CN105397823A - 用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构 - Google Patents
用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构 Download PDFInfo
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Abstract
用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，它涉及一种外展内收机构。现有的机器人灵巧手拇指机构难以实现人手对掌运动功能的问题。本发明中蜗轮蜗杆传动机构设置在手掌板框架的一侧，蜗轮蜗杆传动机构上设置有驱动电路板，拇指支撑座位于手掌板框架的另一侧，手掌板框架上设置有绝对位置传感器；电机的输出轴与蜗杆同轴设置，电机的输出轴通过减速器与蜗杆的一端相连接，蜗轮轴设置在拇指支撑座靠近手掌板框架的一侧，拇指支撑座远离手掌板框架的一侧设置有机器人灵巧手拇指机构，所述绝对位置传感器包括电位计和转接电路板，电位计固接在转接电路板上，控制电路可拆卸连接在辅助基座上。本发明用于控制机器人灵巧手机构的对掌运动。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构。
背景技术
随着社会的进步和人类对未知领域探索的不断深入，如太空环境、核环境等，传统的机器人末端执行器由于抓取方式单一、缺少灵活性等缺点，已经不能满足面对复杂环境和任务的需求。多指机器人灵巧手具有多自由度和多感知功能，面对复杂环境和任务具有良好的抓取和操作性能，其研究越来越受到重视，但对于拇指机构的研究并不多。而事实上，人手之所以既能实现强力抓取又能实现精确操作，正是得益于拇指。拇指与其余四指之间的对掌运动(movementofopposition)是上述功能实现的必要保证。然而由于目前技术的限制，人手生物系统的机械复制是几乎不可能，也是没有必要的，因为设计者的目标是获得一个功能性的拇指。但是在现有的灵巧手设计中，大多只是将拇指同其它手指一起做模块化处理，并将其简单地置于其他手指的对面。这种设计很难实现对掌运动或者只能部分实现对掌运动的功能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的机器人灵巧手拇指机构难以实现人手对掌运动功能的问题，从而提出了一种用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，它包括拇指支撑座、蜗轮蜗杆传动机构、绝对位置传感器、驱动电路板和手掌板框架，所述蜗轮蜗杆传动机构设置在手掌板框架的一侧，所述蜗轮蜗杆传动机构上设置有驱动电路板，所述拇指支撑座位于手掌板框架的另一侧，所述手掌板框架上设置有绝对位置传感器；
所述蜗轮蜗杆传动机构包括电机、减速器、蜗杆、蜗轮、蜗轮轴、整体式箱体和辅助基座，所述辅助基座与整体式箱体并列设置且二者均固定安装在手掌板框架上，所述电机、减速器和蜗杆依次设置在整体式箱体上，所述电机的输出轴与蜗杆同轴设置，所述电机的输出轴通过减速器与蜗杆的一端相连接，所述蜗轮轴设置在拇指支撑座靠近手掌板框架的一侧，所述拇指支撑座上远离手掌板框架的一侧设置有机器人灵巧手拇指机构，所述蜗轮轴的一端与辅助基座相连接，所述蜗轮轴的另一端套装有蜗轮，所述蜗轮通过蜗轮轴与整体式箱体连接，所述整体式箱体上设置有驱动电路板，所述蜗杆与蜗轮相啮合；
所述绝对位置传感器包括电位计和转接电路板，所述电位计固定连接在转接电路板上，所述转接电路板可拆卸连接在辅助基座上。
本发明的具有以下有益效果：
本发明基于机电一体化设计的设计思想，将驱动、传动、传感及电路完全集成在一起，结构紧凑，具有集成度高、可靠度高、易于维护的优点；本发明采用蜗轮蜗杆传动机构实现拇指的外展内收运动，有效地实现了人手拇指的对掌运动功能；本发明具有自锁能力，在抓取和操作物体时无需电机持续供电机器人灵巧手拇指机构也能保持在当前位置，降低了对电机功率的要求，有益于小型化设计和散热，同时可以保证拇指在静态抓取时具有最大14N的指尖输出力。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明和机器人灵巧手拇指机构1连接的整体结构示意图；
图3为蜗轮蜗杆传动机构5的主视结构示意图；
图4为图3中A-A处的剖面图；
图5为拇指支撑座2的主视结构示意图；
图6为图5中B-B处的剖面图；
图7为蜗轮5-7与蜗轮轴5-17连接的分解示意图；
图8为拇指支撑座2与蜗轮轴5-17连接的分解示意图；
图9为散热风扇7与驱动电路板6的结构示意图；
图10为蜗轮蜗杆传动机构5与手掌板框架4之间的连接关系示意图；
图11为本发明第一极限的工作状态图；
图12为本发明第二极限的工作状态图。
具体实施方式
体实施方式一：结合图1～图12具体说明本实施方式，本实施方式包括拇指支撑座2、蜗轮蜗杆传动机构5、绝对位置传感器3、驱动电路板6和手掌板框架4，所述蜗轮蜗杆传动机构5设置在手掌板框架4的一侧，所述蜗轮蜗杆传动机构5上设置有驱动电路板6，所述拇指支撑座2位于手掌板框架4的另一侧，所述手掌板框架4上设置有绝对位置传感器3；
所述蜗轮蜗杆传动机构5包括电机5-1、减速器5-2、蜗杆5-9、蜗轮5-7、蜗轮轴5-17、整体式箱体5-5和辅助基座5-20，所述辅助基座5-20与整体式箱体5-5并列设置且二者均固定安装在手掌板框架4上，所述电机5-1、减速器5-2和蜗杆5-9依次设置在整体式箱体5-5上，所述电机5-1的输出轴与蜗杆5-9同轴设置，所述电机5-1的输出轴通过减速器5-2与蜗杆5-9的一端相连接，所述蜗轮轴5-17设置在拇指支撑座2靠近手掌板框架4的一侧，所述拇指支撑座2上远离手掌板框架4的一侧设置有机器人灵巧手拇指机构1，所述蜗轮轴5-17的一端与辅助基座5-20相连接，所述蜗轮轴5-17的另一端套装有蜗轮5-7，所述蜗轮5-7通过蜗轮轴5-17与整体式箱体5-5连接，所述整体式箱体5-5上设置有驱动电路板6，所述蜗杆5-9与蜗轮5-7相啮合；
所述绝对位置传感器3包括电位计3-2和转接电路板3-1，所述电位计3-2固定连接在转接电路板3-1上，所述转接电路板3-1可拆卸连接在辅助基座5-20上。
本发明具有结构紧凑合理，传动平稳、可靠、准确的优点，可以有效地实现人手拇指的对掌运动功能，蜗轮蜗杆传动机构5具有自锁能力，可以保证拇指在静态抓取时具有最大14N的指尖输出力。驱动电路板6和绝对位置传感器3均为已有产品，根据设计需要选取即可。
本发明是为了配合机器人灵巧手拇指机构1实现人手对掌运动，人手对掌运动是指拇指的指尖和其他各指的指尖相互接触的运动，是人手所特有的运动，是人手作为劳动器官所特有的功能。机器人灵巧手拇指机构5的具体结构在CN2007100725881，名称为机器人灵巧手模块化手指中已作出详细介绍。机器人灵巧手拇指机构5包括基关节壳体、基关节主电路板、双驱驱动机构、基关节连接电路板、基关节差动机构、U形连接头、基关节二维力矩传感器、基关节绝对位置传感装置、第一指节壳体、驱动机构、第一指电路板、中间指节壳体、耦合钢丝传动机构、末端指节壳体、手指关节一维位置传感器和一维力矩传感器。本发明中的拇指支撑座4-9通过销钉与机器人灵巧手拇指机构5中基关节壳体可拆卸连接，进而带动机器人灵巧手拇指机构5，实现其外展内收运动。
本发明中的电机5-1由maxon瑞士公司制造，型号为EC9.2盘式，功率0.5W，供电电压为3V，连续输出转矩为0.764mNm；减速器5-2由maxon瑞士公司制造的行星减速器，型号为GP10A，减速比为64:1，最大连续输出转矩为0.1Nm。
本发明中蜗轮5-7通过端面键与蜗轮轴5-17连接。如此设置，具有结构紧凑，传递扭矩大的优点。本发明中拇指支撑座2通过销钉5-21固定安装在蜗轮轴5-17上。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式中所述蜗轮蜗杆传动机构5还包括减速器端盖5-3、定位套5-4、两个蜗杆轴系轴承5-6和蜗杆端盖5-10，所述减速器5-2与减速器端盖5-3螺纹连接，所述减速器端盖5-3固定安装在整体式箱体5-5上，所述蜗杆5-9的一端通过型孔与减速器5-2的输出轴连接，所述蜗杆5-9的另一端通过两个蜗杆轴系轴承5-6与整体式箱体5-5连接，所述蜗杆端盖5-10固定安装在整体式箱体5-5上。
本实施方式中减速器端盖5-3通过四个M1.6的平头螺钉固定安装在整体式箱体5-5上，蜗杆5-9的一端通过型孔与减速器5-2的输出轴连接，蜗杆端盖5-10通过四个M1.6的平头螺钉固定安装在整体式箱体5-5上。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、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8具体说明本实施方式，本实施方式中所述蜗轮蜗杆传动机构5还包括主轴承一5-11、挡圈5-12、连接端盖5-13、定位套筒5-14、主轴承二5-16、调整垫片5-15、定位轴套5-18和辅助轴承5-19，所述主轴承一5-11和主轴承二5-16均套装在蜗轮轴5-17上，所述蜗轮轴5-17依次通过主轴承一5-11和主轴承二5-16与整体式箱体5-5相连接，所述主轴承一5-11上套装有挡圈5-12，所述主轴承一5-11通过挡圈5-12固定安装在蜗轮轴5-17上，所述端盖5-13固定安装在整体式箱体5-5上，所述蜗轮轴5-17上还套装有辅助轴承5-19和定位轴套5-18，所述蜗轮轴5-17通过辅助轴承5-19与辅助基座5-20连接，所述蜗轮5-7位于主轴承一5-11和主轴承二5-16之间，所述蜗轮5-7的一端通过调整垫片5-15与主轴承二5-16相贴紧，所述蜗轮5-7的另一端通过定位套筒5-14与主轴承一5-11相贴紧。
本实施方式中主轴承一5-11通过挡圈5-12和M1.6的平头螺钉固定安装在蜗轮轴5-17上，连接端盖通过M1.6的平头螺钉固定安装在整体式箱体5-5上，拇指支撑座2固定安装在蜗轮轴5-17上，辅助轴承5-19通过定位轴套5-18定位于蜗轮轴5-17，蜗轮轴5-17通过辅助轴承5-19与辅助基座5-20连接。如此设置，可以通过调整调整垫片5-15的厚度来保证蜗轮5-7的中心平面与蜗杆5-9轴线之间的偏差，确保传动平稳、可靠、准确。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图9具体说明本实施方式，本实施方式还包括散热风扇7，所述散热风扇7包括风扇7-1、风扇支座7-2和支撑螺柱7-3，所述风扇7-1固定安装在风扇支座7-2上，风扇支座7-2通过支撑螺柱7-3固定安装在整体式箱体5-5上。
本实施方式中驱动电路板6通过支撑螺柱7-3和一个M1.6的平头螺钉固定安装在整体式箱体5-5上，风扇7-1通过两个M2.5的沉头螺钉固定安装在风扇支座7-2上，风扇支座7-2通过支撑螺柱7-3固定安装在整体式箱体5-5上。如此设置，确保良好的散热。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。
本发明中整体式箱体5-5通过一面两销完全定位的方式固定安装在手掌板框架4上，通过两个M2.5的沉头螺钉夹紧，辅助基座5-20通过一个平面的不完全定位的方式固定安装在手掌板框架4上，通过两个M2.5的沉头螺钉夹紧。如此设置，可以确保拇指机构外展内收自由度轴线的准确度，辅助基座5-20处的不完全定位可以提高蜗轮轴5-17的刚度，同时避免过定位的情况出现。
本发明中整体式箱体5-5、蜗轮5-7、限位销钉5-8、蜗杆5-9，限位销钉5-8穿过蜗轮5-7上的弧形槽固定安装在整体式箱体5-5上。如此设置，以确保蜗轮5-7在运动过程中不与蜗杆5-9脱离。
结合说明书附图1～图12说明本发明的工作原理：
电机5-1的输出轴驱动减速器5-2，减速器5-2的输出轴带动蜗杆5-9，蜗杆5-9通过啮合驱动蜗轮5-7带动蜗轮轴5-17，蜗轮轴5-17通过拇指支撑座2带动机器人灵巧手拇指机构1，实现机器人灵巧手拇指机构1的外展内收自由度，进而实现人手拇指的对掌运动功能。
结合说明书附图11和图12说明本发明配合机器人灵巧手拇指机构1实现外展内收运动的过程：
外展运动：图11和图12分别是本发明的两个极限位置，由图11的位置运动到图12的位置的过程被称为拇指的外展运动。从手掌板框架4的底部向上看，通过蜗杆5-9和蜗轮5-7的啮合作用带动蜗轮轴5-17顺时针转动，同时蜗轮轴5-17顺时针转动使拇指支撑座2做出远离手掌板框架4的运动，由于拇指支撑座2和机器人灵巧手拇指机构1做同步运动，机器人灵巧手拇指机构1在拇指支撑座2的带动下做出远离手掌板框架4的运动，从而实现机器人灵巧手拇指机构1的外展运动。
内收运动：图11和图12分别是本发明的两个极限位置，由图12的位置运动到图11的位置的过程被称为拇指的内收运动。从手掌板框架4的底部向上看，通过蜗杆5-9和蜗轮5-7的啮合作用带动蜗轮轴5-17逆时针转动，同时蜗轮轴5-17逆时针转动使拇指支撑座2做出靠近手掌板框架4的运动，由于拇指支撑座2和机器人灵巧手拇指机构1做同步运动，机器人灵巧手拇指机构1在拇指支撑座2的带动下做出靠近手掌板框架4的运动，从而实现机器人灵巧手拇指机构1的内收运动。
Claims (4)
1.一种用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，其特征在于：它包括拇指支撑座(2)、蜗轮蜗杆传动机构(5)、绝对位置传感器(3)、驱动电路板(6)和手掌板框架(4)，所述蜗轮蜗杆传动机构(5)设置在手掌板框架(4)的一侧，所述蜗轮蜗杆传动机构(5)上设置有驱动电路板(6)，所述拇指支撑座(2)位于手掌板框架(4)的另一侧，所述手掌板框架(4)上设置有绝对位置传感器(3)；
所述蜗轮蜗杆传动机构(5)包括电机(5-1)、减速器(5-2)、蜗杆(5-9)、蜗轮(5-7)、蜗轮轴(5-17)、整体式箱体(5-5)和辅助基座(5-20)，所述辅助基座(5-20)与整体式箱体(5-5)并列设置且二者均固定安装在手掌板框架(4)上，所述电机(5-1)、减速器(5-2)和蜗杆(5-9)依次设置在整体式箱体(5-5)上，所述电机(5-1)的输出轴与蜗杆(5-9)同轴设置，所述电机(5-1)的输出轴通过减速器(5-2)与蜗杆(5-9)的一端相连接，所述蜗轮轴(5-17)设置在拇指支撑座(2)靠近手掌板框架(4)的一侧，所述拇指支撑座(2)上远离手掌板框架(4)的一侧设置有机器人灵巧手拇指机构(1)，所述蜗轮轴(5-17)的一端与辅助基座(5-20)相连接，所述蜗轮轴(5-17)的另一端套装有蜗轮(5-7)，所述蜗轮(5-7)通过蜗轮轴(5-17)与整体式箱体(5-5)连接，所述整体式箱体(5-5)上设置有驱动电路板(6)，所述蜗杆(5-9)与蜗轮(5-7)相啮合；
所述绝对位置传感器(3)包括电位计(3-2)和转接电路板(3-1)，所述电位计(3-2)固定连接在转接电路板(3-1)上，所述转接电路板(3-1)可拆卸连接在辅助基座(5-20)上。
2.根据权利要求1所述的用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动机构(5)还包括减速器端盖(5-3)、定位套(5-4)、两个蜗杆轴系轴承(5-6)和蜗杆端盖(5-10)，所述减速器(5-2)与减速器端盖(5-3)螺纹连接，所述减速器端盖(5-3)固定安装在整体式箱体(5-5)上，所述蜗杆(5-9)的一端通过型孔与减速器(5-2)的输出轴连接，所述蜗杆(5-9)的另一端通过两个蜗杆轴系轴承(5-6)与整体式箱体(5-5)连接，所述蜗杆端盖(5-10)固定安装在整体式箱体(5-5)上。
3.根据权利要求2所述的用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动机构(5)还包括主轴承一(5-11)、挡圈(5-12)、连接端盖(5-13)、定位套筒(5-14)、主轴承二(5-16)、调整垫片(5-15)、定位轴套(5-18)和辅助轴承(5-19)，所述主轴承一(5-11)和主轴承二(5-16)均套装在蜗轮轴(5-17)上，所述蜗轮轴(5-17)依次通过主轴承一(5-11)和主轴承二(5-16)与整体式箱体(5-5)相连接，所述主轴承一(5-11)上套装有挡圈(5-12)，所述主轴承一(5-11)通过挡圈(5-12)固定安装在蜗轮轴(5-17)上，所述端盖(5-13)固定安装在整体式箱体(5-5)上，所述蜗轮轴(5-17)上还套装有辅助轴承(5-19)和定位轴套(5-18)，所述蜗轮轴(5-17)通过辅助轴承(5-19)与辅助基座(5-20)连接，所述蜗轮(5-7)位于主轴承一(5-11)和主轴承二(5-16)之间，所述蜗轮(5-7)的一端通过调整垫片(5-15)与主轴承二(5-16)相贴紧，所述蜗轮(5-7)的另一端通过定位套筒(5-14)与主轴承一(5-11)相贴紧。
4.根据权利要求1或3所述的用于机器人灵巧手拇指的自锁性外展内收机构，其特征在于：它还包括散热风扇(7)，所述散热风扇(7)包括风扇(7-1)、风扇支座(7-2)和支撑螺柱(7-3)，所述风扇(7-1)固定安装在风扇支座(7-2)上，风扇支座(7-2)通过支撑螺柱(7-3)固定安装在整体式箱体(5-5)上。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160316 |