CN104875214B - 一种三自由度仿人手腕装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿人机器人领域，特别涉及一种三自由度仿人手腕机械装置。所述装置包括动力单元、传动单元、翻转平台及手掌连接平台。所述装置结构紧凑、质量轻，能模拟人手腕上下切、内外翻和内外旋动作，并且具有一定的自锁能力，可作拟人机器人手腕使用，也可以安装在假肢手上。

Description

一种三自由度仿人手腕装置

技术领域

本发明属于仿人机器人领域，特别涉及一种三自由度仿人手腕机械装置。

背景技术

随着机器人技术的不断应用，仿人机械手已成为机器人领域的研究热点之一。近几十年来，为了模拟人手的功能，国内外许多研究机构在仿人机械手的设计，分析和控制等方面做出了卓有成效的研究，仿人机械手的研究也被认为是最有挑战性的工作之一。另一方面，随着人类社会物质财富的增长，社会对残疾人越来越关注，假肢手的研究已经得到了社会各界的高度重视。

仿人手腕是仿人机械手的一个重要组成部分。仿人手腕一方面使机械手具有更拟人化的外形结构，另一方面可增强机械手的灵活度，增大机械手的操作空间。目前，一些仿人手腕已被研制出来，其外形尺寸大、质量重、自由度少，没有自锁功能，主要用于工业机器人和仿人灵巧手上。市场上现有的假肢手都还没有腕部结构，大大降低了假肢手的性能，给截肢患者带来诸多的不便。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、质量轻的三自由度仿人手腕装置，能模拟人手腕上下切、内外翻和内外旋动作，并且具有一定的自锁能力，可作拟人机器人手腕使用，也可以安装在假肢手上。

本发明的三自由度仿人手腕机械装置大致为左右对称结构，包括动力单元、传动单元、翻转平台及手掌连接平台。所述动力单元用于提供所述装置进行所述上下切、内外翻和内外旋动作所需的驱动力；所述传动单元用于将所述动力单元产生的所述驱动力传送至所述翻转平台；所述翻转平台用于容纳和固定所述传动单元的部分元件；所述手掌连接平台用于与仿人假手的掌部连接。

所述动力单元包括基座、第一电机、第二电机、第三电机、电机固定架和外壳。其中所述第一电机为双向电机，安装在所述外壳上，所述第一电机的输出轴与所述基座固接。所述第二电机和所述第三电机均为双向电机，两者都安装在电机固定架上，且分别位于所述第一电机的两边。

所述传动单元包括第一蜗杆、第一连接轴、第一蜗轮、第一锥齿轮、第二蜗杆、第二连接轴、第二蜗轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和第三连接轴。所述第一蜗杆套固于所述第二电机的输出轴，所述第二蜗杆套固于所述第三电机的输出轴。所述第一蜗轮与所述第一蜗杆啮合；所述第二蜗轮与所述第二蜗杆啮合。所述第一蜗轮与所述第一锥齿轮通过所述第一连接轴固接，所述第二蜗轮与所述第二锥齿轮通过所述第二连接轴固接，所述手掌连接平台与所述第三锥齿轮通过所述第三连接轴固接。所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别与所述第三锥齿轮啮合。

所述翻转平台大致为中空的长方体结构，其至少具有四个面，用于容纳并固定所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮和所述第三锥齿轮。所述手掌连接平台包括平台部和连接部。所述平台部为圆形，所述连接部为垂直于所述平台部的长方形，所述连接部上具有与所述第三连接轴的一端匹配的通孔，使得所述手掌连接平台通过所述第三连接轴与所述第三锥齿轮固接。

所述装置通过所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的不同转动方式可实现上下切、内外翻和内外旋的动作，并且具有一定的自锁能力。当所述第二电机和所述第三电机反向转动时，所述装置可实现上下切运动。当所述第二电机和所述第三电机同向转动时，所述装置可实现内外翻运动。而当所述第二电机和所述第三电机停止转动时，所述传动单元具有反向自锁能力，从而能够有效地保护腕部。当所述第一电机转动时，所述装置可实现内外旋运动。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的装置的主视结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的装置结构的分解示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的装置上下切运动的示意图；

图4是本发明一个较佳实施例的装置内外翻运动的示意图；

图5是本发明一个较佳实施例的装置内外旋运动的示意图。

具体实施方式

下面通过结合附图的方式来说明本发明装置的具体结构和作用方式。本发明的三自由度仿人手腕机械装置包括动力单元、传动单元、翻转平台及手掌连接平台。

如图1和图2所示，在一个较佳的实施例中，所述装置大致为左右对称结构。所述动力单元包括基座1、第一电机2、第二电机3、第三电机4、电机固定架5和外壳22。所述第一电机2为双向电机，安装在所述外壳22上，其电机输出轴与基座1固接。所述第二电机3和所述第三电机4也均为双向电机，其安装在电机固定架5上，且分别位于所述第一电机2的两边。所述电机固定架5与所述外壳22固接。所述传动单元包括第一蜗杆6、第一连接轴7、第一蜗轮8、第一蜗轮支撑架9、第一连接轴支撑架10、第一锥齿轮11、第二蜗杆21、第二连接轴14、第二蜗轮15、第二蜗轮支撑架16、第二连接轴支撑架17、第二锥齿轮18、第三锥齿轮19和第三连接轴20。所述第一蜗杆6套固于所述第二电机3的输出轴，所述第二蜗杆21套固于所述第三电机4的输出轴。所述第一蜗轮支撑架9、所述第一连接轴支撑架10、所述第二蜗轮支撑架16和所述第二连接轴支撑架17与电机固定架5固接，并如图1和图2所示分别对称分布于所述电机固定架5的两端。所述第一蜗轮8套设在所述第一蜗轮支撑架9上且与所述第一蜗杆6啮合；所述第二蜗轮15套设在所述第二蜗轮支撑架16上且与所述第二蜗杆21啮合。所述第一锥齿轮11和所述第二锥齿轮18分别与所述第三锥齿轮19啮合。所述第一连接轴7套设在所述第一连接轴支撑架10上，其一端套固在所述第一蜗轮8上，另一端套固在所述第一锥齿轮11上；所述第二连接轴14套设在所述第二连接轴支撑架17上，其一端套固在所述第二蜗轮15上，另一端套固在所述第二锥齿轮18上；所述第三连接轴20的一端套固在所述手掌连接平台13上，另一端套固在所述第三锥齿轮12上。所述翻转平台12大致为中空的长方体结构，其至少具有四个面。在一个实施例中，如图1或图2所示，所述翻转平台12具有四个面，在除顶面以外的其他三个侧面中心分别具有与所述第一锥齿轮11、所述第二锥齿轮18和所述第三锥齿轮19配合的通孔，用于固定所述第一锥齿轮11、所述第二锥齿轮18和所述第三锥齿轮19。所述手掌连接平台13用于与仿人假手的掌部连接，其具体结构可根据所述掌部的结构的需要而定。在一个实施例中，如图1和图2所示，所述手掌连接平台13包括平台部和连接部，所述平台部为圆形，所述连接部为垂直于所述平台部的长方形，其上具有与所述第三连接轴20的一端匹配的通孔，使得所述手掌连接平台13通过所述第三连接轴20与所述第三锥齿轮19固接。

本发明装置的初始状态如图1所示，所述翻转平台12的高度方向垂直于所述电机固定架5，所述手掌连接平台13的平台部与所述电机固定架5保持平行，相当于人手腕处于自然放松的状态。

当所述第二电机3和所述第三电机4反向转动时，所述装置可实现上下切运动，其作用过程如图3所示。所述第二电机3的输出轴带动所述第一蜗杆6转动，由于所述第一蜗轮8与所述第一蜗杆6啮合，而所述第一蜗轮8与所述第一锥齿轮11通过所述第一连接轴7固接，因此所述第一蜗杆6的转动将使所述第一蜗轮8和所述第一锥齿轮11同步转动。同理，所述第三电机4将通过所述第二蜗杆21带动所述第二蜗轮15和所述第二锥齿轮18同步转动。当所述第二电机3和所述第三电机4反向转动时，所述第一锥齿轮11和所述第二锥齿轮18将产生方向相反的转动从而使所述第三锥齿轮19转动。由于所述第三锥齿轮19与所述手掌连接平台13通过所述第三连接轴20固接，所述第三锥齿轮19的转动将带动所述手掌连接平台13转动，即实现上下切运动。

当所述第二电机3和所述第三电机4同向转动时，所述装置可实现内外翻运动，其作用过程如图4所示。当所述第二电机3和所述第三电机4同向转动时，所述第一锥齿轮11和所述第二锥齿轮18将产生方向相同的转动，此时所述第三锥齿轮19和所述手掌连接平台13不发生转动，而所述翻转平台12与所述第一锥齿轮11和所述第二锥齿轮18一起转动，即实现内外翻运动。此外，当所述第二电机3和所述第三电机4停止转动时，所述第一蜗杆6、所述第一蜗轮8、所述第二蜗杆21、所述第二蜗轮15组成的传动机构具有反向自锁能力，从而能够有效地保护腕部。

当所述第一电机2转动时，由于所述第一电机2与所述外壳22固接，因此所述第一电机2将带动整个腕部一起转动，从而实现内外旋运动，其作用过程如图5所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三自由度仿人手腕装置，其特征在于，所述装置包括动力单元、传动单元、翻转平台和手掌连接平台，可以实现上下切、内外翻和内外旋的动作；其中，

所述动力单元用于提供所述装置进行所述上下切、内外翻和内外旋动作所需的驱动力；

所述传动单元用于将所述动力单元产生的所述驱动力传送至所述翻转平台；

所述翻转平台用于容纳和固定所述传动单元的部分元件；

所述手掌连接平台用于与仿人假手的掌部连接；

其中所述动力单元包括基座、第一电机、第二电机、第三电机、电机固定架和外壳；其中所述第一电机为双向电机，安装在所述外壳上，所述第一电机的输出轴与所述基座固接；

其中所述第二电机和所述第三电机均为双向电机，两者都安装在电机固定架上，且分别位于所述第一电机的两边。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传动单元包括第一蜗杆、第一连接轴、第一蜗轮、第一锥齿轮、第二蜗杆、第二连接轴、第二蜗轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和第三连接轴；所述第一蜗杆套固于所述第二电机的输出轴，所述第二蜗杆套固于所述第三电机的输出轴；所述第一蜗轮与所述第一蜗杆啮合；所述第二蜗轮与所述第二蜗杆啮合；所述第一蜗轮与所述第一锥齿轮通过所述第一连接轴固接，所述第二蜗轮与所述第二锥齿轮通过所述第二连接轴固接，所述手掌连接平台与所述第三锥齿轮通过所述第三连接轴固接；所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别与所述第三锥齿轮啮合。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述翻转平台为中空的长方体结构，其至少具有四个面，用于容纳并固定所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮和所述第三锥齿轮。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述手掌连接平台包括平台部和连接部；所述平台部为圆形，所述连接部为垂直于所述平台部的长方形，所述连接部上具有与所述第三连接轴的一端匹配的通孔，使得所述手掌连接平台通过所述第三连接轴与所述第三锥齿轮固接。

5.根据权利要求1所述的装置，其中当所述第二电机和所述第三电机反向转动时，所述装置可实现上下切运动。

6.根据权利要求1所述的装置，其中当所述第二电机和所述第三电机同向转动时，所述装置可实现内外翻运动。

7.根据权利要求1所述的装置，其中当所述第一电机转动时，所述装置可实现内外旋运动。