[發明專利]差動錐齒輪齒條式復合欠驅動機器人手指裝置

無效

• 申請號: 201110210336.7
• 申請日: 2011-07-26
• 公開（公告）號: CN102284957A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 張文增;王智
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J15/08
• 分類號: B25J15/08
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明屬于仿人機器人手技術領域，特別涉及一種差動錐齒輪齒條式復合欠驅動機器人手指裝置的結構設計。

背景技術

手對人來說是非常重要的器官，在仿人機器人領域，增強機器人手的機能具有非常重要的意義。一方面，通過增加關節數目、驅動數目可以使機器手動作更多樣精確，但同時這樣又會使機構復雜繁瑣；另一方面，如果過分追求機構精簡，則勢必對機器手的靈活性及抓取動作的精確性產生負面影響。同時，機器人手要求同時保證小巧靈活與足夠的抓取力。目前在這一領域仍存在著許多技術難題。

欠驅動機構是指該機構的驅動器數目少于關節自由度數目。諸多的仿人靈巧手也可以歸類為欠驅動手，廣義的欠驅動手指包括耦合欠驅動手指和自適應欠驅動手指。耦合欠驅動手指常稱為耦合手指，自適應欠驅動手指簡稱為自適應手指或欠驅動手指。

欠驅動機構的核心優勢在于引入了自適應抓取的動作模式。這種自適應抓取模式的引入，使機器手在保證擬人化動作的同時，大大地降低了對于手部實時控制和傳感系統的要求，使機器手具有結構簡單、控制穩定、外觀擬人和造價低廉等的優點。由于自適應欠驅動機器手的優點，近十年來引起了國內外研究人員的廣泛興趣，使自適應欠驅動機器手領域飛速發展。

自適應欠驅動手存在如下較大的不足：

1)該手指初始構形是固定(伸直或呈某個彎曲角度)，這與人手抓取方式有較大不同，不夠擬人化，不便于對某些尺寸、形狀的物體進行穩定抓取。人手一般不會在抓取物體時采用類似這樣非常別扭的動作。

2)欠驅動手的抓取方式主要為握持方式，難實現較好的末端捏持抓取效果；不能做到沒有物體抓取時，類似人手的握拳動作；也難以做到末端指段捏持物體時各關節呈自然彎曲狀態。

3)欠驅動手抓取物體時需要第一指段對物體施加足夠的力，才能觸發第二關節拉動簧件變形彎曲，這會導致該抓持力擠跑物體的不穩定抓取現象發生，即使抓住了物體，也可能會造成第一指段對物體的抓持力過大而損壞物體。人手若按照自適應欠驅動抓取模式會極不方便。

耦合欠驅動手指的多個關節由一個驅動器驅動并按一定比例(如1∶1)同時轉動(聯動)。耦合手的多關節聯動彎曲過程與人手抓取物體時相似，耦合手指適合采用指尖捏持方式抓取小尺寸物體，在握持中不會發生近指段擠跑物體的不穩定現象發生，因而抓取過程較穩定。

耦合手也是一個長期以來仿人機器手常用方案。目前已經有較多的耦合機構被開發出來。耦合手指的不足之處在于：不具備抓取物體時對不同物體的自適應性。

為了克服傳統自適應手指和耦合手指各自的不足，一種復合欠驅動抓取模式被提出來：先多關節耦合抓取而后再自適應抓取。這一抓取模式既區別于單純的耦合抓取過程，也區別于單純的自適應抓取過程。

為了實現這一抓取模式，將耦合機構與自適應機構復合起來所產生的一種新的手指類別：耦合與自適應復合型欠驅動手指，簡稱復合欠驅動手指或復合型手指。這種“復合”不是簡單的并聯，更不是串聯。機器人手指裝置在彎曲抓握物體過程中，碰到物體之前各指段按一定角度比例同時彎曲，動作過程非常擬人；而在手指碰到物體后，又可自動適應物體表面形狀，完全包絡物體，并且只通過一個驅動器驅動多個關節的機器人手指裝置，能夠有很好的抓取性能。復合欠驅動手指既能夠自適應抓取物體又能夠具備較好的多關節聯動擬人化抓取特點，而且電機數量保持了最少，結構簡單、控制容易、成本低。

由于人手指就是既有耦合轉動的特點，也同時有自適應抓取的特點，因此，復合欠驅動手指類別是更加仿人手指的新型手指類別，是一種介于傳統自適應手指、耦合手指之間的第三大類手指類別。可以說，傳統的耦合欠驅動手指與傳統的自適應欠驅動手指僅僅是復合欠驅動手指的兩個特例而已。由復合欠驅動手指所構成的復合欠驅動手將具有非常大的市場潛力，或將成為未來非常主流的仿人機器手技術趨勢和方向。

已有的一種能實現復合欠驅動的機器人手指裝置，如中國發明專利CN101664929，主要由基座、電機、減速器、近關節軸、中部指段、遠關節軸、末端指段、耦合傳動機構、欠驅動傳動機構和多個簧件構成。

該裝置可以實現復合欠驅動抓取，缺點在于機構復雜，安裝維修困難；簧件數目過多，利用簧件解耦調和耦合傳動機構與自適應傳動機構之間的矛盾，常常使得多個簧件形變較大，導致過大且不必要的能量損耗。

發明內容