[發明專利]齒條式變抓力彈性聯動自適應機器人手指裝置

在審

• 申請號: 201510864232.6
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105773647A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 宋九亞;張文增
• 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: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

齒條式變抓力彈性聯動自適應機器人手指裝置，屬于機器人手技術領域，包括電機、多個指段、多個關節軸、傳動機構、多個過渡軸、多個關節簧件、多個滑輪、多個撥桿、多個撥盤、多個齒輪件、繞繩輪、腱繩。本發明裝置利用電機、傳動機構、從動撥盤、撥桿、第一齒輪、第二齒輪、齒條、繞繩輪、腱繩和簧件綜合實現自適應抓取和連續鎖定多個關節的功能。該裝置用于抓取物體，可以自動適應物體的形狀、尺寸；抓取物體后可以采取鎖定關節方式或不鎖定方式；抓取過程快速穩定，抓取后鎖定關節，防止手指回彈失穩，可以提供較大的抓取力；可鎖定的關節角度是連續的；該裝置結構簡單，體積小，重量輕，控制容易，制造和維護成本低。

技術領域

本發明屬于機器人手技術領域，特別涉及一種齒條式變抓力彈性聯動自適應機器人手指裝置的結構設計。

背景技術

機器人手是機器人非常重要的操作部件，是目前機器人手領域研究的熱點方向。機器人手可以從模仿人手與否分為擬人手和非擬人手。由于人手自由度多，非常靈活，在仿生學上有很大的研究學習價值，研制與人手相似的擬人機器人手具有很大的應用前景。目前的擬人抓取的機器人手分為工業夾持器、靈巧手和欠驅動手。

一方面，擬人機器人手需要模仿人手的某些動作功能，實現抓取、搬運不同形狀和大小的物體，這對于機器人手的控制精度等方面提出了很高的要求；另一方面，擬人機器人手要求結構盡量簡化，大小合適、重量小。這兩方面存在矛盾。現有的工業夾持器功能簡單，適用范圍較小。現有的靈巧手有足夠的關節和驅動器來完成各種精準動作，但是所用的驅動器多、傳感控制復雜，成本昂貴。而欠驅動手由于自適應抓取功能較好地解決了這一矛盾。自適應欠驅動機器人手體積小、重量輕，在抓取物體的過程中可以改變抓取角度以此自動適應物體的形狀，控制簡單，抓取較為穩定。

已有的一種自適應抓取物體的機械手裝置(發明專利US2006129248A1)，手指部分主要包括基座、四個指段、三個簧件和一根腱繩。抓取物體時，先拉動腱繩使得手指伸直，然后放松腱繩，依靠簧件自身彈性使手指彎曲包絡抓取物體。由于每個關節都具有簧件，手指在抓取物體的過程中可以配合物體形狀按照相應角度彎曲，具有良好的自適應性。

該裝置不足之處在于：

1)該裝置的簧件抓取力盡量大與伸直手指所用腱繩的拉力盡量小之間存在較大矛盾。為了保證抓取力較大，需要的簧件勁度系數較大，導致拉動腱繩伸直手指所需的拉力較大；若要腱繩伸直手指所需的拉力較小，采用較弱的簧件，則抓取力過小。

2)該裝置難以提供更大范圍的抓取力。該裝置采用固定的簧件，提供的抓取力局限在固定的較小范圍內；該裝置在抓取物體過程中主要依靠簧件提供的抓取力，如果簧件比較弱，就無法利用與之相連的手臂的力量，在提取重物時會發生抓取失效，比如提取很沉重的行李箱時，一般采用臂部力量提取，但是手指要有足夠的力量確保彎曲的構型。

3)過大勁度系數的簧件可能導致抓取物體時發生手指快速沖撞物體，從而導致擠跑物體的失穩現象。

4)該裝置在振動環境下使用會有抓取失效的可能。

已有的一種自鎖氣動欠驅動機器人手指裝置，該裝置具有自適應抓取功能，采用棘輪棘爪實現抓取過程中的自鎖，并采用電機拉動棘爪實現解鎖。

該裝置的不足之處在于：

1)該裝置需要有推動力才能實現自適應彎曲。此推動力來自手指與物體的相對運動：由物體擠壓手指上的滑塊，利用氣力傳動來推動下一指段彎曲。

2)該裝置可鎖定的關節角度是不連續的。由于棘輪的輪齒有一定的齒距，鎖定不連續；如果齒距設計得較大會降低鎖定精度，如果齒距設計得較小，則會降低齒高，影響鎖定效果。

發明內容