双关节齿条耦合机器人手指装置 【技术领域】
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种双关节齿条耦合机器人手指装置的结构设计。
背景技术
毋庸置疑，手部是人体一个十分重要的器官。与人类相同，机械手也是机器人机构中一个十分重要的组成部分。机器人在日常工作过程中使用机械手进行各种动作，完成工作任务。由于机械手存在体积小、结构精巧、出力要求大和控制难度高等特点，目前机械手研发制造领域存在很多热点和难点问题。
首先介绍一下仿造人手多关节同时弯曲抓取物体模式的机械手“耦合”抓取模式。所说的“耦合”抓取物体模式就是指，当人手部抓取物体时，往往是各手指的各个关节同时弯曲。而将这种特点应用到机械手邻域，并且当各关节转动角度成一定的比例时称作机械手的“耦合”抓取模式。
已有的一种耦合式多关节机械手指装置(日本发明专利JP2004-130405A)，包括基座、电机、第一指段、第二指段、第三指段、第一齿轮传动机构、第一带轮传动机构、第二齿轮传动机构和第二带轮传动机构等。该装置采用齿轮传动机构和带轮传动机构综合设计了由一个电机驱动多个关节耦合转动的机构，可以作为机器人手的一个手指使用。该装置的不足之处为：手指装置中存在过渡轴，结构复杂，制造安装精度要求高。此外，该装置中存在带轮传动机构，需要对其进行预紧，导致了传动过程的不精确。
已有的一种耦合式两关节机器人手指装置(中国发明专利CN101100064A)，主要包括基座、电机、第一指段、第二指段和“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构。该装置采用一个电机、“8”字形钢丝绳和滑轮式传动机构实现了手指上两个关节的同向1∶1角度的耦合运动。该装置的不足之处为：由于存在“8”字形钢丝绳，需要对其进行预紧，绳子具有弹性，导致传动过程不精确；绳子被预紧得过紧容易绷断损坏，过松又会使得传动不准确。
【发明内容】
本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供一种双关节齿条耦合机器人手指装置，该装置可实现机器人手耦合抓取物体模式，无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与人的手指相似，可以作为拟人机器人手的手指使用。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种双关节齿条耦合机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与近关节轴相连，所述的近关节轴套设在基座中，近关节轴和中部指段套接，所述的远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行；
其特征在于：
本发明所述的一种双关节齿条耦合机器人手指装置，包括基座、电机、减速器、近关节轴、中部指段、远关节轴和末端指段；所述的电机和减速器均与基座固接，电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与近关节轴相连，所述的近关节轴套设在基座中，所述的远关节轴套设在中部指段中，近关节轴和远关节轴平行；
其特征在于：
该双关节齿条耦合机器人手指装置还包括第一齿轮、齿条、第二齿轮和簧件；所述的第一齿轮套接在近关节轴上，第一齿轮与基座固接，所述的第二齿轮套接在远关节轴上，所述的第二齿轮与末端指段固接；令齿条与第一齿轮的啮合点为A，齿条与第二齿轮的啮合点为B，第一齿轮的中心点为O1，第二齿轮的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成“8”字形，AB和O1O2的交点位于O1和O2之间，所述的齿条镶嵌在中部指段中；中部指段采用以下两种方式之一与近关节轴相连：
a)中部指段套固在近关节轴上；
b)中部指段套接在近关节轴上且中部指段通过簧件与近关节轴相连。
本发明所述的双关节齿条耦合机器人手指装置，其特征在于：减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴相连。
本发明所述的双关节齿条耦合机器人手指装置，其特征在于：所述的传动机构包括第三齿轮和第四齿轮；减速器的输出轴与第三齿轮固接，第三齿轮与第四齿轮相啮合，第四齿轮套固在近关节轴上。
本发明所述的双关节齿条耦合机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
该装置采用电机和齿轮齿条机构综合实现了双关节手指耦合抓取物体的特殊效果；该装置实现了机器人手耦合抓取物体模式，无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与人的手指相似，适合作为拟人机器人手的手指使用。
【附图说明】
图1是本发明提供的双关节齿条耦合机器人手指装置的实施例的正面外观图。
图2是本实施例的侧视图，也是图1的右侧视图。
图3是本实施例的正面剖视图，也是图1的剖视图。
图4是图3中的A-A剖视图。
图5是图4中的B-B剖面图，表达了齿条镶嵌在中部指段的位置和方式。
图6是本实施例地簧件的安装示意图。
图7本实施例的末端指段的安装示意图。
图8是本实施例的齿条特点说明图。
图9是与图8对应的A、B、O1和O2这四个点的连线图。
图10是本实施例的三维外观图。
图11是本实施例的传动机构三维外观图。
图12是本实施例的三维爆炸视图。
图13、图14和图15是本实施例抓握物体过程的几个关键位置侧面外观示意图。
在图1至图15中：
1-基座， 2-电机， 3-近关节轴，
4-中部指段， 5-远关节轴， 6-末端指段，
7-物体，
11-第一齿轮，12-齿条， 13-第二齿轮，
14-第三齿轮，15-第四齿轮，
21-减速器，
31-簧件，
41-第一凸台，42-第二凸台 43-第三凸台。
【具体实施方式】
下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理。
本发明设计的一种双关节齿条耦合机器人手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，包括基座1、电机2、减速器21、近关节轴3、中部指段4、远关节轴5和末端指段6；所述的电机2和减速器21均与基座1固接，电机2的输出轴与减速器21的输入轴相连，减速器21的输出轴与近关节轴3相连，所述的近关节轴3套设在基座1中，所述的远关节轴5套设在中部指段4中，近关节轴3和远关节轴5平行；
该双关节齿条耦合机器人手指装置还包括第一齿轮11、齿条12、第二齿轮13和簧件31；所述的第一齿轮11套接在近关节轴3上，第一齿轮11与基座1固接，所述的第二齿轮13套接在远关节轴5上，所述的第二齿轮13与末端指段6固接；令齿条12与第一齿轮11的啮合点为A，齿条12与第二齿轮13的啮合点为B，第一齿轮11的中心点为O1，第二齿轮13的中心点为O2，线段O1A、AB、BO2和O2O1构成“8”字形，AB和O1O2的交点位于O1和O2之间，所述的齿条12镶嵌在中部指段4中；中部指段4采用以下两种方式之一与近关节轴相连：
a)中部指段4套固在近关节轴3上；
b)中部指段4套接在近关节轴3上且中部指段通过簧件与近关节轴相连。
本实施例中还包括传动机构，减速器的输出轴通过传动机构与近关节轴3相连。
本实施例中，所述的传动机构包括第三齿轮14和第四齿轮15；减速器的输出轴与第三齿轮14固接，第三齿轮14与第四齿轮15相啮合，第四齿轮15套固在近关节轴3上。
本发明所述的双关节齿条耦合机器人手指装置，其特征在于：所述的簧件采用扭簧、拉簧、压簧、片簧或弹性绳。
本实施例中，所述的簧件31采用扭簧。
本实施例中，所述的第一凸台41连接簧件31一端并镶嵌固定在中部指段4上；所述的第二凸台42镶嵌固定在基座1和第一齿轮11上；所述的第三凸台43限制齿条12的位置并镶嵌固定在中部指段4上。
本实施例的工作原理，如图10、图11和图12，叙述如下：
该装置的初始位置如图10所示，此时中部指段4和末端指段6与基座1呈手指伸直的状态。当使用本实施例的机器人手指抓取物体7时，电机2的输出轴转动，经由减速器21通过第三齿轮11带动固接有第四齿轮12的近关节轴3转动，由于簧件31的约束作用，中部指段4和近关节轴3仿佛固接在一起，中部指段4将绕着近关节轴3转动角度α。
由于第一齿轮11固接在基座1上，在中部指段4转动过程中，远关节轴5相对于近关节轴3的位置将改变，由于齿条12下部与第一齿轮11啮合，故而中部指段4的转动会让齿条12拉动与其上部啮合的第二齿轮13绕远关节轴5的中心线转动角度β，第一齿轮11和第二齿轮13大小一致时，两关节的耦合转动角度相等，第一齿轮11和第二齿轮13也可以设计为不同大小，则将获得不同的耦合效果，由于第二齿轮13和远关节轴5固接在一起，使得远关节轴5绕自身轴线转动角度β。
此时，由于末端指段6套固在远关节轴5上，末端指段6也随之绕远关节轴5的中心线转动角度β，如图10所示。此过程直到中部指段4碰到物体7，中部指段绕近关节轴转动了角度θ，末端指段也绕远关节轴的中心线转动了角度φ，如图11所示。上述过程为两关节耦合方式转动。
该装置采用电机和齿轮齿条机构综合实现了双关节手指耦合抓取物体的特殊效果；该装置实现了机器人手耦合抓取物体模式，无过渡轴，结构简单；传动件无变形，不用预紧，传动过程精确，外形与人的手指相似，适合作为拟人机器人手的手指使用。