三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，属于仿人机器手技术领域，包括基座、电机、减速器、基座轴、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、多路齿轮传动机构和簧件。本发明专利技术装置采用单个电机、多轴多路相异传动比的齿轮传动机构及簧件等综合实现了复合欠驱动抓取效果：手指先耦合转动抓向物体然后再自适应抓取物体；抓取过程拟人，动作灵巧，抓取物体稳定，可自动适应抓取不同尺寸、形状的物体，对控制系统要求低，操控容易；同时结构简单、紧凑，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手指相近，适用于仿人机器手。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于仿人机器手
，特别涉及一种三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置的结构设计。
技术介绍
手对人来说是非常重要的器官，在仿人机器人领域，增强机器人手的机能具有非常重要的意义。一方面，通过增加关节数目、驱动数目可以使机器手动作更多样精确，但同时这样又会使机构复杂繁琐；另一方面，如果过分追求机构精简，则势必对机器手的灵活性及抓取动作的精确性产生负面影响。同时，机器人手要求同时保证小巧灵活与足够的抓取力。目前在这一领域仍存在着许多技术难题。欠驱动机构是指该机构的驱动器数目少于关节自由度数目。诸多的仿人灵巧手也可以归类为欠驱动手，广义的欠驱动手指包括耦合欠驱动手指和自适应欠驱动手指。耦合欠驱动手指常称为耦合手指，自适应欠驱动手指简称为自适应手指或欠驱动手指。欠驱动机构的核心优势在于引入了自适应抓取的动作模式。这种自适应抓取模式的引入，使机器手在保证拟人化动作的同时，大大地降低了对于手部实时控制和传感系统的要求，使机器手具有结构简单、控制稳定、外观拟人和造价低廉等的优点。由于自适应欠驱动机器手的优点，近十年来引起了国内外研究人员的广泛兴趣，使自适应欠驱动机器手领域飞速发展。自适应欠驱动手存在如下较大的不足1)该手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手一般不会在抓取物体时采用类似这样非常别扭的动作。2)欠驱动手的抓取方式主要为握持方式，难实现较好的末端捏持抓取效果；不能做到没有物体抓取时，类似人手的握拳动作；也难以做到末端指段捏持物体时各关节呈自然弯曲状态。3)欠驱动手抓取物体时需要第一指段对物体施加足够的力，才能触发第二关节拉动簧件变形弯曲，这会导致该抓持力挤跑物体的不稳定抓取现象发生，即使抓住了物体，也可能会造成第一指段对物体的抓持力过大而损坏物体。人手若按照自适应欠驱动抓取模式会极不方便。耦合欠驱动手指的多个关节由一个驱动器驱动并按一定比例(如1 1)同时转动(联动)。耦合手的多关节联动弯曲过程与人手抓取物体时相似，耦合手指适合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物体，在握持中不会发生近指段挤跑物体的不稳定现象发生，因而抓取过程较稳定。耦合手也是一个长期以来仿人机器手常用方案。目前已经有较多的耦合机构被开发出来。耦合手指的不足之处在于不具备抓取物体时对不同物体的自适应性。为了克服传统自适应手指和耦合手指各自的不足，一种复合欠驱动抓取模式被提出来先多关节耦合抓取而后再自适应抓取。这一抓取模式既区别于单纯的耦合抓取过程， 也区别于单纯的自适应抓取过程。为了实现这一抓取模式，将耦合机构与自适应机构复合起来所产生的一种新的手指类别耦合与自适应复合型欠驱动手指，简称复合欠驱动手指或复合型手指。这种“复合” 不是简单的并联，更不是串联。机器人手指装置在弯曲抓握物体过程中，碰到物体之前各指段按一定角度比例同时弯曲，动作过程非常拟人；而在手指碰到物体后，又可自动适应物体表面形状，完全包络物体，并且只通过一个驱动器驱动多个关节的机器人手指装置，能够有很好的抓取性能。复合欠驱动手指既能够自适应抓取物体又能够具备较好的多关节联动拟人化抓取特点，而且电机数量保持了最少，结构简单、控制容易、成本低。由于人手指就是既有耦合转动的特点，也同时有自适应抓取的特点，因此，复合欠驱动手指类别是更加仿人手指的新型手指类别，是一种介于传统自适应手指、耦合手指之间的第三大类手指类别。可以说，传统的耦合欠驱动手指与传统的自适应欠驱动手指仅仅是复合欠驱动手指的两个特例而已。由复合欠驱动手指所构成的复合欠驱动手将具有非常大的市场潜力，或将成为未来非常主流的仿人机器手技术趋势和方向。已有的一种能实现复合欠驱动的机器人手指装置，如中国专利技术专利CN101664929， 主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、耦合传动机构、欠驱动传动机构和多个簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取，缺点在于机构复杂，安装维修困难；簧件数目过多，利用簧件解耦调和耦合传动机构与自适应传动机构之间的矛盾，常常使得多个簧件形变较大，导致过大且不必要的能量损耗。
技术实现思路
本专利技术旨在针对现有技术的不足之处，提供一种三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置。该装置能够实现耦合与自适应复合欠驱动抓取动作，即不仅具有抓握动作拟人的多关节耦合特性，而且兼备对不同形状、大小物体的自适应抓取特性；拥有较多灵活关节的同时只需单一电机驱动，减少操控难度与成本；同时结构简单、能量损耗小、传动效率高。本专利技术的技术方案如下本专利技术所述的双关节三轴复合欠驱动机器人手指装置，包括电机、减速器、基座、 近关节轴、远关节轴、中部指段和末端指段；所述电机和减速器均固接于基座上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴活动套设于基座中，所述远关节轴活动套设于中部指段中，所述中部指段套固在近关节轴上；所述末端指段套固在远关节轴上；其特征在于该装置还包括基座轴、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、惰轮、第五齿轮、 第六齿轮、齿条、导向孔和簧件；所述基座轴活动套设于基座中，所述减速器的输出轴与基座轴相连；所述第一齿轮套固于基座轴上；所述第二齿轮活动套接于近关节轴上并与第一齿轮啮合；所述的第三齿轮套固于基座轴上；所述第四齿轮活动套接于近关节轴；所述惰轮活动套接于惰轮轴上，并与第三齿轮和第四齿轮分别啮合；所述第三齿轮、第四齿轮和惰轮三者能够配合形成传动关系；所述第五齿轮活动套接在近关节轴上，并与第四齿轮固接；所述第六齿轮套固在远关节轴上；所述齿条的下部与第五齿轮啮合，上部与第六齿轮啮合； 所述齿条的上部、下部的齿型分别位于齿条两侧，且若设齿条上部与第六齿轮啮合点为A， 齿条下部与第五齿轮的啮合点为B，第六齿轮和第五齿轮的中心分别为O1和02，则线段AB、 线段O1O2、线段AO1和线段BO2构成“8”字型；所述导向孔与中指指段固连，所述齿条滑动镶嵌在导向孔中；所述第五齿轮、第六齿轮和齿条三者能够配合形成传动关系；所述簧件的两端分别连接第二齿轮与近关节轴。本专利技术所述的三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于还包括基座传动机构，所述减速器的输出轴通过所述基座传动机构与基座轴相连。本专利技术所述的三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于所述基座传动机构包括第一锥齿轮和第二锥齿轮；第一锥齿轮套固在减速器的输出轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮套固在基座轴上。本专利技术所述的三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，其特征在于所述簧件使用拉簧、扭簧、压簧、片簧或弹性绳。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果本专利技术装置采用单个电机、多轴多路相异传动比的齿轮传动机构及簧件等综合实现了复合欠驱动抓取效果手指先耦合转动抓向物体然后再自适应抓取物体；抓取过程拟人，动作灵巧，抓取物体稳定，可自动适应抓取不同尺寸、形状的物体，对控制系统要求低， 操控容易；同时结构简单、紧凑，能量损耗小，传动效率高，成本低廉，装配维护便利，且外形与人手指相近，适用于仿人机器手。附图说明图1是本专利技术提供的三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置的一种实施例三维局部示意。图2是本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机（１）、减速器（２）、基座（３）、近关节轴（４２）、远关节轴（４３）、中部指段（５１）和末端指段（５２）；所述电机（１）和减速器（２）均固接于基座（３）上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴（４２）活动套设于基座（３）中，所述远关节轴（４３）活动套设于中部指段（５１）中，所述中部指段（５１）套固在近关节轴（４２）上；所述末端指段（５２）套固在远关节轴（４３）上；其特征在于：该装置还包括基座轴（４１）、第一齿轮（６１１）、第二齿轮（６１２）、第三齿轮（６２１）、第四齿轮（６２２）、惰轮（６２３）、第五齿轮（６３１）、第六齿轮（６３２）、齿条（７）、导向孔（８）和簧件（９）；所述基座轴（４１）活动套设于基座（３）中，所述减速器（２）的输出轴与基座轴（４１）相连；所述第一齿轮（６１１）套固于基座轴（４１）上；所述第二齿轮（６１２）活动套接于近关节轴（４２）上并与第一齿轮（６１１）啮合；所述的第三齿轮（６２１）套固于基座轴（４１）上；所述第四齿轮（６２２）活动套接于近关节轴（４２）；所述惰轮（６２３）活动套接于惰轮轴（４４）上，并与第三齿轮（６２１）和第四齿轮（６２２）分别啮合；所述第三齿轮（６２１）、第四齿轮（６２２）和惰轮（６２３）三者能够配合形成传动关系；所述第五齿轮（６３１）活动套接在近关节轴（４２）上，并与第四齿轮（６２２）固接；所述第六齿轮（６３２）套固在远关节轴（４３）上；所述齿条（７）的下部与第五齿轮（６３１）啮合，上部与第六齿轮（６３２）啮合；所述齿条（７）的上部和下部的齿型分别位于齿条两侧，如果设齿条上部与第六齿轮（６３２）啮合点为Ａ，齿条下部与第五齿轮（６３１）的啮合点为Ｂ，第六齿轮（６３２）和第五齿轮（６３１）的中心分别为Ｏ１和Ｏ２，则线段ＡＢ、线段Ｏ１Ｏ２、线段ＡＯ１和线段ＢＯ２构成“８”字型；所述导向孔（８）与中指指段（５１）固连，所述齿条（７）滑动镶嵌在导向孔（８）中；所述第五齿轮（６３１）、第六齿轮（６３２）和齿条（７）三者能够配合形成传动关系；所述簧件（９）的两端分别连接第二齿轮（６１２）与近关节轴（４２）。...
【技术特征摘要】
1.一种三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指装置，包括电机(1)、减速器O)、 基座(3)、近关节轴(42)、远关节轴(43)、中部指段(51)和末端指段(52)；所述电机(1) 和减速器( 均固接于基座C3)上，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述近关节轴 (42)活动套设于基座C3)中，所述远关节轴活动套设于中部指段(51)中，所述中部指段(51)套固在近关节轴0 上；所述末端指段(5 套固在远关节轴上；其特征在于该装置还包括基座轴(41)、第一齿轮(611)、第二齿轮(612)、第三齿轮(621)、第四齿轮(622)、惰轮(623)、第五齿轮(631)、第六齿轮(632)、齿条(7)、导向孔(8)和簧件(9)； 所述基座轴Gl)活动套设于基座( 中，所述减速器( 的输出轴与基座轴Gl)相连；所述第一齿轮(611)套固于基座轴Gl)上；所述第二齿轮(61 活动套接于近关节轴G2) 上并与第一齿轮(611)啮合；所述的第三齿轮(621)套固于基座轴Gl)上；所述第四齿轮 (622)活动套接于近关节轴0 ；所述惰轮(62 活动套接于惰轮轴G4)上，并与第三齿轮(621)和第四齿轮(622)分别啮合；所述第三齿轮(621)、第四齿轮(622)和惰轮(623) 三者能够配合形成传动关系；所述第五齿轮(631)活动套接在近关节轴0 上，并与第四齿轮...
【专利技术属性】
技术研发人员：张文增，彭智轩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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