CN101570024B - 拇指两自由度根部关节装置 - Google Patents

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Abstract

拇指两自由度根部关节装置，属于拟人机器人手技术领域，包括拇指、基座、摆动机构和张合机构；摆动机构包括第一电机和第一转轴；张合机构包括第二电机、第二转轴、主动拨盘、第一连杆、套环、套筒、第二连杆和拇指连杆。该装置采用双电机、套环、套筒、连杆和拨盘综合实现了拇指根部的摆动和张合两自由度灵巧动作，同时结构简单、紧凑，成本低，容易控制。该装置适用于拟人机器人手，可以增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化。

Description

拇指两自由度根部关节装置
技术领域
本发明属于拟人机器人手技术领域，特别涉及一种拇指两自由度根部关节装置的结构设计。
背景技术
人们在对智能机器人的研究中，把拟人机器人作为机器人研究的最高境界，也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。与人类似，拟人机器人的多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。
已有的一种机器人手装置，如中国发明专利CN101214653A，其拇指由一个电机通过减速器驱动作摆动运动。该装置的不足之处在于：拇指根部关节仅有一个自由度，使得拇指整体绕其根部关节只能作从手掌正对面到手掌侧面的摆动动作(称为摆动动作)，不能实现拇指绕根部关节向食指并拢或张开的动作(称为张合动作)，与人手拇指同时具有摆动和张合两大动作功能存在较大差距，不够拟人化，不利于拇指以不同姿态更灵巧地抓取物体，不便于对不同尺寸、形状的物体进行稳定抓取。
有不少机械手的拇指根部关节具有两自由度运动，如德国的NAIST手、中国的HIT/DLR手等，这些机械手的拇指根部关节装置主要采用精密的差动轮系来实现，其不足之处在于：该装置要求制造精度高、装配和维修困难，制造和维修成本都很高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种拇指两自由度根部关节装置，该装置可以实现机器人手的拇指根部具有摆动和张合两个自由度的灵巧动作，适用于拟人机器人手，增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化，同时结构简单、紧凑，成本低，容易控制。
本发明采用如下技术方案：
一种拇指两自由度根部关节装置，包括拇指2、基座1和摆动机构3；所述的摆动机构3包括第一电机32和第一转轴11；所述的第一电机32固接在基座1中，所述第一电机32的输出轴与第一转轴11相连，所述的第一转轴11套设在基座1中；其特征在于：所述的拇指两自由度根部关节装置还包括张合机构4，该张合机构4包括第二电机42、第二转轴12、主动拨盘44、第一连杆451、套环461、套筒462、第二连杆452和拇指连杆453；所述的第二电机42固接在基座1中；所述的第二电机42的输出轴与第二转轴12相连；所述的第二转轴12套设在基座1中；所述的主动拨盘44套固在第二转轴12上；所述的第一连杆451的一端与主动拨盘44铰接，第一连杆451的另一端与套环461铰接；所述的套环461嵌套在套筒462的槽中；所述的套筒462套接在第一转轴11上；所述的第二连杆452的一端与套筒462通过第一连接轴471铰接；第二连杆452的另一端与拇指连杆453的中部通过第二连接轴472铰接；所述的拇指连杆453的一端与第一转轴11通过第三连接轴473铰接，第三连接轴473的中心线与第一转轴11中心线垂直；所述的第一连接轴471、第二连接轴472和第三连接轴473的中心线相互平行；拇指连杆453的另一端与拇指2固接。
上述技术方案中，优选方案是所述的第一转轴11的中心线与第二转轴12的中心线垂直。
本发明所述的摆动机构3还包括第一减速器33、第一锥齿轮311和第二锥齿轮312；所述第一电机32的输出轴与第一减速器33的输入轴相连，所述的第一锥齿轮311套固在第一减速器33的输出轴上，第一锥齿轮311与第二锥齿轮312相啮合，第二锥齿轮312套固在第一转轴11上。
本发明所述的张合机构4还包括第二减速器43、第三锥齿轮411和第四锥齿轮412；所述第二电机42的输出轴与第二减速器43的输入轴相连，所述的第三锥齿轮411套固在第二减速器43的输出轴上，第三锥齿轮411与第四锥齿轮412相啮合，第四锥齿轮412套固在第二转轴12上。
本发明具有以下优点及突出性效果：
本发明的拇指两自由度根部关节装置采用双电机、套环-套筒和连杆-拨盘综合实现了拇指根部的摆动和张合两自由度灵巧动作，同时结构简单、紧凑，成本低，容易控制；该装置适用于拟人机器人手，可以增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化。
附图说明
图1是本发明提供的拇指两自由度根部关节装置的一种实施例的手掌剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面，虎口闭合，从手掌正面观察。
图2是图1在A-A处的剖视图。
图3是图1在B-B处的剖视图。
图4是图1所示实施例的侧面外观图，此时拇指已摆动到手掌的正面。
图5是图1所示实施例的手掌剖视图，此时拇指已摆动到手掌侧面，虎口张开，从手掌正面观察。
图6是图1所示实施例的手掌外观图，此时拇指已张开。
图7是图1所示实施例的手背外观图，此时拇指已张开。
在图1至图7中：
1-基座             11-第一转轴        12-第二转轴
131-手掌前板       132-手掌背板
2-拇指
3-摆动机构         311第一锥齿轮      312-第二锥齿轮
32-第一电机        33-第一减速器
4-张合机构
411-第三锥齿轮    412-第四锥齿轮    42-第二电机
43-第二减速器     44-主动拨盘
451-第一连杆      452-第二连杆      453-拇指连杆
461-套环          462-套筒
471-第一连接轴    472-第二连接轴    473-第三连接轴
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。
本发明所述的一种拇指两自由度根部关节装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，包括拇指2、基座1和摆动机构3。
本实施例中，所述的摆动机构3包括第一电机32和第一转轴11；所述的第一电机32固接在基座1中，所述第一电机32的输出轴与第一转轴11相连，所述的第一转轴11套设在基座1中；张合机构4，该张合机构4包括第二电机42、第二转轴12、主动拨盘44、第一连杆451、套环461、套筒462、第二连杆452和拇指连杆453；所述的第二电机42固接在基座1中；所述的第二电机42的输出轴与第二转轴12相连；所述的第二转轴12套设在基座1中；所述的主动拨盘44套固在第二转轴12上；所述的第一连杆451的一端与主动拨盘44铰接，第一连杆451的另一端与套环461铰接；所述的套环461嵌套在套筒462的槽中；所述的套筒462套接在第一转轴11上；所述的第二连杆452的一端与套筒462通过第一连接轴471铰接；第二连杆452的另一端与拇指连杆453的中部通过第二连接轴472铰接；所述的拇指连杆453的一端与第一转轴11通过第三连接轴473铰接，第三连接轴473的中心线与第一转轴11中心线垂直；所述的第一连接轴471、第二连接轴472和第三连接轴473的中心线相互平行；拇指连杆453的另一端与拇指2固接。
本实施例中，所述的摆动机构3还包括第一减速器33、第一锥齿轮311和第二锥齿轮312；所述第一电机32的输出轴与第一减速器33的输入轴相连，所述的第一锥齿轮311套固在第一减速器33的输出轴上，第一锥齿轮311与第二锥齿轮312相啮合，第二锥齿轮312套固在第一转轴11上。
本实施例中，所述的张合机构4还包括第二减速器43、第三锥齿轮411和第四锥齿轮412；所述第二电机42的输出轴与第二减速器43的输入轴相连，所述的第三锥齿轮411套固在第二减速器43的输出轴上，第三锥齿轮411与第四锥齿轮412相啮合，第四锥齿轮412套固在第二转轴12上。
本实施例中，所述的第一转轴11的中心线与第二转轴12的中心线垂直。
下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7叙述本实施例的工作原理。
机器人手拇指需要摆动时，第一电机32转动，通过第一减速器33带动第一锥齿轮311转动，第二锥齿轮312转动，第一转轴11转动，通过拇指连杆453拉动拇指摆动。
机器人手拇指需要张合运动时，第二电机42转动，通过第二减速器43带动第三锥齿轮411转动，第四锥齿轮412转动，第二转轴12转动，主动拨盘44转动，通过第一连杆451带动套环461和套筒462沿着第一转轴11的中心线方向直线移动，通过第二连杆452带动拇指连杆453绕着第三连接轴473的中心线转动，拇指实现张合运动。
本发明的拇指两自由度根部关节装置采用双电机、套环、套筒、连杆和拨盘综合实现了拇指根部的摆动和张合两自由度灵巧动作，同时结构简单，成本低；该装置适用于拟人机器人手，可以增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化。

Claims (3)

1.一种拇指两自由度根部关节装置，包括拇指(2)、基座(1)和摆动机构(3)；所述的摆动机构(3)包括第一电机(32)和第一转轴(11)；所述的第一电机(32)固接在基座(1)中，所述第一电机(32)的输出轴与第一转轴(11)相连，所述的第一转轴(11)套设在基座(1)中；其特征在于：所述的拇指两自由度根部关节装置还包括张合机构(4)，该张合机构(4)包括第二电机(42)、第二转轴(12)、主动拨盘(44)、第一连杆(451)、套环(461)、套筒(462)、第二连杆(452)和拇指连杆(453)；所述的第二电机(42)固接在基座(1)中；所述的第二电机(42)的输出轴与第二转轴(12)相连；所述的第二转轴(12)套设在基座(1)中；所述的主动拨盘(44)套固在第二转轴(12)上；所述的第一连杆(451)的一端与主动拨盘(44)铰接，第一连杆(451)的另一端与套环(461)铰接；所述的套环(461)嵌套在套筒(462)的槽中；所述的套筒(462)套接在第一转轴(11)上；所述的第二连杆(452)的一端与套筒(462)通过第一连接轴(471)铰接；第二连杆(452)的另一端与拇指连杆(453)的中部通过第二连接轴(472)铰接；所述的拇指连杆(453)的一端与第一转轴(11)通过第三连接轴(473)铰接，第三连接轴(473)的中心线与第一转轴(11)中心线垂直；所述的第一连接轴(471)、第二连接轴(472)和第三连接轴(473)的中心线相互平行；拇指连杆(453)的另一端与拇指(2)固接；所述的第一转轴(11)的中心线与第二转轴(12)的中心线垂直。
2.如权利要求1所述的拇指两自由度根部关节装置，其特征在于：所述的摆动机构(3)还包括第一减速器(33)、第一锥齿轮(311)和第二锥齿轮(312)；所述第一电机(32)的输出轴与第一减速器(33)的输入轴相连，所述的第一锥齿轮(311)套固在第一减速器(33)的输出轴上，第一锥齿轮(311)与第二锥齿轮(312)相啮合，第二锥齿轮(312)套固在第一转轴(11)上。
3.如权利要求1或2所述的拇指两自由度根部关节装置，其特征在于：所述的张合机构还包括第二减速器(43)、第三锥齿轮(411)和第四锥齿轮(412)；所述第二电机(42)的输出轴与第二减速器(43)的输入轴相连，所述的第三锥齿轮(411)套固在第二减速器(43)的输出轴上，第三锥齿轮(411)与第四锥齿轮(412)相啮合，第四锥齿轮(412)套固在第二转轴(12)上。
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