帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的製作方法

2023-06-28 18:57:51

專利名稱：帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於擬人機器人技術領域，特別涉及一種欠驅動模塊化擬人機器人多指靈巧手裝 置的結構設計。
技術背景人們在對智慧機器人的研究中，把擬人機器人作為機器人研究的最高境界，也一直把實 現類人的行為作為夢寐以求的目標。與人類似，擬人機器人的多數功能要通過手部操作來實 現，因而手部結構是擬人機器人的重要組成部分，其設計是擬人機器人的關鍵技術之一。擬 人機器人的電源系統、驅動系統、信息處理系統和控制系統等完全由自身攜帶，因而對其手 部的設計提出了非常嚴格的要求，要求手部裝置的重量要小、體積要小，並為了減輕控制的 難度，要求在滿足一定功能和實現較高的擬人化的前提下，適當減少手部的驅動器數目。一種已有的欠驅動模塊化擬人機器人多指手，如中國發明專利CN1231332，包括一個手 掌、拇指、食指、中指、無名指、小指、拇指根部關節體、四指根部關節體，具有5個手指， ll個關節自由度，其中主動關節僅有2個拇指根部關節和四指根部關節，其餘9個為結構 相同的一種由所抓物體和齒輪齒條共同驅動的欠驅動關節。其不足之處為該裝置的食指、中 指、無名指、小指的四指根部共同由一個電機驅動，與人手差別過大(人手的四個手指的根 部關節是可以分別獨立轉動的)，靈巧性不夠；該裝置的拇指上僅有2個關節根部側擺轉動 和末端欠驅動關節，這與人手拇指的3個關節有差別；另外該裝置的四指根部關節上採用食 指片簧、中指片簧、無名指片簧、小指片簧佔地空間大，影響手指美觀。一種已有的欠驅動模塊化擬人機器人多指手，如中國發明專利CN1292712C，有5個手指， 14個關節自由度，其中主動關節僅有3個拇指中部轉動關節、食指根部轉動關節、三指根 部轉動關節(中指、無名指、小指)其餘為模塊化(即相同結構)的連杆傳動欠驅動關節。 另一種己有的欠驅動模塊化擬人機器人多指手，如中國發明專利CN1283429C，有5個手指， 12個關節自由度，其中主動關節僅3個，關節布置與前述專利類似。其欠驅動關節釆用了一 種模塊化的具有自解耦效果的多級齒輪傳動機構實現。這兩個專利的不足之處為這兩個裝置 的中指、無名指、小指三個手指的根部採用同樣一個電機驅動，不能分別獨立轉動，與人手 差別過大，靈巧性不夠；拇指固定安裝在手掌上的四指正對面，拇指不能在手掌側方和正對 面來迴轉動，這也與人手差別較大。 發明內容本發明的目的是為克服己有技術的不足之處，設計出一種帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人 機器人多指手裝置。該裝置具有多個可以主動驅動和獨立控制的手指、關節自由度多、電機、 傳動機構全部藏入手內，儘量採用相似的模塊化結構，降低成本且便於維修，結構簡單、重 量輕、控制容易，外觀、尺寸和動作均更加模仿人手，具有對不同形狀、尺寸的物體自動包 絡抓取的功能，可以變抓取力抓取物體，適合安裝在擬人機器人上使用。本發明採用如下技術方案-一種帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，包括拇指、食指、中指、無名指、小指、手掌；所說的拇指包括拇指基座、拇指電機、拇指減速器、拇指第一齒輪、拇指第二齒輪、拇 指近關節軸、拇指中部指段、拇指遠關節軸、拇指末端指段，所說的拇指電機和拇指減速器 與拇指基座固接，拇指電機的輸出軸與拇指減速器的輸入軸相連，拇指減速器的輸出軸與拇 指第一齒輪固接，拇指第一齒輪與拇指第二齒輪嚙合，拇指第二齒輪套固在拇指近關節軸上， 所說的拇指近關節軸套設在拇指基座中，所說的拇指遠關節軸套設在拇指中部指段中，所說 的拇指末端指段套固在拇指遠關節軸上；所說的食指包括食指基座、食指電機、食指減速器、食指第一齒輪、食指第二齒輪、食 指近關節軸、食指第一中部指段、食指中關節軸、食指第二中部指段、食指遠關節軸、食指 末端指段，所說的食指電機和食指減速器與食指基座固接，食指電機的輸出軸與食指減速器 的輸入軸相連，食指減速器的輸出軸與食指第一齒輪固接，食指第一齒輪與食指第二齒輪齧 合，食指第二齒輪套固在食指近關節軸上，所說的食指近關節軸套設在食指基座中，所說的 食指中關節軸套設在食指第一中部指段中，所說的食指遠關節軸套設在食指第二中部指段中， 所說的食指末端指段套固在食指遠關節軸上；所說的中指、無名指、小指與食指結構相同，僅尺寸大小不同；所說的手掌包括手掌骨 架、手掌電機、手掌減速器、手掌第一齒輪、手掌第二齒輪、手掌關節軸；所說的手掌電機 和手掌減速器與手掌骨架固接，手掌電機的輸出軸與手掌減速器的輸入軸相連，手掌減速器 的輸出軸與手掌第一齒輪固接，手掌第一齒輪與手掌第二齒輪嚙合，手掌第二齒輪套固在手 掌關節軸上，手掌關節軸套設在手掌骨架中，拇指基座套固在手掌關節軸上；所說的食指通 過食指基座與手掌骨架固接，所說的中指、無名指、小指分別與手掌骨架固接，連接方式同 食指一致；所說的食指、中指、無名指、小指、拇指和手掌之間的相對位置模仿人手各手指 和手掌的相對位置；其特徵在於a、 拇指包括拇指主動輪、拇指傳動件、拇指從動輪、拇指簧件、拇指近關節簧件，所說 的拇指中部指段套接在拇指近關節軸上，所說的拇指主動輪套接在拇指近關節軸上，所說的 拇指近關節簧件兩端分別連接拇指近關節軸和拇指主動輪，拇指從動輪套固在拇指遠關節軸 上，拇指傳動件連接拇指主動輪與拇指從動輪，拇指簧件的兩端分別連接拇指中部指段和拇 指末端指段；b、 食指包括食指近關節主動輪、食指中關節傳動件、食指中關節從動輪、食指中關節簧 件、食指中關節主動輪、食指遠關節傳動件、食指遠關節從動輪、食指遠關節簧件、食指近 關節簧件；所說的食指第一中部指段套接在食指近關節軸上，所說的食指第二中部指段套接 在食指中關節軸上；所說的食指近關節主動輪套接在食指近關節軸上，所說的食指近關節簧 件兩端分別連接食指近關節軸和食指近關節主動輪，食指中關節從動輪套固在食指中關節軸 上，食指中關節傳動件連接食指近關節主動輪和食指中關節從動輪，食指中關節簧件的兩端 分別連接食指第一中部指段和食指第二中部指段；所說的食指中關節主動輪套固在食指中關 節軸上，食指遠關節從動輪套固在食指遠關節軸上，食指遠關節傳動件連接食指中關節主動 輪和食指遠關節從動輪，食指遠關節簧件的兩端分別連接食指第二中部指段和食指末端指段。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在於所說的拇 指傳動件、食指中關節傳動件、食指遠關節傳動件採用平帶、齒形帶、腱繩或鏈條，所說的拇指主動輪、食指近關節主動輪、食指中關節主動輪採用帶輪、齒輪、繩輪和鏈輪中的分別 能夠與拇指傳動件、食指中關節傳動件、食指遠關節傳動件相配合的那一種，所說的拇指從 動輪、食指中關節從動輪、食指遠關節從動輪採用帶輪、齒輪、繩輪和鏈輪中的分別與拇指 主動輪、食指近關節主動輪、食指中關節主動輪相同類型的那一種。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在於所說的拇 指近關節簧件、拇指簧件、食指近關節簧件、食指中關節簧件、食指遠關節簧件採用扭簧、 拉簧、壓簧、片簧、板簧、發條、皮筋或彈性繩。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在於所說的食 指、中指、無名指、小指的遠關節簧件的彈力限制作用分別強於該手指的近關節簧件的彈力 限制作用。本發明具有以下優點及突出性效果-該裝置具有5個可以主動驅動和獨立控制的擬人手指，各手指均可以獨立運動；具有15 個關節自由度，其中包括6個電機驅動的主動關節和9個欠驅動關節；各手指的欠驅動關節 均採用結構相同的一種模塊化結構，既降低了成本也便於維修，電機、傳動機構全部藏入手 內，結構簡單、重量輕、控制容易、集成度高；整個裝置外觀、尺寸和動作模仿人手，具有 對不同形狀、尺寸的物體自動包絡抓取的功能，可以變抓取力抓取物體，適合安裝在擬人機 器人上使用。


圖1是本發明的一種帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的實施例正視圖， 此時拇指已擺動到手掌側面。圖2是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的側面外觀圖，此時拇 指己擺動到手掌的正對面。圖3是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的俯視外觀圖，此時拇 指巳擺動到手掌的正對面。(虛線部分表示轉到手掌側面的拇指。)圖4是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的正面局部剖視圖，此 時拇指已擺動到與手掌側面。圖5是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的拇指的正面外觀圖， 未完整畫出拇指基座。圖6是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的拇指的側面外觀圖， 未完整畫出拇指基座。圖7是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的拇指正面剖視圖，未 完整畫出拇指基座。圖8是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的拇指主動輪、拇指近 關節軸、拇指從動輪、拇指遠關節軸及拇指傳動件之間的相對位置和連接示意。圖9是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的拇指簧件、拇指遠關 節軸、拇指末端指段和拇指中部指段之間的相對位置和連接示意。圖10是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指的正面外觀圖。圖11是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指的側面外觀圖， 也是圖10的右視圖。圖12是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指的正面剖視圖。 圖13是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指近關節主動輪、食指近關節軸、食指中關節從動輪、食指中關節軸及食指中關節傳動件之間的相對位置和連接示意。圖14是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指中關節主動輪、 食指中關節軸、食指遠關節從動輪、食指遠關節軸及食指遠關節傳動件之間的相對位置和連 接示意。圖15是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指中關節簧件、食 指中關節軸、食指第一中部指段和食指第二中部指段之間的相對位置和連接示意。圖16是本實施例帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置的食指遠關節簧件、食 指遠關節軸、食指第二中部指段和食指末端指段之間的相對位置和連接示意。圖17、圖18、圖19、圖20是食指在抓取物體過程中的幾個關鍵位置的剖視圖示意。在圖1至圖20中l一手掌，2 —拇指，3 —食指4一中指，5 —無名指，6 —小指11 —手掌電機，12 —手掌關節軸，13--手掌第一齒輪，14一手掌扭簧，15 —減速器，16-手掌第二齒輪，21—拇指基座，22 —拇指電機，23--拇指近關節軸，24 —拇指中部指段，25 —拇指遠關節軸，26--拇指末端指段，27 —拇指主動輪，28 —拇指傳動件，29--拇指從動輪，210—拇指簧件，211 —拇指第一齒輪，212一拇指近關節簧件，213 —減速器，214—拇指第二齒輪，31—食指基座，32 —食指電機，33畫-食指近關節軸，34—食指第一中部指段，35 —食指中關節軸，36--食指第二中部指段37 —食指遠關節軸，38—食指末端指段，39--食指近關節主動輪310—食指中關節傳動件，311 —食指中關節從動輪，312:一食指中關節簧件，313 —食指中關節主動輪，314—食指遠關節傳動件，315—食指遠關節從動輪，316 —食指遠關節簧件，317 —食指第一齒輪，318 —食指近關節簧件，319 —食指減速器，320 —食指第二齒輪。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例進一步詳細說明本發明具體結構、工作原理的內容。 本發明設計的一種帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置實施例外觀如圖1、圖2、圖3所示，主要包括手掌l、拇指2、食指3、中指4、無名指5、小指6。本實施例的正 面的局部剖視圖如圖4所示。本實施例的拇指外觀及剖視圖如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9 所示(未完整畫出拇指基座)。本實施例的食指外觀及剖視圖如圖10、圖11、圖12、圖13、 圖14、圖15、圖16所示。本實施例的食指抓取物體過程中幾個關鍵位置的剖視圖示意如圖 17、圖18、圖19、圖20所示。本實施例的中指、無名指、小指與食指結構相同，所不同的 只是大小尺寸，工作原理也一致。本實施例的拇指的工作原理與食指的工作原理也類似，只是少一個轉動關節。所說的拇指2包括拇指基座21、拇指電機22、拇指減速器213、拇指第一齒輪211、拇 指第二齒輪214、拇指近關節軸23、拇指中部指段24、拇指遠關節軸25、拇指末端指段26; 所說的拇指電機22和拇指減速器213與拇指基座21固接，拇指電機22的輸出軸與拇指減速 器213的輸入軸相連，拇指減速器213的輸出軸與拇指第一齒輪211固接，拇指第一齒輪211 與拇指第二齒輪214嚙合，拇指第二齒輪214套固在拇指近關節軸23上，所說的拇指近關節 軸23套設在拇指基座21中，所說的拇指遠關節軸25套設在拇指中部指段24中，所說的拇 指末端指段26套固在拇指遠關節軸25上；所說的食指3包括食指基座31、食指電機32、食指減速器319、食指第一齒輪317、食 指第二齒輪320、食指近關節軸33、食指第一中部指段34、食指中關節軸35、食指第二中部 指段36、食指遠關節軸37、食指末端指段38，所說的食指電機32和食指減速器319與食指 基座31固接，食指電機32的輸出軸與食指減速器319的輸入軸相連，食指減速器319的輸 出軸與食指第一齒輪317固接，食指第一齒輪317與食指第二齒輪320嚙合，食指第二齒輪 320套固在食指近關節軸33上，所說的食指近關節軸33套設在食指基座31中，所說的食指 中關節軸35套設在食指第一中部指段34中，所說的食指遠關節軸37套設在食指第二中部指 段36中，所說的食指末端指段38套固在食指遠關節軸37上；所說的中指4、無名指5、小指6與食指3結構相同，僅尺寸大小不同；所說的手掌l包 括手掌骨架1、手掌電機11、手掌減速器15、手掌第一齒輪13、手掌第二齒輪16、手掌關 節軸12;所說的手掌電機11和手掌減速器15與手掌骨架1固接，手掌電機11的輸出軸與 手掌減速器15的輸入軸相連，手掌減速器15的輸出軸與手掌第一齒輪13固接，手掌第一齒 輪13與手掌第二齒輪16嚙合，手掌第二齒輪16套固在手掌關節軸12上，手掌關節軸12套 設在手掌骨架ll中，拇指基座21套固在手掌關節軸12上；所說的食指3通過食指基座31與手掌骨架11固接，所說的中指4、無名指5、小指6分 別與手掌骨架ll固接，連接方式同食指3—致；所說的食指3、中指4、無名指5、小指6、拇指2和手掌1之間的相對位置模仿人手各手指和手掌的相對位置；拇指2包括拇指主動輪27、拇指傳動件28、拇指從動輪29、拇指簧件210、拇指近關節 簧件212;所說的拇指中部指段24套接在拇指近關節軸23上，所說的拇指主動輪27套接在 拇指近關節軸23上，所說的拇指近關節簧件212兩端分別連接拇指近關節軸23和拇指主動 輪27，拇指從動輪29套固在拇指遠關節軸25上，拇指傳動件28連接拇指主動輪27與拇指 從動輪29，拇指簧件210的兩端分別連接拇指中部指段24和拇指末端指段26;食指3包括食指近關節主動輪39、食指中關節傳動件310、食指中關節從動輪311、食指 中關節簧件312、食指中關節主動輪313、食指遠關節傳動件314、食指遠關節從動輪315、 食指遠關節簧件316、食指近關節簧件318;所說的食指第一中部指段34套接在食指近關節 軸33上，所說的食指第二中部指段36套接在食指中關節軸35上；所說的食指近關節主動輪 39套接在食指近關節軸33上，所說的食指近關節簧件318兩端分別連接食指近關節軸33和 食指近關節主動輪39，食指中關節從動輪311套固在食指中關節軸35上，食指中關節傳動件310連接食指近關節主動輪39和食指中關節從動輪311 ，食指中關節簧件312的兩端分別 連接食指第一中部指段34和食指第二中部指段36;所說的食指中關節主動輪313套固在食 指中關節軸35上，食指遠關節從動輪315套固在食指遠關節軸37上，食指遠關節傳動件314 連接食指中關節主動輪313和食指遠關節從動輪315，食指遠關節簧件316的兩端分別連接 食指第二中部指段36和食指末端指段38。本實施例還包括手掌扭簧14，所說的手掌扭簧14的一端連接手掌關節軸12，另一端連 接手掌骨架l。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，所說的拇指傳動件(28、 食指中關節傳動件310、食指遠關節傳動件314採用平帶、齒形帶、腱繩或鏈條，所說的拇 指主動輪27、食指近關節主動輪39、食指中關節主動輪313採用帶輪、齒輪、繩輪和鏈輪中 的分別能夠與拇指傳動件28、食指中關節傳動件310、食指遠關節傳動件314相配合的那一 種，所說的拇指從動輪29、食指中關節從動輪311、食指遠關節從動輪315採用帶輪、齒輪、 繩輪和鏈輪中的分別與拇指主動輪27、食指近關節主動輪39、食指中關節主動輪313相同類 型的那一種。本實施例中，拇指傳動件28、食指中關節傳動件310、食指遠關節傳動件314採用平帶， 所說的拇指主動輪27、食指近關節主動輪39、食指中關節主動輪313採用帶輪，所說的拇指 從動輪29、食指中關節從動輪311、食指遠關節從動輪315採用帶輪。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，所說的拇指近關節簧件 212、拇指簧件210、食指近關節簧件318、食指中關節簧件312、食指遠關節簧件316採用 扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發條、皮筋或彈性繩。本實施例中，拇指近關節簧件212、拇指簧件210、食指近關節簧件318、食指中關節簧 件312、食指遠關節簧件316採用扭簧。本發明所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，所說的食指、中指、無 名指、小指的遠關節簧件的彈力限制作用分別強於該手指的近關節簧件的彈力限制作用。本實施例中，食指、中指、無名指、小指的遠關節簧件的彈力限制作用分別強於該手指 的近關節簧件的彈力限制作用。 下面介紹該裝置的工作原理。(a) 手掌關節軸12轉動的工作原理為手掌電機ll轉動，帶動手掌減速器15轉動，手掌第一齒輪13轉動，使手掌第二齒輪16 轉動，使手掌關節軸12轉動，於是帶動拇指2整體繞著手掌關節軸12的軸線轉動，實現了 拇指2在手掌l側面和正對面的來回側向擺動。當需要抓取物體時，先將拇指2擺動到手掌 l正對面，如圖l、 3、 4所示。不需要抓取物體時，將拇指2擺動到手掌1側面，如圖2及 圖3的虛線所示拇指位置所示。(b) 拇指2工作原理為當本實施例裝置抓取物體時，拇指電機22的輸出軸轉動，拇指減速器213轉動，拇指第 一齒輪轉動211，帶動拇指第二齒輪214轉動，使拇指近關節軸23轉動，拉動拇指近關節簧件212的一端繞拇指近關節軸23的軸線轉動，拉動拇指近關節簧件212的另一端的拇指主動 輪27轉動。由於拇指簧件210的彈力限制作用，拇指中部指段24與拇指末端指段26仿佛固接在一 起的"剛體"，而且拇指中部指段24是套接在拇指近關節軸23上的，並沒有固接在拇指近關 節軸23上，因此拇指主動輪27的轉動將通過拇指傳動件28、拇指從動輪29、拇指遠關節軸 25，優先拉動拇指中部指段24和拇指末端指段26作為一個整體一起繞著拇指近關節軸23轉 動。若在此過程中，拇指末端指段26碰到物體被阻擋時，拇指抓取結束；否則直到拇指中部 指段24碰到物體。當拇指中部指段24碰到物體被阻擋而無法繼續旋轉時，此時拇指主動輪27將拉動拇指 傳動件28，讓拇指從動輪29轉動，使得拇指遠關節軸25轉動，從而使末端指段26克服拇 指簧件210的變形彈力而轉動，同時拇指簧件210變形量逐漸增大。此過程直到拇指末端指 段26也碰到物體，拇指抓取結束。至此，拇指中部指段24和拇指末端指段26均分別繞拇指 近關節軸23和拇指遠關節軸25的軸線轉動並抓緊了物體。當拇指中部指段和拇指末端指段均接觸到物體後，拇指電機22繼續轉動一段時間，將使 拇指近關節簧件212發生一定量的變形，從而產生一定大小的彈力，拇指電機22再停轉，拇 指拇指近關節簧件212的變形被保持住，此變形所產生的彈力既抵消了第一齒輪211、第二 齒輪216傳動的間隙，也使得拇指中部指段24、拇指末端指段26對物體施加一定大小的抓 持力，有助於更加穩定的抓取物體。當放開物體時，拇指電機22反轉，通過拇指減速器213、拇指第一齒輪211、拇指第二 齒輪216帶動拇指近關節軸23反轉，帶動拇指主動輪27反轉，從而通過拇指傳動件28拉動 拇指從動輪29反向轉動，此時拇指簧件210的變形量逐漸減小，拇指末端指段26繞拇指遠 關節軸25的軸線反轉，直到拇指末端指段26已到達伸直狀態。在拇指中部指段24的後背上 方有凸臺可以限制拇指末端指段26反向轉動超過其初始伸直的位置。由於被拇指中部指段 24阻擋而不能再繼續反轉，此時拇指電機22繼續反向轉動，將帶動整個拇指中部指段24、 拇指遠關節軸25、拇指從動輪29和拇指末端指段26作為一個整體一起繞著拇指近關節軸23 的軸線反向轉動，最終恢復到拇指2初始伸直的位置，如圖6所示。(c)食指3、中指4、無名指5、小指6結構和工作原理相同，所不同的僅是尺寸大小的 不同，結合圖17、圖18、圖19、圖20，以食指3為例介紹其工作原理如下圖17為食指還未開始抓取物體的初始伸直位置的剖視示意圖。當抓取物體時，食指電機32轉動，食指減速器319轉動，食指第一齒輪317轉動，帶動 食指第二齒輪320轉動，使食指近關節軸33轉動，帶動食指近關節簧件318轉動，食指近關 節簧件318撥著食指近關節主動輪39轉動，由於食指中關節簧件312和食指遠關節簧件316 的彈力限制作用，食指第一中部指段34、食指第二中部指段36和食指末端指段38就像一個 固接的剛體一般，因此，食指近關節主動輪39的轉動將通過食指中關節傳動件310、食指中 關節從動輪311、食指中關節軸35,拉動食指第一中部指段34、食指第二中部指段36和食指末端指段38作為一個整體繞食指近關節軸33的軸線轉動。有三種情況 當食指末端指段38碰到物體被阻擋時，食指3抓取結束。當食指第二中部指段36碰到物體被阻擋時，食指近關節主動輪39繼續轉動，將拉動食 指遠關節從動輪315、食指遠關節軸37、食指末端指段38克服食指遠關節簧件316的變形彈 力而繞食指遠關節軸37的軸線轉動，最終食指末端指段38碰到物體被阻擋時，食指3抓取 結束。當食指第一中部指段34碰到物體被阻擋不能再繼續轉動時，剖視示意如圖18所示，此 時食指近關節主動輪39繼續轉動，通過食指中關節傳動件310、食指中關節從動輪311、食 指中關節軸35、食指中關節主動輪313、食指遠關節傳動件314，拉動食指第二中部指段36 和食指末端指段38作為一個整體抵抗食指中關節簧件312的變形彈力而繞食指中關節軸35 的軸線轉動。此過程中，若食指末端指段38碰到物體被阻擋時，食指3抓取結束。若食指第二中部指段36碰到物體被阻擋不能再繼續轉動時，剖視示意如圖19所示，此 時食指近關節主動輪39繼續轉動，將依次通過食指中關節傳動件310、食指中關節從動輪、 食指中關節軸、食指中關節主動輪、食指遠關節傳動件的轉動傳動，拉動食指遠關節從動輪、 食指遠關節軸和食指末端指段作為一個整體繞食指遠關節軸37的軸線轉動。直到食指末端指 段38碰到物體被阻擋時，食指3抓取結束，剖視示意如圖20所示。在上述所說的食指3抓取結束後，食指電機32繼續轉動一段時間再停止轉動，將帶動食 指近關節軸33繼續轉動一個角度後停止轉動，由於食指的中部指段34、食指第二中部指段 36已經被物體阻擋而不能再繼續轉動，導致食指近關節主動輪39也不能再繼續轉動，於是 食指近關節簧件318將發生變形，食指電機32停轉，食指近關節簧件318的變形被保持住， 此變形所產生的一定大小的彈力因減速器減速比較大而難以使停轉的食指電機32反轉，成為 施加給所抓物體的抓持力。通過控制食指電機32在食指3完全接觸到物體後繼續轉動的時間， 即控制食指近關節軸33在食指近關節簧件318發生變形後繼續轉過的角度，可以控制食指近 關節簧件318發生的變形量的大小，從而控制施加在物體上的抓持力，達到更加穩定抓取物 體的目的。以食指的第一中部指段、食指的第二中部指段、食指的末端指段均接觸物體的一般情形， 剖視示意如圖20所示，來介紹食指放開物體的工作原理。當放開物體時，食指電機32反轉，食指減速器319反轉，食指第一齒輪317反轉，食指 第二齒輪320反轉，帶動食指近關節軸3反轉，食指近關節簧件318反向轉動，拉動食指近 關節主動輪39反轉，通過食指中關節傳動件310拉動食指中關節從動輪311、食指中關節軸 35、食指中關節主動輪313反轉，通過食指遠關節傳動件314拉動食指遠關節從動輪315、 食指遠關節軸37、食指末端指段38反向轉動，同時食指遠關節簧件316的變形隨之逐漸減 小為零，此時食指末端指段38己經反向轉動到其相對於食指第二中部指段36的初始伸直位 置。由於在食指第二中部指段36的後背上方有凸臺，可以阻止食指末端指段38反轉時超過 其伸直的初始位置，因此受到食指第二中部指段36的阻礙，食指末端指段38將不再反轉，剖視示意如圖19所示。此時食指遠關節傳動件314將拉動已經伸直的食指第二中部指段36 和食指末端指段38作為一個整體一起繞食指中關節軸35的軸線反向轉動，同時食指中關節 簧件312的變形隨之逐漸減小，此時食指第二中部指段36已經反向轉動到其相對於食指第一 中部指段34的初始伸直位置。由於在食指第一中部指段34的後背上方有凸臺，可以阻止食 指第二指段36反轉時超過其伸直的初始位置，因此受到食指第一中部指段34的阻礙，食指 第二中部指段36將不再反轉，剖視示意如圖18所示。食指中關節傳動件310將拉動已經伸 直的食指第一中部指段34、食指第二中部指段36、食指末端指段38作為一個整體一起繞食 指近關節軸33的軸線反向轉動，直到食指3完全恢復到最開始的伸直位置，剖視示意如圖 17所示。中指、無名指、小指的抓取原理與食指完全相同，不再贅述。
權利要求
1、一種帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，包括拇指、食指、中指、無名指、小指、手掌；所說的拇指(2)包括拇指基座(21)、拇指電機(22)、拇指減速器(213)、拇指第一齒輪(211)、拇指第二齒輪(214)、拇指近關節軸(23)、拇指中部指段(24)、拇指遠關節軸(25)、拇指末端指段(26)；所說的拇指電機(22)和拇指減速器(213)與拇指基座(21)固接，拇指電機(22)的輸出軸與拇指減速器(213)的輸入軸相連，拇指減速器(213)的輸出軸與拇指第一齒輪(211)固接，拇指第一齒輪(211)與拇指第二齒輪(214)嚙合，拇指第二齒輪(214)套固在拇指近關節軸(23)上，所說的拇指近關節軸(23)套設在拇指基座(21)中，所說的拇指遠關節軸(25)套設在拇指中部指段(24)中，所說的拇指末端指段(26)套固在拇指遠關節軸(25)上；所說的食指(3)包括食指基座(31)、食指電機(32)、食指減速器(319)、食指第一齒輪(317)、食指第二齒輪(320)、食指近關節軸(33)、食指第一中部指段(34)、食指中關節軸(35)、食指第二中部指段(36)、食指遠關節軸(37)、食指末端指段(38)，所說的食指電機(32)和食指減速器(319)與食指基座(31)固接，食指電機(32)的輸出軸與食指減速器(319)的輸入軸相連，食指減速器(319)的輸出軸與食指第一齒輪(317)固接，食指第一齒輪(317)與食指第二齒輪(320)嚙合，食指第二齒輪(320)套固在食指近關節軸(33)上，所說的食指近關節軸(33)套設在食指基座(31)中，所說的食指中關節軸(35)套設在食指第一中部指段(34)中，所說的食指遠關節軸(37)套設在食指第二中部指段(36)中，所說的食指末端指段(38)套固在食指遠關節軸(37)上；所說的中指(4)、無名指(5)、小指(6)與食指(3)結構相同，僅尺寸大小不同；所說的手掌(1)包括手掌骨架(1)、手掌電機(11)、手掌減速器(15)、手掌第一齒輪(13)、手掌第二齒輪(16)、手掌關節軸(12)；所說的手掌電機(11)和手掌減速器(15)與手掌骨架(1)固接，手掌電機(11)的輸出軸與手掌減速器(15)的輸入軸相連，手掌減速器(15)的輸出軸與手掌第一齒輪(13)固接，手掌第一齒輪(13)與手掌第二齒輪(16)嚙合，手掌第二齒輪(16)套固在手掌關節軸(12)上，手掌關節軸(12)套設在手掌骨架(11)中，拇指基座(21)套固在手掌關節軸(12)上；所說的食指(3)通過食指基座(31)與手掌骨架(11)固接，所說的中指(4)、無名指(5)、小指(6)分別與手掌骨架(11)固接，連接方式同食指(3)一致；所說的食指(3)、中指(4)、無名指(5)、小指(6)、拇指(2)和手掌(1)之間的相對位置模仿人手各手指和手掌的相對位置；其特徵在於a、拇指(2)包括拇指主動輪(27)、拇指傳動件(28)、拇指從動輪(29)、拇指簧件(210)、拇指近關節簧件(212)；所說的拇指中部指段(24)套接在拇指近關節軸(23)上，所說的拇指主動輪(27)套接在拇指近關節軸(23)上，所說的拇指近關節簧件(212)兩端分別連接拇指近關節軸(23)和拇指主動輪(27)，拇指從動輪(29)套固在拇指遠關節軸(25)上，拇指傳動件(28)連接拇指主動輪(27)與拇指從動輪(29)，拇指簧件(210)的兩端分別連接拇指中部指段(24)和拇指末端指段(26)；b、食指(3)包括食指近關節主動輪(39)、食指中關節傳動件(310)、食指中關節從動輪(311)、食指中關節簧件(312)、食指中關節主動輪(313)、食指遠關節傳動件(314)、食指遠關節從動輪(315)、食指遠關節簧件(316)、食指近關節簧件(318)；所說的食指第一中部指段(34)套接在食指近關節軸(33)上，所說的食指第二中部指段(36)套接在食指中關節軸(35)上；所說的食指近關節主動輪(39)套接在食指近關節軸(33)上，所說的食指近關節簧件(318)兩端分別連接食指近關節軸(33)和食指近關節主動輪(39)，食指中關節從動輪(311)套固在食指中關節軸(35)上，食指中關節傳動件(310)連接食指近關節主動輪(39)和食指中關節從動輪(311)，食指中關節簧件(312)的兩端分別連接食指第一中部指段(34)和食指第二中部指段(36)；所說的食指中關節主動輪(313)套固在食指中關節軸(35)上，食指遠關節從動輪(315)套固在食指遠關節軸(37)上，食指遠關節傳動件(314)連接食指中關節主動輪(313)和食指遠關節從動輪(315)，食指遠關節簧件(316)的兩端分別連接食指第二中部指段(36)和食指末端指段(38)。
2、 如權利要求1所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在於.-所說的拇指傳動件(28)、食指中關節傳動件(310)、食指遠關節傳動件(314)採用平帶、齒形 帶、腱繩或鏈條，所說的拇指主動輪(27)、食指近關節主動輪(39)、食指中關節主動輪(313) 採用帶輪、齒輪、繩輪和鏈輪中的分別能夠與拇指傳動件(2S)、食指中關節傳動件(310)、食 指遠關節傳動件(314)相配合的那一種，所說的拇指從動輪(29)、食指中關節從動輪(311)、 食指遠關節從動輪(315)採用帶輪、齒輪、繩輪和鏈輪中的分別與拇指主動輪(27)、食指近關 節主動輪(39)、食指中關節主動輪(313)相同類型的那一種。
3、 如權利要求l所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在於 所說的拇指近關節簧件(212)、拇指簧件(210)、食指近關節簧件(318)、食指中關節簧件(312)、 食指遠關節簧件(316)採用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發條、皮筋或彈性繩。
4、 如權利要求1或3所述的帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，其特徵在 於所說的食指、中指、無名指、小指的遠關節簧件的彈力限制作用分別強於該手指的近關 節簧件的彈力限制作用。
全文摘要
帶輪變抓力欠驅動模塊化擬人機器人多指手裝置，屬於擬人機器人技術領域，主要包括拇指、食指、中指、無名指、小指、手掌；中指、無名指、小指與食指結構相同，各採用1個電機驅動3個關節轉動；手掌採用1個電機驅動拇指根部的側擺轉動，拇指採用1個電機驅動2個關節轉動。該裝置具有5個獨立控制的手指、15個關節自由度，包括6個主動關節和9個欠驅動關節；各欠驅動關節均採用結構相同的一種模塊化結構，電機、傳動機構藏入手內，結構簡單、重量輕、控制容易、集成度高；整個裝置外觀、尺寸和動作模仿人手，具有對不同形狀、尺寸的物體自動包絡抓取的功能，可以變抓取力抓取物體，適合安裝在擬人機器人上使用。
文檔編號B25J15/00GK101214653SQ20081005561
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月4日 優先權日2008年1月4日
發明者張文增, 敏 邱 申請人:清華大學