[发明专利]锥齿轮系双电机协同复合抓取机器人手指装置

说明书

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种锥齿轮系双电机协同复合抓取机器人手指装置的结构设计。

背景技术

手是人最重要的器官之一，在拟人机器人领域，机器人手同样是至关重要的环节，其结构设计与功能改进是机器人领域的关键技术之一。一方面，机器人手需要完成抓取、搬运等复杂动作，因此需要较为精确的控制机制；另一方面，机器人手的拟人要求决定了其体积小、重量轻等特点。现有的灵巧手有足够的关节数及驱动数以完成精确动作，但其不足之处为：非常复杂、昂贵。目前在机器人手领域还存在许多技术难题。欠驱动手在一定程度上解决了这一矛盾。

耦合型欠驱动手指采用多关节同时弯曲的耦合抓取模式，由一个驱动器驱动多个关节按一定比例同时转动。这一模式与人手抓取物体动作类似，拟人性较好，抓取过程较稳定。耦合型手指的不足之处在于：动作模式较为固定，无法适应不同形状的物体，一般以捏持方式抓取物体，对于大尺寸物体很难实现握持抓取方式，抓取效果不好。

自适应欠驱动手指采用自适应抓取的动作模式，由一个驱动器驱动一个关节，其余关节在手指与物体接触后才开始转动。这种手指可以根据物体的不同形状改变抓取角度，从而达到握持抓取方式，结构简单且控制稳定。自适应欠驱动手指的不足之处在于：未接触物体时手指呈固定形态，拟人效果较差；需要在接触物体的过程中产生对远端指节的驱动力，可能导致近端指节受力过大，不利于抓取；对于小尺寸物体无法实现捏持抓取方式，抓取效果受到限制。

针对耦合型手指与自适应欠驱动手指各自的不足之处，一种将两者结合起来的新型复合型欠驱动抓取模式被提出来，该抓取模式为：手指碰到物体之前先按照耦合模式运动，接触物体之后近端指节的运动被物体限制，此时远端指节继续以自适应模式抓取物体，直至各指节完全接触物体。已有的一种锥齿轮柔性件复合抓取机器人手指装置，如中国发明专利CN106166753A，主要由基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴、末端指段、三个锥齿轮、主动轮、从动轮、两个传动件和簧件构成。该装置可以实现复合欠驱动抓取过程，其不足之处在于：1）只采用一个电机，目前同体积下电机的功率有限，因而限制了手指的抓取力；2）由于电机仅放置在基座（手掌）中，并没有充分利用中部指段较空旷的空间，空间利用率低。

在抓取力方面，手指对物体一般需要有较大的抓持力。人的手指所提供的力量非常大，例如人手能够将易拉罐握扁，目前尺寸与人手指相接近的机器人手指难以有较大的出力，原因是尺寸能够藏入手中的电机往往功率不够大，电机的体积和功率之间的这个矛盾一直存在，影响了机器人手的发展。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种锥齿轮系双电机协同复合抓取机器人手指装置，该装置可实现先耦合抓取与后自适应抓取相结合的复合欠驱动抓取模式；充分利用手掌空间和中部指段空间；末端指段能够提供较大范围的抓持力；该装置结构简单，成本低能量损耗小，控制容易。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的锥齿轮系双电机协同复合抓取机器人手指装置，包括基座、中部指段、末端指段、近关节轴和远关节轴；所述近关节轴活动套接于基座中，所述中部指段活动套接在近关节轴上，所述远关节轴活动套接于中部指段中；所述末端指段活动套接在远关节轴上；所述近关节轴和远关节轴平行；其特征在于：该锥齿轮系双电机协同复合抓取机器人手指装置还包括第一电机、第一减速器、第二电机、第二减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、主动轮、从动轮、传动件、第一单向传动机构、第二单向传动机构和簧件；所述第一电机和第一减速器均固接在中部指段中，所述第二电机和第二减速器均固接在基座上，第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连；第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连；所述第一锥齿轮固定套接在第一减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮固定套接在近关节轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；所述第三锥齿轮固定套接在第二减速器的输出轴上，第二锥齿轮与第三锥齿轮相啮合；所述第一单向传动机构设置在第一减速器输出轴、第二锥齿轮和近关节轴三者的传动链上；所述第二单向传动机构设置在第二减速器输出轴、第二锥齿轮和近关节轴三者的传动链上；所述第一减速器的输出轴通过第一锥齿轮与近关节轴相连；所述第二减速器的输出轴通过第三锥齿轮与近关节轴相连；所述的主动轮与从动轮直接相连或通过传动件相连，主动轮转动方向与从动轮转动方向相反；所述的主动轮固定套接在近关节轴上，所述的从动轮固定套接在远关节轴上；所述的簧件的两端分别连接基座和近关节轴；所述的簧件采用拉簧、压簧或扭簧。