耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置制造方法及图纸

耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括基座、电机、三个指段、四个关节轴、电机、八个连杆和四个簧件等。本发明专利技术利用连杆和簧件构成一体的耦合传动机构和欠驱动传动机构，套接三个指段，综合实现了三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合于一体的特殊效果，该手指装置在碰触物体前采用耦合方式转动，且可实现捏持方式抓取物体，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式转动抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状，实现握持方式抓取。该手指装置出力大，对控制系统要求低，结构简单可靠、成本低，适合长期使用，与人手的手指外观和动作相似，适用于拟人机器人手上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人手
，特别涉及一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置的结构设计。
技术介绍
机器人手装置作为机器人的重要部分，近年来成为机器人
研究的热门和 重点。但是在目前的研究中，存在一些技术难点。如为了实现多自由度灵巧手，需要较多的 电机提供动力。但是，电机数量的增加不仅会导致控制系统复杂，更会使得整个手指装置 机构庞大，破坏其拟人性。欠驱动技术是目前能够较好解决此矛盾的方案之一。通过利用 欠驱动机构，可以由较少的电机驱动较多关节自由度，从而降低了对控制系统的要求。特别 的， 一类采用欠驱动自适应机构的机器人手指装置应运而生。以三关节机器人手指为例说 明欠驱动自适应手指装置的工作方式电机驱动整个手指(包括第一指段、第二指段和末 端指段)类似于一个刚体呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段碰触物体后受限制无法 运动，此时在电机的作用下第二指段绕中关节轴转动，直至第二指段碰触物体后受限制无 法运动，末端指段继续转动，直至碰触物体，实现了三个指段先后按顺序转动。该类手指装 置具有自动适应物体大小的特殊效果，适应抓取对象范围广，有利于抓取的稳定。 —种欠驱动机械手指装置如美国专利技术专利US5762390A，该装置属于欠驱动自适应 装置，由于采用多套四连杆机构将驱动源的动力传递到多个关节处，具有自适应性和抓取 的稳定性。 另一种欠驱动三关节手指装置，见中国专利技术专利CN1557268A中所示的手指装置， 包括基座、电机、三个关节和连杆与齿轮传动机构等，同样实现了三关节欠驱动手指弯曲抓 取物体的特殊效果，具有自适应性。 但是，该类欠驱动自适应机械手指装置也具有一定的不足手指在未碰触物体前 始终呈伸直状态转动，这样不仅与人手动作有较大差异，缺乏拟人性，而且当第一指段接触 物体后，在第二指段转动到与物体接触之前，物体有可能在第一指段的作用下被推开，离开 手指的抓取范围；手指只能以握持方式抓取物体，而不能实现较好的末端捏持；当手指末 端碰触物体时，不能实现各关节的自然弯曲，从而较难将物体拨至手中抓牢；不能做到类似 人手的空手握拳的动作等。 另一种在机器人领域广泛运用的技术为耦合技术。通过采用耦合机构，当机器人 手指装置转动时，可以实现多指段多关节的同时转动，动作过程类似人手握持时手指的自 然弯曲。仍以三关节机器人手指为例说明耦合式手指装置的工作方式当电机驱动手指转 动时，不仅手指第一指段绕近关节轴转动，第二指段在随第一指段运动的同时绕远关节轴 相对于第一指段转动，两者转动的角度有一个固定的比例关系，该比例关系由具体的耦合 机构的设计决定，并始终保持不变，此即为耦合抓取模式。多关节的手指依然可以由较少的 驱动源驱动，故耦合式机器人手指继承了欠驱动式手指具有较少驱动源，控制简单的特点， 而且克服了欠驱动自适应手指装置的一些缺点，其抓取动作具有良好的拟人性，可以实现捏持方式抓取，采用耦合式手指装置的机器人手以做出握拳动作，同时还可以避免欠驱动 自适应手指有可能将物体推开的缺点。 已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本专利技术专利JP2004-130405A)，包 括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二 齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机 驱动多个关节耦合转动的效果。 但是，耦合式手指装置由于各个关节转动角度比例保持不变，不具有欠驱动自适 应手指的自适应抓取功能。各关节以固定角度比例转动时，无法以恰好适应物体表面大小 尺寸的握持方式抓取，不具备对物体的自动适应性，抓取效果不好，抓取不稳定。 由上述情况可知，欠驱动自适应式手指与耦合式手指机构各具优劣，如果能将两 者结合，取长补短，将成为未来机器人手指发展的趋势。目前已有一种机器人手指装置具 有耦合和欠驱动自适应的效果，但是为串联式耦合加欠驱动自适应手指(中国专利技术专利 CN101190528A)，该装置属于三关节手指，其中指节与指尖采用耦合传动方式，实现了两关 节的l : l角度的耦合运动，近指节和中指节采用欠驱动自适应方式实现对物体的自适应 抓取。但是该装置的耦合抓取和欠驱动自适应抓取是分离开的，仅以手指上半部分实现耦 合抓取，以手指下半部分实现欠驱动自适应抓取，实为两种抓取的简单合成，并没有把两种 抓取方式真正融合在一起。 综上所述，如果能采用合为一体的耦合机构与欠驱动自适应机构实现在同一抓取 过程中先后依次以耦合和欠驱动自适应的方式实施抓取，将真正结合两种抓取方式的优 点，实现优势互补，可以得到功能强大、抓取范围广、抓取稳定性好的实用型机器人手指装 置，成为各种机器人手指装置中的佼佼者。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，实现三关节手指耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融于一体，同时结 构简单、成本低，对控制系统要求低。 本专利技术采用如下技术方案 —种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，包括基座、第一指段、第二指段、 末端指段、近关节轴、远关节轴、减速器和电机；所说的电机与基座固接，电机的输出轴与所 说的减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与所说的近关节轴相连，近关节轴套设在基座 中，所说的第一指段套接在近关节轴上，所说的远关节轴套设在所说的第二指段中，所说的 末端指段套接在远关节轴上； 其特征在于 该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一中关节轴和第二中关节 轴，第一中关节轴和第二中关节轴同轴线；所说的第一中关节轴和第二中关节轴套设在所 说的第一指段中，第二指段套接在第一中关节轴和第二中关节轴上，所说的近关节轴、第一 中关节轴、第二中关节轴和远关节轴的轴线相互平行； 该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一连杆、第一轴、第二连杆、 第二轴、第三连杆、第三轴、第四连杆、第四轴、第五连杆、第五轴、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第一簧件、第二簧件、第三簧件和第四簧件； 所说的第一连杆的一端套固在近关节轴上，第一连杆的另一端通过所说的第一轴 与所说的第二连杆一端铰接，第二连杆的另一端通过所说的第二轴与所说的第五连杆的一 端铰接，第五连杆的另一端套接在所说的第二中关节轴上；所说的第三连杆的一端套接在 近关节轴上，第三连杆的另一端通过所说的第三轴与所说的第四连杆的一端铰接，第四连 杆的另一端套接在第二轴上；所说的第六连杆的一端套接在第二轴上，第六连杆的另一端 通过所说的第四轴与末端指段铰接；所说的第七连杆的一端套接在所说的第一中关节轴 上，第七连杆的另一端通过所说的第五轴与第八连杆的一端铰接，第八连杆的另一端套接 在第四轴上；所说的第一簧件的两端分别连接第一连杆和第一指段，所说的第二簧件的两 端分别连接第三连杆和基座，所说的第三簧件的两端分别连接第五连杆和第二指段，所说 的第四簧件的两端分别连接第七连杆和第一指段；所说的第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、 第五轴和近关节轴的轴线相互平行。 本专利技术所说的耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，其特征在于所说的近 关节轴、第一中关节轴、第一轴、第二轴和第三轴符合如下关系设近关节轴的轴线与第一 中关节轴的轴线所在平面为Pi平面，第一轴的轴线与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，包括基座（１）、第一指段（２）、第二指段（３）、末端指段（４）、近关节轴（５）、远关节轴（８）、减速器（９）和电机（１０）；所说的电机（１０）与基座（１）固接，电机（１０）的输出轴与所说的减速器（９）的输入轴相连，减速器（９）的输出轴与所说的近关节轴（５）相连，近关节轴（５）套设在基座（１）中，所说的第一指段（２）套接在近关节轴（５）上，所说的远关节轴（８）套设在所说的第二指段（３）中，所说的末端指段（４）套接在远关节轴（８）上；其特征在于：该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一中关节轴（６）和第二中关节轴（７），第一中关节轴（６）和第二中关节轴（７）同轴线；所说的第一中关节轴（６）和第二中关节轴（７）套设在所说的第一指段（２）中，第二指段（３）套接在第一中关节轴（６）和第二中关节轴（７）上，所说的近关节轴（５）、第一中关节轴（６）、第二中关节轴（７）和远关节轴（８）的轴线相互平行；该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一连杆（１１）、第一轴（１２）、第二连杆（１３）、第二轴（１４）、第三连杆（１５）、第三轴（１６）、第四连杆（１７）、第四轴（２０）、第五连杆（１８）、第五轴（２２）、第六连杆（１９）、第七连杆（２１）、第八连杆（２３）、第一簧件（２４）、第二簧件（２５）、第三簧件（２６）和第四簧件（２７）；所说的第一连杆（１１）的一端套固在近关节轴（５）上，第一连杆（１１）的另一端通过所说的第一轴（１２）与所说的第二连杆（１３）一端铰接，第二连杆（１３）的另一端通过所说的第二轴（１４）与所说的第五连杆（１８）的一端铰接，第五连杆（１８）的另一端套接在所说的第二中关节轴（７）上；所说的第三连杆（１５）的一端套接在近关节轴（５）上，第三连杆（１５）的另一端通过所说的第三轴（１６）与所说的第四连杆（１７）的一端铰接，第四连杆（１７）的另一端套接在第二轴（１４）上；所说的第六连杆（１９）的一端套接在第二轴（１４）上，第六连杆（１９）的另一端通过所说的第四轴（２０）与末端指段（４）铰接；所说的第七连杆（２１）的一端套接在所说的第一中关节轴（６）上，第七连杆（２１）的另一端通过所说的第五轴（２２）与第八连杆（２３）的一端铰接，第八连杆（２３）的另一端套接在第四轴（２０）上；所说的第一簧件（２４）的两端分别连接第一连杆（１１）和第一指段（２），所说的第二簧件（２５...

【技术特征摘要】
一种耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置，包括基座(1)、第一指段(2)、第二指段(3)、末端指段(4)、近关节轴(5)、远关节轴(8)、减速器(9)和电机(10)；所说的电机(10)与基座(1)固接，电机(10)的输出轴与所说的减速器(9)的输入轴相连，减速器(9)的输出轴与所说的近关节轴(5)相连，近关节轴(5)套设在基座(1)中，所说的第一指段(2)套接在近关节轴(5)上，所说的远关节轴(8)套设在所说的第二指段(3)中，所说的末端指段(4)套接在远关节轴(8)上；其特征在于该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)，第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)同轴线；所说的第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)套设在所说的第一指段(2)中，第二指段(3)套接在第一中关节轴(6)和第二中关节轴(7)上，所说的近关节轴(5)、第一中关节轴(6)、第二中关节轴(7)和远关节轴(8)的轴线相互平行；该耦合欠驱动一体化三关节机器人手指装置还包括第一连杆(11)、第一轴(12)、第二连杆(13)、第二轴(14)、第三连杆(15)、第三轴(16)、第四连杆(17)、第四轴(20)、第五连杆(18)、第五轴(22)、第六连杆(19)、第七连杆(21)、第八连杆(23)、第一簧件(24)、第二簧件(25)、第三簧件(26)和第四簧件(27)；所说的第一连杆(11)的一端套固在近关节轴(5)上，第一连杆(11)的另一端通过所说的第一轴(12)与所说的第二连杆(13)一端铰接，第二连杆(13)的另一端通过所说的第二轴(14)与所说的第五连杆(18)的一端铰接，第五连杆(18)的另一端套接在所说的第二中关节轴(7)上；所说的第三连杆(15)的一端套接在近关节轴(5)上，第三连杆(15)的另一端通过所说的第三轴(16)与所说的第四连杆(17)的一端铰接，第四连杆(17)的另一端套接在第二轴(14)上；所说的第六连杆(19)的一端套接在第二轴(14)上，第六连杆(19)的另一端通过所说的第四轴(20)与末端指段(4)铰接；所说的第七连杆(21)的一端套接在所说的第一中关节轴(6)上，第七连杆(21)的另一端通过所说的第五轴(22)与第八连杆(23)的一端铰接，第八连杆(23)的另一端套接在第四轴(20)上；所说的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文增，赵得洋，陈强，都东，孙振国，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]