[发明专利]预弯曲耦合欠驱动三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技术领域，特别涉及一种预弯曲耦合欠驱动三关节机器人手指装置的结构设计。

背景技术

拟人机器人一直以来都是机器人研究的尖端领域，通过模仿实现人类动作来实现智能化一直是该领域的重要研究方向。而同人类本身一样，拟人机器人的大部分功能也是通过手来实现的。因此，机器人手的研究成为机器人研究的关键技术之一。

实现人手抓取功能的机器人手主要有灵巧手和欠驱动手两大类，灵巧手一般具有3～5个手指，每个手指2～4个关节自由度，绝大多数关节为电机、空气肌肉、液压等驱动的主动关节。灵巧手能做出人手的各种动作，包括抓取和操作两种动作。灵巧手的主要优点是可以灵活主动的抓取物体，并有很好的抓取稳定性，其不足是不能实现抓取物体时对物体的形状和尺寸自动适应(自适应抓取)，造成对传感及控制系统要求高，系统复杂、成本高、可靠性低。

欠驱动机械手指可以克服灵巧手的纯主动驱动多关节手指的一些不足，以此为主设计实现高欠驱动的机器人手在近十年来得到越来越多的重视。例如，以具有一个电机、两个转动关节的欠驱动手指为例，该手指装置包括基座、近关节、中间指段、远关节、末端指段，初始时刻，手指为伸直状态，此时电机转动，整个手指绕其近关节转动，当中间指段碰触到物体被阻挡不动后，电机继续驱动远关节和末端指段转动，从而实现一个电机依次驱动两个关节转动的欠驱动目的。欠驱动机械手指的优点是能够自动适应物体形状和尺寸，达到自适应抓取的目的，降低了对传感及控制系统的要求。但是欠驱动机械手指的不足为：其手指初始构形是固定(伸直或呈某个弯曲角度)，这与人手抓取方式有较大不同，不够拟人化，不便于对某些尺寸、形状的物体进行稳定抓取。人手抓持不同尺寸物体时，手指在还未碰触物体前就需要事先弯曲到某个角度，只有这样才能更好的抓取。例如，在人手在捏持小尺寸物体之前，四指(即食指、中指、无名指和小指)中间关节要事先弯曲较大角度，直到四指末端与拇指末端相接近，之后再进行抓取。而且手指所弯曲的角度对于不同尺寸的物体是需要调节的。而传统的欠驱动手指没法实现在碰触物体之前的这种中间关节的转动，因而难以实现更加拟人化抓取动作和更加稳定地抓持物体效果。另外，当没有所抓物体而执行单纯的握拳动作时，整个手指只能呈伸直状态绕近关节轴转动，这与人手的可以绕中间关节弯曲的握拳动作相去甚远，影响了机器人手的拟人化动作效果。

已有的一种带轮式欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101234489A)，包括基座、电机、减速器、近关节轴、齿轮传动机构、带轮传动机构、中部指段、远关节轴、末端指段和簧件。电机通过减速器、齿轮和带轮传动机构使末端指段随之转动。由于弹簧的约束作用使中部指段和末端指段在没有碰触物体前保持固定的伸直状态(中部指段和末端指段之间的夹角为平角)，只有当中部指段接触物体被阻挡时，末端指段才随远关节轴转动，实现手指弯曲包络所抓取物体。该装置的不足之处在于在接触物体前，中部指段和末端指段只能呈伸直状态，作为一个整体绕近关节轴转动，影响了抓取效果。还有一种带轮多关节高欠驱动机器人手指装置(中国发明专利CN101214649A)为一个多关节的欠驱动手指装置，也存在上述同样的不足之处。同时，考虑到人手指的实际情况，末端关节通常与中部关节同步转动，二者转动角度有一定协同效果，两种装置都无法满足这种效果。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种预弯曲耦合欠驱动三关节机器人手指装置，它可以自由调节第二关节的初始角度状态，同时实现第二关节与第三关节的耦合，同时保证抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的抓取效果，外形、动作与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用。

本发明的技术方案如下：