CN100522508C - 机器人灵巧手手指的手指关节 - Google Patents

Abstract

机器人灵巧手手指的手指关节，它涉及一种机器人手指的手指关节。本发明有效决解了现有的机器人灵巧手存在可靠性差、驱动系统表现滞后、位置精度差、结构复杂、可维修性差、传递力的空间距离较远的问题。电机(35)固定在第一指节外壳(61)内壁上，第一同步带轮(34)固装在电机(35)的输出轴上，第二同步带轮(31)固装在第一关节轴(20)上，谐波减速器(53)装在第一关节轴(20)上，传动件(18)装在谐波减速器(53)上，指尖一维力矩传感器(28)装在第二关节轴(26)上，第一关节钢丝轮(37)与第一指节外壳(61)的内壁连接，第二关节钢丝轮(39)与指尖一维力矩传感器(28)连接。本发明具有集成度高、可靠性高、位置精度高、迟滞小的优点。

Description

机器人灵巧手手指的手指关节

技术领域

本发明涉及一种机器人手指的手指关节。

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手、Utah/M.I.T手、DLR手、NASA手等等。一些进步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)，传递力的空间距离较远且路径不规则，这些灵巧手是通过腱(绳索)来实现传动的。腱传动系统的优点是：可以使驱动器与手指本体分离，有利于减小手指的尺寸和重量；腱传动在结构的紧凑性、灵活性、成本等方面具有最好的综合指标；腱传动是一种零回差的柔顺传动方式，因而可以简化力控制器的设计。但腱传动在实现空间布置自由的同时，有其不可避免的缺陷：由于腱的刚度是有限的，所以驱动系统表现出一定的滞后，从而影响位置精度，甚至引起高增益系统的不稳定；必须对腱进行预紧，这就增加了结构的复杂性和装配的难度；同时，预紧程度对驱动系统的性能有很大的影响，较大的预紧力会产生较大的摩擦力，而较小的预紧力会导致腱的松弛，腱的张力和波动如果很大，可能会激发系统的振荡，从而引起腱的不稳定或造成腱的损坏。同时，由于腱连接的路径复杂，端部、磨损等隐患的存在，影响了系统的可靠性、可维护性，当某根腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。

发明内容

本发明为了解决现有机器人灵巧手的手指关节存在的可靠性差、驱动系统表现滞后、位置精度差、结构复杂、可维修性差、传递力的空间距离较远的问题，进而提供了一种机器人灵巧手手指。

本发明的技术方案是：机器人灵巧手手指的手指关节包括第一指节外壳、第二指节外壳、末端指节外壳、第一关节轴、第二关节轴、电机；第一指节外壳的上端与第二指节外壳的下端通过第一关节轴转动连接，第二指节外壳的上端与末端指节外壳的下端通过第二关节轴转动连接；它还包括指尖一维力矩传感器、钢丝耦合传动机构、带传动机构、谐波减速器、传动件；所述的电机固定在第一指节外壳内壁上，带传动机构中的第一同步带轮固装在电机的输出轴上，带传动机构中的第二同步带轮固装在第一关节轴上，谐波减速器装在第一关节轴上，传动件装在谐波减速器上并与第二指节外壳的内壁固定连接，指尖一维力矩传感器装在第二关节轴上并与末端指节外壳的内壁固定连接，钢丝耦合传动机构中的第一关节钢丝轮与第一指节外壳的内壁连接，钢丝耦合传动机构中的第二关节钢丝轮装在末端指节外壳内并与指尖一维力矩传感器连接。

本发明具有以下有益效果：本发明的灵巧手手指的手指关节集成了驱动系统、传动系统、传感器系统等，并采用了开放式的设计结构，有效的降低了手指的维护难度和维修成本。本发明的传动方式为直接传动方式，直接传动方式具有集成度高、可靠性高、位置精度高、迟滞小的优点。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。灵巧手手指部分具有两个关节1个自由度，2个耦合关节，第一关节由电机直接驱动，第二关节的转动是通过钢丝结构耦合而成，且传动比为严格的1:1。指尖的输出力矩达到500mN·m。灵巧手手指的外形完全仿照人手的外形而设计且表面无任何电气系统布置及走线，该手指可做为一个小型机器人系统独立工作。

附图说明

图1是本发明的主视立体图，图2是图1的后视立体图，图3是本发明的主剖视图，图4是本发明的主视立体图(去掉第一指节左侧板1和第二指节左侧板3)，图5是图1的后视立体图(去掉指尖上盖6、第二指节上盖板4、第二指节右侧板10、第一指节上盖板2、第一指节右侧板11)，图6是图3的A-A剖视图；图7是本发明的第二指节左侧板3的后视图，图8是本发明的第二指节右侧板10的后视图，图9是本发明的第一指节左侧板1的主视图，图10是本发明的第一指节右侧板11的主视图，图11是手指弯曲结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式的机器人灵巧手手指的手指关节由第一指节外壳61、第二指节外壳62、末端指节外壳63、第一关节轴20、第二关节轴26、电机35、指尖一维力矩传感器28、钢丝耦合传动机构51、带传动机构52、谐波减速器53、传动件18组成；第一指节外壳61的上端与第二指节外壳62的下端通过第一关节轴20转动连接，第二指节外壳62的上端与末端指节外壳63的下端通过第二关节轴26转动连接；所述的电机35固定在第一指节外壳61的第一指节左侧板1上，带传动机构52中的第一同步带轮34固装在电机35的输出轴上，带传动机构52中的第二同步带轮31固装在第一关节轴20上，谐波减速器53装在第一关节轴20上，传动件18装在谐波减速器53上并与第二指节外壳62的内壁固定连接，指尖一维力矩传感器28装在第二关节轴26上并与末端指节外壳63的内壁固定连接，钢丝耦合传动机构51中的第一关节钢丝轮37与第一指节外壳61的内壁连接，钢丝耦合传动机构51中的第二关节钢丝轮39装在末端指节外壳63内并与指尖一维力矩传感器28连接。

本实施方案中所采用的电机35由maxon(瑞士)公司制造，型号为EC20直流无刷盘式电机，功率为3W，供电电压为12V，连续输出转矩为4mN·m。

具体实施方式二：如图1、图2所示，本实施方式所述的第一指节外壳61由第一指节左侧板1、第一指节右侧板11、第一指节指肚盖板12、第一指节上盖板2组成，所述的第一指节指肚盖板12的左侧边与第一指节上盖板2的左侧边通过第一指节左侧板1固定连接；第一指节指肚盖板12的右侧边与第一指节上盖板2的右侧边通过第一指节右侧板11固定连接。能够实现第一指节的稳固连接，并能够将驱动电机35和电路板44包围在指节内部、而不至于裸露在外侧。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1、图2所示，本实施方式所述的第二指节外壳62由第二指节左侧板3、第二指节右侧板10、第二指节指肚盖板9、第二指节上盖板4组成，所述的第二指节指肚盖板9的左侧边与第二指节上盖板4的左侧边通过第二指节左侧板3固定连接；所述的第二指节指肚盖板9的右侧边与第二指节上盖板4的右侧边通过第二指节右侧板10固定连接。采用这样的结构，能够实现第一指节的稳固连接，其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图7、图8、图9、图10、图11所示，本实施方式所述的第一指节左侧板1上设有左限位突起1-3，第一指节右侧板11上设有右限位突起11-3，所述的第一指节外壳61和第二指节外壳62所成的角度α为0度～90度。在手指伸直(极限位置0度)时，左限位突起1-3的第一限位面1-1和第二指节左侧板3的第一限位凹面3-1接触；右限位突起11-3的第二限位面11-1和第二指节右侧板10的第二限位凹面10-1接触。在手指弯曲成90度(极限位置)时，左限位突起1-3的第三限位面1-2和第二指节左侧板3的第三限位凹面3-2接触；右限位突起11-3的第四限位面11-2和第二指节右侧板10的第四限位凹面10-2接触。第二指节外壳62绕第一关节轴20转动时，第二指节外壳62与第一指节外壳61互相限位，从而实现了第一指节外壳61和第二指节外壳62在0度～90度的范围内弯曲运动。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1、图2所示，本实施方式所述的末端指节外壳63由指尖指肚7、指尖上盖6组成，指尖上盖6盖在指尖指肚7上并与指尖指肚7固定连接。采用这样的结构，能够形成类似人手手指尖部的指肚形状，其它组成和连接关系与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：如图4所示，本实施方式所述的带传动机构52由第一同步带轮挡板33、第一同步带轮34、K型同步带32、第二同步带轮31、第二同步带轮挡板30组成，所述的第一同步带轮挡板33固定装在第一同步带轮34的两侧端面上，第二同步带轮挡板30固定装在第二同步带轮31的两侧端面上，第一同步带轮34与第二同步带轮31通过K型同步带32连接。采用这样的结构，使手指传动机构路径简单，可靠性好，维修性好。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图3和图5所示，本实施方式所述的钢丝耦合传动机构51由第一关节钢丝轮37、两根钢丝38、第二关节钢丝轮39、钢丝预紧压板36、钢丝卡板40、钢丝预紧螺钉41、钢丝预紧块27组成，所述的两根钢丝38分别缠绕在第一关节钢丝轮37和第二关节钢丝轮39上并交叉成“8”字形，钢丝预紧板36固定在第一指节外壳61中的的内壁上，钢丝卡板40装在第二关节钢丝轮39上，钢丝预紧块27设置在第二关节钢丝轮39上，钢丝预紧螺钉41设置在钢丝预紧块27上。采用这样的结构，实现了手指部分两个关节的1：1耦合传动关系。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图3所示，本实施方式所述的谐波减速器53由波发生器16、谐波内套轴承19、谐波内套21、谐波柔轮23、谐波钢轮24组成，谐波内套21装在第一关节轴20上，谐波柔轮23装在谐波内套21上并与第一指节右侧板11固定，谐波钢轮24套在谐波柔轮23上，所述的波发生器16设置在谐波柔轮23内，谐波内套轴承19装在谐波内套21和第一关节轴20之间，谐波钢轮24与传动件18连接、完成谐波减速器的力矩输出。本实施方式所述的谐波减速器53与第一关节轴20同轴。采用这样的结构，在力矩的传递过程中减速平稳。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

所采用的谐波减速器53由Harmonic Drive(日本)公司制造，型号为HDUC-5-100-2A-BLR，减速比为100：1，最大连续输出转矩为0.5Nm。

具体实施方式九：如图3所示，本实施方式还包括第一关节左垫片17和第一关节右垫片22，所述的第一关节左垫片17设置在第一指节左侧板1与第二指节左侧板3的搭接处之间；所述的第一关节右垫片22设置在第一指节右侧板11与第二指节右侧板10的搭接处之间。第一关节左垫片17、第一关节右垫片22均由黄铜(Brass)材料制成。采用这样的结构，起到减小摩擦的作用，避免两个铝件之间的直接摩擦。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式十：如图3和图6所示，本实施方式还包括磁钢14、位置传感器电路板15、第一指节电路板44、第二指节电路板43、转接电路板42，所述的磁钢14固定在第二关节轴26端部的中心槽内，位置传感器电路板15位于磁钢14的左端并固定在第二指节外壳62的内壁上；第一指节电路板44装在第一指节外壳61的内壁上；第二指节电路板43装在第二指节外壳62的内壁上，所述的转接电路板42设置在指尖一维力矩传感器28的后端面上。采用这样的结构，具有可靠性高、连接方便等优点。转接电路板42使电路板与传感器可靠连接并固定，避免了两者之间连接线的伸长和缩短，提高了连接的可靠性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：电机35将输出的动力传递给带传动机构52中的第一同步带轮34，第一同步带轮34通过K型同步带32把动力传递给与第一关节轴20紧固连接的第二同步带轮31带动第一关节轴20转动，谐波减速器53的谐波钢轮24带动传动件18转动，传动件18带动第二指节外壳62绕第一关节轴20进行回转运动，钢丝耦合传动机构51中的第一关节钢丝轮37与第一指节外壳61连接，钢丝耦合传动机构51中的第二关节钢丝轮39与末端指节外壳63内的指尖一维力矩传感器28连接，当第二指节外壳62带动与其相连的末端指节外壳63绕第二关节轴26转动时，钢丝耦合传动机构51将使末端指节外壳63和第二指节外壳62的转动角度相同。

Claims (10)

1、一种机器人灵巧手手指的手指关节，它包括第一指节外壳(61)、第二指节外壳(62)、末端指节外壳(63)、第一关节轴(20)、第二关节轴(26)、电机(35)；第一指节外壳(61)的上端与第二指节外壳(62)的下端通过第一关节轴(20)转动连接，第二指节外壳(62)的上端与末端指节外壳(63)的下端通过第二关节轴(26)转动连接；其特征在于它还包括指尖一维力矩传感器(28)、钢丝耦合传动机构(51)、带传动机构(52)、谐波减速器(53)、传动件(18)；所述的电机(35)固定在第一指节外壳(61)内壁上，带传动机构(52)中的第一同步带轮(34)固装在电机(35)的输出轴上，带传动机构(52)中的第二同步带轮(31)固装在第一关节轴(20)上，谐波减速器(53)装在第一关节轴(20)上，传动件(18)装在谐波减速器(53)上并与第二指节外壳(62)的内壁固定连接，指尖一维力矩传感器(28)装在第二关节轴(26)上并与末端指节外壳(63)的内壁固定连接，钢丝耦合传动机构(51)中的第一关节钢丝轮(37)与第一指节外壳(61)的内壁连接，钢丝耦合传动机构(51)中的第二关节钢丝轮(39)装在末端指节外壳(63)内并与指尖一维力矩传感器(28)连接。

2、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的第一指节外壳(61)由第一指节左侧板(1)、第一指节右侧板(11)、第一指节指肚盖板(12)、第一指节上盖板(2)组成，所述的第一指节指肚盖板(12)的左侧边与第一指节上盖板(2)的左侧边分别与第一指节左侧板(1)固定连接；第一指节指肚盖板(12)的右侧边与第一指节上盖板(2)的右侧边分别与第一指节右侧板(11)固定连接。

3、根据权利要求2所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的第二指节外壳(62)由第二指节左侧板(3)、第二指节右侧板(10)、第二指节指肚盖板(9)、第二指节上盖板(4)组成，所述的第二指节指肚盖板(9)的左侧边与第二指节上盖板(4)的左侧边分别与第二指节左侧板(3)固定连接；所述的第二指节指肚盖板(9)的右侧边与第二指节上盖板(4)的右侧边分别与第二指节右侧板(10)固定连接。

4、根据权利要求3所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的第一指节左侧板(1)上设有左限位突起(1-3)，第一指节右侧板(11)上设有右限位突起(11-3)，所述的第一指节外壳(61)和第二指节外壳(62)所成的角度α为0度～90度。

5、根据权利要求3或4所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的末端指节外壳(63)由指尖指肚(7)、指尖上盖(6)组成，指尖上盖(6)盖在指尖指肚(7)上并与指尖指肚(7)固定连接。

6、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的带传动机构(52)由第一同步带轮挡板(33)、第一同步带轮(34)、K型同步带(32)、第二同步带轮(31)、第二同步带轮挡板(30)组成，所述的第一同步带轮挡板(33)固定装在第一同步带轮(34)的两侧端面上，第二同步带轮挡板(30)固定装在第二同步带轮(31)的两侧端面上，第一同步带轮(34)与第二同步带轮(31)通过K型同步带(32)连接。

7、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的钢丝耦合传动机构(51)由第一关节钢丝轮(37)、两根钢丝(38)、第二关节钢丝轮(39)、钢丝预紧压板(36)、钢丝卡板(40)、钢丝预紧螺钉(41)、钢丝预紧块(27)组成，所述的两根钢丝(38)分别缠绕在第一关节钢丝轮(37)和第二关节钢丝轮(39)上并交叉成“8”字形，钢丝预紧板(36)固定在第一指节外壳(61)的内壁上，钢丝卡板(40)装在第二关节钢丝轮(39)上，钢丝预紧块(27)设置在第二关节钢丝轮(39)上，钢丝预紧螺钉(41)设置在钢丝预紧块(27)上。

8、根据权利要求2所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于所述的谐波减速器(53)由波发生器(16)、谐波内套轴承(19)、谐波内套(21)、谐波柔轮(23)、谐波钢轮(24)组成，谐波内套(21)装在第一关节轴(20)上，谐波柔轮(23)装在谐波内套(21)上并与第一指节右侧板(11)固定，谐波钢轮(24)套在谐波柔轮(23)上，所述的波发生器(16)设置在谐波柔轮(23)内，谐波内套轴承(19)装在谐波内套(21)和第一关节轴(20)之间，谐波钢轮(24)与传动件(18)连接。

9、根据权利要求3所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于它还包括第一关节左垫片(17)和第一关节右垫片(22)，所述的第一关节左垫片(17)设置在第一指节左侧板(1)与第二指节左侧板(3)的搭接处之间；所述的第一关节右垫片(22)设置在第一指节右侧板(11)与第二指节右侧板(10)的搭接处之间。

10、根据权利要求1所述的机器人灵巧手手指的手指关节，其特征在于它还包括磁钢(14)、位置传感器电路板(15)、第一指节电路板(44)、第二指节电路板(43)、转接电路板(42)，所述的磁钢(14)固定在第二关节轴(26)端部的中心槽内，位置传感器电路板(15)位于磁钢(14)的左端并固定在第二指节外壳(62)的内壁上；第一指节电路板(44)装在第一指节外壳(61)的内壁上；第二指节电路板(43)装在第二指节外壳(62)的内壁上；所述的转接电路板(42)设置在指尖一维力矩传感器(28)的后端面上。

Images