柔性件传动变位自适应机器人手指装置的制作方法

1.本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种柔性件传动变位自适应机器人手指装置的结构设计。


背景技术：

2.随着科技的发展，机器人的应用范围不断扩大，作业水平不断提高。机器人手是机器人的末端执行器，它可以代替人在未知或危险的环境中进行操作。机器人手分为非仿人的特种机器人手和仿人的多指机器人手。
3.特种机器人手是指没有明显手指的机器人手，例如，利用负压吸盘、伯努利原理、磁铁、磁流变液、软体材料、流体传动、静电吸附、阵列滑杆等各种方式实现抓取功能。工业上大量采用的吸盘抓持器就属于这一类机器人手。德国费斯托(festo)公司研发的柔性形状抓持器，利用盛水的气球来适应物体，利用与气球下方连接的活塞拉动，让气球将物体卷入或吞入抓持器中部，达到抓取物体的目的。
4.多指机器人手一般由一个手掌和多个手指组成。根据驱动器与关节自由度的数量不同，可以将机器人手指分为全驱动式和欠驱动式。几种主要的多指机器人手介绍如下：
5.(1)工业夹持器
6.工业夹持器一般为一种单驱动器的机器人手。传统的机器人的末端执行器是工业夹持器，这种夹持器采用一个驱动源控制两个以上的手指开合来达到物体的抓取目的，手指的中部没有可活动的关节。工业夹持器相对比较成熟，已经大量在工业流水线上应用。这种夹持器是根据特定的工作任务设计的，自由度少，只能对特定的某些物体进行抓取，通用性较差，极大限制了其应用范围。
7.(2)灵巧机器人手
8.灵巧机器人手，简称灵巧手，一般为全驱动、多关节自由度的机器人手。
9.将机器人手设计为人手的构造，包括多个手指，每个手指多个关节，并且将每个关节设置为电机主动驱动，这样一来，机器人手可能具有十多个关节，因此需要对应数量的电机(或者气缸、液压缸等驱动源)进行驱动。
10.若要给手指的每个关节配置一个电机驱动，并进行单独的控制，这会导致控制系统的复杂性上升；大量的控制器件也使得机械手的重量、体积增大，制造成本的大幅增加。在目前的技术水平下，该机器人手将非常复杂、昂贵，实时传感、控制的需求过于巨大，实时控制带来了诸多的学术和应用问题，成为一个重要的机器人手研究领域——灵巧机器人手。
11.灵巧机器人手已经被不断设计出来，包括美国utah/mit灵巧手、salisbury灵巧手、robonaut
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2机器人手、英国shadow灵巧手、日本gifu
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iii机器人手、东京大学高速三指灵巧手、中国哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合开发的hit/drl
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ii手、北京航空航天大学bh系列灵巧手等。
12.这些灵巧手给未来的机器人研究带来了非常多的变化可能，结合机器人的感知技
术、传动技术、控制技术与智能决策等，会有很多需要深入研究的问题，问题的复杂度高，适合深入研究和应用挖潜。但是目前，灵巧手难以商用化，不适合直接采用到工业生产或各种服务机器人中。
13.(3)自适应机器人手
14.越来越多的应用场景要求机器人手具有简单的结构、机构，并且具有较好的应用功能，成本也在一定的范围内，同时外观具有拟人的多指多关节特点，在抓取物体方面能够实现比工业夹持器更加复杂和智能的抓取与操作，这个需求对机器人手的设计以及在有限条件下的灵活性提出了高要求。
15.若对每个手指进行欠驱动改进——用少量电机(或其他类型驱动器)驱动多个关节的转动，可以有效改善抓取性能与实时传感控制的矛盾，也扩大了机器人手的抓取应用范围(更高程度地提升其通用性)。为了达到这个目的，一种在抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的机器人手——自适应机器人手应运而生，被设计出来。
16.自适应机器人手也称为欠驱动机器人手，是一种少驱动器、多关节自由度机器人手。自适应机器人手在外观和抓取功能方面与人手有相似之处，适应非结构化复杂环境中的不同物体抓取，成为机器人研究领域的一个热门方向。由于电机数量少，藏入手掌的电机可以选择更大的功率和体积，出力大，同时纯机械式的反馈系统无需对环境敏感也可以实现稳定抓取，自动适应不同形状尺寸的物体，没有实时电子传感和闭环反馈控制的需求，控制简单方便，降低了制造成本。例如，上海交通大学开发的sjt
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iii机器人手、清华大学设计的一系列欠驱动机器人手。
17.欠驱动手指又分为直接欠驱动手指和间接欠驱动手指两大类。采用直接欠驱动方式挤压物体达到手指包络物体的效果，需要较大的挤压力，容易抓坏物体。采用间接欠驱动方式，依靠物体对滑块的挤压带动后续指段转动，后续指段的抓取力小，抓取稳定性不高。
18.下面分别举例说明几种传统机器人手的不足之处。
19.关于工业夹持器举例如下：
20.已有的一种平面操作机器人夹持器，如中国专利cn111015705a，包括底座、夹紧机构与夹持滑块。该装置利用2个夹紧机构的夹合与协同运动，能够抓取位于平面内不同位置的物体，同时完成物件在平面内的水平位移。其不足之处在于：采用电机直接驱动夹持滑块来夹紧物体，适应性不高；夹紧机构的动力直接来源于电机，挤压力大，容易抓坏物体。
21.关于灵巧手指举例如下：
22.已有的一种模块化多功能软体灵巧手，如中国专利cn112060114a，包括大手掌、小手掌、硅胶可调连接及安装在手掌上的五根可双向弯曲的手指执行器。该装置的手掌由两块硬质材料及中间的软体硅胶连接组成，每根气动手指采用模块化设计，由三个软体关节、两个软体的增强型结构的指节和弯曲传感器组成，弯曲传感器粘接在手指执行器的下层。其不足之处在于：该装置采用软体结构，运动不精确，控制比较困难，实时感知与控制要求高，响应慢。
23.关于直接自适应手指举例如下：
24.已有的一种带轮欠驱动机器人手指装置，如中国专利cn101234489b，包括基座、电机、减速器、两个齿轮、两个关节轴、两个指段和簧件等。该装置能够实现自适应抓取物体的功能，采用欠驱动方式——以一个电机驱动两个关节。其不足之处在于：挤压力大，容易抓
坏物体；无法灵活调节手指中部的关节，动作手势有限。
25.关于间接自适应手指举例如下：
26.已有的一种腱络欠驱动机械手指装置，如中国专利cn101024287b，包括两个指段和欠驱动关节。其中，欠驱动关节包括关节轴、主动滑块、腱绳和簧件。该装置具有抓取不同形状、大小物体的自适应性。其不足之处在于：通过物体对滑块的挤压实现抓取，需要的触发抓取力较大，抓取力量与欠驱动效果之间存在矛盾，较好的欠驱动效果会导致较小的末端指段抓持力，抓取不稳定，此外，被动抓取方式，难以弯曲中部关节，动作手势不足。


技术实现要素：

27.本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种柔性件传动变位自适应机器人手指装置。该装置用于抓取，具有两个关节，可以实现可变初始构型的自适应抓取功能。该装置对于不同形状、尺寸的物体可以自动适应抓取；具有灵活调节远关节角度的预弯曲抓取效果，构型多变；抓取快速稳定；末端指段具有向抓取方向的防碰撞功能。
28.本发明的技术方案如下：
29.本发明设计的柔性件传动变位自适应机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴、远关节轴、第一电机、第一传动机构、第二电机、第二传动机构、第一传动轮、第二传动轮、第一柔性件、第二柔性件和第一簧件；所述近关节轴套设在基座中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，所述远关节轴套设在中部指段中，所述末端指段活动套接在远关节轴上；所述近关节轴的中心线与远关节轴的中心线相互平行；所述第一电机与基座固接，第一电机的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第二电机与中部指段固接，第二电机的输出轴与第二传动机构的输入端相连；第一传动轮套接于近关节轴，第二传动轮套接于远关节轴；所述第一簧件的两端分别连接中部指段、末端指段；其特征在于：该柔性件传动变位自适应机器人手指装置还包括第一主动轮、第二主动轮、中间轴、中间传动轮、滑块、第二簧件和第三簧件；所述第二簧件的两端分别连接基座、中部指段；所述第一传动机构的输出端与第一主动轮相连；所述第一柔性件的一端与第一主动轮固接，第一柔性件的另一端与第二传动轮固接；第一柔性件依次缠绕经过第一主动轮、第一传动轮、中间传动轮、第二传动轮；所述第二传动机构的输出端与第二主动轮相连；所述第二柔性件的一端与第二主动轮固接，第二柔性件的另一端与滑块固接；所述中间传动轮套接在中间轴上，所述中间轴套设在滑块中；所述滑块滑动镶嵌在中部指段中；所述第三簧件的两端分别连接滑块、中部指段；近关节轴的中心线与远关节轴的中心线构成平面q，所述滑块在中部指段中的滑动方向与平面q垂直。
30.本发明所述的柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二传动机构包括第二减速器；所述第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述第二主动轮套固在第二减速器的输出轴上。
31.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。
32.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。
33.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三簧件
采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。
34.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一柔性件采用腱绳、传动带、链条。
35.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二柔性件采用采用腱绳、传动带、链条。
36.本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
37.本发明装置利用两个电机、两套传动机构、两个柔性件、三个簧件等综合实现了双关节手指可变初始构型的自适应抓取功能。对于不同形状、尺寸的物体，该装置可以自动适应抓取；该装置具有灵活调节远关节角度，达到预弯曲抓取效果；自适应抓取具有快速响应的特点，抓取时间短，通过滑块加速末端指段转动，同时双电机抓取物体力量更大，叠加抓取效果好；由于采用了两个柔性件为主要传动件，该装置具有向抓取方向防碰撞功能；该装置的手指构型多变，更灵活。该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。
附图说明
38.图1是本发明提供的柔性件传动变位自适应机器人手指装置的第一种实施例的正面剖视图。
39.图2是图1所示实施例的左侧剖视图。
40.图3是图1所示实施例的外观图。
41.图4是图2的外观图。
42.图5、图6、图7、图8是图1所示实施例在末端指段与中部指段以伸直姿态为初始姿态下抓取大物体的过程示意图，此时全过程为第一电机工作。
43.图9、图10、图11、图12是图1所示实施例在末端指段与中部指段以弯曲某个角度的姿态下抓取小物体的过程示意图，此时小物体碰触到中部指段和末端指段，在此全过程中先第二电机工作再第一电机工作。
44.图13、图14、图15是图1所示实施例间接自适应抓取物体滑块移动与末端指段转动的示意图，此过程电机不工作。
45.图16是本发明提供的柔性件传动变位自适应机器人手指装置的第二种实施例的左侧剖视图。
46.在图1至图16中：
47.1－基座，
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21－中部指段，
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22－末端指段，
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31－近关节轴，
48.32－远关节轴， 41－第一电机，
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411－第一减速器，
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412－第一齿轮，
49.413－第二齿轮，414－过渡轴，
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42－第二电机，
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421－第二减速器，
50.51－第一传动轮， 52－第二传动轮，
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53－中间传动轮，
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531－中间轴，
51.61－第一柔性件，62－第二柔性件，
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71－第一簧件，
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72－第二簧件，
52.73－第三簧件，
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81－第一主动轮，
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82－第二主动轮，
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91－滑块，
53.911－滑块表面板，99－物体。
具体实施方式
54.下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。
55.本发明设计的柔性件传动变位自适应机器人手指装置的一种实施例，如图1至图4所示，包括基座1、中部指段21、末端指段22、近关节轴31、远关节轴32、第一电机41、第一传动机构、第二电机42、第二传动机构、第一传动轮51、第二传动轮52、第一柔性件61、第二柔性件62和第一簧件71；所述近关节轴31套设在基座1中，所述中部指段21活动套接在近关节轴31上，所述远关节轴32套设在中部指段21中，所述末端指段22活动套接在远关节轴32上；所述近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线相互平行；所述第一电机41与基座1固接，第一电机41的输出轴与第一传动机构的输入端相连；所述第二电机42与中部指段21固接，第二电机42的输出轴与第二传动机构的输入端相连；第一传动轮51套接于近关节轴31，第二传动轮52套接于远关节轴32；所述第一簧件71的两端分别连接中部指段21、末端指段22；该柔性件传动变位自适应机器人手指装置还包括第一主动轮81、第二主动轮82、中间轴531、中间传动轮53、滑块91、第二簧件72和第三簧件73；所述第二簧件72的两端分别连接基座1、中部指段21；所述第一传动机构的输出端与第一主动轮81相连；所述第一柔性件61的一端与第一主动轮81固接，第一柔性件61的另一端与第二传动轮52固接；第一柔性件61依次缠绕经过第一主动轮81、第一传动轮51、中间传动轮53、第二传动轮52；所述第二传动机构的输出端与第二主动轮82相连；所述第二柔性件62的一端与第二主动轮82固接，第二柔性件62的另一端与滑块91固接；所述中间传动轮53套接在中间轴531上，所述中间轴531套设在滑块91中；所述滑块91滑动镶嵌在中部指段21中；所述第三簧件73的两端分别连接滑块91、中部指段21；近关节轴31的中心线与远关节轴32的中心线构成平面q，所述滑块91在中部指段21中的滑动方向与平面q垂直。
56.本实施例中，所述第一传动机构包括第一减速器411、第一齿轮412、第二齿轮413和过渡轴414；所述过渡轴414套设在基座1中，所述过渡轴414的中心线与近关节轴31的中心线相互平行；所述第一电机41的输出轴与第一减速器411的输入轴相连，所述第一齿轮412套固在第一减速器的输出轴上，所述第一齿轮412与第二齿轮413啮合，所述第二齿轮413套固在过渡轴上，所述第一主动轮81套固在过渡轴414上。
57.本实施例中，所述第二传动机构包括第二减速器421；所述第二电机42的输出轴与第二减速器421的输入轴相连，所述第二主动轮82套固在第二减速器421的输出轴上。
58.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。本实施例中，所述第一簧件71采用扭簧。
59.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。本实施例中，所述第二簧件72采用扭簧。
60.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第三簧件采用扭簧、拉簧、压簧或片簧。本实施例中，所述第三簧件73采用压簧。
61.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第一柔性件采用腱绳、传动带、链条。本实施例中，所述第一柔性件61采用腱绳。
62.本发明所述柔性件传动变位自适应机器人手指装置，其特征在于：所述第二柔性件采用采用腱绳、传动带、链条。本实施例中，所述第二柔性件62采用采用腱绳。
63.下面介绍本发明的工作原理，如图5至图15所示，叙述如下：
64.本实施例的初始状态如图5所示，此时，手指远关节处于伸直状态。
65.当第一电机41转动，通过第一减速器411，带动第一齿轮412，第二齿轮413和过渡轴414转动，带动第一主动轮81转动，第一主动轮81拉动第一柔性件61，第一柔性件61拉动缠绕着的第一传动轮51。此时，由于中部指段21与末端指段22之间有第一簧件71的约束作用，因此末端指段22相对于中部指段21没有转动(两者仿佛固接一般)，所以中部指段21与末端指段22一起绕着近关节轴31的中心转动一个角度，同时，中间传动轮53和第二传动轮52相对于中部指段21也没有转动。此时，中部指段21相对于基座1发生变动，于是第二簧件72变形量增大。
66.此过程直到滑块91接触到待抓取的物体为止，如图6所示。
67.之后，第一电机41继续转动，仍然可以通过第一柔性件61拉动末端指段22绕远关节轴32转动，此时第一簧件71的变形量增大。直到末端指段22也接触物体为止，完成自适应抓取。此过程可以适应不同形状尺寸的物体，具有自适应性特点。上述过程为仅开动第一电机41的效果。
68.在上述过程中，当滑块91接触到物体，物体会挤压滑块91向中部指段21内滑动，第三簧件73的变形量增大，滑块91会推动中间轴531，使得中间传动轮53向内平移，把第一柔性件61压向中部指段21内，第一柔性件61拉动末端指段22，使末端指段22克服第一簧件71的弹力而转动，第一簧件71的变形量增大，如图7所示，直到末端指段22也碰到物体不能再转动，完成抓取，如图8所示。
69.特别的，当第一电机41停止转动，末端指段22在滑块91的推动下完成间接自适应抓取的过程为：1)初始状态下，手指远关节处于伸直状态，中间传动轮53位于滑槽最外端，第三簧件73处于伸直状态，如图13所示；2)当滑块91受到物体的挤压，开始推动与之固接的中间轴531向中部指段21滑动位移s1，中间轴531与中间传动轮53固接，中间传动轮53向中部指段21内水平滑动位移s1，第一柔性件61被拖拽，并拉动末端指段21弯曲角度α；3)物体继续挤压滑块91向中部指段21移动，直到达到最大限度，此时滑块91水平移动位移s2，第一柔性件61被进一步拖拽，拉动末端指段21弯曲角度β。
70.上述过程加速了末端指段22转动的过程，使得本实施例具有更强的自适应抓取效果，抓取更迅速，更稳定。
71.此外，第二电机还可以随时工作：
72.第二电机42转动，通过第二减速器421带动第二主动轮82，通过第二柔性件62拉动滑块91向内滑动，因此，中间轴531和中间传动轮53向内移动，第三簧件73的变形量增大。此时，中间传动轮53的移动，通过第一柔性件61会带动末端指段22转动，第一簧件71变形量增大。
73.这样就使得第二电机42作用在末端指段22转动上，与第一电机41的作用进行了叠加，也与滑块91带来的末端指段22转动进行了叠加，这三者的叠加使得本实施例的抓取效果非常明显——自适应抓取性能突出，抓取更加迅速且更加稳定。
74.由于第一柔性件61、第二柔性件62是可以弯曲、不能伸长的柔性件，因此约束了末端指段22在抓取物体时提供较大的抓取力，而在末端指段22扣向物体的方向力量较小，仅为第一簧件71、第三簧件73的弹力约束，向抓取方向末端指段22具有柔性——带来一种该方向的防碰撞安全性，末端指段22可以在其他机构作用下继续向前转动(此时第二柔性件
62处于松弛弯曲状态)，因此，此时该手指远关节弯曲的状态作为后续欠驱动抓取动作的初始位置被确定下来。之后第一电机41工作时实现的双关节欠驱动抓取过程仍可以正常进行。前述过程可以自由调节末端指段22转动角度，一旦调节完成第二电机42就停止工作，此后转为第一电机41再开始工作，之后第一电机41工作时手指的后续转动抓取物体过程与前述过程相同，只是手指的初始姿态变为弯曲的状态了。
75.上述各种情况下，本实施例释放物体的过程刚好相反，不再赘述。
76.本发明装置利用两个电机、两套传动机构、两个柔性件、三个簧件等综合实现了双关节手指可变初始构型的自适应抓取功能。对于不同形状、尺寸的物体，该装置可以自动适应抓取；该装置具有灵活调节远关节角度，达到预弯曲抓取效果；自适应抓取具有快速响应的特点，抓取时间短，通过滑块加速末端指段转动，同时双电机抓取物体力量更大，叠加抓取效果好；由于采用了两个柔性件为主要传动件，该装置具有向抓取方向防碰撞功能；该装置的手指构型多变，更灵活。该装置结构紧凑、体积小，制造和维护成本低，适用于机器人手。