專利名稱：帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于擬人機器人技術領域，特別涉及一種帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置的 結構設計。
技術背景與人類似，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。為了增加手部的擬人化，手部要設 計較多的關節自由度，然而，為了減輕擬人機器人手部的控制難度，以及減小手部的體積、 重量，需要減少驅動器數目，這兩者有一定的矛盾，另外，為了更好地抓取物體，還需要手 指在抓取物體時具有一定的自適應性。本發明提供的機器人擬人手指欠驅動裝置能夠更好的 實現較多關節自由度、較少驅動器數目、抓取不同形狀、尺寸的物體時的較強的自適應性這 三個目標。已有的一種自適應欠驅動機械手裝置，如美國發明專利US5762390A，包括第一指段、第 二指段、第三指段、電機、帶輪傳動機構、絲桿傳動機構、底座、連桿機構、彈簧。第一指 節、第二指節、第三指節與底座串聯鉸接在一起，并且兩兩之間設有彈簧和連桿相連，形成 多個四連桿機構，電機、帶輪傳動機構、絲桿傳動機構相串聯設置在底座里。該裝置由自身 攜帶的電機驅動，由帶輪傳動機構、絲桿傳動機構將電機的轉動轉化為連桿機構的運動。由 于彈簧的作用，第一、第二、第三指節初始保持伸直狀態。其工作原理為電機轉動，通過 帶輪傳動機構和絲桿傳動機構的運動，推動第一個四連桿機構運動，從而推動第一、第二、 第三指節同時轉動。當第一指節接觸到物體時，第一指節不再轉動，電機繼續轉動，設置在 第一、二指節之間的彈簧開始變形，同時，第一個四連桿機構變形運動，從而推動第二、三 指節繼續轉動。當第二指節也接觸到物體，第二指節不再轉動，電機繼續轉動，設置在第二、 三指節之間的彈簧開始變形，同時推動第二個四連桿機構變形運動，從而推動第三指節繼續 轉動，直到第三指節也接觸物體為止。該裝置的不足之處為多個連桿機構裝置復雜、體積大、制造成本高，手指外觀與人手指有較大差異。 發明內容本發明的目的是針對巳有技術的不足之處，提供一種帶輪欠驅動機器人手指裝置，結構 簡單、可靠，成本低，外形與人的手指相似，可以作為擬人機器人手的手指使用，以實現機 器人手采用較少驅動器驅動較多手指轉動關節，需要較低的控制系統要求，并具有抓取不同 形狀、尺寸的物體的自適應性。本發明采用如下技術方案一種帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關節軸、n個中部指段、n—l個中關節軸、遠關節軸、末端指段；所說的電機和減 速器與基座固接，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與所說的第一齒輪 固接，第一齒輪與所說的第二齒輪嚙合，第二齒輪與所說的近關節軸固接，近關節軸套設在 基座中，所說的第i個中關節軸套設在第i個中部指段中，所說的遠關節軸套設在第n個中部 指段中，所說的末端指段套固在遠關節軸上；其特征在于該裝置包括n個主動輪、n個傳 動件、n個從動輪、n個簧件；第1個中部指段套接在近關節軸上，第i+l個中部指段套接 在第i個中關節軸上；所說的第1個主動輪套固在近關節軸上，所說的第i+l個主動輪套固 在第i個中關節軸上；第i個從動輪套固在第i個中關節軸上，第n個從動輪套固在遠關節軸 上；第i個傳動件連接第i個主動輪和第i個從動輪，第n個傳動件連接第n個主動輪和第n 個從動輪；第i個簧件的兩端分別連接第i個中部指段和第i+l個中部指段；第n個簧件的 兩端分別連接第n個中部指段和末端指段；其中，n至少為2， i為l至n—l中的任意數。本發明所述的帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于所說的傳動件采用平 帶、齒形帶、腱繩或鏈條，所說的主動輪采用帶輪、齒輪、繩輪或鏈輪，所說的從動輪采用 帶輪、齒輪、繩輪或鏈輪，所說的傳動件、主動輪和從動輪三者之間能夠配合形成傳動關系。本發明帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于所說的簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、板簧、發條、皮筋或彈性繩。本發明帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于第j個簧件的彈力限制作用 強于第j一l個簧件的彈力限制作用，j為2至中部指段個數中的任意數。 本發明具有以下優點及突出性效果-本發明裝置利用多對帶輪機構、套接活動的多個中部指段及多個簧件所具有的解耦作用 綜合實現了多關節高欠驅動手指彎曲抓取物體的特殊效果，并且結構簡單、可靠、成本低， 便于安裝維護，與人的手指相似，體積小、重量輕，可以作為擬人機器人手的手指，以實現 機器人手以較少驅動器驅動較多的轉動關節，僅需要較低的控制系統要求，并具有抓取不同 形狀、大小物體的很強的自適應性。


圖1是本發明提供的帶輪欠驅動機器人手指裝置的一種實施例的正面外觀圖。 圖2是圖1的左側視圖。 圖3是圖1的剖視圖。 圖4是圖2的剖視圖。圖5是圖2的剖視圖，主要顯示中關節軸、第二主動輪、第二傳動件、第二從動輪、遠 關節軸的位置和連接關系。圖6是本實施例第一簧件與第一中部指段、第二中部指段、中關節軸的位置關系示意圖。 圖7是本實施例的第二簧件與第二中部指段、末端指段、遠關節軸的位置關系示意圖。 圖8、圖10、圖12、圖14、圖16、圖17、圖18是本實施例抓握物體過程的示意圖。 圖9、圖11、圖13、圖15是本實施例抓握物體過程示意圖，也是圖8、圖10、圖12、圖14的剖視圖。在圖1至圖14中 1—基座，2 —電機，3 —近關節軸，6 —第二中部指段，4一第一中部指段 7—遠關節軸， IO—第一傳動件， 13 —第二主動輪， 16 —第二簧件， 19一第二齒輪， 22 —第二銷釘，5 —中關節軸，8—末端指段，ll一第一從動輪14一第二傳動件17—減速器，20—物體，9一第一主動輪，12—第一簧件，15—第二從動輪，18—第一齒輪，21—第一銷釘，24—第四銷釘，23 —第三銷釘，25—第五銷釘。
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。 一種帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二 齒輪、近關節軸、n個中部指段、ii一l個中關節軸、遠關節軸、末端指段；所說的電機和減 速器與基座固接，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與所說的第一齒輪 固接，第一齒輪與所說的第二齒輪嚙合，第二齒輪與所說的近關節軸固接，近關節軸套設在 基座中，所說的第i個中關節軸套設在第i個中部指段中，所說的遠關節軸套設在第n個中部 指段中，所說的末端指段套固在遠關節軸上；其特征在于該裝置包括n個主動輪、n個傳 動件、n個從動輪、n個簧件；第1個中部指段套接在近關節軸上，第i + l個中部指段套接 在第i個中關節軸上；所說的第l個主動輪套固在近關節軸上，所說的第i+l個主動輪套固 在第i個中關節軸上；第i個從動輪套固在第i個中關節軸上，第n個從動輪套固在遠關節軸 上；第i個傳動件連接第i個主動輪和第i個從動輪，第n個傳動件連接第n個主動輪和第n 個從動輪；第i個簧件的兩端分別連接第i個中部指段和第i+l個中部指段；第n個簧件的 兩端分別連接第n個中部指段和末端指段；其中，n至少為2， i為l至n—l中的任意數。 以n為2舉例說明。本發明設計的一種帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置的實施例，如圖l、圖2、圖3、 圖4、圖5、圖6、圖7所示，包括基座l、電機2、減速器17、第一齒輪18、第二齒輪19、 近關節軸3、 2個中部指段即第一中部指段4和第二中部指段6、 l個中關節軸即中關節 軸5、遠關節軸7、末端指段8;所說的電機2和減速器17與基座1固接，電機2的輸出軸 與減速器17的輸入軸相連，減速器17的輸出軸與所說的第一齒輪18固接，第一齒輪18與 所說的第二齒輪19嚙合，第二齒輪19與所說的近關節軸3固接，近關節軸3套設在基座1 中，所說的中關節軸5套設在第一中部指段4中，所說的遠關節軸7套設在第二中部指段6 中，所說的末端指段8通過第五銷釘25套固在遠關節軸7上；該裝置包括2個主動輪即第 一主動輪9和第二主動輪13、 2個傳動件即第一傳動件10和第二傳動件14、 2個從動輪即第一從動輪11和第二從動輪15、 2個簧件即第一簧件12和第二簧件16;第一中部指段 4套接在近關節軸3上，第二中部指段6套接在第一中關節軸5上；所說的第一主動輪9通 過第一銷釘21套固在近關節軸3上，所說的第二個主動輪13通過第三銷釘23套固在中關節 軸5上；第一從動輪11通過第二銷釘22套固在第一中關節軸5上，第二從動輪通過第四銷 釘24套固在遠關節軸7上；第一傳動件10連接第一主動輪9和第一從動輪11，第二傳動件 14連接第二主動輪13和第二從動輪15;第一簧件12的兩端分別連接第一中部指段4和第二 中部指段6，第一簧件12的一端插入第一中部指段4中，另一端插入第二中部指段6中，如 圖6所示；第二簧件16的兩端分別連接第二中部指段6和末端指段8，第二簧件16的一端 插入第二中部指段6中，另一端插入末端指段8中，如圖7所示。本發明所述的帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置中，所說的傳動件采用平帶、齒形帶、 腱繩或鏈條，所說的主動輪采用帶輪、齒輪、繩輪或鏈輪，所說的從動輪采用帶輪、齒輪、 繩輪或鏈輪，所說的傳動件、主動輪和從動輪三者之間能夠配合形成傳動關系。在本實施例中，所說的傳動件采用平帶，所說的主動輪采用帶輪，所說的從動輪采用帶輪。本發明帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，所說的簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、片簧、 板簧、發條、皮筋或彈性繩。本實施例中，所說的簧件即第一簧件12和第二簧件16采用扭簧。 本發明帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，第j個簧件的彈力限制作用強于第j一l個 簧件的彈力限制作用，j為2至中部指段個數中的任意數。所說的第二簧件的彈力限制作用強于第一簧件的彈力限制作用。本實施例的工作原理，如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16、 圖17、圖18,敘述如下本實施例的初始狀態如圖8、圖9所示，類似人的手指伸直狀態。當本實施例抓取物體時，電機2轉動，帶動減速器17轉動，通過第一齒輪18帶動與之 嚙合的第二齒輪19轉動，與第二齒輪固接的近關節軸3轉動，帶動與其固接的第一主動輪9 轉動。由于第一簧件12、第二簧件16的共同限制作用，第一中部指段4、第二中部指段6和 末端指段8仿佛一個"剛體"，因此第一主動輪9的轉動將通過第一傳動件10拉動第一中部 指段4、第二中部指段6和末端指段8作為一個整體繞近關節軸3的軸線轉動。此時會遇到 三種情況(a) 末端指段8碰到物體，如圖18所示，抓取結束。(b) 第二中部指段6碰到物體，如閣16所示，此時第一主動輪9繼續轉動，依次通過第一 傳動件IO、第一從動輪ll、中關節軸5、第二主動輪13、第二傳動件14、第二從動輪15、 遠關節軸7，將拉動末端指段8克服第二簧件16的變形彈力繞遠關節軸7的軸線轉動，此時 第二簧件16發生變形，直到末端指段8接觸到物體，如圖17所示，抓取結束。(c) 第一中部指段4碰到物體，如圖IO、圖11所示，由于第二簧件16的彈力限制作用強于第一簧件12的彈力限制作用，此時第一主動輪9繼續轉動，依次通過第一傳動件10、第 一從動輪ll、中關節軸5、第二主動輪13、第二傳動件14，拉動第二中部指段6、末端指段 8作為一個整體克服第一簧件12的變形彈力繞中關節軸5的軸線轉動。若末端指段8碰到物 體，則抓取結束；否則若第二中部指段6碰到物體，如圖12、圖13所示，此時第一主動輪9 繼續轉動，依次通過第一傳動件IO、第一從動輪ll、中關節軸5、第二主動輪13、第二傳動 件14、第二從動輪15、遠關節軸7，將拉動末端指段8克服第二簧件16的變形彈力繞遠關 節軸7的軸線轉動，此時第二簧件16發生變形，直到末端指段8接觸到物體，如圖14、圖 15所示，抓取結束。當放開物體時，電機2反轉，帶動減速器17反轉，第一齒輪18反轉，帶動第二齒輪19、 近關節軸3和第一主動輪9反轉。通過第一傳動件10拉動第一從動輪11、中關節軸5、第二 主動輪13反轉，通過第二傳動件14拉動第二從動輪15、遠關節軸7、末端指段8反轉，同 時第二簧件16的變形隨之逐漸減小，此時末端指段8已經反轉到其相對于第二中部指段6的 初始伸直位置，如圖12、 B所示。由于在第二中部指段6的后背上方有凸臺，此凸臺將限制 末端指段8反轉時超過手指伸直的位置，起到一個限位作用，因此末端指段8受到第二中部 指段6的阻擋不能再反向轉動。此時第二傳動件14將拉動已經伸直的第二中部指段6和末端 指段8作為一個整體一起繞中關節軸5的軸線反轉，同時第一簧件12的變形隨之逐漸減小， 此時第二中部指段6已經反向轉動到其相對于第一中部指段4的初始伸直位置，如圖IO、圖 ll所示。由于在第一中部指段4的后背上方有凸臺，此凸臺將限制第二中部指段6反轉時超 過手指伸直的位置，起到一個限位作用，因此第二中部指段6受到第一中部指段4的阻擋不 能再反向轉動。此時第一傳動件10將拉動已經伸直的第一中部指段4、第二中部指段6、末 端指段8作為一個整體一起繞近關節軸3的軸線反向轉動，直到裝置完全恢復到最開始的伸 直位置，如圖8、圖9所示。本發明利用多對帶輪機構、套接活動的多個中部指段及多個簧件所具有的解耦作用綜合 實現了多關節高欠驅動手指彎曲抓取物體的特殊效果。
權利要求
1、一種帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關節軸、n個中部指段、n-1個中關節軸、遠關節軸、末端指段；所說的電機和減速器與基座固接，電機的輸出軸與減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與所說的第一齒輪固接，第一齒輪與所說的第二齒輪嚙合，第二齒輪與所說的近關節軸固接，近關節軸套設在基座中，所說的第i個中關節軸套設在第i個中部指段中，所說的遠關節軸套設在第n個中部指段中，所說的末端指段套固在遠關節軸上；其特征在于該裝置還包括n個主動輪、n個傳動件、n個從動輪、n個簧件；第1個中部指段套接在近關節軸上，第i+1個中部指段套接在第i個中關節軸上；所說的第1個主動輪套固在近關節軸上，所說的第i+1個主動輪套固在第i個中關節軸上；第i個從動輪套固在第i個中關節軸上，第n個從動輪套固在遠關節軸上；第i個傳動件連接第i個主動輪和第i個從動輪，第n個傳動件連接第n個主動輪和第n個從動輪；第i個簧件的兩端分別連接第i個中部指段和第i+1個中部指段；第n個簧件的兩端分別連接第n個中部指段和末端指段；其中，n至少為2，i為1至n-1中的任意數。
2、 如權利要求l所述的帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于所說的傳動 件采用平帶、齒形帶、腱繩或鏈條，所說的主動輪采用帶輪、齒輪、繩輪或鏈輪，所說的從 動輪采用帶輪、齒輪、繩輪或鏈輪，所說的傳動件、主動輪和從動輪三者之間能夠配合形成 傳動關系。
3、 如權利要求l所述的帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于所說的簧件采用扭簧、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所述的帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，其特征在于第j個簧件的彈力限制作用強于第j —1個簧件的彈力限制作用，j為2至中部指段個數中的任意數。
全文摘要
帶輪多關節高欠驅動機器人手指裝置，屬于擬人機器人技術領域，主要包括基座、電機、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關節軸、至少2個中部指段、至少1個中關節軸、遠關節軸、末端指段。該裝置還包括至少2個主動輪、至少2個傳動件、至少2個從動輪、至少2個簧件，簧件的兩端分別連接相鄰指段。該裝置利用多對帶輪機構、套接活動的多個中部指段及多個簧件所具有的解耦作用綜合實現了多關節高欠驅動手指彎曲抓取物體的特殊效果，結構簡單、可靠、成本低，與人手的手指相似，可作為機器人手指使用，以實現機器人手采用較少驅動器驅動較多關節自由度，并具有對所抓物體形狀自適應性。
文檔編號B25J15/00GK101214649SQ20081005561
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