平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置的製作方法
2023-07-12 19:31:06 1
本發明屬於機器人手技術領域，特別涉及一種平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置的結構設計。
背景技術：
機器人手是一個重要的終端部件，用於抓取物體和操作物體，它一般具有多個手指和手掌，核心是如何更好地抓取物體。現有的欠驅動機器人手技術主要是採用少量電機驅動多個關節，分為兩種主要的方法：當關節同時轉動時機器人手指可以獲得穩定的末端捏持抓取效果，這種驅動是精確抓取模式，也稱為耦合轉動模式；當需要較大力量時，一般需要多個指段接觸包絡物體，這種驅動是力量型抓取模式，也稱為自適應抓取模式。這兩種抓取模式各有優缺點，它們都能夠實現一個電機驅動兩個關節，減少控制難度，降低對系統的傳感與控制需求，成本低，同時，這類機器人手重量小，體積小，應用領域廣。
已有將耦合與自適應兩種抓取模式結合起來的機器人手被設計出來(中國發明專利CN106041920A)。耦合與自適應相結合的複合抓取模式是將耦合過程安排在自適應抓取之前，這樣，該手指的雙關節先同時轉動成比例角度，在物體碰觸近指段後再轉動末端指段達到包絡的效果(如果物體在耦合階段先接觸末端指段，則抓取結束)。這種機器人手分別具備耦合抓取效果和自適應抓取效果，而且還具有先耦合再自適應的複合抓取模式，是一種很好的機器人手。該機器人手指裝置包括兩根柔性件、主動傳動輪、從動傳動輪、一對齒輪傳動機構、一對帶輪傳動機構和一對具有空行程凸塊的傳動件、兩個簧件等，綜合實現了耦合與自適應複合抓取模式，但是存在以下不足：1)柔性件容易鬆弛變形，傳動不精確，需要張緊和經常調節，容易疲勞，壽命短；2)該裝置傳動鏈長、傳動複雜，零件數量多，體積大、重量大，裝配複雜，製造成本高。
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，提供一種平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置。該裝置能夠實現耦合與自適應複合抓取模式，既能聯動兩個關節用末端捏持物體，也能先轉動第一指段碰觸物體後再轉動第二指段包絡握持物體，達到對不同形狀尺寸物體的自適應握持效果；無需複雜的傳感和控制系統；同時結構簡單、傳動鏈短、零件數量少、傳動精確平穩、體積小、重量輕、裝配容易、製造成本低。
本發明的技術方案如下：
本發明設計的一種平動空程傳動耦合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、驅動器和傳動機構；所述近關節軸活動套設在基座中；所述第一指段活動套接在近關節軸上；所述遠關節軸套設在第一指段中；所述第二指段套接在遠關節軸上；所述驅動器與基座固接；所述傳動機構設置在基座中；所述驅動器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：該平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置還包括第一齒輪、第二齒輪、第三齒輪、第一齒條、第二齒條、第三齒條、第一撥杆、第二撥杆、第一簧件、第二簧件、第一凸塊和第二凸塊；所述第一齒輪套固在近關節軸上，所述第二齒輪活動套接在近關節軸上，所述第三齒輪套接在遠關節軸上，所述第三齒輪與第二指段固接；所述第一齒條滑動鑲嵌在第一指段中；所述第二齒條滑動鑲嵌在第一指段中，第一齒條、第二齒條各自在第一指段中的滑動方向相同；所述第一齒條與第一齒輪嚙合，所述第二齒條與第二齒輪嚙合，所述第三齒條與第三齒輪嚙合；所述第二齒條與第三齒條固接；設所述第一齒條與第一齒輪的嚙合點為A點，所述第二齒條與第二齒輪的嚙合點為B點，第三齒條與第三齒輪的嚙合點為C點，近關節軸的中心點為M點，遠關節軸的中心點為N點，線段MB、BC、CN、NM構成「8」字形，A點、B點位於近關節軸的兩側；所述第一凸塊與基座固接，所述第二凸塊與第二齒輪固接；所述第一撥杆與第一齒條固接，所述第二撥杆與第三齒條固接；所述第一凸塊與第二凸塊接觸或離開一段距離，所述第一撥杆與第二撥杆在行程範圍內接觸；在該平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置處於初始狀態時，第一凸塊與第二凸塊接觸，第一撥杆與第二撥杆離開一段距離；所述第一簧件的兩端分別連接近關節軸和第一指段，所述第二簧件的兩端分別連接基座和第二齒輪並使得第二凸塊靠向第一凸塊。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述驅動器採用電機、氣缸或液壓缸。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述第一簧件採用拉簧或扭簧。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述第二簧件採用拉簧或扭簧。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述傳動機構包括減速器、第一帶輪、第二帶輪和傳動帶；所述驅動器的輸出軸與減速器的輸入軸相連，所述第一帶輪套固在減速器的輸出軸上，所述第二帶輪套固在近關節軸上，所述傳動帶分別連接第一帶輪和第二帶輪，所述傳動帶、第一帶輪和第二帶輪三者之間配合形成帶輪傳動關係；所述傳動帶形成「O」字形。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果：
本發明裝置利用驅動器、傳動機構、三個齒輪、三個齒條、兩個簧件、兩個撥杆和兩個凸塊等綜合實現了耦合與自適應複合抓取模式，該裝置既能聯動兩個關節用末端捏持物體，動作擬人度高，也能先轉動第一指段碰觸物體後再轉動第二指段包絡握持物體，達到對不同形狀尺寸物體的自適應抓取效果；該裝置傳動精確平穩，抓取穩定可靠；僅利用一個驅動器驅動兩個關節，無需複雜的傳感和實時控制系統；同時結構簡單、傳動鏈短、零件數量少，體積小、重量輕，裝配容易、製造成本低。
附圖說明
圖1是本發明設計的平動空程傳動耦合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所示實施例的正視圖。
圖3是圖1所示實施例的側視圖(圖2的右視圖)。
圖4是圖1所示實施例中的立體外觀圖(未畫出基座前板、基座右側板、第一指段前板、第一指段右側板)。
圖5是圖1所示實施例的正視圖(未畫出基座前板、第一指段前板)。
圖6是圖2所示實施例中A－A剖視圖。
圖7是圖3所示實施例中B－B剖視圖。
圖8是圖1所示實施例的爆炸視圖。
圖9至圖12是圖1所示實施例在以耦合與自適應複合抓取方式抓取物體的動作過程示意圖。
圖13是圖9至圖12所示實施例幾個關鍵位置時，從第一指段視角觀察第一齒條、第二齒條、第三齒條、第一撥杆與第二撥杆的相對位置的變化情況，其中線段PQ為近關節軸的中心線。
圖14是圖1所示實施例在初始狀態以及耦合抓取階段時，第二凸塊接觸第一凸塊的狀態。
圖15是圖1所示實施例在自適應抓取階段時，第二凸塊相對於第一凸塊轉動離開了一個角度的情況，此時，第二簧件被拉伸。
圖16至圖18是圖1所示實施例在以單純耦合方式捏持物體的動作過程示意圖，第二指段接觸物體。
圖19是圖1所示實施例的機構原理示意圖。
在圖1至圖19中：
1－基座，101－基座前板，102－基座左側板，103－基座右側板，
104－基座後板，105－基座底板，11－第一凸塊，12－電機，
2－第一指段，201－第一指段前板，202－第一指段左側板，203－第一指段右側板，
204－第一指段後板，205－第一指段骨架板，3－第二指段，4－近關節軸，
5－遠關節軸，61－減速器，62－第一帶輪，63－傳動帶，
64－第二帶輪，71－第一齒輪，72－第二齒輪，721－第二凸塊，
73－第三齒輪，81－第一齒條，82－第二齒條，83－第三齒條，
811－第一撥杆，831－第二撥杆，91－第一簧件，92－第二簧件，
99－物體。
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。
本發明設計的平動空程傳動耦合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和驅動器12和傳動機構；所述近關節軸4活動套設在基座1中；所述第一指段2活動套接在近關節軸4上；所述遠關節軸5套設在第一指段2中；所述第二指段3套接在遠關節軸5上；所述驅動器12與基座1固接；所述傳動機構設置在基座1中；所述驅動器12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；所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行；該平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置還包括第一齒輪71、第二齒輪72、第三齒輪73、第一齒條81、第二齒條82、第三齒條83、第一撥杆811、第二撥杆831、第一簧件91、第二簧件92、第一凸塊11和第二凸塊721；所述第一齒輪71套固在近關節軸4上，所述第二齒輪72活動套接在近關節軸4上，所述第三齒輪73套接在遠關節軸5上，所述第三齒輪73與第二指段3固接；所述第一齒條81滑動鑲嵌在第一指段2中；所述第二齒條82滑動鑲嵌在第一指段2中，第一齒條81、第二齒條82各自在第一指段2中的滑動方向相同；所述第一齒條81與第一齒輪71嚙合，所述第二齒條82與第二齒輪72嚙合，所述第三齒條83與第三齒輪73嚙合；所述第二齒條82與第三齒條83固接；設所述第一齒條81與第一齒輪71的嚙合點為A點，所述第二齒條82與第二齒輪72的嚙合點為B點，第三齒條83與第三齒輪73的嚙合點為C點，近關節軸4的中心點為M點，遠關節軸5的中心點為N點，線段MB、BC、CN、NM構成「8」字形，A點、B點位於近關節軸4的兩側；所述第一凸塊11與基座1固接，所述第二凸塊721與第二齒輪72固接；所述第一撥杆811與第一齒條81固接，所述第二撥杆831與第三齒條83固接；所述第一凸塊11與第二凸塊721接觸或離開一段距離，所述第一撥杆811與第二撥杆831在行程範圍內接觸；在該平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置處於初始狀態時，第一凸塊11與第二凸塊721接觸，第一撥杆811與第二撥杆831離開一段距離；所述第一簧件91的兩端分別連接近關節軸4和第一指段2，所述第二簧件92的兩端分別連接基座1和第二齒輪72並使得第二凸塊721靠向第一凸塊11。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述驅動器採用電機、氣缸或液壓缸。本實施例中，所述驅動器採用電機12。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述第一簧件採用拉簧或扭簧。本實施例中，所述第一簧件91採用拉簧。
本發明所述的平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置，其特徵在於：所述第二簧件採用拉簧或扭簧。本實施例中，所述第二簧件92採用扭簧。
本實施例中，所述傳動機構包括減速器61、第一帶輪62、傳動帶63和第二帶輪64；所述驅動器12的輸出軸與減速器61的輸入軸相連，所述第一帶輪62套固在在減速器61的輸出軸上，所述第二帶輪64套固在近關節軸4上，所述傳動帶63分別連接第一帶輪62和第二帶輪64，所述傳動帶63、第一帶輪62和第二帶輪64三者之間配合形成帶輪傳動關係；所述傳動帶形成「O」字形。
本實施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板101、基座左側板102、基座右側板103和基座後板104。
本實施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段前板201、第一指段左側板202、第一指段右側板203、第一指段後板204和第一指段骨架板205。
本實施例的機構原理示意圖如圖19所示。
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，在初始狀態時，該平動空程傳動耦合自適應機器人手指裝置呈伸直狀態，如圖1所示，此時第二簧件92拉動第二凸塊721使其緊靠在第一凸塊11上，第二凸塊721與第一凸塊11接觸，由於第二凸塊721與第二齒輪72固接，所以第二齒輪72保持初始狀態，暫時「固定」於基座上。
電機12正轉，通過減速器61帶動第一帶輪62轉動，通過傳動帶63驅動第二帶輪64轉動，通過第一簧件91拉動第一指段2繞近關節軸4正轉，第一指段2轉動靠向抓取物體99。
此時，由於第二簧件92的作用，第二齒輪72與第二凸塊721相對於基座1保持初始姿態不變；同時，由於第二齒輪72，第三齒輪73，第二齒條82，第三齒條83，第一指段2構成特殊的齒條傳動機構，其中線段MB、BC、CN、NM構成「8」字形，就會使得第一指段2正轉一個角度時，第三齒輪73耦合轉動一個角度，當第二齒輪72和第三齒輪73分度圓直徑相等時，達到1:1耦合。
由於第二指段3與第三齒輪73固接，第二指段3將相對於第一指段2正轉一個角度，達到第二指段3與第一指段2同時轉動的耦合效果。此耦合抓取過程如圖9至11所示，在此階段，第二凸塊721在第二簧件92作用下保持接觸第一凸塊11，如圖14所示。
如果第二指段3接觸物體99，則達到了耦合捏持的效果，抓取結束，此抓取過程如圖16至圖18所示。
如果上述過程中，第一指段2先接觸物體99，第二指段3還未接觸到物體99，此時自動進入第二抓取模式——自適應抓取模式：此時，電機12繼續正轉一個角度，通過傳動機構使得第一齒輪71繼續轉動，第一指段2被物體99阻擋不能再繼續轉動，第一簧件91發生更大變形，在第一齒輪71的轉動作用下，第一齒條81和第一撥杆811向下滑動一段距離，經過一段距離的空行程，直到第一撥杆811與第二撥杆831接觸並拉動第二撥杆831和第三齒條83向下滑動，第三齒條83與第二齒條82固接，帶動第二齒輪72向第二凸塊721離開第一凸塊11的方向轉動，同時使得第三齒輪73繼續正轉，從而使得第二指段3繼續正轉，直到第二指段3接觸物體99，抓取結束。該抓取過程可以適應不同形狀尺寸的物體，是一種自適應抓取模式。此自適應抓取過程如圖11至圖12所示，在此自適應抓取階段，第二凸塊721離開第一凸塊11，第二凸塊721繞近關節軸4轉動一個角度α，第二簧件92被拉伸變形，如圖15所示。最終包絡抓取物體99的情形如圖12所示，第一指段2繞近關節軸4轉動一個角度α，第二指段3繞遠關節軸5轉動一個角度α+β。
從初始狀態開始，耦合抓取階段為I階段，在第一指段2接觸物體99後第一齒條81向下平動且未接觸第三齒條83的階段稱為II階段，此II階段為過渡階段，之後，自適應抓取階段為III階段，在I階段、II階段和III階段的第一齒條81、第二齒條82、第三齒條83相對於第一指段2的位置變化情況如圖13所示，其中線段PQ為近關節軸4的中心線。圖13中，在I階段，第一齒條81相對於第一指段2不動，第二齒條82和第三齒條83相對於第一指段2向下平動一段距離d；在II階段，第一齒條81相對於第一指段2向下平動一段距離d，第二齒條82和第三齒條83相對於第一指段2不動；在III階段，第一齒條81接觸並撥動第二齒條82和第三齒條83，所以第一齒條81、第二齒條82和第三齒條83三者相對於第一指段2向下平動一段距離s。
本實施例釋放物體99時，電機12反轉，後續過程與上述過程剛好相反，不再贅述。
本發明裝置利用驅動器、傳動機構、三個齒輪、三個齒條、兩個簧件、兩個撥杆和兩個凸塊等綜合實現了耦合與自適應複合抓取模式，該裝置既能聯動兩個關節用末端捏持物體，動作擬人度高，也能先轉動第一指段碰觸物體後再轉動第二指段包絡握持物體，達到對不同形狀尺寸物體的自適應抓取效果；該裝置傳動精確平穩，抓取穩定可靠；僅利用一個驅動器驅動兩個關節，無需複雜的傳感和實時控制系統；同時結構簡單、傳動鏈短、零件數量少，體積小、重量輕，裝配容易、製造成本低。