[发明专利]齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置

说明书

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置的结构设计。

背景技术

人手对于人类来是极其重要的，与人一样，机器人手对于拟人机器人来发挥着同样重要的作用。机器人在工作过程中通过机械手抓取工具从而开展工作，或者通过手部抓取物体进行空间位移。近几年来机器人手的设计得到各界的广泛关注，由于手部的关节自由度多，体积小、出力要求大和控制复杂等特点，给本领域带来许多技术难题，因此机器人手的设计成为机器人相关技术研究的重点和难点之一。

先进的机器人灵巧手控制非常灵活，但是存在以下不足：电机数量多，机构复杂，实时控制难度大、使用、维护的成本昂贵，此外还需要较高技术水平的人来操作，导致操作门槛很高。近些年来，欠驱动机械手和耦合型机械手成为研究热点。

首先，来解释一下人生物手的多关节同时弯曲抓取物体模式以及仿造此效果实现的机械手“耦合”抓取模式。人手在抓取常见物体时一般情况下是同时弯曲多个手指关节去抓取物体。下面举个简单的例子具体说明，当人手从侧面横向抓取一个小直径竖放的圆柱形物体时，食指、中指、无名指和小指都会呈现出类似的弯曲特点，因此仅以食指为例，此时食指的第一、二、三关节均有一定程度的弯曲转动，而且三个关节是同时弯曲的。在这种同时弯曲各关节的动作模式中，如果各关节转动角度还成一定比例则称为“耦合”抓取模式。耦合抓取效果在多数抓取过程是很常用的，不少机械手实现的就是这种耦合抓取效果，通过一个电机驱动源带动2个以上的关节转动相同或者成一定比例的角度。

已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)，主要包括基座、电机、第一指段、第二指段和“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1∶1角度的耦合运动。

已有的一种耦合式多关节机器人手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、第一指段、第二指段、第三指段、电机、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮和带轮传动机构实现了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果。

该类耦合抓取式机械手指装置的不足之处为：各关节均以固定角度比例转动，不能有自由的角度比例转动，在抓取物体时一般是以捏持方式，很难以恰好适应物体表面大小尺寸的方式实现握持抓取方式，完全不具备抓取物体时对不同尺寸物体的自动适应性，抓取效果不好。

其次，来看看具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式。由于前述的耦合抓取模式存在不能自动适应物体的不足，一种具有“解耦”效果的欠驱动抓取模式概念被提出来。一般将“解耦”欠驱动手指直接简称为欠驱动手指。所谓欠驱动机构是指该机构的驱动器个数少于被驱动的关节自由度数目，前述的耦合型手指可以认为是一种广义的欠驱动手指机构，但一般狭义的欠驱动手指机构并不包括该类手指装置，而是指解耦的欠驱动手指机构。以双关节为例说明。在解耦欠驱动机构中，多个关节的转动角度无一定比例，首先电机驱动整个手指(包括第一指段、第二指段)呈伸直状态绕近关节轴转动，当第一指段(最靠近手指根部的指段)碰触物体被阻挡不能再转动，此时电机的驱动力会自动转向驱动下一个关节转动，从而使第二指段再绕远关节轴转动，实现了两个关节顺序转动。该机构有一个自动适应物体大小的特殊效果，非常有利于稳定抓取。

已有的一种欠驱动两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、中部指段、末端指段和平带轮式传动机构等。该装置实现了双关节欠驱动手指弯曲抓取物体的特殊效果，具有自适应性。

该类欠驱动机械手指装置的不足之处为：手指在未碰触物体前始终呈现伸直状态，动作和外观与人手有较大差别，拟人化的程度不够；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。

综合可知，现有的耦合型机械手指和欠驱动机械手指均存在较大的不足。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种齿条-柔性件耦合欠驱动两关节机器人手指装置，该装置采用电机、耦合传动机构、欠驱动传动机构和簧件综合实现了耦合抓取效果与自适应欠驱动抓取效果的融合。该装置无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与抓取物体的动作过程与人手指很相似，适合作为拟人机器人手的手指。

本发明的技术方案如下：