[发明专利]双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械手指装置

说明书

技术领域

本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种双关节轮式并联耦合欠驱动仿生机械 手指装置的结构设计。

背景技术

近年来，拟人机器人技术得到了飞速的发展，机器人身体各部分的设计和研究受到了广 泛的关注。由于拟人机器人的大部分工作都是通过手部来完成的，诸如抓取、搬运物件或操 作工具等，因此，如何设计机器人手，使其像人手一样，具有自由度多、体积小、力量大等 优点，是机器人相关技术研究的重点和难点之一。目前先进的机器人灵巧手能够实现类似人 手的一些灵活的功能，但是还存在以下不足：电机数量多，体积较大，机构复杂，实时控制 难度大，制造、使用、维护的成本都很昂贵，还需要具有较高技术水平的人来操作，操作门 槛很高，等等。于是，近些年来，能够实现抓取功能且结构较为简单的耦合型机械手和欠驱 动机械手成为研究热点。

“耦合”是为了实现人手抓取物体时各关节同时弯曲这一效果而设计的抓取模式。人手 在抓取物体之前，会根据物体外形特征而呈现不同的形态。例如，当从侧面抓取一个小直径 竖放的圆柱形物体时，食指、中指、无名指和小指会同时弯曲，现仅以食指为例说明，此时 食指的三个关节均有一定程度的弯曲，而且三个关节是同时弯曲的，随后各指段接触物体， 完成抓取动作。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。该模式能够实现抓取物体时手指同时弯曲这一拟人效果。耦合抓 取效果在多数抓取过程中是很常用的，通过一个电机，带动一系列传动机构，可以实现手指 各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、第二齿轮传动机构、主动轮传动机构、第一齿轮传 动机构和从动轮传动机构等。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：抓取物体时各关节只能以固定的角度比例 转动，不能有自由的角度比例转动，在抓取物体时一般采取捏持方式，形式单一，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。

为了解决前述的耦合抓取模式存在的不能自动适应物体的外形抓取物体的不足，一种具 有“解耦”效果的欠驱动抓取模式应运而生，并产生了众多欠驱动机械手指装置的方案，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，从这个定义来说，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。以双关节手指为例说明。在解耦欠驱动机构中，手指的转动没有按照一定的比 例，而各个指段按照先后顺序依次转动，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)碰触物体被阻挡而不能 再转动时，电机的驱动力会通过传动机构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。该机构能够适应物体的形状进行抓取，抓取效 果稳定，因此得到了广泛的应用。

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。