本發明屬于機器人手技術領域，特別涉及一種精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置的結構設計。

背景技術：

欠驅動機器人手是指關節自由度數目多于所使用的驅動器數目的一類機器人手，這類機器人手所具有的自適應抓取功能能夠抓取多種不同尺寸、不同形狀的物體，能夠在不使用復雜的傳感和控制模塊的情況下實現準確、穩定的抓取效果。欠驅動機器人手的機械結構簡潔、成本低廉、功能強大，可以適應工業機器人、社會服務機器人或人體義肢等不同領域中，對機器人手的抓取需求。

具有兩個關節自由度的欠驅動機器人手的兩個基本抓取類別是耦合抓取模式和自適應抓取模式。耦合抓取模式即：機器人手的兩個關節按照一定的比例關系進行運動。耦合抓取模式分為正向耦合和反向耦合。正向耦合通常也稱為耦合抓取，耦合抓取的彎曲運動效果具有擬人性，且可以實現對細棒狀物體的鉤取；反向耦合在運動比例為1比1時稱為平夾抓取，可以實現對具有兩個平行表面的物體的平行夾持。自適應抓取是指，機器人手的最終運動姿態受被抓物體的外形和尺寸影響，可以實現對物體的包絡。

通過對基本抓取模式的組合，形成了兩種復合抓取模式：耦合自適應抓取模式和平夾自適應抓取模式。這兩種復合抓取模式在抓取的過程中分為兩個階段，第一階段機器人手分別按照耦合抓取和平夾抓取的模式運動，可以進行對物體的抓取，也可以作為對第二階段的預備運動；第二階段機器人手進行自適應抓取。

已有的一種具有雙自由度欠驅動手指的五連桿夾持裝置(美國專利US8973958B2)，包括五個連桿、彈簧和機械約束等。該裝置實現了平夾自適應抓取模式。在工作時，開始階段保持末端指段的姿態進行近關節彎曲動作，之后根據物體的位置可以實現平行捏持或自適應包絡握持的功能。其不足之處在于，該裝置僅能實現平夾自適應抓取模式，無法實現耦合自適應抓取模式；此外，它采用非常復雜的多連桿機構，運動存在較大的死區，抓取范圍較小，機構體積大，缺乏柔順性，制造成本過高。

已有的一種雙關節并聯欠驅動機器人手指裝置(中國專利CN101633171B)，包括基座、電機、兩個關節軸、兩個指段、耦合傳動機構、欠驅動傳動機構和多個簧件。該裝置實現了耦合自適應抓取模式，當手指碰觸物體前就呈現多關節耦合轉動的效果，非常擬人化，同時也有助于捏持方式抓取物體；當手指碰觸物體后就采用一種多關節欠驅動方式轉動的效果，具有對所抓取物體的大小尺寸自動適應的好處。其不足之處在于，該裝置僅能實現耦合自適應抓取模式，無法實現平夾自適應抓取模式；此外，機構復雜，安裝維修困難；簧件數目過多，利用簧件解耦調和耦合傳動機構與自適應傳動機構之間的矛盾，常常使得多個簧件形變較大，導致過大且不必要的能量損耗。

已有一種柔性件平夾耦合切換自適應機器人手指裝置(中國專利CN105835083A)，能夠實現手動切換平夾自適應抓取模式和耦合自適應抓取模式，采用了半輪、連接件、限位凸塊、兩套柔性件傳動機構和兩個簧件。其不足在于：由于在第一指段繞近關節軸的中心線的正轉過程中，腱繩只有下方一部分處于半輪的圓弧外緣上，而有相當一部分腱繩以最短折線的方式連接半輪上部與第一指段的中部過渡輪，導致在平夾抓取階段，傳動不平穩，且傳動存在較大誤差(即存在控制死區)，在第一指段轉動過程中第二指段有一段時間沒有任何動作，從而不能準確保證第二指段的平動，因此，不是精確的平行夾持；此外，組成零件數量多，結構復雜，體積大，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，提供一種精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置。該裝置可以實現平夾自適應抓取模式，在簡單手動切換后，又可以實現耦合自適應抓取模式；該裝置既能平動第二指段平行夾持物體，也能兩個關節同時正向彎曲去耦合捏持物體，還可以先后轉動第一指段和第二指段自適應包絡不同形狀、大小的物體；抓取范圍大；該裝置通過間接傳動的方式，使機構簡潔，成本低廉；無需復雜的傳感和控制系統。

本發明的技術方案如下：

本發明設計的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置，包括基座、第一指段、第二指段、近關節軸、遠關節軸、電機、傳動機構、從動滑輪、腱繩、連接件和轉軸；所述電機與基座固接；所述近關節軸的中心線與遠關節軸的中心線平行；所述近關節軸活動套設在基座中；所述遠關節軸活動套設在第一指段中；所述第一指段套接在近關節軸上；所述第二指段套接在遠關節軸上；所述傳動機構設置在基座中；所述電機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第一指段相連；所述轉軸套設在連接件上；所述從動滑輪套接在遠關節軸上；其特征在于：該精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置還包括扇形輪、球缺件、滑塊、齒條、齒輪和彈簧；所述連接件與基座固接；所述扇形輪套接在轉軸上；所述扇形輪具有一段圓弧外緣；所述扇形輪的圓弧外緣與近關節軸同心；所述球缺件與連接件固接；所述球缺件的球心與扇形輪的圓弧外緣同心；所述球缺件的半徑與扇形輪的圓弧外緣的半徑相等；所述轉軸的中心線沿著球缺件的半徑方向；定義抓取物體的一側為該精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置的前方，相對的另一側即遠離抓取物體的那一側為該裝置的后方；所述腱繩的一端與扇形輪固接，所述腱繩依次纏繞經過扇形輪的圓弧外緣，經過球缺件的圓弧表面，穿過第一指段，從前方纏繞經過從動滑輪，所述腱繩的另一端與第二指段固接；所述腱繩、扇形輪和從動滑輪三者之間配合形成繩輪傳動關系；所述彈簧的兩端分別連接第二指段和第一指段，彈簧使第二指段靠向拉緊腱繩的方向；所述扇形輪的圓弧外緣的傳動半徑與從動滑輪的傳動半徑相等；所述滑塊滑動鑲嵌在第一指段中，所述齒條與滑塊固接，所述齒條與齒輪嚙合，所述齒輪套接在遠關節軸上，所述齒輪與第二指段固接。

本發明如權利要求1所述的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置，其特征在于：所述彈簧采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。

本發明如權利要求1所述的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置，其特征在于：還包括過渡滑輪和滑輪軸，所述過渡滑輪套接在滑輪軸上，所述滑輪軸套設在第一指段中，所述腱繩纏繞經過過渡滑輪。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果：

本發明裝置利用電機、腱繩、轉軸、連接件、扇形輪、球缺件、齒輪、齒條和彈簧等綜合實現了機器人手指平夾抓取、耦合抓取和自適應抓取多種抓取模式的功能。該裝置利用球缺件的球面實現了平夾與耦合的平穩切換，并且球缺件的設置提高了平夾與耦合階段的傳動精度，利用齒輪齒條機構的間接自適應功能精簡了機構，利用彈簧與腱繩的張緊程度的配合避免了平夾或耦合狀態與自適應狀態的矛盾。該裝置既能平動第二指段捏持物體，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體；在耦合自適應抓取模式中，該裝置可以同時聯動兩個關節轉動，并在第一指段接觸物體被阻擋后自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；抓取范圍大；采用欠驅動的方式，利用單個電機驅動兩個關節，無需復雜的傳感和控制系統；該裝置結構簡單、體積小，制造和維護成本低，適用于機器人手。

附圖說明

圖1是本發明設計的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置的一種實施例的立體外觀圖。

圖2是圖1所示實施例的正面外觀圖。

圖3是圖1所示實施例的一個側面外觀圖(圖2的左視圖)。

圖4是圖1所示實施例的另一個側面外觀圖(圖2的右視圖)。

圖5是圖2的A-A剖視圖(該圖的左側為抓取物體一側)。

圖6是圖2的B-B剖視圖(該圖的右側為抓取物體一側)。

圖7是圖1所示實施例的從一個角度觀察的內部立體視圖(未畫出部分零件)。

圖8是圖1所示實施例的從另一個角度觀察的內部立體視圖(未畫出部分零件)。

圖9是圖5在初始伸直狀態時切換到平夾自適應模式下的扇形輪附近位置關系(扇形輪位于靠近抓取物體的一側，該圖的左側為抓取物體一側)。

圖10是圖5在初始伸直狀態時切換到耦合自適應模式下的扇形輪附近位置關系(扇形輪位于遠離抓取物體的一側，該圖的左側為抓取物體一側)。

圖11是圖1所示實施例在切換為平夾自適應模式下的平夾抓取物體時的內部結構(未畫出部分零件)。

圖12是圖1所示實施例在切換為耦合自適應模式下的耦合抓取物體時的內部結構(未畫出部分零件)。

圖13至圖16是圖1所示實施例在平夾自適應模式下自適應包絡抓取物體的動作過程示意圖。

圖17至圖19是圖1所示實施例在平夾自適應模式下平動第二指段夾持物體的動作過程示意圖。

圖20至圖22是圖1所示實施例在耦合自適應模式下自適應包絡抓取物體的動作過程示意圖。

圖23至圖24是圖1所示實施例在耦合自適應模式下耦合抓取物體的動作過程示意圖。

在圖1至圖24中：

1－基座，111－基座前板，112－基座后板，113－基座左側板，

114－基座右側板，115－基座表面板，116－基座底板，117－基座側罩板，

2－第一指段，21－第一指段骨架，22－第一指段左側板，23－第一指段右側板，

24－滑塊表面板，25－滑塊前板，26－第一指段后板，3－第二指段，

4－近關節軸，5－遠關節軸，6－滑塊，7－齒條，

8－齒輪，811－第一過渡滑輪，812－第二過渡滑輪，813－第三過渡滑輪，

821－第一過渡滑輪軸，822－第二過渡滑輪軸，823－第三過渡滑輪軸，83－軸承，

84－套筒，85－螺釘，86－銷釘，9－扇形輪，

10－從動滑輪，11－腱繩，12－連接件，13－轉軸

14－電機，141－減速器，142－第一錐齒輪，143－第二錐齒輪，

144－過渡齒輪軸，145－第一帶輪，146－第二帶輪，147－傳動帶，

15－彈簧，16－球缺件，17－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。

本發明設計的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換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、電機14、傳動機構、從動滑輪10、腱繩11、連接件12和轉軸13；所述電機14與基座1固接；所述近關節軸4的中心線與遠關節軸5的中心線平行；所述近關節軸4活動套設在基座1中；所述遠關節軸5活動套設在第一指段2中；所述第一指段2套接在近關節軸4上；所述第二指段3套接在遠關節軸5上；所述傳動機構設置在基座1中；所述電機14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第一指段2相連；所述轉軸13套設在連接件12上；所述從動滑輪10套接在遠關節軸5上；該精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置還包括扇形輪9、球缺件16、滑塊6、齒條7、齒輪8和彈簧15；所述連接件12與基座1固接；所述扇形輪9套接在轉軸13上；所述扇形輪9具有一段圓弧外緣；所述扇形輪9的圓弧外緣與近關節軸4同心；所述球缺件16與連接件12固接；所述球缺件16的球心與扇形輪9的圓弧外緣同心；所述球缺件16的半徑與扇形輪9的圓弧外緣的半徑相等；所述轉軸13的中心線沿著球缺件16的半徑方向；定義抓取物體17的一側為該精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置的前方，相對的另一側即遠離抓取物體17的那一側為該裝置的后方；所述腱繩11的一端與扇形輪9固接，所述腱繩11依次纏繞經過扇形輪9的圓弧外緣，穿過第一指段2，從前方纏繞經過從動滑輪10，所述腱繩11的另一端與第二指段3固接；所述腱繩11、扇形輪9和從動滑輪10三者之間配合形成繩輪傳動關系；所述彈簧15的兩端分別連接第二指段3和第一指段2，彈簧15使第二指段3靠向拉緊腱繩11的方向；所述扇形輪9的圓弧外緣的傳動半徑與從動滑輪10的傳動半徑相等；所述滑塊6滑動鑲嵌在第一指段2中，所述齒條7與滑塊6固接，所述齒條7與齒輪8嚙合，所述齒輪8套接在遠關節軸5上，所述齒輪8與第二指段3固接。

本發明所述的精確平夾自適應與耦合自適應模式切換機器人手指裝置，其特征在于：所述彈簧采用拉簧、壓簧、片簧或扭簧。本實施例中，所述彈簧15采用拉簧。

本實施例包括3個過渡滑輪81和3個對應的過渡滑輪軸82；每個所述過渡滑輪81套接在對應的過渡滑輪軸82上；所述第一過渡滑輪軸821、第二過渡滑輪軸822和第三過渡滑輪軸823分別套設在第一指段2中；所述腱繩11分別纏繞經過第一過渡滑輪811、第二過渡滑輪812和第三過渡滑輪813。第一過渡滑輪811、第二過渡滑輪812和第三過渡滑輪813的設置有利于加大腱繩11在扇形輪9、從動滑輪10上的纏繞經過的弧長，還可以減少傳動摩擦，獲得更好的傳動效果。

本實施例中，所述基座1包括固接在一起的基座前板111、基座后板112、基座左側板113、基座右側板114、基座表面板115、基座底板116和基座側罩板117。本實施例中，所述第一指段2包括固接在一起的第一指段骨架21、第一指段左側板22、第一指段右側板23和第一指段后板26。

本實施例中，所述滑塊上固接有滑塊表面板24、滑塊前板25。

本實施例中，所述傳動機構包括減速器141、第一錐齒輪142、第二錐齒輪143、過渡齒輪軸144、第一帶輪145、第二帶輪146和傳動帶147；所述電機14的輸出軸與減速器141的輸入軸相連，所述第一錐齒輪142套固在減速器141的輸出軸上，所述第二錐齒輪143套固在過渡齒輪軸144上，所述第一錐齒輪142與第二錐齒輪143嚙合；所述過渡齒輪軸144套設在基座1中，所述第一帶輪145套固在過渡齒輪軸144上，所述第二帶輪146活動套接在近關節軸4上，所述第二帶輪146與第一指段骨架21固接，所述傳動帶147連接第一帶輪145和第二帶輪146，所述傳動帶147、第一帶輪145和第二帶輪146形成帶輪傳動關系，所述傳動帶呈“O”字形。

本實施例還采用了若干軸承83、若干套筒84、若干螺釘85和若干銷釘86等零件，屬于公知常用技術，不贅述。

本實施例的工作原理，結合附圖，敘述如下：

該裝置具有兩種抓取模式：一種是耦合自適應抓取模式，另一種是平夾自適應抓取模式，兩種模式的切換可以由扇形輪繞轉軸的轉動來實現。

平夾自適應抓取模式和耦合自適應抓取模式的手動切換方法為：

將扇形輪繞轉軸旋轉180度。

1)平夾抓取模式的實現

將扇形輪撥動到靠向前方的一側，如圖5、圖9、圖11所示，這時腱繩11從前方纏繞經過扇形輪9和球缺件16，腱繩11、扇形輪9與從動滑輪10構成了同向等速傳動。

初始位置為手指伸直狀態。

當電機14開始正轉，通過第一錐齒輪142和第二錐齒輪143的傳動，帶動第一帶輪145轉動，第一帶輪145與第二帶輪146通過傳動帶147相連，第二帶輪146轉動，帶動第一指段2繞近關節軸4正轉；

由于扇形輪9與從動滑輪10的傳動半徑相等(即傳動比為1)，在腱繩11的作用下，無論第一指段2處于何位置，從動滑輪10始終與扇形輪9保持同一角度，而扇形輪9始終與基座1不發生轉動，因此，從動滑輪10相對基座1的只進行平動而不會旋轉，由于從動滑輪10與第二指段3固接，所以第二指段3相對基座1只進行平動而不會旋轉；此時，彈簧15收縮(彈簧減小了拉伸變形量)，腱繩11仍處于張緊狀態。

第二指段3相對于第一指段2的運動為反轉，由于齒輪8與第二指段3固定，且齒條7與齒輪8嚙合，因此，第二指段3相對于第一指段2的反轉會使齒輪8反轉，使得齒條7正向滑動；相對于第一指段2，齒條7會向手指外平動，增大了向外凸出的距離；

實現了雙關節平行夾持動作，這一階段稱為平行夾持(簡稱平夾)階段。

平行夾持階段適合以第二指段3去平動夾持物體17，此時末端在運動中始終保持一個姿態，適合抓取存在相對表面的物體，如圖11所示；這一階段也適合外張抓取，外張的方式是指用第二指段3去從內向外打開的方式去外張撐取物體，例如，對空心圓柱筒的拿取，從該空心圓柱筒的內側向外張開撐住筒壁，從而拿取物體。

整個平夾動作過程如圖17至圖19所示。

該裝置利用球缺件16的球面實現了平夾與耦合的平穩切換，并且球缺件的設置提高了平夾與耦合階段的傳動精度。由于在第一指段2繞近關節軸4的中心線的正轉過程中，腱繩11的下方均纏繞在扇形輪9和球缺件16上，所以在平夾抓取階段，傳動平穩，且傳動不存在誤差，因此，是精確的平行夾持。

2)平夾自適應抓取模式的實現

在上述的平行夾持階段中，如果滑塊表面板24接觸物體17而被物體17擠壓，那么，滑塊6向手指內部滑動時，將進入第二階段——自適應包絡抓取階段。這時電機14通過傳動機構的傳動，帶動第一指段2繼續向物體17轉動，物體17擠壓滑塊表面板24，滑塊6向第一指段2內滑動，齒條7向第一指段內滑動，齒輪8正轉，第二指段3繞遠關節軸5的中心線正轉，直到第二指段3接觸物體17為止，完成自適應包絡抓取物體的效果。在此過程中彈簧15伸長(彈簧增大了拉伸變形量)，腱繩11松弛。該裝置能夠抓取不同形狀、尺寸的物體，具有自適應抓取特性。

從而達到了平夾自適應抓取功能，抓取物體的整個動作過程如圖13至圖16所示。

3)耦合抓取模式的實現

將扇形輪9撥動到遠離抓取物體17的后方一側，如圖10、圖12所示，這時腱繩11從后方纏繞經過扇形輪9和球缺件16，腱繩11、扇形輪9與從動滑輪10構成了反向等速傳動。

當電機14開始正轉，通過第一錐齒輪142和第二錐齒輪143的傳動，帶動第一帶輪145轉動，第一帶輪145與第二帶輪146通過傳動帶147相連，第二帶輪146轉動，帶動第一指段2繞近關節軸4正轉；

在腱繩11的作用下，第二指段3相對于第一指段2的運動也為正轉，而且從動滑輪10相對于第一指段2轉動的正轉角度與第一指段2相對于基座1轉動的正轉角度相等，達到兩個關節耦合轉動效果，此時，彈簧15伸長(彈簧增大了拉伸變形量)，腱繩11仍處于張緊狀態。

第二指段3相對于第一指段2的運動為正轉，由于齒輪8與第二指段3固定，且齒條7與齒輪8嚙合，因此，第二指段3相對于第一指段2的正轉會使齒輪8正轉，使得齒條7反向滑動；相對于第一指段2，齒條7向手指內平動，減小了凸出在外的距離；

實現了雙關節耦合轉動動作，這一階段稱為耦合抓取階段。

耦合抓取階段適合以第二指段3的末端去捏持小尺寸物體17，或者鉤取物體(例如行李箱的手柄)，如圖12所示。整個耦合動作過程如圖23至圖24所示。

4)耦合自適應抓取模式的實現

在此階段中，如果滑塊表面板24接觸物體17而被物體17擠壓，那么，滑塊6向手指內部滑動時，將進入第二階段——自適應包絡抓取階段。這時電機14通過傳動機構的傳動，帶動第一指段2繼續向物體17轉動，物體17擠壓滑塊表面板24，滑塊6向第一指段內滑動，齒條7向第一指段內滑動，齒輪8正轉，第二指段3繞遠關節軸5的中心線正轉，直到第二指段3接觸物體17為止，完成自適應包絡抓取物體的效果。在此過程中彈簧15伸長(彈簧增大了拉伸變形量)，腱繩松弛。該裝置能夠抓取不同形狀、尺寸的物體，具有自適應抓取特性。

從而達到了耦合自適應抓取功能，抓取物體的整個動作過程如圖20至圖22所示。

本發明裝置利用電機、腱繩、轉軸、連接件、扇形輪、球缺件、齒輪、齒條和彈簧等綜合實現了機器人手指平夾抓取、耦合抓取和自適應抓取多種抓取模式的功能。該裝置利用球缺件的球面實現了平夾與耦合的平穩切換，并且球缺件的設置提高了平夾與耦合階段的傳動精度，利用齒輪齒條機構的間接自適應功能精簡了機構，利用彈簧與腱繩的張緊程度的配合避免了平夾或耦合狀態與自適應狀態的矛盾。該裝置既能平動第二指段捏持物體，也能依次轉動第一指段和第二指段包絡不同形狀、大小的物體；在耦合自適應抓取模式中，該裝置可以同時聯動兩個關節轉動，并在第一指段接觸物體被阻擋后自然轉入彎曲第二指段的自適應抓取階段；抓取范圍大；采用欠驅動的方式，利用單個電機驅動兩個關節，無需復雜的傳感和控制系統；該裝置結構簡單、體積小，制造和維護成本低，適用于機器人手。