CN203236487U - 凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置 - Google Patents

Abstract

凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，属于机器人手技术领域，主要包括手掌、至少两个手指、主轴、电机、减速器、第一锥齿轮、第二锥齿轮、不完全沟槽凸轮、活动板、手指张开到位检测的传感器、物体到位检测的传感器和控制模块等。手指为腱绳-扭簧式多关节手指。本实用新型装置具有自动快速抓取物体的功能，抓取过程包括手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置能实现快速抓取；检测到物体后可自动抓取；具有自适应抓取不同形状和尺寸物体；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高；仅采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手；可用于拟人机器人上。

Description

凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置的结构设计。

背景技术

拟人机器人手主要分为灵巧手和欠驱动手两种类型。灵巧手具有许多主动关节，具有复杂的驱动和控制系统，可以完成很多操作。近几十年来，灵巧手的研究得到了丰硕的成果，例如Utah/MIT手、Robonaut手、DLR/HIT II手等。但是由于灵巧手自由度多，并且手指在抓取不同形状的物体时没有自适应性，对驱动电源、传感、信息处理、控制算法等提出了很高的要求，装置复杂，成本昂贵。

所谓欠驱动手就是指用少量的电机控制较多的关节自由度。欠驱动手具有自动适应物体形状和尺寸的自适应抓取功能。对于高自由度的机器人手来说，减少电机的数量是非常有利的，可以大大减少对空间的需求和对动力控制的需求，而且未来的维护也大大减少，成本也大大降低。

有一类机器人手的实现方式是采用腱绳来实现的，以一个手指的单关节为例，腱绳依次穿过手指的多个指段和关节，腱绳的一端固接在手指的末端指段，只要拉动腱绳的另一端就可以实现手指末端关节的正向弯曲，如果前后采用两根腱绳就能够实现手指的末端关节的正向转动(抓取弯曲)和反向转动(恢复伸直)。当手指上的关节自由度的数量为p，腱绳的数量为2p+1，则该手指为完全驱动的手指；若腱绳数量为2p或更少时，该手指就是欠驱动手指，如中国发明专利CN102029610A就是一例采用2p根腱绳的欠驱动手指。

此外，还有采用腱绳和扭簧来实现的欠驱动手指，手指上有多个关节，仅用一根腱绳拉动关节转动，各关节均设有扭簧，有两种子类别：(1)利用腱绳拉动手指正向弯曲，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的恢复伸直，如中国发明专利CN101073520A；(2)利用腱绳拉动手指恢复伸直，而利用扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，如美国发明专利US2006/0129248A1。

已有的一种残疾人用的假手装置，如美国发明专利US2006/0129248A1，其手指采用了腱绳拉动手指恢复伸直，而利用设置在各手指关节轴上的扭簧来实现腱绳放松时手指的正向弯曲，其手掌中有一个铰接的杠杆，所有手指的腱绳的一端均与该杠杆直接或间接的连接，利用人的肩部运动来拉动绳索，由绳索拉动杠杆，杠杆拉动手指腱绳，从而达到打开手指的效果，再利用人的肩部放松来实现绳索的松弛，通过杠杆实现手指腱绳的松弛，手指在扭簧的作用下闭合，从而依靠扭簧弹力抓住物体。该装置的不足之处为：

(1)该手缺少瞬间快速放松绳索的机构，难以用于机器人上实现快速抓取物体。瞬间快速放松绳索有利于提高抓取效率，对于快速运动的物体的抓取是非常必要的功能。该方案中绳索的拉动与放松依靠人的肩部运动这样的外力作用，人的肩部运动具有一种相对快速放松的特殊效果，离开了人的这一特殊效果则该装置达不到快速抓取的目的，如果仅仅简单地将人的外力更换为电机的动力，则电机也只能实现逐渐拉动和逐渐放松绳索的目的，达不到瞬间快速放松绳索的功能，因此，该装置不适合用作机器人手实现快速高效的抓取。

(2)该手缺少检测物体是否在抓取范围内或手掌附近的功能，影响了对快速运动物体的抓取时机的把握，难以自动抓取快速运动物体。该手依靠人的眼睛或其它感官去判断抓取物体的时机，并由人的大脑再通过肩部运动或其他部分的运动来放松绳索，因此，该手难以用于机器人上实现对快速运动物体在恰当时机抓取。

(3)该手的抓取空间有限，在同样的抓取空间下，手掌体积过大。该装置由于采用手掌中铰接的杠杆拉动，杠杆转动需要较大的手掌空间；当手掌空间较小时，杠杆活动范围小，手指张开角度小，难以获得较大的抓取空间，尤其是当手指关节数增多时需要的手掌空间更大。

已有的一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，如中国发明专利CN102357884A，其手指采用腱绳和扭簧实现欠驱动，其手掌中有一根主轴、一个具有不完全齿的第一齿轮和一个具有完全齿的第二齿轮，具有不完全齿的第一齿轮固接在主轴上，所有手指的腱绳的一端均固定缠绕在与主轴固接的绳轮上，利用电机带动第二齿轮，由第二齿轮带动具有不完全齿的第一齿轮，由第一齿轮带动主轴，由主轴带动绳轮，从而绕紧腱绳达到打开手指的效果，再由齿轮组解除啮合，使腱绳松弛，手指在扭簧的作用下闭合，从而依靠扭簧弹力抓住物体。该装置的不足之处为：

1.从动轮在运动开始和终止时存在刚性冲击，不利于机器人手的稳定性。在啮合传动中，首齿进入啮合及末齿退出啮合时，轮齿并非在实际啮合线上啮合，在此期间不能保证定传动比传动。由于从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变，故存在刚性冲击，齿轮易磨损，不利于机器人手长期作业。

2.不完全齿轮机构一般只适用于低速、轻载的工作条件，在实际中应用具有一定的局限性。

无论是工业生产还是社会服务，都要求机器人手不仅能够稳定抓取物体并且能够快速高效地抓取物体，尤其对于快速运动物体实施抓取或者需要提高工作效率来说，快速稳定抓取是非常必要的功能。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，该装置适合自动快速抓取物体；手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点；手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，控制简单，成本低；仅用一个电机驱动多个手指的多个关节；外观和动作模仿人手，可用于拟人机器人上。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，包括电机、减速器、手掌和至少两个手指，所述手掌为中空状的框架结构；所述电机固接于手掌中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述每个手指包括一根腱绳、n个指段、n个关节轴、n个绳轮和n个扭簧，其中，n至少为2，各手指的指段数量相同或不同；在每个手指中，所有关节轴两两相互平行，第1个关节轴活动套设于手掌中，第1个指段活动套接在第1个关节轴上，第i个关节轴活动套设于第i-1个指段中，第i个指段活动套接在第i个关节轴上，其中，i为2至n中的整数，其特征在于：该凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置还包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、不完全沟槽凸轮、凸轮轴、下挂钩和活动板；所述第一锥齿轮固定套接在减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮固定套接在凸轮轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；所述凸轮轴活动套设在手掌中；所述不完全沟槽凸轮固定套接在凸轮轴上；所述下挂钩的一端与不完全沟槽凸轮的沟槽相配合，下挂钩的另一端固定安装在活动板上；在每个手指中，第j个绳轮活动套接在第j个关节轴上，其中，j为1至n中的整数；在每个手指中，第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，第k个扭簧套在第k个关节轴上，第k个扭簧的两端分别连接第k-1个指段和第k个指段，其中，k为2至n中的整数；当扭簧松弛时，手指呈弯曲抓紧状态；在每个手指中，所述腱绳的一端与活动板直接固接或者穿过活动板与第1个指段固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接，其中，m为从1到n的整数。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括q个活动板上挂钩、q个手指挂钩；所述上挂钩均分别固定安装在活动板上；所述手指挂钩均分别固定安装在手指的第1个指段上；所述腱绳的一端与第1个指段挂钩固接，依次穿过第1个活动板上挂钩、穿过第2个手指挂钩……穿过第p-1个活动板上挂钩、穿过第p个手指挂钩……穿过第q个活动板上挂钩、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接；其中，n为手指的指段数量，m为从1到n的整数，q为正整数，p为从1到q的整数。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括控制系统，该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机相连。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括抓取按钮和张开按钮；所述抓取按钮和张开按钮分别与控制模块的输入端相连。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括编码器，所述编码器与控制模块相连。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指有5个，包括拇指、食指、中指、无名指和小指，所述拇指包括2个指段和2个关节轴；所述食指、中指、无名指和小指结构相同，均包括3个指段和3个关节轴。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明装置利用电机、减速器、锥齿轮、不完全沟槽凸轮传动机构、腱绳-扭簧式手指传动机构、多传感器与控制模块综合实现了自动快速抓取物体的效果，抓取过程分为手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点，抓取稳定性好；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高，机构简单，控制简单，重量轻，成本低；采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手，且对控制系统要求低；可用于拟人机器人上。

附图说明

图1是本发明提供的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置的一种实施例立体外观图(其中手掌前板未画出)。

图2图3、图4、图5是图1所示实施例的外观图。

图6是图1所示实施例的手掌内部结构图。

图7是不完全沟槽凸轮和活动板的配合情况示意。

图8是图1所示实施例的拇指与手掌内部结构图。

图9是图1所示实施例的拇指腱绳缠绕方式局部图。

图10是图1所示实施例的食指腱绳缠绕方式局部图。

图11是图1所示实施例的食指正视外观图。

图12是图1所示实施例的食指侧视外观图。

图13是图1所示实施例的食指呈握紧状态，此时食指上的各扭簧均为松弛状态，扭簧使得食指呈握紧状态。

图14是图1所示实施例的食指张开时的情况示意。

图15是图1所示实施例的食指抓取物体的过程示意。

图16是图1所示实施例的食指抓取物体的结果图。

图17是图1所示实施例的凸轮理想轮廓线图。

图18是控制系统的原理框图。

图19是控制模块中程序流程框图。

在图1至图13：

1-手掌，

101-手掌骨架，      102-主轴，            103-手掌绳轮，

104-电机，          105-减速器，          106-第一锥齿轮，

107-第二锥齿轮，    108-不完全沟槽凸轮，  109-活动板，

110-接近传感器，    111-编码器，          112-手掌挂钩，

113-上挂钩，        114-下挂钩，          115-凸轮轴，

2-拇指，

201-拇指第一关节轴，202-拇指第一指段，    203-拇指第二关节轴，

204-拇指第二指段，  205-拇指第一绳轮，    206-拇指第二绳轮，

207-拇指第一扭簧，  208-拇指第二扭簧，    209-拇指腱绳，

3-食指，

301-食指第一关节轴，302-食指第一指段，    303-食指第二关节轴，

304-食指第二指段，  305-食指第三关节轴，  306-食指第三指段，

307-食指第一绳轮，  308-食指第二绳轮，    309-食指第三绳轮，

310-食指第一扭簧，  311-食指第二扭簧，    312-食指第三扭簧，

313-食指腱绳，      314-腱绳与第一指段的连接端点，

4-中指，            5-无名指，            6-小指。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13及图17所示。包括手掌1和五个手指：拇指2、食指3、中指4、无名指5和小指6。所述手掌1为中空状的框架结构。

所述拇指2包括一根腱绳、2个指段、2个关节轴、2个绳轮和2个扭簧。所述拇指2包括拇指第一指段202、拇指第二指段204、拇指第一关节轴201、拇指第二关节轴203、拇指第一绳轮205、拇指第二绳轮206、拇指第一扭簧207、拇指第二扭簧208和拇指腱绳209；

所述食指3、中指4、无名指5和小指6结构相同，下面仅以食指3为代表说明。

所述食指3包括一根腱绳、3个指段、3个关节轴、3个绳轮和3个扭簧。所述食指3包括食指第一指段302、食指第二指段304、食指第三指段306、食指第一关节轴301、食指第二关节轴303、食指第三关节轴305、食指第一绳轮307、食指第二绳轮308、食指第三绳轮309、食指第一扭簧310、食指第二扭簧311、食指第三扭簧312、食指腱绳313和腱绳与第一指段的连接端点314。

在每个手指中，所有关节轴两两相互平行。拇指第一关节轴201和拇指第二关节轴203相互平行；食指第一关节轴301、食指第二关节轴303和食指第三关关节轴305两两相互平行。

在拇指中，所述第1个关节轴活动套设于手掌中，第1个指段活动套接在第1个关节轴上，所述第2个关节轴活动套设于第1个指段中，所述第2个指段活动套接在第2个关节轴上。

具体来说，所述拇指第一关节轴201活动套设于手掌1中，拇指第一指段202活动套接在拇指第一关节轴201上；所述拇指第二关节轴203活动套设于拇指第一指段202中，所述拇指第二指段204活动套接在拇指第二关节轴203上。

在食指、中指、无名指和小指中，所述第1个关节轴活动套设于手掌中，第1个指段活动套接在第1个关节轴上，所述第2个关节轴活动套设于第1个指段中，所述第2个指段活动套接在第2个关节轴上，所述第3个关节轴活动套设于第2个指段中，所述第3个指段活动套接在第3个关节轴上。

具体来说，所述食指第一关节轴301活动套设于手掌1中，食指第一指段302活动套接在食指第一关节轴301上；所述食指第二关节轴303活动套设于食指第一指段302中，所述食指第二指段304活动套接在食指第二关节轴303上；所述食指第三关节轴305活动套设于食指第二指段304中，所述食指第三指段306活动套接在食指第三关节轴305上。

该凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置实施例，还包括主轴102、电机104、减速器105、手掌1和至少两个手指，所述手掌1为中空状的框架结构；所述电机固接于手掌1中，电机104的输出轴与减速器105的输入轴相连；还包括第一锥齿轮106、第二锥齿轮107、不完全沟槽凸轮108、凸轮轴115、下挂钩114和活动板109；所述第一锥齿轮106固定套接在减速器105的输出轴上，所述第二锥齿轮107固定套接在凸轮轴115上，第一锥齿轮108与第二锥齿轮109相啮合；所述凸轮轴115活动套设在手掌1中；所述不完全沟槽凸轮108固定套接在凸轮轴115上；所述下挂钩114的一端与不完全沟槽凸轮108的沟槽相配合，下挂钩的另一端固定安装在活动板109上。

所述主轴与食指、中指、无名指和小指的第1个关节轴直接固接。本实施例中，所述主轴102与食指第一关节轴301采用同一根轴。

所述主轴与拇指的第1个关节轴通过传动机构相连。所述传动机构包括手掌绳轮103、和拇指腱绳209；所述手掌绳轮103套固在手掌骨架101上；所述的拇指腱绳209一端与手掌骨架101固接，缠绕经过上挂钩113、手掌挂钩112、手掌绳轮103、拇指第一绳轮205、拇指第二绳轮206，腱绳的另一端与拇指第二指端204固接。

在拇指中，所述第1个绳轮套固在第1个关节轴上，所述第2个绳轮活动套接在第2个关节轴上；在拇指中，所述第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，所述第2个扭簧套在第2个关节轴上，第2个扭簧的两端分别连接第1个指段和第2个指段；所述扭簧松弛时，拇指呈弯曲抓紧状态；在拇指中，所述腱绳的一端与手掌骨架固接，所述腱绳依次缠绕经过上挂钩、手掌挂钩、手掌绳轮、第1个绳轮、穿过第1个指段、缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段，腱绳的另一端与第2个指段固接。

具体来说，所述拇指第一绳轮205套固在拇指第一关节轴201上，所述拇指第二绳轮206活动套接在拇指第二关节轴203上；所述拇指第一扭簧207套在拇指第一关节轴上，拇指第一扭簧的两端分别连接手掌1和拇指第一指段202，所述拇指第二扭簧208套在拇指第二关节轴上，拇指第二扭簧的两端分别连接拇指第一指段202和拇指第二指段204；所述拇指第一扭簧207和拇指第二扭簧208均松弛时，拇指2呈弯曲抓紧状态；所述腱绳的一端与手掌骨架固接，所述腱绳依次缠绕在活动板109的上挂钩、手掌骨架101的下挂钩手掌绳轮103、拇指第一绳轮205、穿过拇指第一指段202、缠绕经过拇指第二绳轮206、穿过拇指第二指段204，拇指腱绳209的另一端与拇指第二指段204固接。

本发明所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置实施例，其特征在于，除拇指外的四指每个手指还包括2个活动板上挂钩113、2个手指挂钩；所述上挂钩113均分别固定安装在活动板109上；所述手指挂钩均分别固定安装在手指的第1个指段上；所述腱绳的一端与第1个指段挂钩固接，依次穿过第1个活动板上挂钩113、穿过第2个手指挂钩、穿过第2个活动板上挂钩、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段，依次缠绕经过第3个绳轮、穿过第3个指段，腱绳的另一端与第3个指段固接。

在食指中，所述第1个绳轮套固在第1个关节轴上，所述第2个绳轮活动套接在第2个关节轴上，所述第3个绳轮活动套接在第3个关节轴上；在食指中，所述第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，所述第2个扭簧套在第2个关节轴上，第2个扭簧的两端分别连接第1个指段和第2个指段，所述第3个扭簧套在第3个关节轴上，第3个扭簧的两端分别连接第2个指段和第3个指段；所述扭簧松弛时，食指呈弯曲抓紧状态；在食指中，所述腱绳的一端与第1个指段挂钩固接，依次穿过第1个活动板上挂钩、穿过第2个手指挂钩、穿过第2个活动板上挂钩、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段，依次缠绕经过第3个绳轮、穿过第3个指段，腱绳的另一端与第3个指段固接。

具体来说，所述食指第一绳轮307套固在食指第一关节轴301上，所述食指第二绳轮308活动套接在食指第二关节轴303上，所述食指第三绳轮309套固在食指第三关节轴305上；所述食指第一扭簧310套在食指第一关节轴上，食指第一扭簧310的两端分别连接手掌1和食指第一指段302，所述食指第二扭簧311套在食指第二关节轴303上，食指第二扭簧311的两端分别连接食指第一指段302和食指第二指段304，所述食指第三扭簧312套在食指第三关节轴305上，食指第三扭簧312的两端分别连接食指第二指段304和食指第三指段306；所述食指第一扭簧310、食指第二扭簧311和食指第三扭簧312均松弛时，食指3呈弯曲抓紧状态；所述食指腱绳313的一端与食指第一指段302挂钩固接，所述食指腱绳313依次穿过第一个活动板上挂钩113、第2个手指挂钩、第2个活动板上挂钩、食指第一指段302，依次缠绕经过食指第二绳轮308、穿过食指第二指段304、缠绕经过食指第三绳轮309，穿过食指第三指段306，食指腱绳313的另一端与食指第三指段306固接。食指中腱绳与各指段、关节轴的位置关系如图11、图12所示，在图11、图12中，食指左侧为背面，右侧为正面，即右侧为抓握物体所在的方向。

所述不完全沟槽凸轮108采用余弦加速度运动规律，其推程运动规律方程式为

$s=\frac{h}{2}(1-\cos \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_1}\mathrm{\θ}),---\left(1\right)$

$v=\frac{\mathrm{\πh}}{2{\mathrm{\β}}_1}{\mathrm{\ω}}_1\sin \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_1}\mathrm{\θ},---\left(2\right)$

$a=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}h}{2{\mathrm{\β}}_1^2}{\mathrm{\ω}}_1^2\cos \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_1}\mathrm{\θ},---\left(3\right)$

$j=-\frac{{\mathrm{\π}}^{3}h}{2{\mathrm{\β}}_1^3}{\mathrm{\ω}}_1^3\sin \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_1}\mathrm{\θ},---\left(4\right)$

其中s为从动件的位移，h为从动件的行程，θ为凸轮转角，β₁为推程运动角，且θ∈[0，β₁]，s∈[0，h]。

其回程运动规律方程式为

$s=\frac{h}{2}(1+\cos \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\θ}}_1),---\left(5\right)$

$v=-\frac{\mathrm{\πh}}{2{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\ω}}_1\sin \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\θ}}_1,---\left(6\right)$

$a=-\frac{{\mathrm{\π}}^{2}h}{2{\mathrm{\β}}_2^2}{\mathrm{\ω}}_1^2\cos \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_2}{\mathrm{\θ}}_1,---\left(7\right)$

$j=\frac{{\mathrm{\π}}^{3}h}{2{\mathrm{\β}}_2^3}{\mathrm{\ω}}_1^3\sin \frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_2}\mathrm{\θ},---\left(8\right)$

其中β′为远休止角，β₂为回程运动角，且θ∈[0，β₂]，s∈[0，h]，θ₁＝θ-β₁-β′。

所述不完全沟槽凸轮108按逆时针方向旋转，设凸轮基圆圆心O为坐标原点，由解析法算得凸轮理论轮廓为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=(\sqrt{R_b^2-e^2}+s)\sin \mathrm{\θ}+e\cos \mathrm{\θ}\\ y_C=(\sqrt{R_b^2-e^2}+s)\cos \mathrm{\θ}-e\sin \mathrm{\θ}\end{array},---\left(9\right)\right.$

其中x_C为凸轮理论轮廓的横坐标，y_C为凸轮理论轮廓的纵坐标。

所述不完全沟槽凸轮的压力角为α，则

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{s^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)-e}{\sqrt{R_b^2-e^2}+s},---\left(10\right)$

其中s′(θ)为s关于θ的偏导数，e为偏距，R_b为基圆半径。

本实施例中，所述不完全沟槽凸轮108推程运动角β₁＝60°，远休止角β′＝10°，回程运动角β₂＝50°，近休止角β＝240°。本实施例中，所述不完全沟槽凸轮基圆半径R_b＝8mm，偏距e＝0mm，滚子半径R_r＝2mm，行程h＝2mm。图17是本实施例的凸轮轮廓图。本实施例中，最大压力角α_m在凸轮轮廓线θ＝97°处，最大压力角α_m≤30°的条件是转速r≤13.6993转/min。

本实施例，还包括控制系统。图18是控制系统的原理框图。该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机104相连。

所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。本实施例中，采用了接近传感器110作为第一传感器，该接近传感器安装在不完全沟槽凸轮108附近，不完全沟槽凸轮108上存在一个扇形长弧槽通孔(如图7所示的)，接近传感器可以检测到不完全沟槽凸轮转动的位置，从而间接得到手指是否已经张开的信号，将该信号反馈给控制模块。

所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。本实施例中，在手掌前板的表面贴有一层电阻式压力传感器，当物体接触到手掌表面的传感器时，传感器得到信号，将此信号反馈给控制模块。也可以安装接近传感器在手掌表面，当物体接近手掌到一定距离时，传感器就得到信号，从而通知控制模块物体已经到位，可以实施抓取物体的动作。

图19是控制模块的程序流程框图。第一传感器检测到手指未张开到位，电机持续正向转动，通过减速器带动第一锥齿轮、第二锥齿轮、不完全沟槽凸轮转动，带动活动板向下运动，带动手指持续张开。当不完全沟槽凸轮转到通孔结束的地方时，第一传感器检测到手指已经张开到位，该信号反馈给控制模块，通过电机驱动模块使电机停止转动，手指保持张开状态。此时，如果按下退出按钮，将退出程序。当抓取按钮按下或者当物体移动到手掌附近使得手掌表面的第二传感器检测到物体到位信号，此时，控制模块通过电机驱动模块控制电机继续正向转动一个预设的小角度后停转，电机的转动会带动不完全沟槽凸轮转动，不完全沟槽凸轮的开口部分达到与活动板的下挂钩配合之处，不完全沟槽凸轮与活动板不再配合，腱绳瞬时放松，此时，由于食指各弹簧的回复弹力作用将各指段又快速拉回到最初弯曲抓紧的状态，从而手指把物体快速抓住。之后，如果按下退出按钮，将退出程序。当张开按钮被手动按下，电机继续正向转动，不完全沟槽凸轮继续转动，直到不完全沟槽凸轮的边沿部分重新与活动板相配合，从而拉动活动板向下运动，使手指逐渐张开，物体被放开，直到第一传感器检测到手指张开到位的信号......其余过程同上。

本发明中，所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。本实施例中，所述控制模块采用PLC。

本实施例还包括抓取按钮、张开按钮；所述抓取按钮、张开按钮分别与控制模块相连。

本发明的又一种实施例，还包括编码器111，所述编码器与控制模块相连。

本发明的又一种实施例，所述腱绳采用绳、带或链条。

本实施例的减速器具有较大的减速比达到“软自锁”的效果，或者在其中的某一级采用具有反向自锁特点的蜗轮蜗杆传动机构、螺纹传动机构或其他具有反向自锁特点的传动机构。减速器的软自锁或自锁，是为了保证当手指张开到位、电机停转后，手指仍然可以保持在张开的位置，不因扭簧的弹力而弯曲。

下面以食指3为例来说明该装置的工作原理：

本实施例中食指3的初始状态如图13，类似人手握紧的状态。食指3在食指第一扭簧310、食指第二扭簧311和食指第三扭簧312的作用下呈弯曲抓紧状态。

第一传感器(接近传感器110)检测到手指未张开到位，电机104正向转动，通过减速器105带动第一锥齿轮106第二锥齿轮107、不完全沟槽凸轮108转动，带动活动板109向下运动，使得食指腱绳313拉紧并使食指3逐渐张开。此时，当不完全沟槽凸轮108转到通孔结束的地方时，接近传感器110检测到手指已经张开到位，该信号反馈给控制模块，通过电机驱动模块使电机104停止转动，由于不完全沟槽凸轮仍有一小段边缘处于配合状态，由于减速器减速比较大，为一种软自锁状态，或者减速器具有自锁特点，故食指3保持在张开状态，如图16所示。此时，如果按下退出按钮，将退出程序。

当抓取按钮被手动按下或者当物体移动到手掌附近使得手掌表面的第二传感器检测到物体到位信号，此时，控制模块通过电机驱动模块控制电机104继续正向转动一个预设的小角度后停转，电机的转动会带动不完全沟槽凸轮108转动，不完全沟槽凸轮的开口部分达到与活动板的下挂钩的配合之处，不完全沟槽凸轮和活动板不再配合，腱绳312瞬时放松，此时，由于食指各扭簧的回复弹力作用将食指3各指段又快速拉回到最初弯曲抓紧的状态，从而手指把物体快速抓住，弹簧力提供了抓取物体的抓持力，且该抓取对于不同形状、尺寸的物体具有自适应效果。抓取中间过程如图18和图19所示。之后，如果按下退出按钮，将退出程序。

当张开按钮被手动按下，电机104继续正向转动，不完全沟槽凸轮108继续转动，直到不完全沟槽凸轮的边缘部分重新与活动板109的下挂钩相配合，从而食指腱绳313拉紧并使食指逐渐张开，物体被放开，直到第一传感器检测到手指张开到位的信号......其余过程同上。

拇指2比食指3减少了一个关节和一个指段。电机104正向转动，通过减速器105带动第一锥齿轮106、第二锥齿轮107、不完全沟槽凸轮108转动时，带动活动板109向下运动，从而拉动拇指第一关节轴上的拇指第一绳轮转动，其余过程与食指相同。

中指4、无名指5、小指6的结构和抓取原理均与食指3完全相同，不再赘述。

上述各种情况下，本发明所提出的该实施例装置都可以正常工作。

本发明装置利用电机、减速器、锥齿轮、不完全沟槽凸轮传动机构、腱绳-扭簧式手指传动机构、多传感器与控制模块综合实现了自动快速抓取物体的效果，抓取过程分为手指储能张开、手指张开到位检测、物体到位检测和瞬时释放抓取四个过程；该装置手指闭合快，抓取效率高，能够实现快速抓取；具有物体检测功能，当发现物体在手掌附近的抓取范围内时可以实现自动快速抓取；具有自动适应不同物体形状和尺寸的特点，抓取稳定性好；结构紧凑，手掌体积小，抓取空间大；传动平稳精确，传动效率高，机构简单，控制简单，重量轻，成本低；采用一个电机驱动多个手指的多个关节，外观和动作模仿人手，且对控制系统要求低；可用于拟人机器人上。

Claims (9)

1.一种凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，包括电机、减速器、手掌和至少两个手指，所述手掌为中空状的框架结构；所述电机固接于手掌中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；所述每个手指包括一根腱绳、n个指段、n个关节轴、n个绳轮和n个扭簧，其中，n至少为2，各手指的指段数量相同或不同；在每个手指中，所有关节轴两两相互平行，第1个关节轴活动套设于手掌中，第1个指段活动套接在第1个关节轴上，第i个关节轴活动套设于第i-1个指段中，第i个指段活动套接在第i个关节轴上，其中，i为2至n中的整数，其特征在于：该凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置还包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、不完全沟槽凸轮、凸轮轴、下挂钩和活动板；所述第一锥齿轮固定套接在减速器的输出轴上，所述第二锥齿轮固定套接在凸轮轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合；所述凸轮轴活动套设在手掌中；所述不完全沟槽凸轮固定套接在凸轮轴上；所述下挂钩的一端与不完全沟槽凸轮的沟槽相配合，下挂钩的另一端固定安装在活动板上；在每个手指中，第j个绳轮活动套接在第j个关节轴上，其中，j为1至n中的整数；在每个手指中，第1个扭簧套在第1个关节轴上，第1个扭簧的两端分别连接手掌和第1个指段，第k个扭簧套在第k个关节轴上，第k个扭簧的两端分别连接第k-1个指段和第k个指段，其中，k为2至n中的整数；当扭簧松弛时，手指呈弯曲抓紧状态；在每个手指中，所述腱绳的一端与活动板直接固接或者穿过活动板与第1个指段固接，所述腱绳依次缠绕经过第1个绳轮、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接，其中，m为从1到n的整数。

2.如权利要求1所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括q个活动板上挂钩、q个手指挂钩；所述上挂钩均分别固定安装在活动板上；所述手指挂钩均分别固定安装在手指的第1个指段上；所述腱绳的一端与第1个指段挂钩固接，依次穿过第1个活动板上挂钩、穿过第2个手指挂钩……穿过第p-1个活动板上挂钩、穿过第p个手指挂钩……穿过第q个活动板上挂钩、穿过第1个指段，依次缠绕经过第2个绳轮、穿过第2个指段……，依次缠绕经过第m个绳轮、穿过第m个指段……，依次缠绕经过第n个绳轮、穿过第n个指段，腱绳的另一端与第n个指段固接；其中，n为手指的指段数量，m为从1到n的整数，q为正整数，p为从1到q的整数。

3.如权利要求1或2所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于，还包括控制系统，该控制系统包括电机驱动模块、控制模块、第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和第二传感器安装在手掌或手指中，第一传感器和第二传感器分别通过信号线与控制模块输入端相连，第一传感器检测手指打开状态并反馈给控制模块；第二传感器检测物体到位状态并反馈给控制模块；所述控制模块的输出端通过信号线和电机驱动模块与电机相连。

4.如权利要求3所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第一传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或多种的组合。

5.如权利要求3所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述第二传感器采用角位移传感器、直线位移传感器、压力传感器和接近传感器中的一种或两种的组合。

6.如权利要求3所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述控制模块采用PLC、单片机、DSP或计算机。

7.如权利要求3所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括抓取按钮和张开按钮；所述抓取按钮和张开按钮分别与控制模块的输入端相连。

8.如权利要求3所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括编码器，所述编码器与控制模块相连。

9.如权利要求1或2所述的凸轮式快速抓取欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指有5个，包括拇指、食指、中指、无名指和小指，所述拇指包括2个指段和2个关节轴；所述食指、中指、无名指和小指结构相同，均包括3个指段和3个关节轴。

Images