CN105415391A - 一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构 - Google Patents

Abstract

一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，它涉及一种机器人灵巧手拇指转动机构。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。本发明中动力输入装置设置在手掌板框架的一侧，所述运动输出装置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；波发生器套装在电机的输出轴上，柔轮设置在电机的输出轴与动力输出轴之间，柔轮的小口端固定套装在动力输出轴上，柔轮的大口端套装在波发生器外；电路板设置在辅助基座上，电位计固定连接在电路板上；所述壳体穿过手掌板框架与箱体可拆卸连接，所述小齿轮与冠齿轮相啮合。本发明具有结构紧凑、输出力矩大、传动平稳准确的优点。本发明用于机器人灵巧手机构中。

Description

一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构

技术领域

本发明涉及一种机器人灵巧手拇指转动机构。

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的功能的问题，从而提出了一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，它包括动力输入装置、手掌板框架、绝对位置传感器和运动输出装置，所述动力输入装置设置在手掌板框架的一侧，所述运动输出装置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；

所述动力输入装置包括电机、波发生器、刚轮、柔轮、固定基座、壳体、动力输出轴和小齿轮，所述电机的输出轴与动力输出轴同轴并列设置，所述电机固定安装在固定基座上，所述波发生器套装在电机的输出轴上，所述柔轮设置在电机的输出轴与动力输出轴之间，所述柔轮的小口端固定套装在动力输出轴上，所述柔轮的大口端套装在波发生器外，所述动力输出轴外套装有壳体，所述小齿轮位于壳体内且套装在动力输出轴上，所述刚轮位于固定基座内且套装在柔轮外；

所述运动输出装置包括冠齿轮、运动输出轴、拇指支撑座、箱体和辅助基座，所述运动输出轴穿设在拇指支撑座上，所述箱体套装在运动输出轴的一端且其外壁固定连接在手掌板框架上，所述冠齿轮位于箱体内且套装在运动输出轴上，所述辅助基座套装在运动输出轴的另一端且其外壁固定连接在手掌板框架上，所述绝对位置传感器包括电位和电路板，所述电路板设置在辅助基座上，所述电位计固定连接在电路板上；所述壳体穿过手掌板框架与箱体可拆卸连接，所述小齿轮与冠齿轮相啮合。

本发明的具有以下有益效果：

1、本发明基于机电一体化设计的设计思想，将驱动、传动、传感完全集成在一起，结构紧凑，具有集成度高、可靠度高、易于维护的优点。

2、本发明通过动力输入装置、绝对位置传感器和运动输出装置之间的相互配合实现拇指的运动，通过冠齿轮、运动输出轴、拇指支撑座、箱体和辅助基座之间的相互配合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的功能。

3、本发明具有体积小以及传递扭矩大的特点，其中动力输入装置可以布置在36mm×23mm×51mm的空间内，本发明传递的最大扭矩可达2.5Nm，可以保证机器人灵巧手拇指机构在动态抓取时具有最大15N的指尖输出力。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明与机器人灵巧手拇指机构5之间的使用状态图；

图3是动力输入装置1的主视结构示意图；

图4是图3中A-A处的剖面图；

图5是运动输出装置4的主视结构示意图；

图6是图5中B-B处的剖面图；

图7为电机1-1与固定基座1-4之间连接关系的立体结构示意图；

图8为电机1-1与波发生器1-2之间连接关系的立体结构示意图；

图9为刚轮1-5与固定基座1-4之间连接关系的立体结构示意图；

图10为柔轮1-8与动力输出轴1-12之间的装配图；

图11为壳体1-6与固定基座1-4之间的装配图；

图12为冠齿轮4-6与运动输出轴4-10之间的装配图；

图13为拇指支撑座4-9与运动输出轴4-10之间的装配图；

图14为壳体1-6与箱体4-4之间连接关系的立体结构示意图；

图15为运动输出装置4安装在手掌板框架2上的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图15具体说明本实施方式，本实施方式包括动力输入装置1、手掌板框架2、绝对位置传感器3和运动输出装置4，所述动力输入装置1设置在手掌板框架2的一侧，所述运动输出装置4位于手掌板框架2的另一侧，所述手掌板框架2上设置有绝对位置传感器3；

所述动力输入装置1包括电机1-1、波发生器1-2、刚轮1-5、柔轮1-8、固定基座1-4、壳体1-6、动力输出轴1-12和小齿轮1-11，所述电机1-1的输出轴与动力输出轴1-12同轴并列设置，所述电机1-1固定安装在固定基座1-4上，所述波发生器1-2套装在电机1-1的输出轴上，所述柔轮1-8设置在电机1-1的输出轴与动力输出轴1-12之间，所述柔轮1-8的小口端固定套装在动力输出轴1-12上，所述柔轮1-8的大口端套装在波发生器1-2外，所述动力输出轴1-12外套装有壳体1-6，所述小齿轮1-11位于壳体1-6内且套装在动力输出轴1-12上，所述刚轮1-5位于固定基座1-4内且套装在柔轮1-8外；

所述运动输出装置4包括冠齿轮4-6、运动输出轴4-10、拇指支撑座4-9、箱体4-4和辅助基座4-13，所述运动输出轴4-10穿设在拇指支撑座4-9上，所述箱体4-4套装在运动输出轴4-10的一端且其外壁固定连接在手掌板框架2上，所述冠齿轮4-6位于箱体4-4内且套装在运动输出轴4-10上，所述辅助基座4-13套装在运动输出轴4-10的另一端且其外壁固定连接在手掌板框架2上，所述绝对位置传感器3包括电位计3-2和电路板3-1，所述电路板3-1设置在辅助基座4-13上，所述电位计3-2固定连接在电路板3-1上；所述壳体1-6穿过手掌板框架2与箱体4-4可拆卸连接，所述小齿轮1-11与冠齿轮4-6相啮合。

本发明具有结构紧凑合理，传动平稳、准确的优点，可以有效地实现人手拇指的对掌运动功能，冠齿轮传动机构具有体积小、传递扭矩大的优点，可以保证机器人灵巧手拇指机构5在动态抓取时具有最大15N的指尖输出力。本发明中波发生器1-2、刚轮1-5和柔轮1-8为成套搭配的构件，不同型号的波发生器1-2配置有对应的刚轮1-5和柔轮1-8。柔轮1-8的外形为阶梯形。波发生器1-2包括前部套体和筒形套体，前部套体与筒形套体的前端固定连接在制为一体，前部套体用于与电机1-1的输出轴相配设置，筒形套体的后端固定连接有刚轮1-5，柔轮1-8套装在筒形套体外并与筒形套体的外壁相贴紧。波发生器1-2、刚轮1-5和柔轮1-8如此设置能够实现动力输入装置1的轴向尺寸不超过51mm，保证结构紧凑。

本发明是为了配合机器人灵巧手拇指机构5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的具体结构在名称为机器人灵巧手模块化手指，专利号为CN2007100725881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。

本发明中电机1-1由maxon瑞士公司制造，型号为EC20盘式，功率5W，供电电压为12V，连续输出转矩为7.59mNm。

本发明中柔轮1-8包括大套体和小套体，大套体和小套体同轴设置且二者固定连接制为一体，大套体和小套体之间内径之比为5:1，大套体套装在波发生器1-2上，小套体套装在动力输出轴1-12上。

本发明中电机1-1通过三个M2的沉头螺钉固定安装在固定基座1-4上。箱体4-4通过一面两销完全定位的方式固定安装在手掌板框架2上，通过两个M2.5的沉头螺钉夹紧，辅助基座4-13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2上，通过两个M2.5的沉头螺钉夹紧。如此设置，可以确保机器人灵巧手拇指机构5外展内收自由度轴线的准确度，辅助基座4-13处的不完全定位可以提高运动输出轴4-10的刚度，同时避免过定位的情况出现。

具体实施方式二：结合图4、图7、图8、图9、图10和图11具体说明本实施方式，本实施方式中所述动力输入装置1还包括紧定螺钉1-3、大轴套1-7、压紧螺钉1-9、第一轴承1-10和第二轴承1-14，所述波发生器1-2套装在电机1-1的输出轴上且其通过紧定螺钉1-3固定连接在电机1-1的输出轴上；所述柔轮1-8的小口端通过压紧螺钉1-9固定套装在动力输出轴1-12上，所述柔轮1-8的小口端和压紧螺钉1-9之间设置有大轴套1-7；所述动力输出轴1-12外从靠近波发生器1-2的一端至远离波发生器1-2的另一端依次套装有第一轴承1-10和第二轴承1-14，所述动力输出轴1-12分别通过第一轴承1-10和第二轴承1-14与壳体1-6相连接。

本实施方式中固定基座1-4、刚轮1-5、销钉1-16，刚轮1-5通过销钉1-16固定安装在固定基座1-4上。

本实施方式中动力输出轴1-12通过端面键与柔轮1-8的输出端连接。

本实施方式中冠齿轮4-6通过端面键与运动输出轴4-10连接。如此设置，具有结构紧凑，传递扭矩大的优点。

本实施方式中壳体1-6通过销钉1-17与固定基座1-4以一面两销的方式定位，壳体1-6通过两个M2的沉头螺钉与固定基座1-4进行夹紧。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3和图4具体说明本实施方式，本实施方式中所述动力输入装置1还包括小轴套1-13、第一挡圈1-15和沉头螺钉1-19，所述小齿轮1-11固定套装在动力输出轴1-12上，所述小齿轮1-11通过小轴套1-13轴向定位在第二轴承1-14的一侧，所述第一挡圈1-15通过沉头螺钉1-19固定连接在动力输出轴1-12上远离波发生器1-2的另一端的端面上。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、图5、图、图12、图13、图14和图15具体说明本实施方式，本实施方式中所述运动输出装置4还包括主轴承一4-1、定位套筒4-5、调整垫片4-7、主轴承二4-8、定位轴套4-11和辅助轴承4-12，所述主轴承一4-1和主轴承二4-8均位于箱体4-4内且分别位于冠齿轮4-6的两侧，所述主轴承一4-1套装在运动输出轴4-10上且其通过定位套筒4-5与冠齿轮4-6的一侧相贴紧，所述主轴承二4-8套装在运动输出轴4-10上且其通过调整垫片4-7与冠齿轮4-6的另一侧相贴紧；所述运动输出轴4-10上套装有辅助轴承4-12，所述运动输出轴4-10通过辅助轴承4-12与辅助基座4-13相连接；所述运动输出轴4-10上还套装有定位轴套4-11，所述辅助轴承4-12通过定位轴套4-11定位于运动输出轴4-10。

本实施方式中调整调整垫片4-7的厚度能够保证小齿轮1-11与冠齿轮4-6之间的距离，确保二者传动平稳、可靠、准确。

本实施方式中拇指支撑座4-9通过销钉4-14固定安装在运动输出轴4-10上。

本实施方式中壳体1-6通过销钉1-18固定安装在箱体4-4上。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图6具体说明本实施方式，本实施方式中所述运动输出装置4还包括第二挡圈4-2、平头螺钉4-15和端盖4-3，所述主轴承一4-1分别通过挡圈4-2和平头螺钉4-15固定连接在运动输出轴4-10上，所述第二挡圈4-2外设置有端盖4-3。

本实施方式中平头螺钉4-15为M1.6的平头螺钉。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

结合说明书附图1～图15说明本发明的工作原理：

电机1-1的输出轴驱动波发生器1-2，波发生器1-2带动柔轮1-8，柔轮1-8驱动动力输出轴1-12，动力输出轴1-12带动小齿轮1-11通过啮合驱动冠齿轮4-6带动运动输出轴4-10，运动输出轴4-10通过拇指支撑座4-9带动机器人灵巧手拇指机构5，实现机器人灵巧手拇指机构5的外展内收自由度，进而实现人手拇指的对掌运动功能。

Claims (5)

1.一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，其特征在于：它包括动力输入装置(1)、手掌板框架(2)、绝对位置传感器(3)和运动输出装置(4)，所述动力输入装置(1)设置在手掌板框架(2)的一侧，所述运动输出装置(4)位于手掌板框架(2)的另一侧，所述手掌板框架(2)上设置有绝对位置传感器(3)；

所述动力输入装置(1)包括电机(1-1)、波发生器(1-2)、刚轮(1-5)、柔轮(1-8)、固定基座(1-4)、壳体(1-6)、动力输出轴(1-12)和小齿轮(1-11)，所述电机(1-1)的输出轴与动力输出轴(1-12)同轴并列设置，所述电机(1-1)固定安装在固定基座(1-4)上，所述波发生器(1-2)套装在电机(1-1)的输出轴上，所述柔轮(1-8)设置在电机(1-1)的输出轴与动力输出轴(1-12)之间，所述柔轮(1-8)的小口端固定套装在动力输出轴(1-12)上，所述柔轮(1-8)的大口端套装在波发生器(1-2)外，所述动力输出轴(1-12)外套装有壳体(1-6)，所述小齿轮(1-11)位于壳体(1-6)内且套装在动力输出轴(1-12)上，所述刚轮(1-5)位于固定基座(1-4)内且套装在柔轮(1-8)外；

所述运动输出装置(4)包括冠齿轮(4-6)、运动输出轴(4-10)、拇指支撑座(4-9)、箱体(4-4)和辅助基座(4-13)，所述运动输出轴(4-10)穿设在拇指支撑座(4-9)上，所述箱体(4-4)套装在运动输出轴(4-10)的一端且其外壁固定连接在手掌板框架(2)上，所述冠齿轮(4-6)位于箱体(4-4)内且套装在运动输出轴(4-10)上，所述辅助基座(4-13)套装在运动输出轴(4-10)的另一端且其外壁固定连接在手掌板框架(2)上，所述绝对位置传感器(3)包括电位计(3-2)和电路板(3-1)，所述电路板(3-1)设置在辅助基座(4-13)上，所述电位计(3-2)固定连接在电路板(3-1)上；所述壳体(1-6)穿过手掌板框架(2)与箱体(4-4)可拆卸连接，所述小齿轮(1-11)与冠齿轮(4-6)相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，其特征在于：所述动力输入装置(1)还包括紧定螺钉(1-3)、大轴套(1-7)、压紧螺钉(1-9)、第一轴承(1-10)和第二轴承(1-14)，所述波发生器(1-2)套装在电机(1-1)的输出轴上且其通过紧定螺钉(1-3)固定连接在电机(1-1)的输出轴上；所述柔轮(1-8)的小口端通过压紧螺钉(1-9)固定套装在动力输出轴(1-12)上，所述柔轮(1-8)的小口端和压紧螺钉(1-9)之间设置有大轴套(1-7)；所述动力输出轴(1-12)外从靠近波发生器(1-2)的一端至远离波发生器(1-2)的另一端依次套装有第一轴承(1-10)和第二轴承(1-14)，所述动力输出轴(1-12)分别通过第一轴承(1-10)和第二轴承(1-14)与壳体(1-6)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，其特征在于：所述动力输入装置(1)还包括小轴套(1-13)、第一挡圈(1-15)和沉头螺钉(1-19)，所述小齿轮(1-11)固定套装在动力输出轴(1-12)上，所述小齿轮(1-11)通过小轴套(1-13)轴向定位在第二轴承(1-14)的一侧，所述第一挡圈(1-15)通过沉头螺钉(1-19)固定连接在动力输出轴(1-12)上远离波发生器(1-2)的另一端的端面上。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，其特征在于：所述运动输出装置(4)还包括主轴承一(4-1)、定位套筒(4-5)、调整垫片(4-7)、主轴承二(4-8)、定位轴套(4-11)和辅助轴承(4-12)，所述主轴承一(4-1)和主轴承二(4-8)均位于箱体(4-4)内且分别位于冠齿轮(4-6)的两侧，所述主轴承一(4-1)套装在运动输出轴(4-10)上且其通过定位套筒(4-5)与冠齿轮(4-6)的一侧相贴紧，所述主轴承二(4-8)套装在运动输出轴(4-10)上且其通过调整垫片(4-7)与冠齿轮(4-6)的另一侧相贴紧；所述运动输出轴(4-10)上套装有辅助轴承(4-12)，所述运动输出轴(4-10)通过辅助轴承(4-12)与辅助基座(4-13)相连接；所述运动输出轴(4-10)上还套装有定位轴套(4-11)，所述辅助轴承(4-12)通过定位轴套(4-11)定位于运动输出轴(4-10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于冠齿轮的机器人灵巧手拇指转动机构，其特征在于：所述运动输出装置(4)还包括第二挡圈(4-2)、平头螺钉(4-15)和端盖(4-3)，所述主轴承一(4-1)分别通过挡圈(4-2)和平头螺钉(4-15)固定连接在运动输出轴(4-10)上，所述第二挡圈(4-2)外设置有端盖(4-3)。