雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置的製作方法
2023-06-11 18:50:46
本發明屬於機器人手技術領域，特別涉及一種雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置的結構設計。
背景技術：
自適應欠驅動機器人手採用少量電機驅動多個自由度關節，由於電機數量少，藏入手掌的電機可以選擇更大的功率和體積，出力大，同時純機械式的反饋系統無需對環境敏感也可以實現穩定抓取，自動適應不同形狀尺寸的物體，沒有實時電子傳感和閉環反饋控制的需求，控制簡單方便，降低了製造成本。
在抓取物體時主要有兩種抓取方法，一種是捏持，一種是握持。捏持是用末端手指的指尖部分去夾取物體，採用兩個點或兩個軟指面去接觸物體，主要針對小尺寸物體或具有對立面的較大物體；握持是用手指的多個指段包絡環繞物體來實現多個點的接觸，達到更穩定的形狀包絡抓取。工業夾持器一般採用末端平行的夾持方式，難以具有包絡握持功能，不能適應多種形狀物體的穩定包絡抓取；自適應欠驅動手指可以採用自適應包絡物體的方式握持，但是無法實施末端平行夾持抓取，例如，已有的一種欠驅動兩關節機器人手指裝置(中國發明專利CN101234489A)，包括基座、電機、中部指段、末端指段和平帶輪式傳動機構等。該裝置實現了雙關節欠驅動手指彎曲抓取物體的特殊效果，具有自適應性。該欠驅動機械手指裝置的不足之處為：手指在未碰觸物體前始終呈現伸直狀態，抓取方式主要為握持方式，難實現較好的末端平行夾持抓取效果。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置。該裝置具有多種抓取模式，既能平動第二指段夾持物體，也能先後轉動第一指段和第二指段自適應包絡不同形狀、大小的物體；抓取範圍大；無需複雜的傳感和控制系統。
本發明的技術方案如下：
本發明設計的雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸和電機；所述電機與基座固接；所述近關節軸活動套設在基座中；所述遠關節軸活動套設在第一指段中；所述近關節軸的中心線與遠關節軸的中心線平行；其特徵在於：該雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一齒條、第二齒條、滑塊、凸塊撥盤、簧件和限位凸塊；所述第一指段套固在近關節軸上；所述第二指段套固在遠關節軸上；所述傳動機構設置在基座中；所述電機的輸出軸與傳動機構的輸入端相連，所述傳動機構的輸出端與近關節軸相連；所述第一齒輪活動套接在近關節軸上，所述第二齒輪套接在中間軸上，所述第二齒輪與第一齒輪嚙合，所述第二齒輪與第一齒條嚙合，所述第一齒條固接在滑塊的下方，所述第二齒條固接在滑塊的上方，所述第二齒條與第三齒輪嚙合，所述滑塊滑動鑲嵌在第一指段中；所述第三齒輪套固在遠關節軸上，所述第三齒輪與第二指段固接；所述中間軸套設在第一指段中；所述第一齒輪與凸塊撥盤固接，所述凸塊撥盤活動套接在近關節軸上；所述限位凸塊與基座固接；所述凸塊撥盤與限位凸塊相接觸或離開一段距離；所述簧件的兩端分別連接凸塊撥盤和基座；所述第一齒輪與第二齒輪的傳動比為1，所述第二齒輪與第三齒輪的分度圓直徑相等。
本發明所述的雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述簧件採用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果：
本發明裝置利用電機、齒輪傳動機構、兩個齒條、滑塊、簧件、凸塊撥盤和限位凸塊等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持及自適應抓取的功能，根據目標物體形狀和位置的不同，既能平動第二指段捏持物體或外張撐取物體，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體；該裝置抓取範圍大；採用欠驅動的方式，利用一個電機驅動兩個關節，無需複雜的傳感和控制系統；該裝置結構緊湊、體積小，製造和維護成本低，適用於機器人手。
附圖說明
圖1是本發明設計的雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置的一種實施例的立體外觀圖。
圖2是圖1所示實施例的正面外觀圖。
圖3是圖1所示實施例的一個側面外觀圖(圖2的左視圖)。
圖4是圖1所示實施例的另一個側面外觀圖(圖2的右視圖)。
圖5是圖2的A-A剖視圖。
圖6是圖2的B-B剖視圖。
圖7是圖1所示實施例的立體視圖(未畫出部分零件)。
圖8是圖1所示實施例的立體視圖(未畫出部分零件)，與圖7的觀察角度不同。
圖9至圖13是圖1所示實施例在以包絡握持的方式抓取物體的動作過程示意圖。
圖14至圖16是圖1所示實施例抓取物體的另一種方式——平行開合用第二指段夾持物體的動作過程示意圖。
圖17至圖19是圖1所示實施例依次以平行開合及自適應包絡抓取物體的動作過程中幾個關鍵位置時，凸塊撥盤、簧件與限位凸塊的相對位置的變化情況。
在圖1至圖19中：
1－基座，2－第一指段，21－第一指段表面板，3－第二指段，
4－近關節軸，5－遠關節軸，6－第一齒輪，7－第二齒輪，
71－中間軸，8－第三齒輪，9－第一齒條，10－第二齒條，
11－滑塊，12－凸塊撥盤，13－簧件，14－電機，
141－減速器，142－第一錐齒輪，143－第二錐齒輪，144－過渡軸，
145－第一帶輪，146－第二帶輪，147－傳動帶，17－物體，
18－限位凸塊。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構、工作原理的內容。
本發明設計的雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置的一種實施例，如圖1至圖8所示，包括基座1、第一指段2、第二指段3、近關節軸4、遠關節軸5和電機14；所述電機14與基座1固接；所述近關節軸4活動套設在基座1中；所述遠關節軸5活動套設在第一指段2中；所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行；該雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置還包括傳動機構、第一齒輪6、第二齒輪7、第三齒輪8、第一齒條9、第二齒條10、滑塊11、凸塊撥盤12、簧件13和限位凸塊18；所述第一指段2套固在近關節軸4上；所述第二指段3套固在遠關節軸5上；所述傳動機構設置在基座1中；所述電機14的輸出軸與傳動機構的輸入端相連，所述傳動機構的輸出端與近關節軸4相連；所述第一齒輪6活動套接在近關節軸4上，所述第二齒輪7套接在中間軸71上，所述第二齒輪7與第一齒輪6嚙合，所述第二齒輪7與第一齒條9嚙合，所述第一齒條9固接在滑塊11的下方，所述第二齒條10固接在滑塊11的上方，所述第二齒條10與第三齒輪8嚙合，所述滑塊11滑動鑲嵌在第一指段2中；所述第三齒輪8套固在遠關節軸5上，所述第三齒輪8與第二指段3固接；所述中間軸71套設在第一指段2中；所述第一齒輪6與凸塊撥盤12固接，所述凸塊撥盤12活動套接在近關節軸4上；所述限位凸塊18與基座1固接；所述凸塊撥盤12與限位凸塊18相接觸或離開一段距離；所述簧件13的兩端分別連接凸塊撥盤12和基座1；所述第一齒輪6與第二齒輪7的傳動比為1，所述第二齒輪7與第三齒輪8的分度圓直徑相等。
本發明所述的雙齒條平夾間接自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述簧件採用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述簧件13採用拉簧。
本實施例中，所述傳動機構包括減速器141、第一錐齒輪142、第二錐齒輪143、過渡軸144、第一帶輪145、第二帶輪146和傳動帶147；所述電機14的輸出軸與減速器141的輸入軸相連，所述第一錐齒輪142套固在減速器141的輸出軸上，所述第二錐齒輪143套固在過渡軸144上，所述第一錐齒輪142與第二錐齒輪143嚙合；所述過渡軸144套設在基座1中，所述第一帶輪145套固在過渡軸144上，所述第二帶輪146套固在近關節軸4上，所述傳動帶147連接第一帶輪145和第二帶輪146，所述傳動帶147、第一帶輪145和第二帶輪146形成帶輪傳動關係，所述傳動帶呈「O」字形。
本實施例的工作原理，結合附圖9至圖19，敘述如下：
本實施例中，將初始位置設置為手指伸直的狀態(如圖9所示)。
本實施例中，當電機14開始轉動，通過第一錐齒輪142和第二錐齒輪143的傳動，帶動第一帶輪145轉動，第一帶輪145與第二帶輪146通過傳動帶147相連，由於第二帶輪146固接在近關節軸4上，第二帶輪146帶動近關節軸4正轉，第一指段2繞近關節軸正轉；由於第一齒輪6與凸塊撥盤12固接，凸塊撥盤12與限位凸塊18分別連接在簧件13的兩端；由於簧件13的拉動，凸塊撥盤12不動，第一齒輪6在第一指段2正轉時不會轉動，由於第二齒輪7與第一齒輪6呈齒輪嚙合關係，第二齒輪7會隨第一指段2的正轉而正轉；由於第二齒輪7與第一齒條9嚙合，第二齒輪7正轉會使第一齒條9正向平移(相對於第一指段，第一齒條會發生向手指外凸出的平動)，由於第一齒條9與第二齒條10分別固接在滑塊11的上下兩側，當第一齒條9向外(正向)平移時，通過滑塊11的傳遞，第二齒條10同時向外(正向)平移，由於第二齒條10與第三齒輪8嚙合，第三齒輪8會隨第二齒條10的向外(正向)平移而反向轉動，由於本實施例中，第一齒輪6到第三齒輪8的傳動比為1，所以第一齒輪6正向轉動的角度與第三齒輪8反向轉動的角度相等，所以第二指段3相對於基座1隻進行平移運動而不會旋轉，始終保持著原有的姿態。這是平行夾持的階段(如圖9、圖10、圖11、圖14、圖15、圖16、圖17)。這一階段適合以第二指段3去夾持物體17，或者通過外張的方式用第二指段3去從內向外打開的方式外張撐取物體17。例如一個空心圓柱筒的拿取，從該物體的內側向外張開撐住筒壁，從而拿取物體。
當第一指段表面板21接觸物體17而被物體17擠壓，滑塊11向手指內部收縮時，將進入自適應包絡的第二階段(如圖12、圖13、圖18和圖19所示)，這時電機14通過傳動機構的傳動，帶動近關節軸4轉動，第一指段2繼續向物體轉動，物體反作用力擠壓第一指段表面板21，第一指段表面板21向手指內部收縮，滑塊11向內滑動，由於第一齒條9和第二齒條10分別固接在滑塊11上下兩側，第二齒條10使第三齒輪8繞遠關節軸5正向轉動，由於第二指段3與遠關節軸5固接，第二指段3正向轉動；通過滑塊11帶動第一齒條9，第一齒條9帶動第二齒輪7反向轉動，第二齒輪7與第一齒輪6嚙合，第一齒輪6隨第二齒輪7的反向轉動而正向轉動，第一齒輪6帶動凸塊撥盤12繞近關節軸4轉動，簧件13發生變形(如圖12、圖18所示)，此時第二指段3會繞遠關節軸5的中心線繼續正向轉動，直到第二指段3接觸物體17為止，完成自適應包絡抓取物體的效果。針對不同形狀、大小的物體，本實施例具有自適應性，能夠抓取多種物體。
圖9至圖13是圖1所示實施例以包絡握持的方式抓取物體17的動作過程示意圖，其中，圖9為初始狀態，圖9至圖11為第一指段2接觸到物體17之前的動作過程——平行開合方式動作，圖11為第一指段2剛接觸到物體的情況，圖12至圖13為第一指段2接觸到物體17之後的動作過程——自適應包絡物體，直到第二指段3接觸物體，如圖13所示，抓取結束。
圖14至圖16是圖1所示實施例抓取物體17的另一種可能方式——平行捏持物體的典型動作過程，直到第二指段3接觸物體14，如圖16所示，抓取結束。
圖17至圖19是圖1所示實施例依次以平行開合及自適應包絡抓取物體的動作過程中的幾個關鍵位置，展示出凸塊撥盤12與限位凸塊18的相對位置的變化情況：1)圖17所示的情況是圖9、圖10、圖11、圖14、圖15和圖16的凸塊撥盤的位置情況，此時本實施例處在初始位置或者僅彎曲了第一指段，簧件13使凸塊撥盤12與限位凸塊18相接觸，第二指段3處於相對於基座1的固定姿態(例如本實施例中的豎直的初始姿態)，這種情況一直持續到圖16的夾持抓取結束，或者持續到圖11的包絡抓取開始；2)圖18對應於圖12的情況，此時本實施例的第一指段2已經接觸到物體17被阻擋而不能運動，在電機14與被抓取物體反作用力的驅動作用下，通過傳動機構、第一齒輪6、第二齒輪7、第一齒條9、滑塊11、第二齒條10和第三齒輪8的傳動，第二指段3已經繞遠關節軸5正向轉動一個角度(相對於基座1轉動)，第二指段3已經不再保持原來豎直的初始姿態，通過第二齒輪7、滑塊11、第一齒條9和凸塊撥盤12,，拉動簧件12發生了變形，凸塊撥盤12離開了原來一直接觸的限位凸塊18；3)圖19對應於圖13的凸塊撥盤的位置情況，此時本實施例完成對物體的兩個指段的接觸——實現自適應包絡抓取，對不同形狀尺寸的物體能夠自動包絡抓取，抓取穩定；與圖18的情況相比，圖19中的凸塊撥盤12轉動到了更大的角度，離開限位凸塊18更遠的距離，第二指段3也轉動了與凸塊撥盤12的轉角相同的角度。
釋放物體17的過程：電機14反轉，後續過程與上述抓取物體17的過程剛好相反，不再贅述。
本發明裝置利用電機、齒輪傳動機構、兩個齒條、滑塊、簧件、凸塊撥盤和限位凸塊等綜合實現了雙關節機器人手指平行夾持及自適應抓取的功能，根據目標物體形狀和位置的不同，既能平動第二指段捏持物體或外張撐取物體，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體；該裝置抓取範圍大；採用欠驅動的方式，利用一個電機驅動兩個關節，無需複雜的傳感和控制系統；該裝置結構緊湊、體積小，製造和維護成本低，適用於機器人手。