[實用新型]凸輪式快速抓取欠驅動機器人手裝置

有效

• 申請號: 201320189948.7
• 申請日: 2013-04-16
• 公開（公告）號: CN203236487U
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 李靈;張文增
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J15/10
• 分類號: B25J15/10;B25J13/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于機器人手技術領域，特別涉及一種凸輪式快速抓取欠驅動機器人手裝置的結構設計。

背景技術

擬人機器人手主要分為靈巧手和欠驅動手兩種類型。靈巧手具有許多主動關節，具有復雜的驅動和控制系統，可以完成很多操作。近幾十年來，靈巧手的研究得到了豐碩的成果，例如Utah/MIT手、Robonaut手、DLR/HIT?II手等。但是由于靈巧手自由度多，并且手指在抓取不同形狀的物體時沒有自適應性，對驅動電源、傳感、信息處理、控制算法等提出了很高的要求，裝置復雜，成本昂貴。

所謂欠驅動手就是指用少量的電機控制較多的關節自由度。欠驅動手具有自動適應物體形狀和尺寸的自適應抓取功能。對于高自由度的機器人手來說，減少電機的數量是非常有利的，可以大大減少對空間的需求和對動力控制的需求，而且未來的維護也大大減少，成本也大大降低。

有一類機器人手的實現方式是采用腱繩來實現的，以一個手指的單關節為例，腱繩依次穿過手指的多個指段和關節，腱繩的一端固接在手指的末端指段，只要拉動腱繩的另一端就可以實現手指末端關節的正向彎曲，如果前后采用兩根腱繩就能夠實現手指的末端關節的正向轉動(抓取彎曲)和反向轉動(恢復伸直)。當手指上的關節自由度的數量為p，腱繩的數量為2p+1，則該手指為完全驅動的手指；若腱繩數量為2p或更少時，該手指就是欠驅動手指，如中國發明專利CN102029610A就是一例采用2p根腱繩的欠驅動手指。

此外，還有采用腱繩和扭簧來實現的欠驅動手指，手指上有多個關節，僅用一根腱繩拉動關節轉動，各關節均設有扭簧，有兩種子類別：(1)利用腱繩拉動手指正向彎曲，而利用扭簧來實現腱繩放松時手指的恢復伸直，如中國發明專利CN101073520A；(2)利用腱繩拉動手指恢復伸直，而利用扭簧來實現腱繩放松時手指的正向彎曲，如美國發明專利US2006/0129248A1。

已有的一種殘疾人用的假手裝置，如美國發明專利US2006/0129248A1，其手指采用了腱繩拉動手指恢復伸直，而利用設置在各手指關節軸上的扭簧來實現腱繩放松時手指的正向彎曲，其手掌中有一個鉸接的杠桿，所有手指的腱繩的一端均與該杠桿直接或間接的連接，利用人的肩部運動來拉動繩索，由繩索拉動杠桿，杠桿拉動手指腱繩，從而達到打開手指的效果，再利用人的肩部放松來實現繩索的松弛，通過杠桿實現手指腱繩的松弛，手指在扭簧的作用下閉合，從而依靠扭簧彈力抓住物體。該裝置的不足之處為：

(1)該手缺少瞬間快速放松繩索的機構，難以用于機器人上實現快速抓取物體。瞬間快速放松繩索有利于提高抓取效率，對于快速運動的物體的抓取是非常必要的功能。該方案中繩索的拉動與放松依靠人的肩部運動這樣的外力作用，人的肩部運動具有一種相對快速放松的特殊效果，離開了人的這一特殊效果則該裝置達不到快速抓取的目的，如果僅僅簡單地將人的外力更換為電機的動力，則電機也只能實現逐漸拉動和逐漸放松繩索的目的，達不到瞬間快速放松繩索的功能，因此，該裝置不適合用作機器人手實現快速高效的抓取。

(2)該手缺少檢測物體是否在抓取范圍內或手掌附近的功能，影響了對快速運動物體的抓取時機的把握，難以自動抓取快速運動物體。該手依靠人的眼睛或其它感官去判斷抓取物體的時機，并由人的大腦再通過肩部運動或其他部分的運動來放松繩索，因此，該手難以用于機器人上實現對快速運動物體在恰當時機抓取。

(3)該手的抓取空間有限，在同樣的抓取空間下，手掌體積過大。該裝置由于采用手掌中鉸接的杠桿拉動，杠桿轉動需要較大的手掌空間；當手掌空間較小時，杠桿活動范圍小，手指張開角度小，難以獲得較大的抓取空間，尤其是當手指關節數增多時需要的手掌空間更大。

已有的一種凸輪式快速抓取欠驅動機器人手裝置，如中國發明專利CN102357884A，其手指采用腱繩和扭簧實現欠驅動，其手掌中有一根主軸、一個具有不完全齒的第一齒輪和一個具有完全齒的第二齒輪，具有不完全齒的第一齒輪固接在主軸上，所有手指的腱繩的一端均固定纏繞在與主軸固接的繩輪上，利用電機帶動第二齒輪，由第二齒輪帶動具有不完全齒的第一齒輪，由第一齒輪帶動主軸，由主軸帶動繩輪，從而繞緊腱繩達到打開手指的效果，再由齒輪組解除嚙合，使腱繩松弛，手指在扭簧的作用下閉合，從而依靠扭簧彈力抓住物體。該裝置的不足之處為：