CN100581757C - 预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构 - Google Patents

Abstract

预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构，它涉及一种机器人灵巧手手指基关节传动机构。针对现有的机器人灵巧手手指基关节结构复杂、加工成本高，难以实现预紧和传动间隙调整问题。第一、二驱动装置固装在第一、二座架上，第一关节轴穿过第二关节轴中部的径向中心锥孔，第一关节轴上固装有两个主动锥齿轮，第二关节轴上固装有两个从动锥齿轮，主、从动锥齿轮啮合，第一关节轴与两个驱动装置通过两个带传动机构传动连接，第一、二座架的下端通过螺纹连接件紧固连接，上端套装在转动轴上，第一关节轴与转动轴通过两个固定杆连接。本发明具有结构简单、加工成本高，可实现预紧和传动间隙调整的优点。

Description

预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构

技术领域

本发明涉及一种机器人灵巧手手指基关节传动机构。

背景技术

机器人灵巧手作为机器人与环境相互作用的末端操作器，其灵活性、传感器等对机器人的操作具有重要的影响。灵巧手技术已经成为机器人领域的一个重要研究方向，许多国家都在从事灵巧手的研究，也相继研制出了一些有代表性的灵巧手，技术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。根据驱动、减速等器件相对手本体的放置，灵巧手可以划分为外置式和内置式两种结构形式。外置式的灵巧手典型代表是NASA手(美国宇航局研制的灵巧手)和Shadow手，将驱动电机、减速器及相关电气系统等放在灵巧手本体外部的前臂内，外置式布置的缺点是远距离、腱传动等，影响系统的刚度、降低可靠性、可维护性等；而内置式灵巧手将所有的电机、减速装置等均集成在手指或手掌内，极大地提高了系统的集成度，典型代表是DLR II灵巧手(德国宇航中心研制的灵巧手)，内置式灵巧手布置有利于实现模块化、集成化设计，增强了系统的互换性、可维护性，并且为灵巧手在机器人末端的偏转提供了极大的方便。

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：四个关节、三个自由度。手指根部有两个关节(合称为基关节)、两个自由度，实现手指的弯曲和侧摆运动；手指部分有两个关节、一个自由度，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三种实现方式：两个垂直但不交叉的轴，与人手基关节类似的球/孔结构，四个伞齿轮组成的差动机构；在内置式灵巧手基关节传动中，较多地采用齿轮、齿形皮带等传动。在基关节传动中，采用齿形皮带较刚性齿轮更加具有灵活性，但由于受空间的限制，难以实现皮带的预紧和间隙调整，且结构复杂、加工成本高。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的机器人灵巧手手指基关节结构复杂、加工成本高以及受空间的限制，难以实现预紧和传动间隙调整的问题，进而提供一种结构简单、加工成本低、预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的手指基关节传动机构包括差动机构和两个驱动装置；所述手指基关节传动机构还包括皮带预紧机构、基关节侧摆方向的限位机构、第一螺母、第二螺母、两个第三螺母和连接件；所述基关节侧摆方向的限位机构由第一关节轴和第二关节轴组成，所述皮带预紧机构由两个带传动机构、框架组件、转动轴和螺纹连接件组成；

所述差动机构由两个主动锥齿轮和两个从动锥齿轮组成，所述框架组件由两个固定杆、第一转动架、第二转动架、第一座架和第二座架组成，所述两个驱动装置分别是第一驱动装置和第二驱动装置；所述第一座架和第二座架相对设置，所述第一驱动装置和第二驱动装置并列且反向设置并分别固装在第一座架和第二座架上，所述差动机构设置在两个驱动装置正上方的中间位置上，所述第一关节轴设置在两个驱动装置的正上方，且位于两个驱动装置之间的纵向中心面上，第一关节轴穿过第二关节轴中部的径向中心锥孔，第二关节轴两侧的第一关节轴上各固装有一个相对设置的主动锥齿轮，第一关节轴两侧的第二关节轴上各固装有一个相对设置的从动锥齿轮，每个主动锥齿轮分别与两个从动锥齿轮啮合，第一关节轴的两端与两个驱动装置的输出轴之间通过两个带传动机构传动连接，两个从动锥齿轮外端的第二关节轴上装有连接件，第二关节轴的一个轴端装有用于轴向定位的第一螺母，第一座架的下端和第二座架的下端通过螺纹连接件紧固连接，第一座架的上端和第二座架的上端套装在转动轴上，所述转动轴设置在第一关节轴的正下方，第一关节轴的两端与转动轴的两端之间通过两个固定杆连接，第一关节轴的一个轴端装有用于轴向定位的第二螺母，所述第一驱动装置的输出轴上固装有第一转动架，所述第二驱动装置的输出轴上固装有第二转动架，所述第一转动架的两端分别装在转动轴的一端上和第一座架上，所述第二转动架的两端分别装在转动轴的另一端上和第二座架上，第一转动架和第二转动架通过与转动轴两端螺纹连接的第三螺母轴向定位。

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，通过两个驱动装置、两个具有对称的预紧和传动间隙调整的齿形皮带及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，各部件通过结构简单、易于加工的框架组件连接。两套驱动装置结构相同且并排置于基关节的下方。基关节的输出力矩是由两个驱动装置合成的，可起到增力作用。两个驱动装置可相对转动轴(与基关节的转动轴有距离)转动，通过螺纹连接件产生的预紧力作用在两个驱动装置之间，从而完成两套齿形皮带的对称预紧和间隙调整，并保证两套驱动装置具有相同的预紧力、具有更合理的力平衡效果。此外，本发明还具有结构简单、加工成本低的优点。

附图说明

图1是本发明的机器人灵巧手手指基关节的立体结构图，图2是本发明的机器人灵巧手手指基关节的主视图，图3是差动机构6的结构示意图，图4是差动机构6与两个关节轴和连接件7组成在一起的立体图(即基关节)，图5是图4的A-A剖面图，图6是本发明的整体结构主剖视图，图7是框架组件3与两个带传动机构及转动轴8装配在一起的结构简图(即预紧机构)，图8是本发明的整体结构主视图，图9是第一关节轴9与第二关节轴10及连接件7装配在一起的主视图，图10是图9的B-B剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式的手指基关节传动机构包括差动机构6和两个驱动装置；所述手指基关节传动机构还包括皮带预紧机构、基关节侧摆方向的限位机构、第一螺母14、第二螺母15、两个第三螺母16和连接件7；所述基关节侧摆方向的限位机构由第一关节轴9和第二关节轴10组成，所述皮带预紧机构由两个带传动机构20、框架组件3、转动轴8和螺纹连接件11组成；所述差动机构6由两个主动锥齿轮1和两个从动锥齿轮2组成，所述框架组件3由两个固定杆21、第一转动架22、第二转动架23、第一座架24和第二座架25组成，所述两个驱动装置分别是第一驱动装置4和第二驱动装置5；所述第一座架24和第二座架25相对设置，所述第一驱动装置4和第二驱动装置5并列且反向设置并分别固装在第一座架24和第二座架25上，所述差动机构6设置在两个驱动装置正上方的中间位置上，所述第一关节轴9设置在两个驱动装置的正上方，且位于两个驱动装置之间的纵向中心面上，第一关节轴9穿过第二关节轴10中部的径向中心锥孔17，第二关节轴10两侧的第一关节轴9上各固装有一个相对设置的主动锥齿轮1，第一关节轴9两侧的第二关节轴10上各固装有一个相对设置的从动锥齿轮2，每个主动锥齿轮1分别与两个从动锥齿轮2啮合，第一关节轴9的两端与两个驱动装置的输出轴之间通过两个带传动机构20传动连接，两个从动锥齿轮2外端的第二关节轴10上装有连接件7，第二关节轴10的一个轴端装有用于轴向定位的第一螺母14，第一座架24的下端和第二座架25的下端通过螺纹连接件11紧固连接，第一座架24的上端和第二座架25的上端套装在转动轴8上，所述转动轴8设置在第一关节轴9的正下方，第一关节轴9的两端与转动轴8的两端之间通过两个固定杆21连接，第一关节轴9的一个轴端装有用于轴向定位的第二螺母15，所述第一驱动装置4的输出轴12上固装有第一转动架22，所述第二驱动装置5的输出轴13上固装有第二转动架23，所述第一转动架22的两端分别装在转动轴8的一端上和第一座架24上，所述第二转动架23的两端分别装在转动轴8的另一端上和第二座架25上，第一转动架22和第二转动架23通过与转动轴8两端螺纹连接的第三螺母16轴向定位，所述螺纹连接件11为螺钉。

两个驱动装置通过齿形皮带28将动力传递给两个主动锥齿轮1，两个主动齿轮1同时作用于两个从动锥齿轮2上，靠近第一螺母14一侧的从动锥齿轮2相对关节轴9转动，实现基关节的侧摆运动，另一从动锥齿轮2相对轴10可自由转动；第一关节轴9和第二关节轴10正交设置，第一关节轴9穿过第二关节轴10，第一关节轴9固定不动，当基关节转动时，第二关节轴10相对第一关节轴9做俯仰和侧摆方向的运动，通过第二关节轴10的径向中心锥孔17实现基关节侧摆方向的机械限位。连接件7与灵巧手手指的三个指节和两个末端基关节部分连接，实现基关节侧摆方向的机械限位，手指基关节俯仰方向没有机械限位，能够实现-90度～+90度的运动。采用差动机构6合成实现基关节的两个自由度，当两个主动锥齿轮1同速、同方向转动时，从动锥齿轮2、连接件7和第二关节轴10绕第一关节轴9转动，实现基关节俯仰运动；当两个主动锥齿轮1同速、相反转动时，从动锥齿轮2、连接件7和第二关节轴10绕第二关节轴10自身的轴线转动，从而实现基关节侧摆方向的转动。

具体实施方式二：结合图1、图2、图5、图6、图8～图10说明本实施方式，本实施方式的每个带传动机构20由小带轮26、大带轮27、齿形皮带28、第一轴承29和第二轴承30组成；所述第一驱动装置4的输出轴12上装有第一轴承29和小带轮26，所述第二驱动装置5的输出轴13上装有第一轴承29和小带轮26，所述第一关节轴9上的两端同时装有第二轴承30和大带轮27，所述第二轴承30和大带轮27位于固定杆21与主动锥齿轮1之间，所述每个小带轮26和大带轮27之间通过齿形皮带28传动连接。本实施方式通过框架组件3将差动机构6、关节轴9、转动轴8、第一驱动轴12和第二驱动轴13连接起来，实现两个驱动装置绕转动轴8的转动；螺纹连接件11将固定两套驱动装置的第一座架24和第二座架25连接起来，形成两个驱动装置在齿形皮带28传动作用下的预紧力，螺纹连接件11相对转动轴8的力平衡，从而达到齿形皮带28预紧和间隙调整的目的，并增加了基关节力矩传感器的过载保护功能，两套驱动装置与齿形皮带28具有相同的预紧力。两个带轮是否有挡板存在，均在本专利的要求范围内。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1和图2说明本实施方式，本实施方式的第一驱动装置4和第二驱动装置5均由电机31和减速器32组成，所述电机31的输出轴与减速器32的输入轴传动连接。如此设置，电机31和减速器32可直接连接，也可通过齿轮或齿形皮带连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一座架24下端的连接耳33上设有通孔，所述第二座架25下端的连接耳34上设有螺纹孔，所述螺纹连接件11穿过第一座架24下端连接耳33上的通孔与第二座架25下端连接耳34上的螺纹孔螺纹连接，第一座架24的上端设有连接套35，第二座架25的上端设有连接耳套36，第一座架24上的连接套35和第二座架25上的连接耳套36套装在转动轴8上。如此设置，结构简单、连接可靠。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (4)

1、一种预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构，所述手指基关节传动机构包括差动机构(6)和两个驱动装置；其特征在于：所述手指基关节传动机构还包括皮带预紧机构、基关节侧摆方向的限位机构、第一螺母(14)、第二螺母(15)、两个第三螺母(16)和连接件(7)；所述基关节侧摆方向的限位机构由第一关节轴(9)和第二关节轴(10)组成，所述皮带预紧机构由两个带传动机构(20)、框架组件(3)、转动轴(8)和螺纹连接件(11)组成；所述差动机构(6)由两个主动锥齿轮(1)和两个从动锥齿轮(2)组成，所述框架组件(3)由两个固定杆(21)、第一转动架(22)、第二转动架(23)、第一座架(24)和第二座架(25)组成，所述两个驱动装置分别是第一驱动装置(4)和第二驱动装置(5)；所述第一座架(24)和第二座架(25)相对设置，所述第一驱动装置(4)和第二驱动装置(5)并列且反向设置并分别固装在第一座架(24)和第二座架(25)上，所述差动机构(6)设置在两个驱动装置正上方的中间位置上，所述第一关节轴(9)设置在两个驱动装置的正上方，且位于两个驱动装置之间的纵向中心面上，第一关节轴(9)穿过第二关节轴(10)中部的径向中心锥孔(17)，第二关节轴(10)两侧的第一关节轴(9)上各固装有一个相对设置的主动锥齿轮(1)，第一关节轴(9)两侧的第二关节轴(10)上各固装有一个相对设置的从动锥齿轮(2)，每个主动锥齿轮(1)分别与两个从动锥齿轮(2)啮合，第一关节轴(9)的两端与两个驱动装置的输出轴之间通过两个带传动机构(20)传动连接，两个从动锥齿轮(2)外端的第二关节轴(10)上装有连接件(7)，第二关节轴(10)的一个轴端装有用于轴向定位的第一螺母(14)，第一座架(24)的下端和第二座架(25)的下端通过螺纹连接件(11)紧固连接，第一座架(24)的上端和第二座架(25)的上端套装在转动轴(8)上，所述转动轴(8)设置在第一关节轴(9)的正下方，第一关节轴(9)的两端与转动轴(8)的两端之间通过两个固定杆(21)连接，第一关节轴(9)的一个轴端装有用于轴向定位的第二螺母(15)，所述第一驱动装置(4)的输出轴(12)上固装有第一转动架(22)，所述第二驱动装置(5)的输出轴(13)上固装有第二转动架(23)，所述第一转动架(22)的两端分别装在转动轴(8)的一端上和第一座架(24)上，所述第二转动架(23)的两端分别装在转动轴(8)的另一端上和第二座架(25)上，第一转动架(22)和第二转动架(23)通过与转动轴(8)两端螺纹连接的第三螺母(16)轴向定位。

2、根据权利要求1所述的预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构，其特征在于：每个所述带传动机构(20)由小带轮(26)、大带轮(27)、齿形皮带(28)、第一轴承(29)和第二轴承(30)组成；所述第一驱动装置(4)的输出轴(12)上装有第一轴承(29)和小带轮(26)，所述第二驱动装置(5)的输出轴(13)上装有第一轴承(29)和小带轮(26)，所述第一关节轴(9)上的两端同时装有第二轴承(30)和大带轮(27)，所述第二轴承(30)和大带轮(27)位于固定杆(21)与主动锥齿轮(1)之间，每个所述小带轮(26)和大带轮(27)之间通过齿形皮带(28)传动连接。

3、根据权利要求1所述的预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构，其特征在于：所述第一驱动装置(4)和第二驱动装置(5)均由电机(31)和减速器(32)组成，所述电机(31)的输出轴与减速器(32)的输入轴传动连接。

4、根据权利要求1所述的预紧和传动间隙可调的机器人灵巧手手指基关节传动机构，其特征在于：所述第一座架(24)下端的连接耳(33)上设有通孔，所述第二座架(25)下端的连接耳(34)上设有螺纹孔，所述螺纹连接件(11)穿过第一座架(24)下端连接耳(33)上的通孔与第二座架(25)下端连接耳(34)上的螺纹孔螺纹连接，第一座架(24)的上端设有连接套(35)，第二座架(25)的上端设有连接耳套(36)，第一座架(24)上的连接套(35)和第二座架(25)上的连接耳套(36)套装在转动轴(8)上。

Images