[發(fā)明專利]可切換多抓取模式欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210187357.6
• 申請(qǐng)日: 2012-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN102699926A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黎琦;張文增;孫振國(guó);陳強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J15/08
• 分類號(hào): B25J15/08;B25J17/00
• 代理公司: 北京鴻元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于仿人機(jī)器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可切換多抓取模式欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

手對(duì)人來(lái)說(shuō)是非常重要的器官，在仿人機(jī)器人領(lǐng)域，增強(qiáng)機(jī)器人手的機(jī)能具有非常重要的意義。已有非常靈巧、復(fù)雜和昂貴的靈巧手被研制出來(lái)。靈巧手上幾乎所有關(guān)節(jié)都是主動(dòng)控制的，雖然可以實(shí)現(xiàn)抓取和靈巧操作的許多功能，但是靈巧手需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路、傳感電路和控制電路，有很高的實(shí)時(shí)控制編程的需求，而且制造和維護(hù)成本非常昂貴，使用門檻很高。因此，目前在機(jī)器人手領(lǐng)域仍存在著許多技術(shù)難題。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)目，它大大降低了對(duì)于手部實(shí)時(shí)控制和傳感系統(tǒng)的要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)定、成本低。

目前，雙關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指根據(jù)兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方式的不同可以分為4類：耦合欠驅(qū)動(dòng)手指（常簡(jiǎn)稱為耦合手指）、自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指（常簡(jiǎn)稱為自適應(yīng)手指）、逆序欠驅(qū)動(dòng)手指和復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)手指（常簡(jiǎn)稱復(fù)合手指）。

各種欠驅(qū)動(dòng)手指的優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)介如下：

（1）耦合欠驅(qū)動(dòng)手指

耦合欠驅(qū)動(dòng)手指的多個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并按一定比例（如1:1）同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)（聯(lián)動(dòng)）。耦合手的多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)彎曲過(guò)程與人手抓取物體時(shí)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(huì)發(fā)生近指段擠跑物體的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，因而抓取過(guò)程較穩(wěn)定。

耦合手指的不足之處在于：不具備抓取物體時(shí)對(duì)不同物體的自適應(yīng)性。

（2）自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指

自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指的多個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并按從根部到末端的順序依次轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)靠近根部的指段接觸物體，該指段被阻擋不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，將引發(fā)下一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)下一個(gè)指段轉(zhuǎn)動(dòng)……直到末端指段被帶動(dòng)。自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指具有自適應(yīng)抓取不同形狀、大小物體的功能。

自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手存在如下不足：1）該手指初始構(gòu)形是固定（伸直），這與人手抓取方式有較大不同，不夠擬人化。人手一般不會(huì)在抓取物體時(shí)采用類似這樣有點(diǎn)僵化的動(dòng)作。2）欠驅(qū)動(dòng)手的抓取方式主要為握持方式，難實(shí)現(xiàn)較好的末端捏持抓取效果；不能做到?jīng)]有物體抓取時(shí)，類似人手的握拳動(dòng)作。

（3）逆序欠驅(qū)動(dòng)手指

逆序欠驅(qū)動(dòng)手指的多個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并按從末端到根部的順序依次轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)最遠(yuǎn)離手指根部（手掌）的關(guān)節(jié)先轉(zhuǎn)動(dòng)到極限（被接觸物體阻擋或者被手指自身的機(jī)械約束阻擋），將引發(fā)靠近手指根部的前一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)前一個(gè)指段轉(zhuǎn)動(dòng)……直到根部指段被帶動(dòng)。在特定的某些抓取或者手勢(shì)執(zhí)行上，逆序欠驅(qū)動(dòng)抓取有著不可替代的顯著作用，例如，鉤取物體、提取物體和攀爬。

逆序欠驅(qū)動(dòng)手指存在不足：逆序欠驅(qū)動(dòng)抓取模式的特點(diǎn)在需要抓取多數(shù)常見物體時(shí)往往是不能使用的，因?yàn)檫@樣往往將導(dǎo)致抓取失效，抓取時(shí)會(huì)產(chǎn)生排斥物體的不穩(wěn)定抓取現(xiàn)象。

（4）復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)手指

復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)抓取模式是指：先多關(guān)節(jié)耦合抓取而后再自適應(yīng)抓取的兩階段抓取模式。在復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)手指中，將耦合機(jī)構(gòu)與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)復(fù)合起來(lái)。復(fù)合手指在彎曲抓握物體過(guò)程中，碰到物體之前各指段按一定角度比例同時(shí)彎曲；近指段接觸物體后，遠(yuǎn)指段可自適應(yīng)物體表面形狀，包絡(luò)物體。該手指只通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)，有較好的抓取性能。

復(fù)合手指存在以下不足：1）復(fù)合手指沒(méi)有純自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指在抓取平面物體時(shí)的良好抓取效果，相比復(fù)合手指，純自適應(yīng)手指可以達(dá)到手指與平面物體的完全接觸，接觸面大，抓取更穩(wěn)定；2）復(fù)合手指沒(méi)有純逆序欠驅(qū)動(dòng)手指在鉤取、提取和攀爬時(shí)的良好抓取效果。

已有的一種復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指裝置，如中國(guó)發(fā)明專利CN102166753A，包括基座、電機(jī)、減速器、近關(guān)節(jié)軸、中部指段、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸、末端指段、三個(gè)錐齒輪、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、兩個(gè)傳動(dòng)件和簧件。該裝置僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)合欠驅(qū)動(dòng)抓取模式，不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓取模式或逆序欠驅(qū)動(dòng)抓取模式。

綜上所述，上述四種抓取模式均有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。

人手的抓取種類有六大種類：a)抓握；b)捏取；c)平面握；d)鉤??；e)球抓；f)筆持。上述四種抓取模式與實(shí)現(xiàn)的人手抓取種類的對(duì)應(yīng)情況如表1所示。從表1中可以看出，四種抓取模式各自均不能完全覆蓋人手這6大抓取種類。從表1還可以看出，如果有一款手指同時(shí)具備上述四種抓取模式，則可以完全覆蓋人手的六大抓取種類，性能最優(yōu)。

表1欠驅(qū)動(dòng)抓取模式與實(shí)現(xiàn)的人手抓取種類