CN102896636B - 差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置 - Google Patents
差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置 Download PDFInfo
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Abstract
差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，属于人工假手技术领域。该装置包括基座、三个指节、三个关节轴、一个传动轴、两个传动连杆、一个电机、两套差动轮系机构和簧件。该装置实现了耦合抓取过程与欠驱动自适应抓取过程融合为一体的特殊效果，该手指装置在碰触物体前采用耦合方式传动，在碰触物体后，又可以采用欠驱动自适应方式抓取物体，自动适应所抓物体的大小和形状。该手指的外形、抓握模式与人手的基本相同。
Description
技术领域
本发明涉及人工假手技术领域，特别涉及一种差动轮系耦合自适应欠驱动自适应手指装置的结构设计。
背景技术
手对人来说是非常重要的器官，人的大部分劳动都是通过手来执行完成的，人手具有关节自由度多，抓取灵活，控制复杂等特点。目前人工假手的研究领域中，为了使机械手达到或接近人手所具有的功能，主要采用了以下两种措施：第一种措施是增加电机数目，确保各个关节能独立运动，该种措施虽能实现机械手的各种复杂的抓取运动，但电机数量的增加也增大了假手的外形尺寸和重量，破坏了假手的拟人性，同时各个关节驱动电机的协调控制增加了假手控制系统的复杂性；第二措施是将耦合驱动与自适应欠驱动结合，该种人工假手在未碰触物体前采取耦合方式传动，接触到物体后采用自适应欠驱动方式运动，该种人工假手机构能够抓取各种外形尺寸的物体，同时抓握模式与人手基本相同。因此，该种人工假手机构近年来得到了快速发展。
已有的耦合自适应欠驱动人工假手机构大都通过采用多套四杆机构来实现机构的耦合传动与自适应传动功能，而四杆机构的运动空间较大，多套四杆机构实现解耦将限制手指弯曲转动行程。也有部分耦合自适应手指机构是通过平行传动链将电机的驱动力传递到各个关节，各个关节通过簧件来实现解耦。在该种机构中，簧件等柔性元件充当了传力元件，手指的弯曲角度与指节的抓握力矩存在耦合。
发明内容
本发明提出了一种差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，该装置能实现三指节的耦合传动与自适应传动，且传动机构解耦简单、可靠。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，包括基座、电机、主动圆锥齿轮、从动圆锥齿轮、传动轴、主动直齿轮、从动直齿轮、第一指节关节轴、第一指节外太阳轮、第一指节行星轮、第一指节内太阳轮、第一指节行星架、第一弹簧、第一指节行星架挡杆、第二指节传动杆、第一指节、第二指节关节轴、第二指节外太阳轮、第二指节内太阳轮、第二指节行星轮、第二指节行星架、第二指节摆杆、第二弹簧、第二指节行星架挡杆、第二指节、第三指节传动杆、第三指节、第三指节关节轴。所述的电机固定在基座上，所述的主动圆锥齿轮固定在电机的输出轴上，所述的从动圆锥齿轮固定在传动轴上，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮实现圆锥齿轮传动，所述的主动直齿轮固定在传动轴上，所述的传动轴安装在基座上，所述的从动齿轮固定在第一指节关节轴上，主、从直齿轮实现齿轮传动，所述的第一指节外太阳轮与第一指节关节轴铰接，第一指节外太阳轮与第一指节过螺栓固定在一起，第一指节内太阳轮固定在第一指节关节轴上，第一指节行星架铰接在第一指节内太阳轮的轴套上，通过销钉、垫片轴向固定，所述的第一指节行星轮铰接在第一指节行星架上，所诉的第一指节行星架挡杆固定在基座上，所述的第一弹簧一端与第一指节行星架连接，一端与基座连接。所述的第一指节传动连杆一端与第一指节行星架铰接，一端与第二指节摆杆铰接，所述的第二指节关节轴与第一指节铰接，所述的第二指节外太阳轮与第二指节关节轴铰接，与第二指节通过螺栓固定，所述的第二指节内太阳轮固定在第二指节关节轴上，所述的第二指节行星架铰接在第二指节内太阳轮的轴套上，所述第二指节行星轮铰接在第二指节行星架上，所述的第二指节摆杆固定在第二指节关节轴上，所述的第三指节传动杆一端与第二指节行星架铰接，一端与第三指节铰接，所述的第三指节关节轴铰接在第二指节上，所述的第三关节铰接在第三关节轴上。
本发明所述的差动轮系耦合自适应欠驱动人工假手装置其特征在于：所述的第一指节外太阳轮、第一指节内太阳轮、第一指节行星架、第一指节行星轮组成第一指节差动轮系；第二指节内太阳轮、第二指节行星架、第二指节行星轮、第二指节外太阳轮组成第二指节差动轮系。
本发明所述的差动轮系耦合自适应欠驱动人工假手装置其特征在于：所述的第一弹簧、第二弹簧可采用拉簧、扭簧、压簧。
本发明所述的差动轮系耦合自适应欠驱动人工假手装置其特征在于：所述的第一指节行星架、第二指节传动连杆、第二指节摆杆、第一指节构成平面四杆机构；所述的第二指节行星架、第二指节、第三指节传动连杆、第三指节构成平面四杆机构。
附图说明
图1是本发明提供的差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置的一种实例的右侧视图。
图2是图1所示实例的正面外观图。
图3是图1所示实例的左侧视图。
图4是图1所示实例的立体外观图。
图5是图1所示实例的部分零件的立体图。
图6是图1所示实例的部分零件图的正视图。
图7是图1所示实例的右侧剖视图。
图8是图1所示实例的左侧剖视图。
图9是图1所示实例的爆炸图。
图10是图1所示实例的第一指节行星轮系爆炸图。
图11是第一指节关节轴、第一指节内太阳轮、第一指节行星架的的位置关系图。
图12是图1所示实施例的传动原理图。
图13、图14、图15、图16、图17是图1所示实例以三个指节完成抓握过程的示意图。
图1至图13中：
1-电机，2-减速器，3-主动圆锥齿轮，4-基座，5-传动轴，6-第一指节定位套筒，7-从动圆锥齿轮，8-主动直齿轮，9-第一指节关节轴，10-从动直齿轮，11-第一指节外太阳轮，12-第一指节，13-第一指节内太阳轮，14-第一指节行星架，15-第一弹簧，16-第一指节行星架档杆，17-垫片，18-固定销，19-第一指节固定螺栓，20-第一指节行星轮，21-第二指节传动连杆，22-第二指节关节轴，23-第二指节，24-第二指节外太阳轮，25-第二弹簧，26-第二指节行星架，27-第二指节传动连杆，28-第二指节内太阳轮，29-第二指节行星架挡杆，30-第二指节摆杆，31-第二指节固定螺栓，32-第三指节关节轴，33-第三指节，34-第三指节定位套筒，35-第二指节行星轮，36-物体。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理。本发明提供的差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置的实施例如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，该三指节手指装置包括基座4、电机1、主动圆锥齿轮3、从动圆锥齿轮7、传动轴5、主动直齿轮8、从动直齿轮9、第一指节关节轴9、第一指节外太阳轮11、第一指节行星轮20、第一指节内太阳轮13、第一指节行星架14、第一弹簧15、第一指节行星架挡杆16、第二指节传动杆21、第一指节12、第二指节关节轴22、第二指节外太阳轮24、第二指节内太阳轮28、第二指节行星轮35、第二指节行星架26、第二指节摆杆30、第二弹簧25、第二指节行星架挡杆29、第二指节23、第三指节传动杆27、第三指节33、第三指节关节轴32。所述的电机1固定在基座4上，所述的主动圆锥齿轮3固定在电机1的输出轴上，所述的从动圆锥齿轮7固定在传动轴5上，主动圆锥齿轮3与从动圆锥齿轮7实现圆锥齿轮传动，所述的主动直齿轮8固定在传动轴5上，所述的传动轴5安装在基座4上，所述的从动齿轮10固定在第一指节关节轴9上，主、从直齿轮实现齿轮传动，所述的第一指节外太阳轮11与第一指节关节轴9铰接，第一指节外太阳轮11与第一指节12过螺栓固定在一起，第一指节内太阳轮13固定在第一指节关节轴9上，第一指节行星架14铰接在第一指节内太阳轮13的轴套上，通过销钉、垫片轴向固定，所述的第一指节行星轮20铰接在第一指节行星架14上，所诉的第一指节行星架挡杆16固定在基座4上，所诉的第一弹簧15一端与第一指节行星架14连接，一端与基座4连接。所述的第一指节传动连杆21一端与第一指节行星架14铰接，一端与第二指节摆杆30铰接，所述的第二指节关节轴22与第一指节12铰接，所述的第二指节外太阳轮24与第二指节关节轴22铰接，与第二指节23通过螺栓固定，所述的第二指节内太阳轮28固定在第二指节关节轴22上。
所述的第二指节行星架26铰接在第二指节内太阳轮28的轴套上，所述第二指节行星轮35铰接在第二指节行星架26上，所述的第二指节摆杆固定在第二指节关节轴22上，所述的第三指节传动杆27一端与第二指节行星架26铰接，一端与第三指节33铰接，所述的第三指节关节轴32铰接在第二指节23上，所述的第三关节33铰接在第三关节轴上。
本实施例中，所述的第一指节外太阳轮11、第一指节内太阳轮13、第一指节行星架14、第一指节行星轮20组成第一指节差动轮系；第二指节内太阳轮28、第二指节行星架26、第二指节行星轮35、第二指节外太阳轮24组成第二指节差动轮系。
本实施例中，所述的第一指节行星架14、第二指节传动连杆21、第二指节摆杆30、第一指节12构成平面四杆机构；所述的第二指节行星架26、第二指节23、第三指节传动连杆27、第三指节33构成平面四杆机构。
本实施例中，所述的第一弹簧15、第二弹簧25采用拉簧，起弹力限制作用。可实现如下效果，手指弯曲抓握物体，第一指节12从伸直状态转动，在第一指节12未碰触物体前，手指以耦合方式传动，此时第一指节行星架14在第一弹簧15的拉力作用下相对于基座4静止，第二指节行星架26在第二弹簧25的拉力作用下相对于第一指节12静止，此时的第一二指节差动轮系机构为定轴轮系机构。当第一指节12碰触到物体时，第一指节12停止转动，第一指节外太阳轮11停止转动，此时电机继续转动，第一指节行星架14相对于基座4转动，第一指节差动轮系转变为行星轮系，第二指节差动轮系机构仍为定轴轮系机构，一二指节以自适应的方式传动，二、三指节仍以耦合方式传动。当第二指节23碰触到物体时，第二指节23停止转动，第二指节外太阳轮24停止转动，第二指节行星架26相对于第一指节12转动，此时第二指节差动轮系转变为行星轮系，二、三指节以自适应方式传动，直到第三指节碰触物体，电机停止转动。
本实施例的工作原理如图所述，叙述如下：
本实施例的初始状态如图13所示，类似人的手指伸直状态。
当本实施例抓取物体时，手指未碰触到物体前，手指以耦合方式传动，抓取过程叙述如下：
电机1转动，通过圆锥齿轮传动，带动传动轴5转动，通过齿轮传动，带动第一指节关节轴9转动，由于第一指节内太阳轮13与第一指节关节轴9固接，第一指节内太阳轮13转动，第一指节行星架14在第一弹簧15的拉力作用下相对于基座4静止，此时的第一指节差动轮系转变为定轴轮系，通过第一指节行星轮20传动，第一指节外太阳轮11转动，第一指节12与第一指节外太阳轮11固接，即第一指节12转动。在由第一指节行星架14、第一指节12、第二指节传动连杆21、第二指节摆杆30组成的平面四杆机构中，第一指节行星架14在第一弹簧15的拉力作用下相对于基座静止，第一指节12转动，第二指节摆杆30相对于第一指节12转动，第二指节摆杆30与第二指节关节轴22固接，即实现第二指节关节轴22相对于第一指节12转动，第二指内太阳轮28、与第二指节关节轴22固接，在手指未碰触物体前，第二指节行星架26在第二弹簧25的拉力限制作用下，相对于第一指节12静止，通过第二指节行星轮35传动，第二指节外太阳轮24相对于第一指节12转动，第二指节23与第二指节外太阳轮24固接，即实现一二指节的耦合传动，在由第二指节行星架26、第二指节23、第三指节传动连杆27、第三指节33组成的平面四杆机构中，在第二弹簧25的拉力作用下，第二指节行星架26相对于第一指节12静止，第二指节23相对于第一指节12转动，则第三指节33相对于第二指节23转动，即实现了二、三指节的耦合传动。
手指碰触到物体时，采用自适应欠驱动传动，抓取过程叙述如下：
本实施例抓取物体时，手指第一指节12碰触到物体，第一指节12停止转动，第一指节外太阳轮11停止转动，此时第一指节差动轮系转变为行星轮系。第一指节行星架14相对于基座4转动，通过第二指节传动连杆21传动，带动第二指节摆杆30相对于第一指节12转动，第二指节摆杆30与第二指节关节轴22固接，第二指节关节轴22转动，第二指节关节轴22与第二指节内太阳轮28固接，第二指节内太阳轮相对于第一指节12转动，第二指节碰触到物体前，在第二弹簧25的拉力作用下，第二指节差动轮系仍为定轴轮系，通过第二指节行星轮35传动，第二指节外太阳轮24相对于第一指节12转动，第二指节23与第二指节24固接，第二指节23转动，通过第二指节行星架26、第二指节23、第三指节传动连杆27、第三指节33组成的四杆机构传动，实现第三指节相对于第二指节耦合转动。因此，在第一指节碰触到物体第二指节未碰触物体时，第一指节12停止转动，一二指节采用自适应传动，二三指节采用耦合传动。
手指第二指节23碰触物体时，第二指节23停止转动，第二指节差动轮系转变为行星轮系，第二指节行星架26相对于第一指节12转动，通过第二指节行星架26、第二指节23、第三指节传动连杆27、第三指节33组成的四杆机构传动，实现二、三指节传动，直到第三指节碰触到物体，实现手指的抓取过程。
Claims (3)
1.一种差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，包括基座(4)、电机(1)、主动圆锥齿轮(3)、从动圆锥齿轮(7)、传动轴(5)、主动直齿轮(8)、从动直齿轮(10)、第一指节关节轴(9)、第一指节外太阳轮(11)、第一指节行星轮(20)、第一指节内太阳轮(13)、第一指节行星架(14)、第一弹簧(15)、第一指节行星架挡杆(16)、第一指节传动连杆(21)、第一指节(12)、第二指节关节轴(22)、第二指节外太阳轮(24)、第二指节内太阳轮(28)、第二指节行星轮(35)、第二指节行星架(26)、第二指节摆杆(30)、第二弹簧(25)、第二指节行星架挡杆(29)、第二指节(23)、第三指节传动杆(27)、第三指节(33)、第三指节关节轴(32)，所述的电机(1)固定在基座(4)上，所述的主动圆锥齿轮(3)固定在电机(1)的输出轴上，所述的从动圆锥齿轮(7)固定在传动轴(5)上，主动圆锥齿轮(3)与从动圆锥齿轮(7)实现圆锥齿轮传动，所述的主动直齿轮(8)固定在传动轴(5)上，所述的传动轴(5)安装在基座(4)上，所述的从动齿轮固定在第一指节关节轴(9)上，主、从直齿轮实现齿轮传动，所述的第一指节外太阳轮(11)与第一指节关节轴(9)铰接，第一指节外太阳轮(11)与第一指节(12)过螺栓固定在一起，第一指节内太阳轮(13)固定在第一指节关节轴(9)上，第一指节行星架(14)铰接在第一指节内太阳轮(13)的轴套上，通过销钉、垫片轴向固定，所述的第一指节行星轮(20)铰接在第一指节行星架(14)上，所述的第一指节行星架挡杆(16)固定在基座(4)上，所述的第一弹簧(15)一端与第一指节行星架(14)连接，一端与基座(4)连接，所述的第一指节传动连杆(21)一端与第一指节行星架(14)铰接，一端与第二指节摆杆(30)铰接，所述的第二指节关节轴(22)与第一指节(12)铰接，所述的第二指节外太阳轮(24)与第二指节关节轴(22)铰接，与第二指节(23)通过螺栓固定，所述的第二指节内太阳轮(28)固定在第二指节关节轴(22)上，所述的第二指节行星架(26)铰接在第二指节内太阳轮(28)的轴套上，所述第二指节行星轮(35)铰接在第二指节行星架(26)上，所述的第二指节摆杆固定在第二指节关节轴(22)上，所述的第三指节传动杆(27)一端与第二指节行星架(26)铰接，一端与第三指节(33)铰接，所述的第三指节关节轴(32)铰接在第二指节(23)上，所述的第三指节(33)铰接在第三指节关节轴(32)上。
2.如权利要求1所述的差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，其特征在于：所述的第一指节外太阳轮(11)、第一指节内太阳轮(13)、第一指节行星架(14)、第一指节行星轮(20)组成第一指节差动轮系；第二指节内太阳轮(28)、第二指节行星架(26)、第二指节行星轮(35)、第二指节外太阳轮(24)组成第二指节差动轮系。
3.如权利要求1所述的差动轮系耦合自适应欠驱动手指装置，其特征在于：所述的第一弹簧(15)、第二弹簧(25)可采用拉簧、扭簧、压簧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160511 |