本發(fā)明屬于機(jī)器人手指技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種齒條平夾耦合轉(zhuǎn)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)：

隨著工業(yè)化、智能化進(jìn)程快速的發(fā)展，在越來(lái)越多的生產(chǎn)生活中使用機(jī)器人。機(jī)器人手指最重要的功能之一是抓取物體，是目前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。人手具有20個(gè)以上的自由度，主要分布在5個(gè)指關(guān)節(jié)上，如果全部采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，其控制的實(shí)時(shí)性要求較高，即使抓取一個(gè)簡(jiǎn)單的物體也需要復(fù)雜的傳感和控制。為了減小控制的難度，一種方法是降低同時(shí)控制電機(jī)的數(shù)量，這樣抓取物體的實(shí)時(shí)性能夠更容易保證，但是帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：如何讓較少的電機(jī)驅(qū)動(dòng)較多的關(guān)節(jié)，抓取物體仍然穩(wěn)定可靠，即如何實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，如何在欠驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)正向耦合和反向耦合。

通常有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)抓取，一種是自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)，經(jīng)常簡(jiǎn)稱(chēng)為自適應(yīng)手指或欠驅(qū)動(dòng)手指，另一種是耦合欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)，經(jīng)常簡(jiǎn)稱(chēng)為耦合手指。耦合抓取模式是指兩個(gè)關(guān)節(jié)按一定的比例或者變化的比例同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為平行夾持耦合抓取模式，常常簡(jiǎn)稱(chēng)為平夾抓取。如果將欠驅(qū)動(dòng)抓取、正向耦合抓取模式和反向耦合抓取模式結(jié)合起來(lái)將會(huì)是抓取過(guò)程更加擬人化，在工業(yè)上中不僅能夠欠驅(qū)動(dòng)平夾，還能實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)耦合。

已有的齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利cn102514012)，包括基座、兩個(gè)電機(jī)、近關(guān)節(jié)軸、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、中部指段、末端指段、多個(gè)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一齒輪、第二齒輪和齒條，該裝置實(shí)現(xiàn)了兩自由度的四種抓取模式，能達(dá)到耦合手指所實(shí)現(xiàn)的單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合效果和耦合手指沒(méi)有的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)單個(gè)關(guān)節(jié)的解耦抓取效果，該裝置不足之處在于不能夠?qū)崿F(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)平夾耦合，當(dāng)抓取規(guī)則物體或者物體體積較大的時(shí)候，機(jī)器人手指與物體的接觸面積較小，對(duì)物體施加抓持力較小，因此抓取效果不好。

已有的柔性件平夾耦合切換自適應(yīng)機(jī)器人手指裝置(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利cn105835083a)，包括基座、電機(jī)、中部指段、末端指段、彈簧、半輪凸塊、轉(zhuǎn)軸等。該裝置實(shí)現(xiàn)了耦合自適應(yīng)抓取模式與平夾自適應(yīng)抓取模式相互轉(zhuǎn)換的功能，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)中部指段繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，末端指段會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，達(dá)到近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合轉(zhuǎn)動(dòng)效果；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)半輪至對(duì)面，又可以實(shí)現(xiàn)平夾自適應(yīng)抓取模式。該裝置不足之處在于柔性腱繩易彎曲，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)不平穩(wěn)現(xiàn)象，因此抓取效果不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置，該裝置具有多種抓取模式，該裝置可以實(shí)現(xiàn)耦合自適應(yīng)抓取模式，在切換半齒輪和鏈條后，又可以實(shí)現(xiàn)平夾自適應(yīng)抓取模式，；該裝置既能平動(dòng)第二指段平行夾持物體，兩個(gè)關(guān)節(jié)也能同時(shí)正向彎曲耦合捏持物體，還可以先后轉(zhuǎn)動(dòng)第一指段和第二指段自適應(yīng)包絡(luò)不同形狀、大小的物體；抓取范圍大；不需要復(fù)雜的傳感和控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置，包括基座、第一電機(jī)、第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二電機(jī)、第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、中部指段、末端指段、近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸；所述近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中，中部指段套接在近關(guān)節(jié)軸上，所述遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在中部指段中，近關(guān)節(jié)軸和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸平行，末端指段套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，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(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與中部指段相連；所述第二電機(jī)與基座固接，第二電機(jī)的輸出軸與第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連；其特征在于：該齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置還包括連接件、轉(zhuǎn)軸、半齒輪、下齒條、上齒條、套筒、中間軸和齒輪；第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與近關(guān)節(jié)軸相連；所述連接件套固在近關(guān)節(jié)軸；所述轉(zhuǎn)軸套設(shè)在連接件上；所述轉(zhuǎn)軸的中心線與近關(guān)節(jié)軸的中心線垂直；所述半齒輪套接在轉(zhuǎn)軸上；所述半齒輪與近關(guān)節(jié)軸同心；所述齒輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上；所述上齒條滑動(dòng)鑲嵌在中部指段中；所述下齒條與半齒輪嚙合，所述上齒條與齒輪嚙合；所述上齒條的下端與中間軸固接，所述下齒條的上端與套筒固接；所述中間軸套設(shè)在套筒中；近關(guān)節(jié)軸的中心線與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸的中心線構(gòu)成的平面u；所述中間軸的中心線在平面u上且垂直于近關(guān)節(jié)軸的中心線；所述中間軸與轉(zhuǎn)軸共面；所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用具有自鎖特性的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

上述技術(shù)方案中，其特征在于：所述第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一帶輪、第一傳動(dòng)帶、第二帶輪；所述第一帶輪套固在第一電機(jī)的輸出軸上，第二帶輪套接在近關(guān)節(jié)軸上，第一帶輪與第二帶輪之間通過(guò)第一傳動(dòng)帶連接且三者形成帶傳動(dòng)關(guān)系；所述第二帶輪與中部指段固接。

上述技術(shù)方案中，所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第三帶輪、第二傳動(dòng)帶和第四帶輪；所述第三帶輪套固在第二電機(jī)的輸出軸上，第四帶輪套固在近關(guān)節(jié)軸上，第三帶輪與第四帶輪之間通過(guò)第二傳動(dòng)帶連接且三者形成帶傳動(dòng)關(guān)系。

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)明裝置實(shí)現(xiàn)了兩自由度的七種抓取模式：1)雙關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式；2)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式；3)雙關(guān)節(jié)先耦合轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式；4)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再耦合轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式；5)雙關(guān)節(jié)平動(dòng)抓取模式；6)雙關(guān)節(jié)先平夾，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式；7)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再平夾主動(dòng)的抓取模式。該裝置既能達(dá)到傳統(tǒng)耦合手指所實(shí)現(xiàn)的單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合效果，又具有傳統(tǒng)耦合手指獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)單個(gè)關(guān)節(jié)的解耦抓取效果，將兩個(gè)傳統(tǒng)的效果進(jìn)行有機(jī)的融合，使得抓取物體時(shí)控制容易、方便；所有電機(jī)、減速器均藏入基座中，手指轉(zhuǎn)動(dòng)部分體積小、重量輕。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置的一種實(shí)施例的綜合外觀圖。

圖2是本實(shí)施例的正視圖。

圖3是本實(shí)施例的側(cè)視圖。

圖4是本實(shí)施例的內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)正視圖。

圖5是與圖3、圖4對(duì)應(yīng)的半齒輪嚙合點(diǎn)a、齒輪嚙合點(diǎn)b、半齒輪中心o1和齒輪中心o2這四個(gè)點(diǎn)的連線圖。

圖6是平夾捏持物體半齒輪嚙合點(diǎn)a、齒輪嚙合點(diǎn)b、半齒輪中心o1和齒輪中心o2這四個(gè)點(diǎn)的連線圖。

圖7是本實(shí)施例的三維外觀圖。

圖8、圖9、圖10和圖11是本實(shí)施例抓握物體過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵位置側(cè)面外觀示意圖。

圖12是本實(shí)施例捏持物體的情況示意圖。

在圖1至圖12中：

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—半齒輪，62—齒輪，63—下齒條，

64—上齒條，65—套筒，66—中間軸

71—第一電機(jī)，72—第二電機(jī)，

73—第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，741第三帶輪，742第二傳動(dòng)帶、

743第四帶輪，74—第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，741第三帶輪，

742第二傳動(dòng)帶，743第四帶輪，8—連接件，

9—轉(zhuǎn)軸。

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)的一種齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置，包括基座1、第一電機(jī)71、第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)73、第二電機(jī)72、第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)74、中部指段2、末端指段3、近關(guān)節(jié)軸4和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5；所述近關(guān)節(jié)軸4套設(shè)在基座1中，中部指段2套接在近關(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，近關(guān)節(jié)軸4和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5平行，末端指段3套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，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(dòng)機(jī)構(gòu)73的輸入端相連，第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)73的輸出端與中部指段2相連；所述第二電機(jī)72與基座1固接，第二電機(jī)72的輸出軸與第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)74的輸入端相連；其特征在于：該齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置還包括連接件8、轉(zhuǎn)軸9、半齒輪61、下齒條63、上齒條64、套筒65、中間軸66和齒輪62；第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)74的輸出端與近關(guān)節(jié)軸4相連；所述連接件8套固在近關(guān)節(jié)軸4；所述轉(zhuǎn)軸9套設(shè)在連接件8上；所述轉(zhuǎn)軸9的中心線與近關(guān)節(jié)軸4的中心線垂直；所述半齒輪61套接在轉(zhuǎn)軸9上；所述半齒輪61與近關(guān)節(jié)軸4同心；所述齒輪62套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上；所述上齒條64滑動(dòng)鑲嵌在中部指段2中；所述下齒條63與半齒輪61嚙合，所述上齒條64與齒輪62嚙合；所述上齒條64的下端與中間軸66固接，所述下齒條63的上端與套筒65固接；所述中間軸66套設(shè)在套筒65中；近關(guān)節(jié)軸4的中心線與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的中心線構(gòu)成的平面u；所述中間軸66的中心線在平面u上且垂直于近關(guān)節(jié)軸4的中心線；所述中間軸66與轉(zhuǎn)軸9共面；所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)74采用具有自鎖特性的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明所述齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置，其特征在于：所述第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)73包括第一帶輪731、第一傳動(dòng)帶732、第二帶輪733；所述第一帶輪731套固在第一電機(jī)71的輸出軸上，第二帶輪733套接在近關(guān)節(jié)軸4上，第一帶輪731與第二帶輪733之間通過(guò)第一傳動(dòng)帶732連接且三者形成帶傳動(dòng)關(guān)系；所述第二帶輪733與中部指段2固接。

本發(fā)明所述齒條平夾耦合轉(zhuǎn)換靈巧機(jī)器人手指裝置，其特征在于：所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)74包括第三帶輪741、第二傳動(dòng)帶742、第四帶輪743；所述第三帶輪套741固在第二電機(jī)72的輸出軸上，第四帶輪743套固在近關(guān)節(jié)軸4上，第三帶輪741與第四帶輪743之間通過(guò)第二傳動(dòng)帶742連接且三者形成帶傳動(dòng)關(guān)系。

本實(shí)施例的工作原理，結(jié)合附圖7至圖11，敘述如下：

本實(shí)施例采用半齒輪齒條、齒輪齒條傳動(dòng)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)器人手指的8種抓取模式，包括：

1)雙關(guān)節(jié)平夾轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式：此時(shí)第一電機(jī)71轉(zhuǎn)動(dòng)，中部指段2向前轉(zhuǎn)動(dòng)α，末端指段3相對(duì)于中部指段2向前轉(zhuǎn)動(dòng)α；

2)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式：此時(shí)第一電機(jī)71和第二電機(jī)72同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一電機(jī)71會(huì)使得手指產(chǎn)生平夾聯(lián)動(dòng)，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(dòng)，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式：此時(shí)先轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)第二電機(jī)72；

4)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再平夾轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式：此時(shí)先同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，然后停止第二電機(jī)72，第一電機(jī)71繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；

5)雙關(guān)節(jié)耦合轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式：此時(shí)第一電機(jī)71轉(zhuǎn)動(dòng)，第二電機(jī)72不轉(zhuǎn)動(dòng)；

6)雙關(guān)節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)抓取模式：此時(shí)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一電機(jī)71使得手指產(chǎn)生耦合聯(lián)動(dòng)，第二電機(jī)72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(dòng)，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式：先轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)第二電機(jī)72；

8)雙關(guān)節(jié)先獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再耦合轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式：兩個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，然后停止第二電機(jī)72，再轉(zhuǎn)動(dòng)第一電機(jī)71；

下面對(duì)常用的抓取模式進(jìn)一步舉例解釋其動(dòng)作原理。該裝置采用第七種抓取模式抓取物體的過(guò)程：雙關(guān)節(jié)先耦合轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的抓取模式階段。

該裝置的初始位置如圖8所示，此時(shí)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(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)半齒輪齒條使得齒輪圓心o2、齒輪齒條嚙合點(diǎn)b、半齒輪齒條嚙合點(diǎn)a、轉(zhuǎn)軸中心o1所構(gòu)成圖形abo1o2為形‘8’字形。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)第一電機(jī)71，中部指段相對(duì)于基座轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，末端指段相對(duì)于中部指段向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，即相對(duì)于基座裝轉(zhuǎn)動(dòng)角度2α。然后停止第一電機(jī)71，轉(zhuǎn)動(dòng)第二電機(jī)72，末端指段繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到接觸物體為止。

本發(fā)明裝置利用電機(jī)、半齒輪齒條機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、半齒輪連接件等，既能達(dá)到耦合手指所實(shí)現(xiàn)的單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的耦合效果，又具有耦合手指沒(méi)有的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)單個(gè)關(guān)節(jié)的解耦抓取效果，抓取物體時(shí)控制容易；所有電機(jī)、減速器均藏入基座中，手指轉(zhuǎn)動(dòng)部分體積小、重量輕。無(wú)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。