專利名稱：交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。
技術(shù)背景與人類似，擬人機(jī)器人的多數(shù)功能要通過(guò)手部操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而手部結(jié)構(gòu)是擬人機(jī)器人 的重要組成部分，其設(shè)計(jì)是擬人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了增加手部的擬人化，手部要設(shè) 計(jì)較多的關(guān)節(jié)自由度，然而，為了減輕擬人機(jī)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(qū)動(dòng)器數(shù)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(shí)具有一定的自適應(yīng)性。本發(fā)明提供的機(jī)器人擬人手指欠驅(qū)動(dòng)裝置能夠更好的 實(shí)現(xiàn)較多關(guān)節(jié)自由度、較少驅(qū)動(dòng)器數(shù)目、抓取不同形狀、尺寸的物體時(shí)的較強(qiáng)的自適應(yīng)性這 三個(gè)目標(biāo)。已有的一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手裝置，如美國(guó)發(fā)明專利US5762390A，包括第一指段、第 二指段、第三指段、電機(jī)、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座、連桿機(jī)構(gòu)、彈簧。第一指 節(jié)、第二指節(jié)、第三指節(jié)與底座串聯(lián)鉸接在一起，并且兩兩之間設(shè)有彈簧和連桿相連，形成 多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相串聯(lián)設(shè)置在底座里。該裝置由自身 攜帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。由 于彈簧的作用，第一、第二、第三指節(jié)初始保持伸直狀態(tài)。其工作原理為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò) 帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第一、第二、 第三指節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝恢腹?jié)接觸到物體時(shí)，第一指節(jié)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置在 第一、二指節(jié)之間的彈簧開始變形，同時(shí)，第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)變形運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第二、三 指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)诙腹?jié)也接觸到物體，第二指節(jié)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置在第二、 三指節(jié)之間的彈簧開始變形，同時(shí)推動(dòng)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)變形運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)第三指節(jié)繼續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第三指節(jié)也接觸物體為止。該裝置的不足之處為多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)裝置復(fù)雜、體積大、制造成本高，手指外觀與人手 指有較大差異。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，成本低，外形與人的手指相似，可以作為擬人機(jī)器人手的手指使用，以實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人手采用較少驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多手指轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，需要較低的控制系統(tǒng)要求，并具有抓取 不同形狀、尺寸的物體的自適應(yīng)性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，包括基座、電機(jī)、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸和末端指段；所說(shuō)的電機(jī)和減速器均與基座固接， 電機(jī)的輸出軸與減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與第一齒輪固接，第一齒輪與第二齒 輪相嚙合，第二齒輪固接于近關(guān)節(jié)軸，所說(shuō)的近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中，所說(shuō)的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè) 在中部指段中，所說(shuō)的末端指段套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，其特征在于該交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 手指裝置還包括主動(dòng)齒輪、過(guò)渡齒輪、主動(dòng)繩輪、過(guò)渡軸、第一腱繩、第二腱繩、從動(dòng)繩輪 和簧件；所說(shuō)的中部指段套接在近關(guān)節(jié)軸上；所說(shuō)的主動(dòng)齒輪套固在近關(guān)節(jié)軸上，所說(shuō)的過(guò) 渡軸套設(shè)在中部指段中，所說(shuō)的過(guò)渡齒輪套固在過(guò)渡軸上并與主動(dòng)齒輪嚙合，所說(shuō)的主動(dòng)繩 輪套固在過(guò)渡軸上，所說(shuō)的從動(dòng)繩輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，所說(shuō)的第一腱繩纏繞在主動(dòng)繩輪和 從動(dòng)繩輪上并成"Z"字形，第一腱繩的兩端分別與主動(dòng)繩輪、從動(dòng)繩輪固接，所說(shuō)的第二腱 繩纏繞在主動(dòng)繩輪和從動(dòng)繩輪上并成"S"字形，第二腱繩的兩端分別與主動(dòng)繩輪、從動(dòng)繩輪 固接，第一腱繩和第二腱繩交叉成"8"字形，所說(shuō)的簧件的兩端分別連接中部指段和末端 指段。本發(fā)明所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一腱繩兩端分別 固接有第一端塊、第二端塊，所說(shuō)的第二腱繩兩端分別固接有第三端塊、第四端塊；所說(shuō)的 第一端塊鑲嵌固定在主動(dòng)繩輪的槽內(nèi)，所說(shuō)的第二端塊鑲嵌固定在從動(dòng)繩輪的槽內(nèi)；所說(shuō)的 第三端塊鑲嵌固定在主動(dòng)繩輪的槽內(nèi)，所說(shuō)的第四端塊鑲嵌固定在從動(dòng)繩輪的槽內(nèi)。本發(fā)明所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的簧件采用扭簧、拉 簧、壓簧、片簧、橡皮筋或彈性繩。本發(fā)明所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一腱繩采用鋼絲， 所說(shuō)的第二腱繩采用鋼絲。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果本發(fā)明裝置利用齒輪和腱繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、套接活動(dòng)的中部指段及簧件所具有的解耦作用綜 合實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指彎曲抓取物體的特殊效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低，便于安裝 維護(hù)，與人的手指相似，體積小、重量輕，特別適合作為擬人機(jī)器人手的拇指或其他手指的 一部分，以較少驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，僅需要較低的控制系統(tǒng)要求，并具有抓取不同 形狀、大小物體的很強(qiáng)的自適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明提供的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例的正面外觀圖。 圖2是本實(shí)施例的側(cè)視圖，也是圖1的左側(cè)視圖。 圖3是本實(shí)施例的正面剖視圖，也是圖1的剖視圖。 圖4是本實(shí)施例的側(cè)面剖視圖，也是圖2的剖視圖。圖5是本實(shí)施例的簧件的安裝位置示意圖，也是圖1的右側(cè)視圖的局部圖。 圖6、圖7、圖8、圖12是本實(shí)施例抓握物體過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵位置側(cè)面外觀示意圖。 圖9、圖10、圖11是本實(shí)施例抓握物體過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵位置側(cè)面剖視圖，分別對(duì)應(yīng)圖6、 圖7、圖8的剖視圖。2—電機(jī)，5 —遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸，81—第一腱繩，ll一第一齒輪， 31 —第一銷釘，42 —第二端塊，52 —主動(dòng)繩輪，3 —近關(guān)節(jié)軸， 6 —末端指段， 82 —第二腱繩，12 —第二齒輪， 32 —第二銷釘，43 —第三端塊，53 —過(guò)渡軸。在圖1至圖12中 l一基座， 4一中部指段， 7 —主動(dòng)齒輪， 9一從動(dòng)繩輪， IO —簧件， 21—減速器， 33 —第三銷釘， 41一第一端塊， 44一第四端塊，51—過(guò)渡齒輪，具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置的實(shí)施例，如圖l、圖2、圖3、圖4、 圖5所示，包括基座l、電機(jī)2、減速器21、第一齒輪ll、第二齒輪12、近關(guān)節(jié)軸3、中部 指段4、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5和末端指段6;所說(shuō)的電機(jī)2和減速器21均與基座1固接，電機(jī)2的輸 出軸與減速器21的輸入軸相連，減速器21的輸出軸與第一齒輪11固接，第一齒輪11與第 二齒輪12相嚙合，第二齒輪12固接于近關(guān)節(jié)軸3，所說(shuō)的近關(guān)節(jié)軸3套設(shè)在基座1中；所 說(shuō)的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5套設(shè)在中部指段4中，所說(shuō)的末端指段6套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上。該交叉腱繩 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置還包括主動(dòng)齒輪7、過(guò)渡齒輪51、主動(dòng)繩輪52、過(guò)渡軸53、第一腱繩 81、第二腱繩82、從動(dòng)繩輪9和簧件10;所說(shuō)的中部指段4套接在近關(guān)節(jié)軸3上；所說(shuō)的主 動(dòng)齒輪7通過(guò)第一銷釘31套固在近關(guān)節(jié)軸3上，所說(shuō)的過(guò)渡軸53套設(shè)在中部指段4中，所 說(shuō)的過(guò)渡齒輪51通過(guò)第二銷釘32套固在過(guò)渡軸53上并與主動(dòng)齒輪7嚙合，所說(shuō)的主動(dòng)繩輪 52套固在過(guò)渡軸53上，所說(shuō)的從動(dòng)繩輪9通過(guò)第三銷釘33套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5上，所說(shuō)的第 一腱繩81纏繞在主動(dòng)繩輪52和從動(dòng)繩輪9上并成"Z"字形，第一腱繩81的兩端分別與主 動(dòng)繩輪52、從動(dòng)繩輪9固接，所說(shuō)的第二腱繩82纏繞在主動(dòng)繩輪52和從動(dòng)繩輪9上并成"S" 字形，第二腱繩82的兩端分別與主動(dòng)繩輪52、從動(dòng)繩輪9固接，第一腱繩81和第二腱繩82 交叉成"8"字形，所說(shuō)的簧件10的兩端分別連接中部指段4和末端指段6。本實(shí)施例中，所說(shuō)的第一腱繩81兩端分別固接有第一端塊41、第二端塊42，所說(shuō)的第 二腱繩82兩端分別固接有第三端塊43、第四端塊44;所說(shuō)的第一端塊41鑲嵌固定在主動(dòng)繩 輪52的槽內(nèi)，所說(shuō)的第二端塊42鑲嵌固定在從動(dòng)繩輪9的槽內(nèi)；所說(shuō)的第三端塊43鑲嵌固 定在主動(dòng)繩輪52的槽內(nèi)，所說(shuō)的第四端塊44鑲嵌固定在從動(dòng)繩輪9的槽內(nèi)。本發(fā)明所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置中，所說(shuō)的簧件采用扭簧、拉簧、壓簧、 片簧、橡皮筋或彈性繩。本實(shí)施例中，所說(shuō)的簧件10采用扭簧。本實(shí)施例中，所說(shuō)的第一腱繩81采用鋼絲，所說(shuō)的第二腱繩82采用鋼絲。 本實(shí)施例的工作原理，如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖ll、圖12，敘述如下 該裝置的初始位置如圖6、圖9所示，此時(shí)中部指段4和末端指段6與基座1呈一直線， 即相當(dāng)于人的手指伸直的狀態(tài)。當(dāng)使用裝有本實(shí)施例的機(jī)器人手抓取物體時(shí)，電機(jī)2的輸出 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)第一齒輪11帶動(dòng)固接有第二齒輪12的近關(guān)節(jié)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，使主動(dòng)齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于簧件10的約束作用，中部指段4與末端指段6仿佛固接在一起，因此主動(dòng)齒輪7的轉(zhuǎn)動(dòng) 將通過(guò)過(guò)渡齒輪51、過(guò)渡軸53、主動(dòng)繩輪52、第一腱繩81和從動(dòng)繩輪9等的傳動(dòng)，優(yōu)先使 得中部指段4和末端指段6—起繞著近關(guān)節(jié)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，此過(guò)程直到中部指段4碰到物體，如 圖7、圖IO所示。當(dāng)中部指段4碰到物體被阻擋而無(wú)法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)主動(dòng)齒輪7的轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶動(dòng)過(guò)渡 齒輪51的轉(zhuǎn)動(dòng)，過(guò)渡軸53和主動(dòng)繩輪52轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)第一腱繩81的拉動(dòng)，使從動(dòng)繩輪9轉(zhuǎn) 動(dòng)，從動(dòng)繩輪9的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主動(dòng)齒輪7的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，使得遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使末 端指段6克服簧件10的彈力而轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)簧件10變形量增大。此過(guò)程直到末端指段6也碰 到物體，如圖8、圖11所示。至此，本實(shí)施例裝置抓緊了物體。即使物體形狀大小不同，該裝置也能順利包絡(luò)物體。如果該裝置中部指段4和末端指段6 同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，末端指段6優(yōu)先于中部指段4接觸到物體表面，由于末端指段6受到中部指段 4的阻擋而難以反轉(zhuǎn)，因此該裝置將不再運(yùn)動(dòng)而牢牢用末端指段6抓緊物體，如圖12所示。當(dāng)放開物體時(shí)，電機(jī)2反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)近關(guān)節(jié)軸3反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪7反轉(zhuǎn)，使過(guò)渡 齒輪51反轉(zhuǎn)，使過(guò)渡軸53和主動(dòng)繩輪52反轉(zhuǎn)，從而通過(guò)第二腱繩82拉動(dòng)從動(dòng)繩輪9反向 轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)簧件10的變形量逐漸減小，末端指段6繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5的軸線反轉(zhuǎn)而離開物體表面， 直到末端指段6已到達(dá)相對(duì)于中部指段4的伸直狀態(tài)，如圖7、圖10所示。由于末端指段6 被中部指段4阻擋而不能再繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)2繼續(xù)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶動(dòng)整個(gè)中部指段4、 遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸5、從動(dòng)繩輪9和末端指段6 —起繞著近關(guān)節(jié)軸3的軸線反向轉(zhuǎn)動(dòng)，中部指段4離 開物體表面，直到恢復(fù)到初始手指伸直的位置，如圖6、圖9所示。本發(fā)明利用齒輪和腱繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、套接活動(dòng)的中部指段及簧件所具有的解耦作用綜合實(shí) 現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指彎曲抓取物體的特殊效果。
權(quán)利要求
1、一種交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，包括基座(1)、電機(jī)(2)、減速器(21)、第一齒輪(11)、第二齒輪(12)、近關(guān)節(jié)軸(3)、中部指段(4)、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸(5)和末端指段(6)；所說(shuō)的電機(jī)和減速器均與基座固接，電機(jī)的輸出軸與減速器的輸入軸相連，減速器的輸出軸與第一齒輪固接，第一齒輪與第二齒輪相嚙合，第二齒輪固接于近關(guān)節(jié)軸，所說(shuō)的近關(guān)節(jié)軸套設(shè)在基座中，所說(shuō)的遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸套設(shè)在中部指段中，所說(shuō)的末端指段套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，其特征在于該交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置還包括主動(dòng)齒輪(7)、過(guò)渡齒輪(51)、主動(dòng)繩輪(52)、過(guò)渡軸(53)、第一腱繩(81)、第二腱繩(82)、從動(dòng)繩輪(9)和簧件(10)；所說(shuō)的中部指段套接在近關(guān)節(jié)軸上；所說(shuō)的主動(dòng)齒輪套固在近關(guān)節(jié)軸上，所說(shuō)的過(guò)渡軸套設(shè)在中部指段中，所說(shuō)的過(guò)渡齒輪套固在過(guò)渡軸上并與主動(dòng)齒輪嚙合，所說(shuō)的主動(dòng)繩輪套固在過(guò)渡軸上，所說(shuō)的從動(dòng)繩輪套固在遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸上，所說(shuō)的第一腱繩纏繞在主動(dòng)繩輪和從動(dòng)繩輪上并成“Z”字形，第一腱繩的兩端分別與主動(dòng)繩輪、從動(dòng)繩輪固接，所說(shuō)的第二腱繩纏繞在主動(dòng)繩輪和從動(dòng)繩輪上并成“S”字形，第二腱繩的兩端分別與主動(dòng)繩輪、從動(dòng)繩輪固接，第一腱繩和第二腱繩交叉成“8”字形，所說(shuō)的簧件的兩端分別連接中部指段和末端指段。
2、 如權(quán)利要求1所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一腱繩 兩端分別固接有第一端塊(41)、第二端塊(42)，所說(shuō)的第二腱繩兩端分別固接有第三端塊(43)、 第四端塊(44);所說(shuō)的第一端塊鑲嵌固定在主動(dòng)繩輪的槽內(nèi)，所說(shuō)的第二端塊鑲嵌固定在從 動(dòng)繩輪的槽內(nèi)；所說(shuō)的第三端塊鑲嵌固定在主動(dòng)繩輪的槽內(nèi)，所說(shuō)的第四端塊鑲嵌固定在從 動(dòng)繩輪的槽內(nèi)。
3、 如權(quán)利要求1所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的簧件采用 扭簧、拉簧、壓簧、片簧、橡皮筋或彈性繩。
4、 如權(quán)利要求1所述的交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，其特征在于所說(shuō)的第一腱繩 采用鋼絲，所說(shuō)的第二腱繩采用鋼絲。
全文摘要
交叉腱繩欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，屬于擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，包括基座、電機(jī)、減速器、第一齒輪、第二齒輪、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸和末端指段。該裝置還包括主動(dòng)齒輪、過(guò)渡齒輪、主動(dòng)繩輪、過(guò)渡軸、第一腱繩、第二腱繩、從動(dòng)繩輪和簧件。該裝置利用齒輪和腱繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、套接活動(dòng)的中部指段及簧件所具有的解耦作用綜合實(shí)現(xiàn)了雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指彎曲抓取物體的特殊效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低，便于安裝維護(hù)，與人手指相似，體積小、重量輕，特別適合作為擬人機(jī)器人手的拇指或其他手指的一部分，以較少驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，自動(dòng)適應(yīng)抓取不同形狀大小物體。
文檔編號(hào)B25J15/00GK101214661SQ20081005639
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者張文增 申請(qǐng)人:清華大學(xué)