[发明专利]齿条式变抓力弹性联动自适应机器人手指装置

说明书

齿条式变抓力弹性联动自适应机器人手指装置，属于机器人手技术领域，包括电机、多个指段、多个关节轴、传动机构、多个过渡轴、多个关节簧件、多个滑轮、多个拨杆、多个拨盘、多个齿轮件、绕绳轮、腱绳。本发明装置利用电机、传动机构、从动拨盘、拨杆、第一齿轮、第二齿轮、齿条、绕绳轮、腱绳和簧件综合实现自适应抓取和连续锁定多个关节的功能。该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；抓取物体后可以采取锁定关节方式或不锁定方式；抓取过程快速稳定，抓取后锁定关节，防止手指回弹失稳，可以提供较大的抓取力；可锁定的关节角度是连续的；该装置结构简单，体积小，重量轻，控制容易，制造和维护成本低。

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种齿条式变抓力弹性联动自适应机器人手指装置的结构设计。

背景技术

机器人手是机器人非常重要的操作部件，是目前机器人手领域研究的热点方向。机器人手可以从模仿人手与否分为拟人手和非拟人手。由于人手自由度多，非常灵活，在仿生学上有很大的研究学习价值，研制与人手相似的拟人机器人手具有很大的应用前景。目前的拟人抓取的机器人手分为工业夹持器、灵巧手和欠驱动手。

一方面，拟人机器人手需要模仿人手的某些动作功能，实现抓取、搬运不同形状和大小的物体，这对于机器人手的控制精度等方面提出了很高的要求；另一方面，拟人机器人手要求结构尽量简化，大小合适、重量小。这两方面存在矛盾。现有的工业夹持器功能简单，适用范围较小。现有的灵巧手有足够的关节和驱动器来完成各种精准动作，但是所用的驱动器多、传感控制复杂，成本昂贵。而欠驱动手由于自适应抓取功能较好地解决了这一矛盾。自适应欠驱动机器人手体积小、重量轻，在抓取物体的过程中可以改变抓取角度以此自动适应物体的形状，控制简单，抓取较为稳定。

已有的一种自适应抓取物体的机械手装置(发明专利US2006129248A1)，手指部分主要包括基座、四个指段、三个簧件和一根腱绳。抓取物体时，先拉动腱绳使得手指伸直，然后放松腱绳，依靠簧件自身弹性使手指弯曲包络抓取物体。由于每个关节都具有簧件，手指在抓取物体的过程中可以配合物体形状按照相应角度弯曲，具有良好的自适应性。

该装置不足之处在于：

1)该装置的簧件抓取力尽量大与伸直手指所用腱绳的拉力尽量小之间存在较大矛盾。为了保证抓取力较大，需要的簧件劲度系数较大，导致拉动腱绳伸直手指所需的拉力较大；若要腱绳伸直手指所需的拉力较小，采用较弱的簧件，则抓取力过小。

2)该装置难以提供更大范围的抓取力。该装置采用固定的簧件，提供的抓取力局限在固定的较小范围内；该装置在抓取物体过程中主要依靠簧件提供的抓取力，如果簧件比较弱，就无法利用与之相连的手臂的力量，在提取重物时会发生抓取失效，比如提取很沉重的行李箱时，一般采用臂部力量提取，但是手指要有足够的力量确保弯曲的构型。

3)过大劲度系数的簧件可能导致抓取物体时发生手指快速冲撞物体，从而导致挤跑物体的失稳现象。

4)该装置在振动环境下使用会有抓取失效的可能。

已有的一种自锁气动欠驱动机器人手指装置，该装置具有自适应抓取功能，采用棘轮棘爪实现抓取过程中的自锁，并采用电机拉动棘爪实现解锁。

该装置的不足之处在于：

1)该装置需要有推动力才能实现自适应弯曲。此推动力来自手指与物体的相对运动：由物体挤压手指上的滑块，利用气力传动来推动下一指段弯曲。

2)该装置可锁定的关节角度是不连续的。由于棘轮的轮齿有一定的齿距，锁定不连续；如果齿距设计得较大会降低锁定精度，如果齿距设计得较小，则会降低齿高，影响锁定效果。

发明内容