CN105479454B - 一种基于同步带传动的多自由度机械手 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械手驱动技术领域，尤其涉及一种基于同步带传动的多自由度机械手，它包括第一副指、第二副指、主指、副指摆动电机、软轴、动力驱动机构等，其中第一副指、第二副指和主指安装在手指支撑板上，通过副指摆动电机控制第一副指和第二副指之间的相对摆动，通过同步带和齿轮传动控制机械手各个关节的运动，通过软轴将动力驱动机构的动力传动到副指和主指的被动轴上；另外，对于动力驱动机构，使用了特种的动力驱动机构，只使用一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械手，因为驱动电机的减少进一步简化了机械手的结构，具有很好的实用效果。

Description

一种基于同步带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，尤其涉及一种基于同步带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同步带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同步带传动的多自由度机械手，它是采用以下技术方案来实现的。

一种基于同步带传动的多自由度机械手，其特征在于：它包括动力驱动机构、第二副指、第一副指、副指摆动电机、副指固定摆块、手指支撑板、主指、机械手固定结构、机械手固定套管、主指固定摆块转轴、主指固定摆块、主指摆块支撑结构、摆动电机支撑，其中两个副指摆动电机分别安装在两个摆动电机支撑上，两个摆动电机支撑安装在手指支撑板一侧的两端，两个副指摆动电机转轴均穿过手指支撑板，第一副指和第二副指均通过副指固定摆块分别安装在两个副指摆动电机转轴上，副指固定摆块和副指摆动电机位于手指支撑板两侧；主指摆块支撑结构安装在手指支撑板上，主指固定摆块通过固定在主指固定摆块上的转轴安装在主指摆块支撑机构上，主指安装在主指固定摆块上；机械手固定结构安装在手指支撑板上，机械手固定套管安装在机械手固定结构上，动力驱动机构安装在机械手固定套管内部；本发明中第一副指模仿人手食指，第二副指模仿人手中指，主指模仿人手拇指，三根机械指能够模仿大部分人手的功能，也因为只设计了三根机械指，结构较为简单；副指可以在摆动电机的带动下围绕摆动电机转轴转动一定角度，模仿人手的食指和中指之间的相互摆动，主指可以围绕主指固定摆块转轴转动一定的角度，模仿人手拇指的摆动。

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，它包括副指第四支架、副指第四同步轮、副指第三支架、副指第四齿轮、副指第三同步轮、副指第二同步轮、副指第三齿轮、副指第二齿轮、副指第一同步轮、副指第一齿轮、软轴被动轴、副指第一支架、副指第一支架圆柱销、副指第二支架、副指第三支架圆柱销、副指第四支架圆柱销、软轴被动轴固定环，其中副指第一支架安装在副指固定摆块上，副指第二支架通过固定在副指第一支架上的副指第一支架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副指第三支架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副指第四支架圆柱销安装在副指第三支架上；副指第一齿轮固定在副指第一支架圆柱销上；副指第二齿轮和副指第一同步轮并排固定在副指第二支架上的靠近副指第一支架的转轴上；副指第三齿轮固定在副指第二支架上的靠近副指第三支架的圆柱销上，副指第二同步轮固定在副指第三支架圆柱销上，副指第四齿轮和副指第三同步轮固定在一起且可相对于副指第三支架圆柱销转动，副指第四同步轮固定在副指第四支架圆柱销上；副指第一齿轮与副指第二齿轮啮合，副指第三齿轮与副指第四齿轮啮合，副指第一同步轮与副指第二同步轮通过同步带连接，副指第三同步轮与副指第四同步轮通过同步带连接；软轴被动轴固定环安装在副指第二支架一侧，且固定环轴线与副指第一支架圆柱销轴线重合，软轴被动轴安装在软轴被动轴固定环上；

为了完全模仿人手的手指弯曲运动，机械手的副指各个支架之间必须有相互转动，本发明中运动方式如下：当副指第二支架受到软轴被动轴驱动时，副指第二支架围绕副指第一支架圆柱销转动，副指第二齿轮转动带动副指第一同步轮转动，副指第一同步轮在同步带的传动下，带动副指第二同步轮转动，进而带动副指第三支架相对于副指第二支架转动一定的角度，此时副指第四齿轮会在副指第三齿轮的啮合作用下，转动一定的角度，这将带动副指第三同步轮转动，副指第三同步轮在同步带传动下带动副指第四同步轮转动，进而带动副指第四支架相对于副指第三支架转动。

上述主指包括主指第一支架、主指第一支架圆柱销、主指第一齿轮、主指第一同步轮、主指第二齿轮、主指第二同步轮、主指第三支架、主指第二支架、主指第三支架圆柱销，其中主指第一支架安装在主指固定摆块上，主指第二支架通过固定在主指第一支架上的主指第一支架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主指第三支架圆柱销安装在主指第二支架上，主指第一齿轮固定在主指第一支架圆柱销上；主指第二齿轮与主指第一同步轮固定在一起，且安装在主指第二支架上的圆柱销上；主指第二同步轮固定在主指第三支架圆柱销上；主指第一齿轮与主指第二齿轮 啮合，主指第一同步轮与主指第二同步轮通过同步带连接；软轴被动轴固定环安装在主指第二支架一侧，且固定环轴线与主指第一支架圆柱销轴线重合，软轴被动轴安装在软轴被动轴固定环上；主指运动方式如副指运动方式。

上述动力驱动机构包括软轴驱动轴、第三支撑板、锥齿组合、往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、第一支撑板、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、第二支撑板、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；四个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上，且两两分布于齿轮驱动电机两侧，分布两侧目的在于每侧的各个齿轮驱动机构之间具有足够大的间隔，保证各个机构的安装空间；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，第三支撑板安装在第一支撑板上。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。

上述四个软轴驱动轴均安装在第三支撑板上，且分别通过锥齿组合与四个齿轮驱动机构中的四个第一驱动齿轮啮合；第一副指中的软轴被动轴、第二副指中的软轴被动轴、主指中的软轴被动轴、主指固定摆块转轴等四根轴分别通过软轴连接到动力驱动机构中的四根软轴驱动轴上。动力驱动机构的软轴驱动轴与副指、主指的软轴被动轴之间具有一定的空间距离，通过软轴传动能够以简单的结构实现传动。

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、第二副指和主指安装在手指支撑板上，通过副指摆动电机控制第一副指和第二副指之间的相对摆动，通过同步带和齿轮传动控制机械手各个关节的运动，通过软轴将动力驱动机构的动力传动到副指和主指的被动轴上；对于动力驱动机构，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；本发明使用了同步带传动机械手关节，简化了机械手的结构，另外使用了特种的动力驱动机构，只使用一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械手，因为驱动电机的减少进一步简化了机械手的结构，具有很好的实用效果。

附图说明

图1是动力驱动机构结构示意图。

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是机械手固定结构安装示意图。

图24是手指支撑板及摆动电机固定结构安装示意图。

图25是主指固定摆块支撑结构安装示意图。

图26是副指结构示意图。

图27是副指第一支架结构示意图。

图28是副指第二支架结构示意图。

图29是副指第三支架结构示意图。

图30是副指第四支架结构示意图。

图31是软轴被动轴安装示意图。

图32是主指结构示意图。

图33是主指第一支架结构示意图。

图34是主指第二支架结构示意图。

图35是主指第三支架结构示意图。

图36是第三支撑板安装及软轴驱动轴安装示意图。

图37是软轴驱动轴、锥齿组合、第一驱动齿轮配合示意图。

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、动力驱动机构，41、第二副指，42、第一副指，43、副指摆动电机，44、副指固定摆块，45、手指支撑板，46、主指，47、机械手固定结构，48、机械手固定套管，49、软轴驱动轴，50、摆动电机支撑，51、主指摆块支撑结构，52、副指第四支架，53、副指第四同步轮，54、副指第三支架，55、副指第四齿轮，56、副指第三同步轮，57、副指第二同步轮，58、副指第三齿轮，59、副指第二齿轮，60、副指第一同步轮，61、副指第一齿轮，62、软轴被动轴，63、副指第一支架，64、副指第一支架圆柱销，65、副指第二支架，66、副指第三支架圆柱销，67、副指第四支架圆柱销，68、软轴被动轴固定环，69、主指固定摆块，70、主指第一支架，71、主指第一支架圆柱销，72、主指第一齿轮，73、主指第一同步轮，74、主指第二齿轮，75、主指第二同步轮，76、主指第三支架，77、主指第二支架，78、主指第三支架圆柱销，79、第三支撑板，80、锥齿组合，81、主指固定摆块转轴。

具体实施方式

如图22、23所示，它包括动力驱动机构40、第二副指41、第一副指42、副指摆动电机43、副指固定摆块44、手指支撑板45、主指46、机械手固定结构47、机械手固定套管48、主指固定摆块转轴81、主指固定摆块69、主指摆块支撑结构51、摆动电机支撑50，其中如图23所示，两个副指摆动电机43分别安装在两个摆动电机支撑50上，如图24所示，两个摆动电机支撑50安装在手指支撑板45一侧的两端，两个副指摆动电机43转轴均穿过手指支撑板45，如图22所示，第一副指42和第二副指41均通过副指固定摆块44分别安装在两个副指摆动电机43转轴上，副指固定摆块44和副指摆动电机43位于手指支撑板45两侧；如图25所示，主指摆块支撑结构51安装在手指支撑板45上，主指固定摆块69通过固定在主指固定摆块69上的转轴安装在主指46摆块支撑机构上，主指46安装在主指固定摆块69上；机械手固定结构47安装在手指支撑板45上，机械手固定套管48安装在机械手固定结构47上，动力驱动机构40安装在机械手固定套管48内部；本发明中第一副指42模仿人手食指，第二副指41模仿人手中指，主指46模仿人手拇指，三根机械指能够模仿大部分人手的功能，也因为只设计了三根机械指，结构较为简单；副指可以在摆动电机的带动下围绕摆动电机转轴转动一定角度，模仿人手的食指和中指之间的相互摆动，主指46可以围绕主指固定摆块转轴81转动一定的角度，模仿人手拇指的摆动。

如图26所示，上述第一副指42和第二副指41具有相同的结构，对于任意一个副指，它包括副指第四支架52、副指第四同步轮53、副指第三支架54、副指第四齿轮55、副指第三同步轮56、副指第二同步轮57、副指第三齿轮58、副指第二齿轮59、副指第一同步轮60、副指第一齿轮61、软轴被动轴62、副指第一支架63、副指第一支架圆柱销64、副指第二支架65、副指第三支架圆柱销66、副指第四支架圆柱销67、软轴被动轴固定环68，其中副指第一支架63安装在副指固定摆块44上，副指第二支架65通过固定在副指第一支架63上的副指第一支架圆柱销64安装在副指第一支架63上，副指第三支架54通过固定在副指第三支架54上的副指第三支架圆柱销66安装在副指第二支架65上，副指第四支架52通过固定在副指第四支架52上的副指第四支架圆柱销67安装在副指第三支架54上；如图27所示，副指第一齿轮61固定在副指第一支架圆柱销64上；如图28所示，副指第二齿轮59和副指第一同步轮60并排固定在副指第二支架65上的靠近副指第一支架63的转轴上；副指第三齿轮58固定在副指第二支架65上的靠近副指第三支架54的圆柱销上，如图29所示，副指第二同步轮57固定在副指第三支架圆柱销66上，副指第四齿轮55和副指第三同步轮56固定在一起且可相对于副指第三支架圆柱销66转动，如图30所示，副指第四同步轮53固定在副指第四支架圆柱销67上；副指第一齿轮61与副指第二齿轮59啮合，副指第三齿轮58与副指第四齿轮55啮合，副指第一同步轮60与副指第二同步轮57通过同步带连接，副指第三同步轮56与副指第四同步轮53通过同步带连接；如图31所示，软轴被动轴固定环68安装在副指第二支架65一侧，且固定环轴线与副指第一支架圆柱销64轴线重合，软轴被动轴62安装在软轴被动轴固定环68上；

为了完全模仿人手的手指弯曲运动，机械手的副指各个支架之间必须有相互转动，本发明中运动方式如下：当副指第二支架65受到软轴被动轴62驱动时，副指第二支架65围绕副指第一支架圆柱销64转动，副指第二齿轮59转动带动副指第一同步轮60转动，副指第一同步轮60在同步带的传动下，带动副指第二同步轮57转动，进而带动副指第三支架54相对于副指第二支架65转动一定的角度，此时副指第四齿轮55会在副指第三齿轮58的啮合作用下，转动一定的角度，这将带动副指第三同步轮56转动，副指第三同步轮56在同步带传动下带动副指第四同步轮53转动，进而带动副指第四支架52相对于副指第三支架54转动。

如图32所示，上述主指46包括主指第一支架70、主指第一支架圆柱销71、主指第一齿轮72、主指第一同步轮73、主指第二齿轮74、主指第二同步轮75、主指第三支架76、主指第二支架77、主指第三支架圆柱销78，其中主指第一支架70安装在主指固定摆块69上，主指第二支架77通过固定在主指第一支架70上的主指第一支架圆柱销71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上的主指第三支架圆柱销78安装在主指第二支架77上；如图33所示，主指第一齿轮72固定在主指第一支架圆柱销71上；如图34所示，主指第二齿轮74与主指第一同步轮73固定在一起，且安装在主指第二支架77上的圆柱销上；如图35所示，主指第二同步轮75固定在主指第三支架圆柱销78上；主指第一齿轮72与主指第二齿轮74啮合，主指第一同步轮73与主指第二同步轮75通过同步带连接；软轴被动轴固定环68安装在主指第二支架77一侧，且固定环轴线与主指第一支架圆柱销71轴线重合，软轴被动轴62安装在软轴被动轴固定环68上；主指46运动方式如副指运动方式。

如图1所示，上述动力驱动机构40包括软轴驱动轴49、第三支撑板79、锥齿组合80、往复驱动电机1、拨盘2、槽轮支撑轮3、第一支撑板4、摇杆5、第一支耳6、滑动套7、导轨支撑8、导轨9、第二支撑板10、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36所示，第三支撑板79安装在第一支撑板4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，四个齿轮驱动机构30安装在第二支撑板10上，且两两分布于齿轮驱动电机14两侧；如图15所示，齿轮驱动电机卡轴28两侧分别安装有导电块29。齿轮驱动电机14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。

说明：第一驱动齿轮12在图中为了方便表示，均画为普通圆柱体，不默认为哪种类型的齿轮。

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36所示，上述四个软轴驱动轴49均安装在第三支撑板79上，且分别通过锥齿组合80与四个齿轮驱动机构30中的四个第一驱动齿轮12啮合，如图37所示；第一副指42中的软轴被动轴62、第二副指41中的软轴被动轴62、主指46中的软轴被动轴62、主指固定摆块转轴81等四根轴分别通过软轴连接到动力驱动机构40中的四根软轴驱动轴49上。动力驱动机构40的软轴驱动轴49与副指、主指46的软轴被动轴62之间具有一定的空间距离，通过软轴传动能够以简单的结构实现传动。

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42、第二副指41和主指46安装在手指支撑板45上，通过副指摆动电机43控制第一副指42和第二副指41之间的相对摆动，通过同步带和齿轮传动控制机械手各个关节的运动，通过软轴将动力驱动机构40的动力传动到副指和主指46的被动轴上；对于动力驱动机构40，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；本发明使用了同步带传动机械手关节，简化了机械手的结构，另外使用了特种的动力驱动机构40，只使用一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆5机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械手，因为驱动电机的减少进一步简化了机械手的结构，具有很好的实用效果。

Claims (6)

1.一种基于同步带传动的多自由度机械手，其特征在于：它包括动力驱动机构、第二副指、第一副指、副指摆动电机、副指固定摆块、手指支撑板、主指、机械手固定结构、机械手固定套管、主指固定摆块转轴、主指固定摆块、主指摆块支撑结构、摆动电机支撑，其中两个副指摆动电机分别安装在两个摆动电机支撑上，两个摆动电机支撑安装在手指支撑板一侧的两端，两个副指摆动电机转轴均穿过手指支撑板，第一副指和第二副指均通过副指固定摆块分别安装在两个副指摆动电机转轴上，副指固定摆块和副指摆动电机位于手指支撑板两侧；主指摆块支撑结构安装在手指支撑板上，主指固定摆块通过固定在主指固定摆块上的转轴安装在主指摆块支撑机构上，主指安装在主指固定摆块上；机械手固定结构安装在手指支撑板上，机械手固定套管安装在机械手固定结构上，动力驱动机构安装在机械手固定套管内部；

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，它包括副指第四支架、副指第四同步轮、副指第三支架、副指第四齿轮、副指第三同步轮、副指第二同步轮、副指第三齿轮、副指第二齿轮、副指第一同步轮、副指第一齿轮、软轴被动轴、副指第一支架、副指第一支架圆柱销、副指第二支架、副指第三支架圆柱销、副指第四支架圆柱销、软轴被动轴固定环，其中副指第一支架安装在副指固定摆块上，副指第二支架通过固定在副指第一支架上的副指第一支架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副指第三支架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副指第四支架圆柱销安装在副指第三支架上；副指第一齿轮固定在副指第一支架圆柱销上；副指第二齿轮和副指第一同步轮并排固定在副指第二支架上的靠近副指第一支架的转轴上；副指第三齿轮固定在副指第二支架上的靠近副指第三支架的圆柱销上，副指第二同步轮固定在副指第三支架圆柱销上，副指第四齿轮和副指第三同步轮固定在一起且可相对于副指第三支架圆柱销转动，副指第四同步轮固定在副指第四支架圆柱销上；副指第一齿轮与副指第二齿轮啮合，副指第三齿轮与副指第四齿轮啮合，副指第一同步轮与副指第二同步轮通过同步带连接，副指第三同步轮与副指第四同步轮通过同步带连接；软轴被动轴固定环安装在副指第二支架一侧，且固定环轴线与副指第一支架圆柱销轴线重合，软轴被动轴安装在软轴被动轴固定环上；

上述主指包括主指第一支架、主指第一支架圆柱销、主指第一齿轮、主指第一同步轮、主指第二齿轮、主指第二同步轮、主指第三支架、主指第二支架、主指第三支架圆柱销，其中主指第一支架安装在主指固定摆块上，主指第二支架通过固定在主指第一支架上的主指第一支架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主指第三支架圆柱销安装在主指第二支架上，主指第一齿轮固定在主指第一支架圆柱销上；主指第二齿轮与主指第一同步轮固定在一起，且安装在主指第二支架上的圆柱销上；主指第二同步轮固定在主指第三支架圆柱销上；主指第一齿轮与主指第二齿轮 啮合，主指第一同步轮与主指第二同步轮通过同步带连接；软轴被动轴固定环安装在主指第二支架一侧，且固定环轴线与主指第一支架圆柱销轴线重合，软轴被动轴安装在软轴被动轴固定环上；

上述动力驱动机构包括软轴驱动轴、第三支撑板、锥齿组合、往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、第一支撑板、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、第二支撑板、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；四个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上，且两两分布于齿轮驱动电机两侧；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，第三支撑板安装在第一支撑板上；

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；

上述四个软轴驱动轴均安装在第三支撑板上，且分别通过锥齿组合与四个齿轮驱动机构中的四个第一驱动齿轮啮合；第一副指中的软轴被动轴、第二副指中的软轴被动轴、主指中的软轴被动轴、主指固定摆块转轴四根轴分别通过软轴连接到动力驱动机构中的四根软轴驱动轴上。

2.根据权利要求1所述的一种基于同步带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所述的一种基于同步带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所述的一种基于同步带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后再除以2。

5.根据权利要求1所述的一种基于同步带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所述的一种基于同步带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第一驱动齿轮的摩擦力，第一驱动齿轮自身转动阻力小于通电的电磁铁与第一驱动齿轮的摩擦力。