齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人实施抓取的重要装置，一般采用多个手指以模仿人手的结构设计。机器人手指是机器人手的重要部件，一般具有一个以上的关节，在抓取物体时，手指弯曲使得手指上的多个指段接触物体。现有在工业流水线上使用的大量机器人手采用单个关节的手指，不能对物体的外形适应，在抓取物体时主要靠形状封闭的方式来实施抓取，抓取方式拟人性不高，不能抓取多种不同形状、尺寸的物体。已有不少具有自适应特点的机器人手被设计出来，通过控制机器人手指上的两个关节从根部到末端的顺序转动，达到包络抓取物体的目的，这种抓取能够在事先未知物体形状、尺寸的前提下进行较好的包络自适应抓取。该类机器人手指抓取模式比较单一，缺少了工业流水线手爪的平行夹持功能，影响了其在工业领域的使用。

加拿大开发了一种具有平行夹持与自适应两种抓取模式的复合抓取机器人手(US5762390)，早期样机已成功应用于国际空间站上，其主要原理是利用多路连杆传动机构进行并联设置，利用单个电机驱动，当主动杆运动时，整个手指的中部可以实现类似自适应抓取的效果，同时末端的手指指段在最初的阶段始终保持平动的特点，该平动是相对于机器人手的基座而言，当近处的指段接触了物体，则会触发下一个关节的转动，最终实现所有指段包络抓取物体。其不足之处在于：该机器人手指的机构比较复杂，连杆运动存在较大的死区，在抓取的不同情况中，失稳区域较大，稳定性抓取的空间较小；此外该手指抓取物体时无法灵活调节抓取力量，在抓取不同物体时可能发生挤跑物体的现象。

已有的一种具有双自由度欠驱动手指的五连杆夹持装置，如美国专利US8973958B2，包括五个连杆、弹簧、机械约束。该装置在工作时，开始阶段保持末端指段的姿态进行近关节弯曲动作，之后根据物体的位置可以实现平行捏持或自适应包络握持的功能。其不足之处在于，该装置采用非常复杂的纯连杆机构，运动存在较大的死区，抓取范围较小，机构体积大，缺乏柔顺性，制造成本过高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置。该装置具有平行夹持与自适应抓取两种抓取模式，既能平动第二指段夹持物体，也能先后合上第一指段和第二指段自适应包络不同形状、大小的物体；抓取范围大；无需复杂的传感和控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、近关节轴、远关节轴、电机和传动机构；所述近关节轴活动套设在基座中；所述远关节轴活动套设在第一指段中；所述第一指段套接在近关节轴上；所述第二指段套接在远关节轴上；所述传动机构设置在基座中；所述电机与基座固接，所述电机的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线平行；该齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置还包括过渡轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第四传动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第三中间齿轮、第四中间齿轮、第五中间齿轮、第一中间轴、第二中间轴、第三中间轴、第四中间轴、第五中间轴、第一簧件、第二簧件、第一拨块和第二拨块；所述过渡轴活动套接在基座中，所述过渡轴的中心线与近关节轴的中心线平行，所述传动机构的输出端与第五齿轮相连；所述第一齿轮活动套接在过渡轴上，所述第二齿轮套接在近关节轴上，所述第一齿轮与第二齿轮啮合；所述第二齿轮与第一指段固接；所述第一齿轮与第三齿轮固接，所述第三齿轮活动套接在过渡轴上，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第四齿轮活动套接在近关节轴上，所述第四齿轮与第一传动齿轮固接，所述第一传动齿轮活动套接在近关节轴上，所述第二传动齿轮活动套接在远关节轴上；所述第一中间齿轮与第一传动齿轮啮合，所述第一中间齿轮套接在第一中间轴上，所述第一中间轴套设在第一指段中；所述第二中间齿轮与第一中间齿轮啮合，所述第二中间齿轮套接在第二中间轴上，所述第二中间轴套设在第一指段中；所述第二中间齿轮与第二传动齿轮啮合；所述第五齿轮套接在过渡轴上，所述第五齿轮与第六齿轮啮合，所述第六齿轮活动套接在近关节轴上，所述第六齿轮与第三传动齿轮固接，所述第三传动齿轮活动套接在近关节轴上，所述第四传动齿轮活动套接在远关节轴上；所述第三中间齿轮与第三传动齿轮啮合，所述第三中间齿轮套接在第三中间轴上，所述第三中间轴套设在第一指段中；所述第四中间齿轮与第三中间齿轮啮合，所述第四中间齿轮套接在第四中间轴上，所述第四中间轴套设在第一指段中；所述第五中间齿轮与第四中间齿轮啮合，所述第五中间齿轮套接在第五中间轴上，所述第五中间轴套设在第一指段中；所述第五中间齿轮与第四传动齿轮啮合；所述第一簧件的两端分别连接第三齿轮、第五齿轮；所述第二簧件的两端分别连接第二传动齿轮、第二指段；所述第一拨块与第四传动齿轮固接，所述第二拨块与第二指段固接，在初始状态时，所述第一拨块与第二拨块之间存在一段距离；所述第一传动齿轮的传动半径与第二传动齿轮的传动半径相同，所述第三传动齿轮的传动半径与第四传动齿轮的传动半径相同；设所述第一齿轮的齿数为a，所述第二齿轮的齿数为b，所述第三齿轮的齿数为c，所述第四齿轮的齿数为d；所述第五齿轮的齿数为e，所述第六齿轮的齿数为f；满足：

本发明所述的齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置，所述第一簧件采用扭簧；所述第二簧件采用扭簧。

本发明所述的齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置，所述传动机构包括减速器和过渡齿轮；所述电机的输出轴与减速器的输入轴相连，所述过渡齿轮套固在减速器的输出轴上，所述过渡齿轮与第五齿轮啮合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用单个电机、多个齿轮、多个传动齿轮、多个中间齿轮、多个中间轴、簧件和拨块等综合实现了平行夹持及自适应复合抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。

附图说明

图1是本发明设计的齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置的一种实施例的正面外观图。

图2是图1所示实施例的侧面外观图。

图3是图1所示实施例的立体外观图。

图4是图1所示实施例的立体内部图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例另一个角度的立体内部图(未画出部分零件)。

图6是图1所示实施例的正面内部图(未画出部分零件)。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是图6的B-B剖视图。

图9是图6的C-C剖视图。

图10是图1所示实施例处于初始状态时的侧面外观图。

图11是图1所示实施例处于平行夹持(平夹)状态的情况。

图12是图1所示实施例用平夹方式捏持物体的情况。

图13至图14是图1所示实施例用自适应抓取的方式包络物体的动作过程。

在图1至图14中：

1－基座， 21－第一指段， 22－第二指段， 31－近关节轴，

32－远关节轴， 41－电机， 42－减速器， 43－第一过渡齿轮，

44－第二过渡齿轮， 51－第一齿轮， 52－第二齿轮， 53－第三齿轮，

54－第四齿轮， 55－第五齿轮， 56－第六齿轮， 61－第一传动齿轮，

62－第二传动齿轮， 63－第三传动齿轮， 64－第四传动齿轮，

71－第一中间齿轮，

72－第二中间齿轮， 73－第三中间齿轮， 74－第四中间齿轮，

75－第五中间齿轮，

761－第一中间轴， 762－第二中间轴， 763－第三中间轴， 764－第四中间轴，

765－第五中间轴， 81－第一簧件， 82－第二簧件； 91－第一拨块，

92－第二拨块， 99－物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置的一种实施例，如图1至图9所示，包括基座1、第一指段21、第二指段22、近关节轴31、远关节轴32、电机41和传动机构；所述近关节轴31活动套设在基座1中；所述远关节轴32活动套设在第一指段21中；所述第一指段21套接在近关节轴31上；所述第二指段22套接在远关节轴32上；所述传动机构设置在基座1中；所述电机41与基座1固接，所述电机41的输出轴与传动机构的输入端相连；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线平行；该齿轮竞速平行夹持与自适应复合抓取机器人手指装置还包括过渡轴33、第一齿轮51、第二齿轮52、第三齿轮53、第四齿轮54、第五齿轮55、第六齿轮56、第一传动齿轮61、第二传动齿轮62、第三传动齿轮63、第四传动齿轮64、第一中间齿轮71、第二中间齿轮72、第三中间齿轮73、第四中间齿轮74、第五中间齿轮75、第一中间轴761、第二中间轴762、第三中间轴763、第四中间轴764、第五中间轴765、第一簧件81、第二簧件82、第一拨块91和第二拨块92；所述过渡轴33活动套接在基座1中，所述过渡轴33的中心线与近关节轴31的中心线平行，所述传动机构的输出端与第五齿轮55相连；所述第一齿轮51活动套接在过渡轴33上，所述第二齿轮52套接在近关节轴31上，所述第一齿轮51与第二齿轮52啮合；所述第二齿轮52与第一指段21固接；所述第一齿轮51与第三齿轮53固接，所述第三齿轮53活动套接在过渡轴33上，所述第三齿轮53与第四齿轮54啮合，所述第四齿轮54活动套接在近关节轴31上，所述第四齿轮54与第一传动齿轮61固接，所述第一传动齿轮61活动套接在近关节轴31上，所述第二传动齿轮62活动套接在远关节轴32上；所述第一中间齿轮71与第一传动齿轮61啮合，所述第一中间齿轮71套接在第一中间轴761上，所述第一中间轴761套设在第一指段21中；所述第二中间齿轮72与第一中间齿轮71啮合，所述第二中间齿轮72套接在第二中间轴762上，所述第二中间轴762套设在第一指段21中；所述第二中间齿轮72与第二传动齿轮62啮合；所述第五齿轮55套接在过渡轴33上，所述第五齿轮55与第六齿轮56啮合，所述第六齿轮56活动套接在近关节轴31上，所述第六齿轮56与第三传动齿轮63固接，所述第三传动齿轮63活动套接在近关节轴31上，所述第四传动齿轮64活动套接在远关节轴32上；所述第三中间齿轮73与第三传动齿轮63啮合，所述第三中间齿轮73套接在第三中间轴763上，所述第三中间轴763套设在第一指段21中；所述第四中间齿轮74与第三中间齿轮73啮合，所述第四中间齿轮74套接在第四中间轴764上，所述第四中间轴764套设在第一指段21中；所述第五中间齿轮75与第四中间齿轮74啮合，所述第五中间齿轮75套接在第五中间轴765上，所述第五中间轴765套设在第一指段21中；所述第五中间齿轮75与第四传动齿轮65啮合；所述第一簧件81的两端分别连接第三齿轮53、第五齿轮55；所述第二簧件82的两端分别连接第二传动齿轮62、第二指段22；所述第一拨块91与第四传动齿轮54固接，所述第二拨块92与第二指段22固接；在初始状态时，所述第一拨块91与第二拨块92之间存在一段距离(如图7所示)；所述第一传动齿轮61的传动半径与第二传动齿轮62的传动半径相同，所述第三传动齿轮63的传动半径与第四传动齿轮64的传动半径相同；设所述第一齿轮51的齿数为a，所述第二齿轮52的齿数为b，所述第三齿轮53的齿数为c，所述第四齿轮54的齿数为d；所述第五齿轮55的齿数为e，所述第六齿轮56的齿数为f；满足：

本实施例中，所述第一齿轮51与第二齿轮52的齿数相同，第三齿轮53与第四齿轮54的齿数比为2:1，第五齿轮55与第六齿轮56的齿数相同。在另一种实施例中，第一齿轮51与第二齿轮52的齿数比为1:2，第三齿轮53与第四齿轮54的齿数相同，第五齿轮55与第六齿轮56的齿数比为1:2。这两种实施例均可以满足上述的公式(1)和公式(2)。

本实施例中，所述第一簧件81采用扭簧；所述第二簧件82采用扭簧。

本实施例中，所述传动机构包括减速器42和过渡齿轮43；所述电机41的输出轴与减速器42的输入轴相连，所述过渡齿轮43套固在减速器42的输出轴上，所述过渡齿轮43与第五齿轮55啮合。

本实施例的工作原理，结合附图，叙述如下：

初始状态如图10所示。

电机41开动，通过减速器42带动过渡齿轮43，第五齿轮55转动。

第五齿轮55转动，通过第一簧件81带动第三齿轮53转动，与第三齿轮53固接的第一齿轮51转动。

第一齿轮51转动，带动第二齿轮52转动，与第二齿轮52固接的第一指段21转动一个角度α。

第三齿轮53转动一个角度α，带动第四齿轮54转动一个角度β，第一传动齿轮61转动β，通过第一中间齿轮71、第二中间齿轮72带动第二传动齿轮62转动。

因为第三齿轮53的齿数是第四齿轮54齿数的2倍，所以，β＝2α。

当第一指段21转动一个角度α时，假设第一传动齿轮61不动的情况下，通过第一中间齿轮71、第二中间齿轮72会带动第二传动齿轮62正转一个与第一指段21相同的角度α；当第一传动齿轮61正向转动一个角度β时，假设第一指段21不动的情况下，通过第一中间齿轮71、第二中间齿轮72会带动第二传动齿轮62反转一个角度β。

上述两种情况叠加即为实际情况：第一指段21转动了一个角度α，第二传动齿轮72相对于基座1没有转动，仅仅发生了平动。第二传动齿轮62通过第二簧件82带动第二指段22实现了平动，于是达到了平行夹持的动作模式，如图11所示。

在上述过程中，第五齿轮55转动角度α，第六齿轮56转动角度α，第三传动齿轮63转动角度α，通过第三中间齿轮73、第四中间齿轮74、第五中间齿轮75带动第四传动齿轮64转动角度α。

由于第一拨块91与第二拨块92在初始状态时存在距离，因此第四传动齿轮64上的第一拨块91不会拨动第二指段22上的第二拨块92。

此时如果第二指段22碰触到物体99，则完成平行夹持抓取模式，如图12所示。

当第一指段21转动的过程中，第二指段22平动，第四传动齿轮64上的第一拨块91逐渐靠近第二指段22上的第二拨块92。

当第一指段21接触物体99时，如图13所示，物体99阻挡第一指段21使得第一指段21不再转动，于是第二齿轮52、第一齿轮51、第三齿轮53、第四齿轮54不再转动，第一传动齿轮61、第二传动齿轮62不再转动，此时电机41动力继续提供，通过传动机构使得第五齿轮55继续转动，第一簧件81变形量增大。

第五齿轮55转动中，通过第六齿轮56带动第三传动齿轮63转动，通过第三中间齿轮73、第四中间齿轮74、第五中间齿轮75带动第四传动齿轮64，在一段时间后，第四传动齿轮64上的第一拨块91接触到第二拨块92，第一拨块91拨动第二拨块92，使得第二指段22转动，第二簧件82变形量增大，直到第二指段22接触物体，从而达到了第一指段21、第二指段22均接触物体的效果——即包络抓取，如图14所示。这种抓取对物体的形状和尺寸自动适应，无需事先知晓待抓物体的形状和尺寸，控制简单，抓取稳定。

释放物体的过程与上述过程刚好相反，不再赘述。

本发明装置利用单个电机、多个齿轮、多个传动齿轮、多个中间齿轮、多个中间轴、簧件和拨块等综合实现了平行夹持及自适应复合抓取的功能，根据目标物体形状和位置的不同，既能平动第二指段捏持物体，也能依次转动第一指段和第二指段包络不同形状、大小的物体；该装置抓取范围大；采用欠驱动的方式，利用一个电机驱动两个关节，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。