CN100496903C - 机器人灵巧手手指基关节机构 - Google Patents

Abstract

机器人灵巧手手指基关节机构，它涉及一种机器人灵巧手手指。针对现有的机器人灵巧手手指基关节存在关节灵活性差、转动难度大问题。本发明的两套驱动系统设置在框架(1)内，差动机构(2)置于两套驱动系统中间，差动机构(2)由两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮组成，两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮装在关节轴上，两个主动锥齿轮与两个从动锥齿轮啮合，第一驱动系统(9)和第二驱动系统(10)将动力通过相应的主动锥齿轮传递给相应的从动锥齿轮，其中一个从动锥齿轮与二维力矩传感器(3)传动连接，电气控制板(6)、绝对位置传感器(8)和连接电路板(7)固定在框架(1)上。本发明的手指基关节的两个自由度是通过四个相互啮合的锥齿轮实现的，其整体结构紧凑，加工、装配容易。

Description

机器人灵巧手手指基关节机构

技术领域

本发明涉及一种机器人灵巧手手指。

背景技术

机器人灵巧手技术作为机器人技术的一个重要分支，经过几十年的发展取得了很好的成绩，也相继诞生了一些有代表性的灵巧手，比如Stanford/JPL(斯坦福研制的灵巧手)、Utan/M.I.T(麻省理工研制的灵巧手)、DLR(德国宇航中心研制的灵巧手)、NASA(美国宇航局研制的灵巧手)等等。上述这些灵巧手的进步之处主要体现在机械结构、驱动、传感、集成度以及控制等方面。但由于受到电机技术、电子产品制造技术等的限制，以往的灵巧手在集成度方面还没有达到令人满意的程度，比如Stanford/JPL手、Utan/M.I.T手以及商品化的Shadow手等，将驱动器等置于灵巧手的外部(如前臂内)，此时传递力的空间距离较远且路径不规则，通过腱(绳索)来实现传动。另一种传动方式，是通过齿轮、齿形皮带等的直接传动。直接传动方式具有腱传动无法比拟的优点，集成度高、可靠性高、迟滞小等。直接传动方式对驱动、减速机构与转动关节的空间位置有较高的要求，要求将电机、减速机构、传感以及电气等集成在手指或手掌内部。

目前已研制成功的灵巧手大多采用类似人手的自由度布置：4个关节、3个自由度。手指根部有2个关节(合称为基关节)、2个自由度，实现手指的弯曲和侧摆运动；手指部分有2个关节、1个自由度，两个关节通过机构耦合运动。有两个自由度的基关节主要有3种实现方式：两个垂直、但不交叉的轴，由两个驱动器分别独立的运动，结构简单、但降低了关节的灵活性；与人手基关节类似的球/孔结构，关节转动灵活、但实现难度大；

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人灵巧手手指基关节机构，它可解决现有的机器人灵巧手手指基关节采用两个垂直、但不交叉的轴，并由两个驱动器分别独立驱动的运动方式，存在基关节的灵活性差及采用与人手基关节类似的球/孔结构存在实现关节转动难度大的问题。

本发明由框架、差动机构、二维力矩传感器、两套驱动系统、关节轴、关节轴承、电气控制板、连接电路板、绝对位置传感器组成；所述两套驱动系统相对框架的纵向中心线对称设置在框架内，所述差动机构设置在框架内并置于两套驱动系统中间，两套驱动系统由第一驱动系统和第二驱动系统组成，差动机构由两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮组成，所述两个主动锥齿轮由第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮组成，所述两个从动锥齿轮由第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮组成，所述关节轴由长轴和两个半轴组成，所述两个半轴对称设置在长轴的两侧，且两个半轴的轴线与长轴的轴线垂直并相交，所述两个主动锥齿轮相对设置并装在长轴上，两个从动锥齿轮相对设置并分别装在相应的半轴上，且两个主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，所述长轴的两端通过关节轴承装在框架上，所述两个半轴分别与二维力矩传感器固接，所述第一驱动系统通过第一主动锥齿轮将动力传递给第一从动锥齿轮，所述第二驱动系统通过第二主动锥齿轮将动力传递给第二从动锥齿轮，第一从动锥齿轮与所述二维力矩传感器传动连接，所述电气控制板固定装在框架的下端，所述连接电路板固定装在框架的一侧端面上，所述绝对位置传感器固定装在框架上。

本发明具有以下有益效果：本发明的手指基关节机构有两个自由度，通过两个电机驱动高速齿形皮带、谐波减速器、低速齿形皮带和四个锥齿轮组成的差动机构实现手指的翘曲和侧摆运动，手指基关节两个自由度的运动通过差动机构的主动锥齿轮的运动合成实现。为了便于皮带的选择，两套驱动系统的电机、减速、传动结构相同，两个电机并排置于框架的底部，两个谐波减速器并排置于两个电机的上方。手指基关节的输出力矩是由两套驱动系统合成的，从而在相同的关节输出力矩下，有利于采用更小的驱动系统，最大限度地减小体积、降低重量，使结构更加紧凑，加工、装配更加容易。

附图说明

图1是本发明与机器人灵巧手手指连接的立体图，图2是差动机构2的结构示意图，图3是差动机构2与二维力矩传感器3装配在一起的结构示意图(二维力矩传感器3侧摆状态下)，图4是差动机构2与二维力矩传感器3装配在一起的结构示意图(二维力矩传感器3翘曲状态下)，图5是本发明的整体结构立体图(主视方向)，图6是本发明的整体结构立体图(后视方向)，图7是本发明的整体结构剖面图(沿框架1的中心轴线剖切)，图8是本发明的主视图，图9是图8的A-A剖面图，图10是图8的B-B剖面图，图11是本发明的机器人灵巧手手指基关节机构传动部分立体图，图12是图11的主视图，图13是图11的后视图，图14是绝对位置传感器8与框架1连接的结构示意图，图15是图14的左视图，图16是二维力矩传感器3的立体图，图17是基关节60在俯仰方向的限位结构示意图(基关节60不转动状态下)，图18是基关节60在俯仰方向的限位结构示意图(基关节60向前转动90°)，图19是基关节60在俯仰方向的限位结构示意图(基关节60向后转动20°)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图10和图14说明本实施方式，本实施方式由框架1、差动机构2、二维力矩传感器3、两套驱动系统、关节轴4、关节轴承5、电气控制板6、连接电路板7、绝对位置传感器8组成；所述两套驱动系统相对框架1的纵向中心线对称设置在框架1内，所述差动机构2设置在框架1内并置于两套驱动系统中间，两套驱动系统由第一驱动系统9和第二驱动系统10组成，差动机构2由两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮组成，所述两个主动锥齿轮由第一主动锥齿轮11和第二主动锥齿轮12组成，所述两个从动锥齿轮由第一从动锥齿轮13和第二从动锥齿轮14组成，所述关节轴4由长轴15和两个半轴16组成，所述两个半轴16对称设置在长轴15的两侧，且两个半轴16的轴线与长轴15的轴线垂直并相交，所述两个主动锥齿轮相对设置并装在长轴15上，两个从动锥齿轮相对设置并分别装在相应的半轴16上，且两个主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，所述长轴15的两端通过关节轴承5装在框架1上，所述两个半轴16分别与二维力矩传感器3固接，所述第一驱动系统9通过第一主动锥齿轮11将动力传递给第一从动锥齿轮13，所述第二驱动系统10通过第二主动锥齿轮12将动力传递给第二从动锥齿轮14，第一从动锥齿轮13与所述二维力矩传感器3传动连接，二维力矩传感器3通过四个M2的螺钉与手指55连接，所述电气控制板6固定装在框架1的下端，所述连接电路板7通过两个M1.6螺钉固定装在框架1的一侧端面上，所述绝对位置传感器8固定装在框架1上。如此设置，当第一主动锥齿轮11和第二主动锥齿轮12转动方向相同时，实现手指55的翘曲运动，运动范围为-20°～+90°；当第一主动锥齿轮11和第二主动锥齿轮12转动方向相反时，实现手指55的侧摆运动，运动范围为-20°～+20°。

具体实施方式二：结合图5、图17～图19说明本实施方式，本实施方式的框架1由左侧板17、右侧板18和中间框架19组成；所述中间框架19设置在左侧板17和右侧板18中间，并通过四个M2.5螺杆和三个

2定位销钉紧固为一体，有效地简化了结构，降低了重量；中间框架19的上端面设有限位平面56和限位斜面57。当手指基关节向前转动90°时，二维力矩传感器3将与中间框架19的限位平面56接触，限制手指基关节继续向前转动；当手指基关节向后转动20°时，二维力矩传感器3将与中间框架19的限位斜面57接触，限制手指基关节继续向后转动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图8、图9、图11～图15说明本实施方式，本实施方式的第一驱动系统9由第一电机20、第一带轮21、第一高速齿形皮带22、第二带轮23、第一谐波减速器轴25、第一谐波减速器26、第三带轮24、第一轴承27、第一低速齿形皮带28、第四带轮29、第一张紧轮30、第一张紧轮轴31、第二轴承32组成；所述第一电机20设置在框架1内的下方并与框架1固接，第一电机20的输出轴上装有第一带轮21，所述第一带轮21通过第一高速齿形皮带22与第二带轮23传动连接，所述第二带轮23、第三带轮24分别作为第一谐波减速器26的输入端和输出端固装在第一谐波减速器轴25上，所述第一谐波减速器26装在第一谐波减速器轴25上并与框架1固接，第一谐波减速器轴25的两端通过第一轴承27装在左侧板17和右侧板18上，所述第三带轮24通过第一低速齿形皮带28与第四带轮29传动连接，所述第四带轮29固装在所述长轴15上，所述第一张紧轮30设置在第三带轮24和第四带轮29之间，第一张紧轮30装在第一张紧轮轴31上，所述第一张紧轮轴31的两端通过第二轴承32装在左侧板17和中间框架19上，第一电机20为直流无刷电机。如此设置，具有结构设计合理，传动平稳、可靠的优点。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式中的第一电机20由maxon(瑞士)公司制造，型号为EC20(盘式)，功率为3V，供电电压为9V，连续输出转矩为4mNm；第一谐波减速器26由Harmonic Drive(日本)公司制造，型号为HDUC-5-80-2A-BLR，减速比为100：1，最大连续输出转矩为0.5Nm。

具体实施方式四：结合图8、图10～图15说明本实施方式，本实施方式的第二驱动系统10由第二电机33、第五带轮34、第二高速齿形皮带35、第六带轮36、第七带轮37、第二谐波减速器轴38、第二谐波减速器39、第三轴承40、第二低速齿形皮带41、第八带轮42、第二张紧轮43、第二张紧轮轴44、第四轴承45组成；所述第二电机33设置在框架1内的下方并与框架1固接，第二电机33的输出轴上装有第五带轮34，所述第五带轮34通过第二高速齿形皮带35与第六带轮36传动连接，所述第六带轮36、第七带轮37分别作为第二谐波减速器39的输入端和输出端固装在第二谐波减速器轴38上，所述第二谐波减速器39装在第二谐波减速器轴38上并与框架1固接，第二谐波减速器轴38的两端通过第三轴承40装在左侧板17和右侧板18上，所述第七带轮37通过第二低速齿形皮带41与第八带轮42传动连接，所述第八带轮42固装在所述长轴15上，所述第二张紧轮43设置在第七带轮37和第八带轮42之间，第二张紧轮43装在第二张紧轮轴44上，所述第二张紧轮轴44的两端通过第四轴承45装在右侧板18和中间框架19上，第二电机33直流无刷电机。如此设置，具有结构设计合理，传动平稳、可靠的优点。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式中的第二电机33由maxon(瑞士)公司制造，型号为EC20(盘式)，功率为3V，供电电压为9V，连续输出转矩为4mNm；第二谐波减速器39由Harmonic Drive(日本)公司制造，型号为HDUC-5-80-2A-BLR，减速比为100：1，最大连续输出转矩为0.5Nm。

具体实施方式五：结合9和图10说明本实施方式，本实施方式的两套驱动系统所对应的各级传动比相同，所述第一高速齿形皮带22的齿数与第二高速齿形皮带35的齿数相同，所述第一低速齿形皮带28的齿数与第二低速齿形皮带41的齿数相同，所述第一带轮21、第二带轮23、第三带轮24和第四带轮29的齿数分别与相对应的第五带轮34、第六带轮36、第七带轮37和第八带轮42的齿数相同。如此设置，便于安装定位。其它组成及连接关系与具体实施方式三、四相同。

具体实施方式六：结合图1、图4、图16说明本实施方式，本实施方式的二维力矩传感器3由刚性外环46、十字形梁47、连接架48、应变片59组成；所述刚性外环46的上端面设有内凹槽49，所述内凹槽49内设有十字形梁47，所述刚性外环46、十字形梁47和连接架48制成一体，十字形梁47为弹性体，十字形梁47的上表面粘贴应变片59，所述连接架48的一侧内表面上设有键槽50，第一从动锥齿轮13通过装在键槽50内的键51与所述二维力矩传感器3传动连接，所述基关节60向后转动20°位置处，连接架48的两个支架58与中间框架19的限位斜面57接触；所述基关节60向前转动90°位置处，连接架48的两个支架58与中间框架19的限位平面56接触。如此设置，采用十字形梁47，安装于手指基关节与手指部分的连接位置，通过键槽50和键51将第一从动锥齿轮13与二维力矩传感器3连接在一起，通过位置刚性外环46用四个M2螺钉与手指的第一指节的两个侧板连接在一起，十字形梁47作为传递力的唯一通道。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式的框架1和二维力矩传感器3均由铝合金材料制成，可减轻整体重量。其它组成及连接关系与具体实施方式一、六相同。

具体实施方式八：结合图9说明本实施方式，本实施方式的第一带轮21、第二带轮23、第三带轮24、第四带轮29由铝合金材料制成，可减轻整体重量。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：结合图10说明本实施方式，本实施方式的第五带轮34、第六带轮36、第七带轮37、第八带轮42由铝合金材料制成，可减轻整体重量。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式十：结合图14说明本实施方式，本实施方式的绝对位置传感器8由电路板54、霍尔敏感芯片52、磁钢53组成；所述电路板54与中间框架19固接，电路板54的两侧面分别固定装有霍尔敏感芯片52，与霍尔敏感芯片52相对应的第一张紧轮轴31的轴端和第二张紧轮轴44的轴端上分别粘贴有磁钢53。如此设置，用于测量两套驱动系统的位置。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1、一种机器人灵巧手手指基关节机构，它由框架(1)、差动机构(2)、二维力矩传感器(3)、两套驱动系统、关节轴(4)、关节轴承(5)、电气控制板(6)、连接电路板(7)、绝对位置传感器(8)组成；其特征在于所述两套驱动系统相对框架(1)的纵向中心线对称设置在框架(1)内，所述差动机构(2)设置在框架(1)内并置于两套驱动系统中间，两套驱动系统由第一驱动系统(9)和第二驱动系统(10)组成，差动机构(2)由两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮组成，所述两个主动锥齿轮由第一主动锥齿轮(11)和第二主动锥齿轮(12)组成，所述两个从动锥齿轮由第一从动锥齿轮(13)和第二从动锥齿轮(14)组成，所述关节轴(4)由长轴(15)和两个半轴(16)组成，所述两个半轴(16)对称设置在长轴(15)的两侧，且两个半轴(16)的轴线与长轴(15)的轴线垂直并相交，所述两个主动锥齿轮相对设置并装在长轴(15)上，两个从动锥齿轮相对设置并分别装在相应的半轴(16)上，且两个主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，所述长轴(15)的两端通过关节轴承(5)装在框架(1)上，所述两个半轴(16)分别与二维力矩传感器(3)固接，所述第一驱动系统(9)通过第一主动锥齿轮(1)将动力传递给第一从动锥齿轮(13)，所述第二驱动系统(10)通过第二主动锥齿轮(12)将动力传递给第二从动锥齿轮(14)，第一从动锥齿轮(13)与所述二维力矩传感器(3)传动连接，所述电气控制板(6)固定装在框架(1)的下端，所述连接电路板(7)固定装在框架(1)的一侧端面上，所述绝对位置传感器(8)固定装在框架(1)上。

2、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述框架(1)由左侧板(17)、右侧板(18)和中间框架(19)组成；所述中间框架(19)固定设置在左侧板(17)和右侧板(18)中间，中间框架(19)的上端面设有限位平面(56)和限位斜面(57)。

3、根据权利要求2所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述第一驱动系统(9)由第一电机(20)、第一带轮(21)、第一高速齿形皮带(22)、第二带轮(23)、第一谐波减速器轴(25)、第一谐波减速器(26)、第三带轮(24)、第一轴承(27)、第一低速齿形皮带(28)、第四带轮(29)、第一张紧轮(30)、第一张紧轮轴(31)、第二轴承(32)组成；所述第一电机(20)设置在框架(1)内的下方并与框架(1)固接，第一电机(20)的输出轴上装有第一带轮(21)，所述第一带轮(21)通过第一高速齿形皮带(22)与第二带轮(23)传动连接，所述第二带轮(23)、第三带轮(24)分别作为第一谐波减速器(26)的输入端和输出端固装在第一谐波减速器轴(25)上，所述第一谐波减速器(26)装在第一谐波减速器轴(25)上并与框架(1)固接，第一谐波减速器轴(25)的两端通过第一轴承(27)装在左侧板(17)和右侧板(18)上，所述第三带轮(24)通过第一低速齿形皮带(28)与第四带轮(29)传动连接，所述第四带轮(29)固装在所述长轴(15)上，所述第一张紧轮(30)设置在第三带轮(24)和第四带轮(29)之间，第一张紧轮(30)装在第一张紧轮轴(31)上，所述第一张紧轮轴(31)的两端通过第二轴承(32)装在左侧板(17)和中间框架(19)上。

4、根据权利要求2所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述第二驱动系统(10)由第二电机(33)、第五带轮(34)、第二高速齿形皮带(35)、第六带轮(36)、第七带轮(37)、第二谐波减速器轴(38)、第二谐波减速器(39)、第三轴承(40)、第二低速齿形皮带(41)、第八带轮(42)、第二张紧轮(43)、第二张紧轮轴(44)、第四轴承(45)组成；所述第二电机(33)设置在框架(1)内的下方并与框架(1)固接，第二电机(33)的输出轴上装有第五带轮(34)，所述第五带轮(34)通过第二高速齿形皮带(35)与第六带轮(36)传动连接，所述第六带轮(36)、第七带轮(37)分别作为第二谐波减速器(39)的输入端和输出端固装在第二谐波减速器轴(38)上，所述第二谐波减速器(39)装在第二谐波减速器轴(38)上并与框架(1)固接，第二谐波减速器轴(38)的两端通过第三轴承(40)装在左侧板(17)和右侧板(18)上，所述第七带轮(37)通过第二低速齿形皮带(41)与第八带轮(42)传动连接，所述第八带轮(42)固装在所述长轴(15)上，所述第二张紧轮(43)设置在第七带轮(37)和第八带轮(42)之间，第二张紧轮(43)装在第二张紧轮轴(44)上，所述第二张紧轮轴(44)的两端通过第四轴承(45)装在右侧板(18)和中间框架(19)上。

5、根据权利要求4所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述两套驱动系统所对应的各级传动比相同，所述第一高速齿形皮带(22)的齿数与第二高速齿形皮带(35)的齿数相同，所述第一低速齿形皮带(28)的齿数与第二低速齿形皮带(41)的齿数相同，所述第一带轮(21)、第二带轮(23)、第三带轮(24)和第四带轮(29)的齿数分别与相对应的第五带轮(34)、第六带轮(36)、第七带轮(37)和第八带轮(42)的齿数相同。

6、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述二维力矩传感器(3)由刚性外环(46)、十字形梁(47)、连接架(48)、应变片(59)组成；所述刚性外环(46)的上端面设有内凹槽(49)，所述内凹槽(49)内设有十字形梁(47)，所述刚性外环(46)、十字形梁(47)和连接架(48)制成一体，十字形梁(47)为弹性体，十字形梁(47)的上表面粘贴应变片(59)，所述连接架(48)的一侧内表面上设有键槽(50)，第一从动锥齿轮(13)通过装在键槽(50)内的键(51)与所述二维力矩传感器(3)传动连接，所述基关节(60)向后转动20°位置处，连接架(48)的两个支架(58)与中间框架(19)的限位斜面(57)接触；所述基关节(60)向前转动90°位置处，连接架(48)的两个支架(58)与中间框架(19)的限位平面(56)接触。

7、根据权利要求2所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述绝对位置传感器(8)由电路板(54)、霍尔敏感芯片(52)、磁钢(53)组成；所述电路板(54)与中间框架(19)固接，电路板(54)的两侧面分别固定装有霍尔敏感芯片(52)，与霍尔敏感芯片(52)相对应的第一张紧轮轴(31)的轴端和第二张紧轮轴(44)的轴端上分别粘贴有磁钢(53)。

8、根据权利要求1或6所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述框架(1)和二维力矩传感器(3)均由铝合金材料制成。

9、根据权利要求3所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述第一带轮(21)、第二带轮(23)、第三带轮(24)和第四带轮(29)由铝合金材料制成。

10、根据权利要求4所述的机器人灵巧手手指基关节机构，其特征在于所述第五带轮(34)、第六带轮(36)、第七带轮(37)和第八带轮(42)由铝合金材料制成。

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