CN105345816B - 一种基于齿轮传动的多自由度机械手 - Google Patents

一种基于齿轮传动的多自由度机械手 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械手驱动技术领域,尤其涉及一种基于齿轮传动的多自由度机械手,它包括第一副指、第二副指、主指、动力驱动机构、第三支撑板等,其中第一副指、第二副指和主指固定在第三支撑板上,动力驱动机构固定在第一支撑板和第三支撑板上,副指和主指均设定了固定的运动方式,每一个手指具有一个自由度,通过动力驱动机构驱动;动力驱动机构使用了单动力驱动多个齿轮驱动机构,对三个齿轮驱动机构进行时序传动;本发明使用了一个驱动电机的动力驱动机构,利用时序方式对机械手驱动,因为驱动电机的减少大大简化了机械手的结构,具有很好的实用效果。

Description

一种基于齿轮传动的多自由度机械手
所属技术领域
本发明属于机械手驱动技术领域,尤其涉及一种基于齿轮传动的多自由度机械手。
背景技术
目前机械手的驱动方式多使用伺服电机驱动、钢丝驱动、液压驱动等,少部分使用人造肌肉驱动;其中伺服电机驱动和钢丝驱动需要使用与机械手自由度数目相同的驱动电机数目,造成机构较为复杂,当然成本是最低的;液压驱动需要强大的动力来对液压油增压驱动,将会增加了设备的重量和对技术成熟度要求较高,所以成本较高,对于人造肌肉驱动,虽然驱动的方式先进,但是制造成本目前是最高的,导致一般的机械手使用人造肌肉驱动很不划算。所以设计一款成本较低和结构简单的驱动方式是非常具有必要的。另外,针对所设计的驱动方式如何利用这种驱动方式驱动机械手也是具有设计意义的。
本发明设计一种基于齿轮传动的多自由度机械手解决如上问题。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺陷,本发明公开一种基于齿轮传动的多自由度机械手,它是采用以下技术方案来实现的。
一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:它包括第二副指、动力驱动机构、第二副指支撑、第一副指、第一副指支撑、第三支撑板、主指、机械手固定结构、副指固定结构、第一支撑板、第二支撑板,其中第一副指通过副指固定结构安装在第一副指支撑上,第二副指通过副指固定结构安装在第二副指支撑上,第一副指支撑和第二副指支撑并列安装在第三支撑板上;主指安装在第三支撑板上,第一支撑板安装在第三支撑板上,第二支撑板安装在第一支撑板上,动力驱动机构安装在第一支撑板和第二支撑板上;机械手固定机构安装在第一支撑板上,机械手固定结构用来固定整个机械手。本发明设计了三根手指,模仿拇指、食指、中指,基本能够完成大部分人手能够完成的动作,即结构简单又能尽可能完成人手的行为仿真。
上述第一副指和第二副指具有相同的结构,对于任意一个副指,它包括第二驱动齿轮、副指驱动齿轮固定结构、副指驱动锥齿、手指运动齿轮、副指第一支架、副指第二支架、副指第四齿轮、副指第三支架、副指第四支架、副指第一齿轮、副指第八齿轮、副指第二齿轮、副指第九齿轮、副指第十齿轮、副指第三齿轮、副指第七齿轮、副指第六齿轮、副指第五齿轮、副指第十一齿轮、手指运动齿轮固定结构,其中第二驱动齿轮和副指驱动锥齿通过转轴安装在副指驱动齿轮固定结构上,副指第一支架通过副指固定结构安装在副指支撑上,副指第二支架通过固定在副指第一支架上的圆柱销安装在副指第一支架上,副指第三支架通过固定在副指第三支架上的圆柱销安装在副指第二支架上,副指第四支架通过固定在副指第四支架上的圆柱销安装在副指第三支架上;手指运动齿轮固定结构为一空心圆柱体,安装在副指第二支架侧面,且空心圆柱体轴线与副指第一支架和副指第二支架连接的圆柱销的轴线重合,手指运动齿轮安装在手指运动齿轮固定结构上,手指运动齿轮与副指驱动锥齿啮合;副指第一齿轮和副指第八齿轮固定在副指第一支架的圆柱销上,副指第二齿轮和副指第九齿轮安装在副指第二支架上的靠近副指第一支架的转轴上,副指第三齿轮、副指第四齿轮和副指第十齿轮安装在副指第二支架上的靠近副指第三支架的转轴上,副指第五齿轮安装在副指第三支架上的圆柱销上且能够相对于圆柱销转动,副指第十一齿轮固定在副指第三支架上的圆柱销上,副指第六齿轮安装在副指第三支架上的转轴上,副指第七齿轮固定在副指第四支架上的圆柱销上;副指第一齿轮、副指第二齿轮、副指第三齿轮依次相互啮合,副指第四齿轮、副指第五齿轮、副指第六齿轮、副指第七齿轮依次相互啮合,副指第三齿轮和副指第四齿轮相互固定在一起,副指第八齿轮、副指第九齿轮、副指第十齿轮、副指第十一齿轮依次相互啮合;副指第三齿轮直径小于副指第四齿轮直径。直径关系的设计目的在于:为了让机械手的运动更像人的手臂运动方式,副指第二支架、副指第三支架、副指第四支架之间必须相对转动,当手指运动齿轮带动副指第二支架转动时,通过运动齿轮传动带动副指第十一齿轮转动进而带动副指第三支架相对于副指第二支架转动一定角度;若副指第五齿轮与副指第十一齿轮转动角度相同,那么副指第四支架相对于副指第三支架将不会有相对转动,要想让副指第四支架相对于副指第三支架相对转动,必须使副指第五齿轮转角大于副指第十一齿轮,所以设计副指第三齿轮和副指第四齿轮改变一下齿轮传动的传动比,进而使副指第五齿轮转角大于副指第十一齿轮。
上述主指包括主指第一支架、主指第一齿轮、主指第二齿轮、主指第三齿轮、主指第二支架、主指第四齿轮、主指第三支架、主指传动齿轮、第一传动轴固定结构、第一传动轴、第三驱动齿轮、第三驱动齿轮固定结构、第二传动轴固定结构、第二传动轴、锥齿组合、手指运动齿轮、手指运动齿轮固定结构,其中主指第一支架安装在第三支撑板上,主指第二支架通过固定在主指第一支架上的圆柱销安装在主指第一支架上,主指第三支架通过固定在主指第三支架上的圆柱销安装在主指第二支架上,手指运动齿轮通过手指运动齿轮固定结构安装在主指第二支架侧面,手指运动齿轮固定结构为一空心圆柱体,空心圆柱体轴线与主指第一支架和主指第二支架连接的圆柱销的轴线重合;主指传动齿轮安装在第一传动轴上,并且与手指运动齿轮啮合,第一传动轴通过第一传动轴固定结构安装在第三支撑板上,第二传动轴通过第二传动轴固定结构安装在第三支撑板上,第一传动轴与第二传动轴之间通过锥齿组连接,第三驱动齿轮通过转轴安装在第三驱动齿轮固定结构上,第三驱动齿轮固定结构安装在第三支撑板上,第二传动轴与第三驱动齿轮转轴通过锥齿组传动;
上述动力驱动机构包括往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、齿轮驱动电机支撑、齿轮驱动电机、齿轮驱动电机固定环、齿轮驱动机构、槽轮、槽轮转轴、圆柱销、转臂、齿轮驱动电机卡轴、导电块、齿轮驱动电机转轴,其中往复驱动电机安装在第一支撑板上,拨盘安装在往复驱动电机转轴上,转臂一端安装在拨盘中心且转臂指向为拨盘径向方向,槽轮安装在槽轮支撑轮上,槽轮通过槽轮转轴安装在第一支撑板上,圆柱销一端安装在转臂端头,另一端与槽轮的槽配合;摇杆一端通过销安装在槽轮支撑轮侧面且非圆心处,摇杆另一端通过转轴安装在第一支耳上,第一支耳安装在滑动套一端,导轨一端安装在滑动套内部,导轨另一端安装在导轨支撑上,导轨支撑安装在第一支撑板上;齿轮驱动电机安装在齿轮驱动电机固定环内,固定环通过齿轮驱动电机支撑安装在滑动套外圆柱面上;齿轮驱动电机转轴为圆柱体,齿轮驱动电机卡轴为非圆柱体,一段齿轮驱动电机转轴与两段齿轮驱动电机卡轴组成电机轴;三个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上;齿轮驱动电机卡轴两侧分别安装有导电块。第一支撑板安装在第二支撑板上。齿轮驱动电机与固定环固定,随着滑套间隙往复运动,会出现运动中在某几个位置停留一段时间;
上述齿轮驱动机构包括电磁铁、第一驱动齿轮、驱动齿轮中心孔、驱动齿轮空心转轴、电磁铁卡孔、电磁铁空心转轴、电磁铁支撑、电磁铁转轴套、驱动齿轮转轴套、驱动齿轮支撑、导电线圈、电磁铁导电片,其中电磁铁中心开有电磁铁卡孔,电磁铁空心转轴安装在电磁铁一侧中心,电磁铁空心转轴安装在电磁铁转轴套内,电磁铁转轴套安装在电磁铁支撑上,电磁铁支撑安装在第二支撑板上;第一驱动齿轮中心开有驱动齿轮中心孔,驱动齿轮空心转轴安装在第一驱动齿轮一侧中心,驱动齿轮空心转轴安装在驱动齿轮转轴套内,驱动齿轮转轴套安装在驱动齿轮支撑上,驱动齿轮支撑安装在第二支撑板上;导电线圈缠绕在电磁铁上,电磁铁导电片安装在电磁铁卡孔内表面,并且与导电块配合;电磁铁卡孔横截面与齿轮驱动电机卡轴横截面相同,第一驱动齿轮中心孔大于齿轮驱动电机卡轴最大外缘尺寸。
设计齿轮驱动机构目的在于:将齿轮驱动电机卡轴扭矩传动到齿轮上,通过齿轮传动,将电机卡轴扭矩传导到机械手的关节上。本发明意在设计一款一个驱动电机能够驱动多个齿轮的驱动机构,发明利用槽轮间隙机构,驱动摇杆,使得驱动电机能够在往复运动的同时在某些位置处具有停留时间,在这里的某些位置处,将设计的齿轮驱动机构安装在转轴往复经过的停留位置上;齿轮驱动电机转轴为卡轴,为非圆柱形,电磁铁的卡孔截面与卡轴相似,卡孔套在卡轴上,卡轴能够带动具有卡孔的电磁铁转动;齿轮的中心孔远大于卡轴,所以卡轴转动不带动齿轮转动,并且所设计的没有通电的电磁铁转动时是无法带动齿轮转动的,当电机转轴到达停留位置,通过卡轴上的导电块与电磁铁接触,导致电磁铁通电产生磁性,吸住齿轮表面,进而带动齿轮运动,在停留位置的停留的短暂时间内,控制驱动电机转角和转速从而控制机械手关节的运动幅度,每个停留点均设置一个齿轮驱动机构,驱动不同的机械手关节。
作为本技术的进一步改进,上述导电块包括第一导电块和第二导电块,上述电磁铁导电片包括第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片,上述齿轮驱动电机包括第一电刷、第二电刷、第一导电环和第二导电环,其中第一导电环和第二导电环安装在齿轮驱动电机转轴上,第一电刷和第二电刷一端分别接通电源正负极,另一端分别与第一导电环和第二导电环摩擦接触,齿轮驱动电机转轴内部安装有导线;电源正极通过第一电刷、第一导电环、导线与第一导电块连接,电源负极通过第二电刷、第二导电环、导线与第二导电块连接,第一导电块、第二导电块分别与第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片配合。电源、电刷、导电环、导电块、电磁铁导电片、线圈组成电流闭合回路。
作为本技术的进一步改进,上述槽轮槽数为偶数个。偶数的槽能够保证往复运动的两个行程内具有相同数目和相同位置的停留点。
作为本技术的进一步改进,上述齿轮驱动机构数量为(槽轮槽数+2)/2个。
作为本技术的进一步改进,上述齿轮驱动电机卡轴和转轴表面不导电,设计中只有卡轴上的导电块与电磁铁的导电片接触时才会使电磁铁具有磁性进而带动齿轮,所以驱动电机转轴必须为不带电的表面。
作为本技术的进一步改进,上述第一驱动齿轮自身转动阻力大于没有通电的电磁铁与齿轮的摩擦力,第一驱动齿轮自身转动阻力小于通电的电磁铁与齿轮的摩擦力。保证只有电磁铁通电才能驱动齿轮,也就是保证同一时间有且仅有一个齿轮被驱动。
相对于传统的机械手驱动技术,本发明中第一副指、第二副指和主指固定在第三支撑板上,动力驱动机构固定在第一支撑板和第三支撑板上,副指和主指均设定了固定的运动方式,每一个手指具有一个自由度,通过动力驱动机构驱动;动力驱动机构使用了单动力驱动多个齿轮驱动机构,对三个齿轮驱动机构进行时序传动;动力驱动机构中,往复电机通过转臂和槽轮配合实现间隙旋转,通过摇杆机构带动齿轮驱动电机做间隙往复运动,多个齿轮驱动机构并排安装在齿轮驱动电机卡轴上,在驱动电机的每个间隙停留时间内,有且仅对应一个齿轮驱动机构,通过改变驱动电机的转矩和转角控制驱动齿轮的转角,进而驱动控制机械手某一个自由度;本发明使用了一个驱动电机的动力驱动机构,利用时序方式对机械手驱动,因为驱动电机的减少大大简化了机械手的结构,具有很好的实用效果。
附图说明
图1是动力驱动机构示意图。
图2是槽轮转臂配合示意图。
图3是槽轮转臂配合前视图。
图4是拨盘安装示意图。
图5是齿轮驱动电机固定环安装示意图。
图6是导轨安装示意图。
图7是支撑板安装示意图。
图8是第一驱动齿轮中心孔示意图。
图9是驱动齿轮空心转轴安装示意图。
图10是电磁铁卡孔示意图。
图11是电磁铁空心转轴安装示意图。
图12是电磁铁转轴套及支撑安装示意图。
图13是驱动齿轮转轴套及支撑安装示意图。
图14是齿轮驱动机构剖面图。
图15是驱动电机转轴与卡轴示意图。
图16是齿轮驱动机构工作示意图。
图17是齿轮驱动电机转轴相关结构示意图。
图18是电刷和导电环安装及配合示意图。
图19是电磁铁线圈安装示意图。
图20是电磁铁导电片与线圈连接示意图。
图21是齿轮驱动机构与卡轴传动配合示意图。
图22是机械手结构示意图。
图23是副指结构示意图。
图24是副指结构俯视图。
图25是副指第一支架示意图。
图26是副指第二支架示意图。
图27是副指第三支架示意图。
图28是副指第四支架示意图。
图29是运动齿轮示意图。
图30是主指结构示意图。
图31是主指传动示意图。
图32是副指支撑安装在示意图。
图33是第三支撑板相关结构安装示意图。
图中标号名称:1、往复驱动电机,2、拨盘,3、槽轮支撑轮,4、第一支撑板,5、摇杆,6、第一支耳,7、滑动套,8、导轨支撑,9、导轨,10、第二支撑板,11、电磁铁,12、第一驱动齿轮,13、齿轮驱动电机支撑,14、齿轮驱动电机,15、齿轮驱动电机固定环,16、槽轮,17、槽轮转轴,18、圆柱销,19、转臂,20、驱动齿轮中心孔,21、驱动齿轮空心转轴,22、电磁铁卡孔,23、电磁铁空心转轴,24、电磁铁支撑,25、电磁铁转轴套,26、驱动齿轮转轴套,27、驱动齿轮支撑,28、齿轮驱动电机卡轴,29、导电块,29-1、第一导电块,29-2、第二导电块,30、齿轮驱动机构,31、齿轮驱动电机转轴,32、第一电刷,33、第二电刷,34、第一导电环,35、第二导电环,36、导电线圈,37、电磁铁导电片,37-1、第一电磁铁导电片,37-2、第二电磁铁导电片,40、第二副指,41、动力驱动机构,42、第二副指支撑,43、第一副指,44、第一副指支撑,45、第三支撑板,46、主指,47、机械手固定结构,48、第二驱动齿轮,49、副指驱动齿轮固定结构,50、副指驱动锥齿,51、副指固定结构,52、手指运动齿轮,53、副指第一支架,54、副指第二支架,55、副指第四齿轮,56、副指第三支架,57、副指第四支架,58、副指第一齿轮,59、副指第八齿轮,60、副指第二齿轮,61、副指第九齿轮,62、副指第十齿轮,63、副指第三齿轮,65、副指第七齿轮,66、副指第六齿轮,67、副指第五齿轮,68、副指第十一齿轮,69、手指运动齿轮固定结构,70、主指第一支架,71、主指第一齿轮,72、主指第二齿轮,73、主指第三齿轮,74、主指第二支架,75、主指第四齿轮,76、主指第三支架,77、主指传动齿轮,78、第一传动轴固定结构,79、第一传动轴,80、第三驱动齿轮,81、第三驱动齿轮固定结构,82、第二传动轴固定结构,83、第二传动轴,84、锥齿组合。
具体实施方式
如图22所示,它包括第二副指40、动力驱动机构41、第二副指支撑42、第一副指43、第一副指支撑44、第三支撑板45、主指46、机械手固定结构47、副指固定结构51、第一支撑板4、第二支撑板10,其中第一副指43通过副指固定结构51安装在第一副指支撑44上,第二副指40通过副指固定结构51安装在第二副指支撑42上,第一副指支撑44和第二副指支撑42并列安装在第三支撑板45上;主指46安装在第三支撑板45上,第一支撑板4安装在第三支撑板45上,第二支撑板10安装在第一支撑板4上,动力驱动机构41安装在第一支撑板4和第二支撑板10上。本发明设计了三根手指,模仿拇指、食指、中指,基本能够完成大部分人手能够完成的动作,即结构简单又能尽可能完成人手的行为仿真。
如图22、23、24所示,上述第一副指43和第二副指40具有相同的结构,对于任意一个副指,它包括第二驱动齿轮48、副指驱动齿轮固定结构49、副指驱动锥齿50、手指运动齿轮52、副指第一支架53、副指第二支架54、副指第四齿轮55、副指第三支架56、副指第四支架57、副指第一齿轮58、副指第八齿轮59、副指第二齿轮60、副指第九齿轮61、副指第十齿轮62、副指第三齿轮63、副指第七齿轮65、副指第六齿轮66、副指第五齿轮67、副指第十一齿轮68、手指运动齿轮固定结构69,其中如图23、32、33所示,第二驱动齿轮48和副指驱动锥齿50通过转轴安装在副指驱动齿轮固定结构49上,副指第一支架53通过副指固定结构51安装在副指支撑上,副指第二支架54通过固定在副指第一支架53上的圆柱销安装在副指第一支架53上,副指第三支架56通过固定在副指第三支架56上的圆柱销安装在副指第二支架54上,副指第四支架57通过固定在副指第四支架57上的圆柱销安装在副指第三支架56上;如图29所示,手指运动齿轮固定结构69为一空心圆柱体,安装在副指第二支架54侧面,且空心圆柱体轴线与副指第一支架53和副指第二支架54连接的圆柱销的轴线重合,手指运动齿轮52安装在手指运动齿轮固定结构69上,手指运动齿轮52与副指驱动锥齿50啮合;如图25所示,副指第一齿轮58和副指第八齿轮59固定在副指第一支架53的圆柱销上,如图26所示,副指第二齿轮60和副指第九齿轮61安装在副指第二支架54上的靠近副指第一支架53的转轴上,如图26所示,副指第三齿轮63、副指第四齿轮55和副指第十齿轮62安装在副指第二支架54上的靠近副指第三支架56的转轴上,如图27所示,副指第五齿轮67安装在副指第三支架56上的圆柱销上且能够相对于圆柱销转动,副指第十一齿轮68固定在副指第三支架56上的圆柱销上,副指第六齿轮66安装在副指第三支架56上的转轴上,如图28所示,副指第七齿轮65固定在副指第四支架57上的圆柱销上;副指第一齿轮58、副指第二齿轮60、副指第三齿轮63依次相互啮合,副指第四齿轮55、副指第五齿轮67、副指第六齿轮66、副指第七齿轮65依次相互啮合,副指第三齿轮63和副指第四齿轮55相互固定在一起,副指第八齿轮59、副指第九齿轮61、副指第十齿轮62、副指第十一齿轮68依次相互啮合;副指第三齿轮63直径小于副指第四齿轮55直径。直径关系的设计目的在于:为了让机械手的运动更像人的手臂运动方式,副指第二支架54、副指第三支架56、副指第四支架57之间必须相对转动,当手指运动齿轮52带动副指第二支架54转动时,通过运动齿轮传动带动副指第十一齿轮68转动进而带动副指第三支架56相对于副指第二支架54转动一定角度;若副指第五齿轮67与副指第十一齿轮68转动角度相同,那么副指第四支架57相对于副指第三支架56将不会有相对转动,要想让副指第四支架57相对于副指第三支架56相对转动,必须使副指第五齿轮67转角大于副指第十一齿轮68,所以设计副指第三齿轮63和副指第四齿轮55改变一下齿轮传动的传动比,进而使副指第五齿轮67转角大于副指第十一齿轮68。
如图30所示,上述主指46包括主指第一支架70、主指第一齿轮71、主指第二齿轮72、主指第三齿轮73、主指第二支架74、主指第四齿轮75、主指第三支架76、主指传动齿轮77、第一传动轴固定结构78、第一传动轴79、第三驱动齿轮80、第三驱动齿轮固定结构81、第二传动轴固定结构82、第二传动轴83、锥齿组合84、手指运动齿轮52、手指运动齿轮固定结构69,其中主指第一支架70安装在第三支撑板45上,主指第二支架74通过固定在主指第一支架70上的圆柱销安装在主指第一支架70上,主指第三支架76通过固定在主指第三支架76上的圆柱销安装在主指第二支架74上,手指运动齿轮52通过手指运动齿轮固定结构69安装在主指第二支架74侧面,手指运动齿轮固定结构69为一空心圆柱体,空心圆柱体轴线与主指第一支架70和主指第二支架74连接的圆柱销的轴线重合;如图31所示,主指传动齿轮77安装在第一传动轴79上,并且与手指运动齿轮52啮合,第一传动轴79通过第一传动轴固定结构78安装在第三支撑板45上,第二传动轴83通过第二传动轴固定结构82安装在第三支撑板45上,第一传动轴79与第二传动轴83之间通过锥齿组连接,第三驱动齿轮80通过转轴安装在第三驱动齿轮固定结构81上,第三驱动齿轮固定结构81安装在第三支撑板45上,第二传动轴83与第三驱动齿轮80转轴通过锥齿组传动;
如图1所示,上述动力驱动机构41包括往复驱动电机1、拨盘2、槽轮支撑轮3、摇杆5、第一支耳6、滑动套7、导轨支撑8、导轨、齿轮驱动电机支撑13、齿轮驱动电机14、齿轮驱动电机固定环15、齿轮驱动机构30、槽轮16、槽轮转轴17、圆柱销18、转臂19、齿轮驱动电机卡轴28、导电块29、齿轮驱动电机转轴31,其中如图1所示,往复驱动电机1安装在第一支撑板4上,如图4所示,拨盘2安装在往复驱动电机1转轴上,如图2、3所示,转臂19一端安装在拨盘2中心且转臂19指向为拨盘2径向方向,槽轮16安装在槽轮支撑轮3上,槽轮16通过槽轮转轴17安装在第一支撑板4上,圆柱销18一端安装在转臂19端头,另一端与槽轮16的槽配合;如图1所示,摇杆5一端通过销安装在槽轮支撑轮3侧面且非圆心处,摇杆5另一端通过转轴安装在第一支耳6上,如图5所示,第一支耳6安装在滑动套7一端,如图1、6所示,导轨9一端安装在滑动套7内部,导轨9另一端安装在导轨支撑8上,导轨支撑8安装在第一支撑板4上;如图7所示,第一支撑板4安装在第二支撑板10上,如图1所示,齿轮驱动电机14安装在齿轮驱动电机固定环15内,如图5所示,固定环通过齿轮驱动电机支撑13安装在滑动套7外圆柱面上;如图17所示,齿轮驱动电机转轴31为圆柱体,齿轮驱动电机卡轴28为非圆柱体,一段齿轮驱动电机转轴31与两段齿轮驱动电机卡轴28组成电机轴;如图1所示,三个齿轮驱动机构30安装在第二支撑板10上;齿轮驱动电机卡轴28两侧分别安装有导电块29。第一支撑板4安装在第二支撑板10上。齿轮驱动电机与固定环固定,随着滑套间隙往复运动,会出现运动中在某几个位置停留一段时间;
如图14所示,上述齿轮驱动机构30包括电磁铁11、第一驱动齿轮12、驱动齿轮中心孔20、驱动齿轮空心转轴21、电磁铁卡孔22、电磁铁空心转轴23、电磁铁支撑24、电磁铁转轴套25、驱动齿轮转轴套26、驱动齿轮支撑27、导电线圈36、电磁铁导电片37,其中如图10、11、12所示,电磁铁11中心开有电磁铁卡孔22,电磁铁空心转轴23安装在电磁铁11一侧中心,电磁铁空心转轴23安装在电磁铁转轴套25内,电磁铁转轴套25安装在电磁铁支撑24上,电磁铁支撑24安装在第二支撑板10上;如图8、9、13所示,第一驱动齿轮12中心开有驱动齿轮中心孔20,驱动齿轮空心转轴21安装在第一驱动齿轮12一侧中心,驱动齿轮空心转轴21安装在驱动齿轮转轴套26内,驱动齿轮转轴套26安装在驱动齿轮支撑27上,驱动齿轮支撑27安装在第二支撑板10上;如图19所示,导电线圈36缠绕在电磁铁11上,如图20所示,电磁铁导电片37安装在电磁铁卡孔22内表面,并且与导电块29配合;电磁铁卡孔22横截面与齿轮驱动电机卡轴28横截面相同,第一驱动齿轮12中心孔大于齿轮驱动电机卡轴28最大外缘尺寸。
设计齿轮驱动机构30目的在于:将齿轮驱动电机卡轴28扭矩传动到齿轮上,通过齿轮传动,将电机卡轴扭矩传导到机械手的关节上。本发明意在设计一款一个驱动电机能够驱动多个齿轮的驱动机构,发明利用槽轮间隙机构,驱动摇杆5,使得驱动电机能够在往复运动的同时在某些位置处具有停留时间,在这里的某些位置处,将设计的齿轮驱动机构30安装在转轴往复经过的停留位置上;齿轮驱动电机转轴31为卡轴,为非圆柱形,电磁铁11的卡孔截面与卡轴相似,卡孔套在卡轴上,卡轴能够带动具有卡孔的电磁铁11转动;齿轮的中心孔远大于卡轴,所以卡轴转动不带动齿轮转动,并且电磁铁11没有磁性时也不带动齿轮转动,当电机转轴到达停留位置,通过卡轴上的导电块29与电磁铁11接触,导致电磁铁11通电产生磁性,吸住齿轮表面,进而带动齿轮运动,在停留位置的停留的短暂时间内,控制驱动电机转角和转速从而控制机械手关节的运动幅度,每个停留点均设置一个齿轮驱动机构30,驱动不同的机械手关节。
如图17、18所示,上述导电块29包括第一导电块29-1和第二导电块29-2,上述电磁铁导电片37包括第一电磁铁导电片37-1和第二电磁铁导电片37-2,上述齿轮驱动电机14包括第一电刷32、第二电刷33、第一导电环34和第二导电环35,其中第一导电环34和第二导电环35安装在齿轮驱动电机转轴31上,第一电刷32和第二电刷33一端分别接通电源正负极,另一端分别与第一导电环34和第二导电环35摩擦接触,齿轮驱动电机转轴31内部安装有导线;电源正极通过第一电刷32、第一导电环34、导线与第一导电块29-1连接,电源负极通过第二电刷33、第二导电环35、导线与第二导电块29-2连接,第一导电块29-1、第二导电块29-2分别与第一电磁铁导电片37-1和第二电磁铁导电片37-2配合。电源、电刷、导电环、导电块29、电磁铁导电片37、线圈组成电流闭合回路。
上述槽轮16槽数为偶数个。偶数的槽能够保证往复运动的两个行程内具有相同数目和相同位置的停留点。
上述齿轮驱动机构30数量为(槽轮16槽数+2)/2个。
上述齿轮驱动电机卡轴28和转轴表面不导电,设计中只有卡轴上的导电块29与电磁铁11的导电片接触时才会使电磁铁11具有磁性进而带动齿轮,所以驱动电机转轴必须为不带电的表面。
上述第一驱动齿轮12自身转动阻力大于没有通电的电磁铁11与齿轮的摩擦力,第一驱动齿轮12自身转动阻力小于通电的电磁铁11与齿轮的摩擦力。保证只有电磁铁11通电才能驱动齿轮,也就是保证同一时间有且仅有一个齿轮被驱动,这样就能独立地通过控制齿轮驱动电机14转速转角来控制该齿轮。
如图16所示,为齿轮驱动机构30工作原理示意图,如图a所示,卡轴带动没有通电的电磁铁11转动,齿轮因为中心孔大于卡轴,以及没有通电的电磁铁11是无法带动齿轮转动的,所以齿轮没有转动;如图b所示,当卡轴随着齿轮驱动电机14在摇杆5带动下,卡轴上的导电块29与电磁铁导电片37接触,电磁铁11产生磁性,吸住齿轮,带动齿轮转动。
如图21所示,槽轮16为六槽,齿轮驱动机构30数目为四个,两两分布于齿轮驱动电机14两侧。槽轮16转动一周存在6个停留点(1/2/3/4/5/6),通过摇杆5的带动,电机往复运动存在4个停留点对应于槽轮16的(1/2(6)/3(5)/4),每个停留点驱动一个齿轮驱动机构30单独传动。如图21,四个停留点从左到右依次驱动a/c/b/d。
综上所述,本发明中第一副指43、第二副指40和主指46固定在第三支撑板45上,动力驱动机构41固定在第一支撑板4和第三支撑板45上,副指和主指46均设定了固定的运动方式,每一个手指具有一个自由度,通过动力驱动机构41驱动;动力驱动机构41使用了单动力驱动多个齿轮驱动机构30,对三个齿轮驱动机构30进行时序传动;动力驱动机构41中,往复电机通过转臂19和槽轮16配合实现间隙旋转,通过摇杆5机构带动齿轮驱动电机14做间隙往复运动,多个齿轮驱动机构30并排安装在齿轮驱动电机卡轴28上,在驱动电机的每个间隙停留时间内,有且仅对应一个齿轮驱动机构30,通过改变驱动电机的转矩和转角控制驱动齿轮的转角,进而驱动控制机械手某一个自由度;本发明使用了一个驱动电机的动力驱动机构41,利用时序方式对机械手驱动,因为驱动电机的减少大大简化了机械手的结构,具有很好的实用效果。

Claims (6)

1.一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:它包括第二副指、动力驱动机构、第二副指支撑、第一副指、第一副指支撑、第三支撑板、主指、机械手固定结构、副指固定结构、第一支撑板、第二支撑板,其中第一副指通过副指固定结构安装在第一副指支撑上,第二副指通过副指固定结构安装在第二副指支撑上,第一副指支撑和第二副指支撑并列安装在第三支撑板上;主指安装在第三支撑板上,第一支撑板安装在第三支撑板上,第二支撑板安装在第一支撑板上,动力驱动机构安装在第一支撑板和第二支撑板上,机械手固定结构安装在第一支撑板上;
上述第一副指和第二副指具有相同的结构,对于任意一个副指,它包括第二驱动齿轮、副指驱动齿轮固定结构、副指驱动锥齿、手指运动齿轮、副指第一支架、副指第二支架、副指第四齿轮、副指第三支架、副指第四支架、副指第一齿轮、副指第八齿轮、副指第二齿轮、副指第九齿轮、副指第十齿轮、副指第三齿轮、副指第七齿轮、副指第六齿轮、副指第五齿轮、副指第十一齿轮、手指运动齿轮固定结构,其中第二驱动齿轮和副指驱动锥齿通过转轴安装在副指驱动齿轮固定结构上,副指第一支架通过副指固定结构安装在副指支撑上,副指第二支架通过固定在副指第一支架上的圆柱销安装在副指第一支架上,副指第三支架通过固定在副指第三支架上的圆柱销安装在副指第二支架上,副指第四支架通过固定在副指第四支架上的圆柱销安装在副指第三支架上;手指运动齿轮固定结构为一空心圆柱体,安装在副指第二支架侧面,且空心圆柱体轴线与副指第一支架和副指第二支架连接的圆柱销的轴线重合,手指运动齿轮安装在手指运动齿轮固定结构上,手指运动齿轮与副指驱动锥齿啮合;副指第一齿轮和副指第八齿轮固定在副指第一支架的圆柱销上,副指第二齿轮和副指第九齿轮安装在副指第二支架上的靠近副指第一支架的转轴上,副指第三齿轮、副指第四齿轮和副指第十齿轮安装在副指第二支架上的靠近副指第三支架的转轴上,副指第五齿轮安装在副指第三支架上的圆柱销上且能够相对于圆柱销转动,副指第十一齿轮固定在副指第三支架上的圆柱销上,副指第六齿轮安装在副指第三支架上的转轴上,副指第七齿轮固定在副指第四支架上的圆柱销上;副指第一齿轮、副指第二齿轮、副指第三齿轮依次相互啮合,副指第四齿轮、副指第五齿轮、副指第六齿轮、副指第七齿轮依次相互啮合,副指第三齿轮和副指第四齿轮相互固定在一起,副指第八齿轮、副指第九齿轮、副指第十齿轮、副指第十一齿轮依次相互啮合;副指第三齿轮直径小于副指第四齿轮直径;
上述主指包括主指第一支架、主指第一齿轮、主指第二齿轮、主指第三齿轮、主指第二支架、主指第四齿轮、主指第三支架、主指传动齿轮、第一传动轴固定结构、第一传动轴、第三驱动齿轮、第三驱动齿轮固定结构、第二传动轴固定结构、第二传动轴、锥齿组合、手指运动齿轮、手指运动齿轮固定结构,其中主指第一支架安装在第三支撑板上,主指第二支架通过固定在主指第一支架上的圆柱销安装在主指第一支架上,主指第三支架通过固定在主指第三支架上的圆柱销安装在主指第二支架上,手指运动齿轮通过手指运动齿轮固定结构安装在主指第二支架侧面,手指运动齿轮固定结构为一空心圆柱体,空心圆柱体轴线与主指第一支架和主指第二支架连接的圆柱销的轴线重合;主指传动齿轮安装在第一传动轴上,并且与手指运动齿轮啮合,第一传动轴通过第一传动轴固定结构安装在第三支撑板上,第二传动轴通过第二传动轴固定结构安装在第三支撑板上,第一传动轴与第二传动轴之间通过锥齿组连接,第三驱动齿轮通过转轴安装在第三驱动齿轮固定结构上,第三驱动齿轮固定结构安装在第三支撑板上,第二传动轴与第三驱动齿轮转轴通过锥齿组传动;
上述动力驱动机构包括往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、齿轮驱动电机支撑、齿轮驱动电机、齿轮驱动电机固定环、齿轮驱动机构、槽轮、槽轮转轴、圆柱销、转臂、齿轮驱动电机卡轴、导电块、齿轮驱动电机转轴,其中往复驱动电机安装在第一支撑板上,拨盘安装在往复驱动电机转轴上,转臂一端安装在拨盘中心且转臂指向为拨盘径向方向,槽轮安装在槽轮支撑轮上,槽轮通过槽轮转轴安装在第一支撑板上,圆柱销一端安装在转臂端头,另一端与槽轮的槽配合;摇杆一端通过销安装在槽轮支撑轮侧面且非圆心处,摇杆另一端通过转轴安装在第一支耳上,第一支耳安装在滑动套一端,导轨一端安装在滑动套内部,导轨另一端安装在导轨支撑上,导轨支撑安装在第一支撑板上;齿轮驱动电机安装在齿轮驱动电机固定环内,固定环通过齿轮驱动电机支撑安装在滑动套外圆柱面上;齿轮驱动电机转轴为圆柱体,齿轮驱动电机卡轴为非圆柱体,一段齿轮驱动电机转轴与两段齿轮驱动电机卡轴组成电机轴;三个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上;齿轮驱动电机卡轴两侧分别安装有导电块;
上述齿轮驱动机构包括电磁铁、第一驱动齿轮、驱动齿轮中心孔、驱动齿轮空心转轴、电磁铁卡孔、电磁铁空心转轴、电磁铁支撑、电磁铁转轴套、驱动齿轮转轴套、驱动齿轮支撑、导电线圈、电磁铁导电片,其中电磁铁中心开有电磁铁卡孔,电磁铁空心转轴安装在电磁铁一侧中心,电磁铁空心转轴安装在电磁铁转轴套内,电磁铁转轴套安装在电磁铁支撑上,电磁铁支撑安装在第二支撑板上;第一驱动齿轮中心开有驱动齿轮中心孔,驱动齿轮空心转轴安装在第一驱动齿轮一侧中心,驱动齿轮空心转轴安装在驱动齿轮转轴套内,驱动齿轮转轴套安装在驱动齿轮支撑上,驱动齿轮支撑安装在第二支撑板上;导电线圈缠绕在电磁铁上,电磁铁导电片安装在电磁铁卡孔内表面,并且与导电块配合;电磁铁卡孔横截面与齿轮驱动电机卡轴横截面相同,第一驱动齿轮中心孔大于齿轮驱动电机卡轴最大外缘尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:上述导电块包括第一导电块和第二导电块,上述电磁铁导电片包括第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片,上述齿轮驱动电机包括第一电刷、第二电刷、第一导电环和第二导电环,其中第一导电环和第二导电环安装在齿轮驱动电机转轴上,第一电刷和第二电刷一端分别接通电源正负极,另一端分别与第一导电环和第二导电环摩擦接触,齿轮驱动电机转轴内部安装有导线;电源正极通过第一电刷、第一导电环、导线与第一导电块连接,电源负极通过第二电刷、第二导电环、导线与第二导电块连接,第一导电块、第二导电块分别与第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片配合。
3.根据权利要求1所述的一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:上述槽轮槽数为偶数个。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:上述齿轮驱动机构数量为(槽轮槽数+2)/2个。
5.根据权利要求1所述的一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:上述齿轮驱动电机卡轴和转轴表面不导电。
6.根据权利要求1所述的一种基于齿轮传动的多自由度机械手,其特征在于:上述第一驱动齿轮自身转动阻力大于没有通电的电磁铁与齿轮的摩擦力,第一驱动齿轮自身转动阻力小于通电的电磁铁与齿轮的摩擦力。
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