在所說的電機7上設有編碼器20。
本實施例的工作原理，如圖13、圖14、圖15、圖16、圖17、圖18，敘述如下 本實施例的初始狀態(tài)如圖13所示，類似人的手指伸直狀態(tài)。
當本實施例抓取物體時，電機7轉(zhuǎn)動，通過減速器19、齒輪傳動機構(gòu)6帶動近關節(jié)軸4 轉(zhuǎn)動，近關節(jié)軸4帶動與之固接的第一連桿8轉(zhuǎn)動，由于第一簧件17和第二簧件18的共同 限制作用，第一滑塊12和第二滑塊13不發(fā)生滑動，第一連桿8、第二連桿10和第三連桿15 相對位置關系不變，第一指段2和第二指段3仿佛一個"剛體"，因此近關節(jié)軸4的轉(zhuǎn)動將通 過第一連桿8帶動第一指段2和第二指段3作為一個整體繞近關節(jié)軸4的軸線轉(zhuǎn)動，如圖14 所示。此時會遇到以下兩種情況-
(a)第二指段3碰到物體，第二指段3受限制無法運動，此時第一連桿8在近關節(jié)軸4的 帶動下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，依次通過第一軸9、第二連桿10、第二軸11驅(qū)動第一滑塊12克服第一簧件17和第二簧件18的變形彈力在第一指段2內(nèi)滑動，第二滑塊13由于第二指段3被限制并 不滑動，隨著第二簧件18變形的增加，第二指段3上的抓取力逐漸增大，直到第二簧件18 不再變形為止，抓取結(jié)束，如圖18所示。
(b)第一指段2碰到物體，如圖15所示，第一指段2受限制無法運動，此時第一連桿8在 近關節(jié)軸4的帶動下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，依次通過第一軸9、第二連桿10、第二軸11驅(qū)動第一滑塊 12克服第一簧件17的變形彈力在第一指段2內(nèi)滑動，此時第一簧件17發(fā)生變形，而第二簧 件18由于第二指段3沒有限制不發(fā)生變形，在第二簧件18的作用下，第一滑塊12驅(qū)動第二 滑塊13在第一指段2內(nèi)滑動，第二滑塊13通過第三軸14、第三連桿15和第四軸16推動第 二指段3繞遠關節(jié)軸5軸線轉(zhuǎn)動，如圖16所示。直到第二指段3接觸到物體，此時第一連桿 8在近關節(jié)軸4的帶動下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，依次通過第一軸9、第二連桿IO、第二軸ll繼續(xù)驅(qū)動第 一滑塊12克服第一簧件17和第二簧件18的變形彈力在第一指段2內(nèi)滑動，第二滑塊13由 于第二指段3被限制并不滑動，隨著第二簧件18變形的增加，第一指段2和第二指段3上的 抓取力逐漸增大，直到第二簧件18不再變形為止，抓取結(jié)束，如圖17所示。
當放開物體時，電機7反轉(zhuǎn)，通過減速器19、齒輪傳動機構(gòu)6帶動近關節(jié)軸4反轉(zhuǎn)，第 一連桿8在近關節(jié)軸4帶動下反轉(zhuǎn)，第一連桿8依次通過第一軸9、第二連桿IO、第二軸ll 拉動第一滑塊12運動，此時第一簧件17和第二簧件18的變形逐漸減小，第二滑塊13并不 滑動，第一指段2和第二指段3上的抓取力逐漸減小，直到第二簧件18完全恢復到未變形狀 態(tài)，繼而第一滑塊12通過第二簧件18拉動第二滑塊13運動，第二簧件18不再發(fā)生變形， 第二滑塊13通過第三軸14、第三連桿15、第四軸16拉動第二指段3繞遠關節(jié)軸5軸線反轉(zhuǎn)。 由于在第一指段2的后背上方有凸臺，此凸臺將限制第二指段3反轉(zhuǎn)時超過其相對于第一指 段2的初始伸直位置，起到限位作用，因此第二指段3將受到第一指段2的阻擋不能再反向 轉(zhuǎn)動，此時第二指段3已經(jīng)反轉(zhuǎn)到手指伸直的位置，如圖15所示。同時，第一連桿8將繼續(xù) 反轉(zhuǎn)，拉動處于伸直狀態(tài)的第一指段2和第二指段3作為一個整體一起繞近關節(jié)軸5軸線反 轉(zhuǎn)。由于在基座1的后背上方有凸臺，此凸臺將限制第一指段2反轉(zhuǎn)時超過其相對于基座1 的初始伸直位置，起到限位作用，因此第一指段2將受到基座1的阻擋不能再反向轉(zhuǎn)動，直 到手指裝置完全恢復到初始的伸直位置，如圖13所示。
本發(fā)明利用連桿機構(gòu)、滑塊移動副、套接指段及簧件綜合實現(xiàn)了兩關節(jié)手指欠驅(qū)動自適 應和可變抓取力的特殊效果，該手指裝置既具有變抓取力抓取功能，從而抓取穩(wěn)定且抓取范 圍廣，又有多關節(jié)欠驅(qū)動自適應抓取效果，僅采用一個驅(qū)動器驅(qū)動兩個關節(jié)自由度，自動適
應所抓物體的大小和形狀r降低了對控制系統(tǒng)的控制要求，而且出力大、結(jié)構(gòu)簡單可靠、成
本低，適合長期使用，與人手的手指外觀和動作相似，適用于擬人機器人手上。
權(quán)利要求
1、一種變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，包括基座(1)、第一指段(2)、第二指段(3)、近關節(jié)軸(4)、遠關節(jié)軸(5)、傳動機構(gòu)(6)和電機(7)；所說的電機(7)與基座(1)固接，電機(7)的輸出軸通過所說的傳動機構(gòu)(6)與所說的近關節(jié)軸(4)相連，近關節(jié)軸(4)套設在基座(1)中，所說的遠關節(jié)軸(5)套設在所說的第一指段(2)中；第一指段(2)套接在近關節(jié)軸(4)上，所說的第二指段(3)套接在遠關節(jié)軸(5)上；所說的近關節(jié)軸(4)和遠關節(jié)軸(5)的軸線相互平行；其特征在于該變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置包括第一連桿(8)、第一軸(9)、第二連桿(10)、第二軸(11)、第一滑塊(12)、第二滑塊(13)、第三軸(14)、第三連桿(15)、第四軸(16)、第一簧件(17)和第二簧件(18)；所說的第一連桿(8)的一端套固在近關節(jié)軸(4)上；所說的第二連桿(10)一端通過所說的第一軸(9)與第一連桿(8)的另一端鉸接，第二連桿(10)的另一端通過所說的第二軸(11)與所說的第一滑塊(12)鉸接；所說的第三連桿(15)一端通過所說的第三軸(14)與所說的第二滑塊(13)鉸接，第二指段(3)通過所說的第四軸(16)與第三連桿(15)的另一端鉸接；第一滑塊(12)和第二滑塊(13)鑲嵌在第一指段(2)中，第一滑塊(12)與第二滑塊(13)的滑動方向相同；所說的第一簧件(17)的兩端分別連接第一滑塊(12)和第一指段(2)，所說的第二簧件(18)的兩端分別連接第一滑塊(12)和第二滑塊(13)；所說的第一軸(9)、第二軸(11)、第三軸(14)、第四軸(16)和近關節(jié)軸(4)的軸線相互平行。
2、 如權(quán)利要求1所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于-所說的近關節(jié)軸(4)、遠關節(jié)軸(5)、第一軸(9)、第二軸(11)、第三軸(14)、第一滑塊(12)和第二滑塊(13)符合如下關系設近關節(jié)軸(4)的軸線與遠關節(jié)軸(5)的軸線所 在平面為尸平面，則第一軸(9)的軸線、第二軸(11)的軸線和第三軸(14)的軸線在戶 平面的同側(cè)；所說的第一滑塊(12)和第二滑塊(13)的滑動方向均平行于所說的P平面。
3、 如權(quán)利要求1所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于 所說的第一簧件(17)和第二簧件(18)采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發(fā)條或彈性 繩。
4、 如權(quán)利要求1所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于在所說的電機(7)輸出軸與傳動機構(gòu)(6)之間設有減速器(19)，所說的減速器(19)的輸 出軸與傳動機構(gòu)(6)相連，所述的傳動機構(gòu)(6)采用齒輪傳動機構(gòu)。
5、 如權(quán)利要求1所說的變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，其特征在于 在所說的電機(7)上設有編碼器(20)。
全文摘要
一種變抓力的雙關節(jié)滑塊式直接欠驅(qū)動機器人手指裝置，屬于擬人機器人手技術(shù)領域，包括基座、兩個指段、兩個關節(jié)軸、電機、三個連桿、兩個滑塊和兩個簧件等。本發(fā)明利用連桿機構(gòu)、滑塊移動副、套接指段及簧件綜合實現(xiàn)了兩關節(jié)手指欠驅(qū)動自適應和可變抓取力的特殊效果，該手指裝置既具有變抓取力抓取功能，從而抓取穩(wěn)定且抓取范圍廣，又有多關節(jié)欠驅(qū)動自適應抓取效果，僅采用一個驅(qū)動器驅(qū)動兩個關節(jié)自由度，自動適應所抓物體的大小和形狀，降低了對控制系統(tǒng)的控制要求，而且出力大、結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低，適合長期使用，與人手的手指外觀和動作相似，適用于擬人機器人手上。
文檔編號B25J15/00GK101628416SQ200910089998
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者張文增, 趙得洋 申請人:清華大學