CN105840763B - 基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置 - Google Patents

基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置 Download PDF

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Abstract

基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，本发明涉及一种协同装置，本发明为解决现有的协同假手驱动机构庞大无法集成于手掌，及只能实现四指掌指关节的运动协同性，各个手指的各个关节间的运动则需要单独来进行协同或者耦合驱动的问题，它包括第一差动行星齿轮机构、第二差动行星齿轮机构和差动行星齿轮传动齿轮组件，第一差动行星齿轮机构的第一输入轴齿轮和第二差动行星齿轮机构的第二齿轮架齿轮分别与差动行星齿轮传动齿轮组件齿啮合，本发明用于机械领域。

Description

基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置
技术领域
本发明涉及一种协同装置，具体涉及基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置。
背景技术
神经科学关于人手抓取协同性的研究发现，人手虽然在日常生活中能够以不同抓取姿势完成不同类型物体的抓取及操作任务，但这些不同的抓取姿势都可以通过较少数的特征姿势线性组合而成，且复现误差能控制在可接受范围内。在此基础上，机器人领域陆续研制出了不同的类型的采用姿势协同理论的仿人假手。这些假手都是采用少输入特征姿势贡献率作为自变量来线性组合以复现人手多种多样的抓取姿势。这种少输入多输出的形式决定了差动机构是机械实现较好的选择。
在此基础上，上海交通大学采用两根主运动轴带动不同行星齿轮模块运动，每个行星齿轮模块输出至不同的关节以带动关节转动的形式实现了姿势协同理论的机械实现。但其缺点在于不同关节对应的不同行星齿轮以并排的形式排列在假手本体外部，导致实现机构过于庞大，无法集成于假手手掌，驱动机构对于空间使用效率不高。
华中科技大学采用直线导轨的形式，通过导轨间不同的间距实现在两输入的情况下，四指掌指关节的定比例传动，由于掌指关节本身具有较高的相关性，且关节间的运动比例更加接近于1，因此克服了传动机构庞大不能外置的缺点。但由于这种姿势协同机械复现方式只能够实现四指掌指关节的运动协同性，各个手指的各个关节间的运动则需要单独来进行协同或者耦合驱动。这就打破了人手本身全部关节作为整体的协同特性，在单独驱动某一特征姿势维度时，会有异常的姿势产生，这将增加假手控制难度和控制直观性。再加之如果把人手四指所有关节作为一个整体进行姿势协同分析时，沿着第一特征姿势维度的驱动往往表现出的是人手四指掌指关节的运动，沿着第二特征姿势维度驱动往往表现出的是人手四指指间关节的运动。
而这种人手掌指关节和指间关节的单独运动，很大程度上的体现了人手的灵巧性。因此，一种能够集成于手掌，同时能够尽可能保留人手四指姿势协同整体性的驱动机构是需要的。
发明内容
本发明为解决现有的协同假手驱动机构庞大无法集成于手掌，及只能实现四指掌指关节的运动协同性，各个手指的各个关节间的运动则需要单独来进行协同或者耦合驱动的问题，而提供基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：它包括第一差动行星齿轮机构、第二差动行星齿轮机构和差动行星齿轮传动齿轮组件，第一差动行星齿轮机构包括第一输出轴端轴承、第一齿轮架齿轮、第一齿轮架固定齿轮、第一输出轴、第一行星轮组件、第一输出轴连接杆、第一输入轴齿轮、第一输入轴、两个第一输入轴端滑动轴承、两个第一输出轴中部轴承和两个第一输入轴中部轴承，第二差动行星齿轮机构包括第二输入轴端轴承、第二输入轴轴套、第二输入轴齿轮、第二输入轴、第二行星轮组件、第二输出轴连接杆、第二齿轮架齿轮、第二输出轴、两个第二输出轴端滑动轴承、两个第二输入轴中部轴承和两个第二输出轴中部轴承，第一输出轴端轴承和第一输出轴连接杆由第一输出轴的输出端至第一输出轴的输入端依次套装在第一输出轴上，第一输出轴的输入端穿过两个第一输出轴中部轴承插装在第一行星轮组件上，两个第一输出轴中部轴承安装在第一行星轮组件上，第一齿轮架齿轮和第一齿轮架固定齿轮均套装在第一行星轮组件上，两个第一输入轴端滑动轴承和第一输入轴齿轮依次套装在第一输入轴的输入端上，两个第一输入轴中部轴承安装在第一行星轮组件上，第一输入轴的输出端插装在两个第一输入轴中部轴承上，第二输入轴端轴承、第二输入轴轴套和第二输入轴齿轮依次套装在第二输入轴的输入端上，两个第二输入轴中部轴承安装在第二行星轮组件上，第二输入轴的输出端插装在两个第二输入轴中部轴承上，两个第二输出轴端滑动轴承和第二输出轴连接杆依次套装在第二输出轴的输出端上，两个第二输出轴中部轴承安装在第二行星轮组件上，且第二输出轴的输入端插装在两个第二输出轴中部轴承上，第一差动行星齿轮机构和第二差动行星齿轮机构并排设置，第一输出轴和第一输入轴同轴设置，第二输入轴和第二输出轴同轴设置，第一齿轮架齿轮与第二输入轴齿轮齿啮合，且第一输出轴的轴线与第二输入轴的轴线平行设置，第一输入轴齿轮和第二齿轮架齿轮分别与差动行星齿轮传动齿轮组件齿啮合。
本发明的有益效果是：
1、本发明的差动行星齿轮使用空间尺寸较小，适用于假肢手、灵巧手、机械臂等领域中。
2、相邻的第一差动行星齿轮机构1和第二差动行星齿轮机构2可以同向也可以反向连接。输入一与输入二对输出一与输出二的传动比之比若在1的同侧时，则同向连接，若在1的两侧，则反向连接。反向连接能够缩减10倍的传动比，相当于将整体结构宽度缩小了十倍，这样可以在小空间内实现传动比差距较大的协同比例。
3、可以按照本发明的多个装置进行顺次连接，实现双输入多输出，各输入的协同比例可以通过调节该差动行星齿轮机构的输入轴齿轮和齿轮架齿轮的齿数来实现。即给定了一个双输入对多输出的协同比例矩阵，通过调节各模块的齿数就可以将这个矩阵通过机械实现。
附图说明
图1是本发明整体结构使用时的结构主视图，图2是图1未安装差动行星齿轮传动齿轮组件3的剖视图，图3是图1的右视图，图4是图1的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，它包括第一差动行星齿轮机构1、第二差动行星齿轮机构2和差动行星齿轮传动齿轮组件3，第一差动行星齿轮机构1包括第一输出轴端轴承1-1、第一齿轮架齿轮1-3、第一齿轮架固定齿轮1-2、第一输出轴1-4、第一行星轮组件、第一输出轴连接杆1-10、第一输入轴齿轮1-19、第一输入轴1-20、两个第一输入轴端滑动轴承1-11、两个第一输出轴中部轴承1-13和两个第一输入轴中部轴承1-18，第二差动行星齿轮机构2包括第二输入轴端轴承2-1、第二输入轴轴套2-2、第二输入轴齿轮2-3、第二输入轴2-4、第二行星轮组件、第二输出轴连接杆2-10、第二齿轮架齿轮2-19、第二输出轴2-20、两个第二输出轴端滑动轴承2-11、两个第二输入轴中部轴承2-13和两个第二输出轴中部轴承2-18，第一输出轴端轴承1-1和第一输出轴连接杆1-10由第一输出轴1-4的输出端至第一输出轴1-4的输入端依次套装在第一输出轴1-4上，第一输出轴1-4的输入端穿过两个第一输出轴中部轴承1-13插装在第一行星轮组件上，两个第一输出轴中部轴承1-13安装在第一行星轮组件上，第一齿轮架齿轮1-3和第一齿轮架固定齿轮1-2均套装在第一行星轮组件上，两个第一输入轴端滑动轴承1-11和第一输入轴齿轮1-19依次套装在第一输入轴1-20的输入端上，两个第一输入轴中部轴承1-18安装在第一行星轮组件上，第一输入轴1-20的输出端插装在两个第一输入轴中部轴承1-18上，第二输入轴端轴承2-1、第二输入轴轴套2-2和第二输入轴齿轮2-3依次套装在第二输入轴2-4的输入端上，两个第二输入轴中部轴承2-13安装在第二行星轮组件上，第二输入轴2-4的输出端插装在两个第二输入轴中部轴承2-13上，两个第二输出轴端滑动轴承2-11和第二输出轴连接杆2-10依次套装在第二输出轴2-20的输出端上，两个第二输出轴中部轴承2-18安装在第二行星轮组件上，且第二输出轴2-20的输入端插装在两个第二输出轴中部轴承2-18上，第一差动行星齿轮机构1和第二差动行星齿轮机构2并排设置，第一输出轴1-4和第一输入轴1-20同轴设置，第二输入轴2-4和第二输出轴2-20同轴设置，第一齿轮架齿轮1-3与第二输入轴齿轮2-3齿啮合，且第一输出轴1-4的轴线与第二输入轴2-4的轴线平行设置，第一输入轴齿轮1-19和第二齿轮架齿轮2-19分别与差动行星齿轮传动齿轮组件3齿啮合。
具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，所述差动行星齿轮传动齿轮组件3包括差动行星齿轮传动齿轮3-1、差动行星齿轮传动轴3-2和差动行星齿轮传动轴承3-3，差动行星齿轮传动轴3-2的一端安装在差动行星齿轮传动轴承3-3上，差动行星齿轮传动轴3-2的另一端安装在差动行星齿轮传动齿轮3-1上，且差动行星齿轮传动齿轮3-1分别与第一输入轴齿轮1-19和第二齿轮架齿轮2-19啮合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，所述第一行星轮组件包括第一行星架1-9、第一太阳轮1-14、第一齿轮架1-15、第一内齿圈1-16、第一齿圈架1-17和三个第一行星齿轮组件，第二行星轮组件包括第二行星架2-9、第二太阳轮2-14、第二齿轮架2-15、第二内齿圈2-16、第二齿圈架2-17和三个第二行星齿轮组件，第一齿轮架1-15和第一齿圈架1-17相对安装在第一内齿圈1-16的两端面上，第一太阳轮1-14套装在第一输入轴1-20的输出端上，三个第一行星齿轮组件沿圆周方向均布设置在第一太阳轮1-14的外圆面上，三个第一行星齿轮组件均与第一太阳轮1-14齿啮合，三个第一行星齿轮组件设置在第一内齿圈1-16内，三个第一行星齿轮组件与第一内齿圈1-16的内圆面齿啮合，且三个第一行星齿轮组件均布安装在第一行星架1-9上，第一输出轴1-4的输入端插装在第一行星架1-9上，第二齿轮架2-15和第二齿圈架2-17相对安装在第二内齿圈2-16的两端面上，第二太阳轮2-14套装在第二输入轴2-4的输出端上，三个第二行星齿轮组件沿圆周方向均布设置在第二太阳轮2-14的外圆面上，三个第二行星齿轮组件均与第二太阳轮2-14齿啮合，三个第二行星齿轮组件设置在第二内齿圈2-16内，三个第二行星齿轮组件与第二内齿圈2-16的内圆面齿啮合，且三个第二行星齿轮组件均布安装在第二行星架2-9上，第二输出轴2-20的输入端插装在第二行星架2-9上，其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，所述第一齿轮架齿轮1-3套装在第一齿轮架1-15的外圆面加工有第一平面，第一太阳轮1-14套装在第一输入轴1-20的外圆面加工有第二平面，第一行星架1-9套装在第一输出轴1-4输入端的外圆面加工有第三平面，第一平面处第一齿轮架1-15、第二平面处第一输入轴1-20和第三平面处第一输出轴1-4的横截面均为“D”字形，第一齿轮架齿轮1-3的中心通孔处加工有与第一平面对应的凸起，第一太阳轮1-14的中心通孔处加工有与第二平面对应的凸起，第一行星架1-9的通孔处加工有与第三平面对应的凸起，所述第二输出轴连接杆2-10套装在第二输出轴2-20上的外圆面至第二输出轴2-20输出端的外圆面加工有第四平面，第二输出轴2-20输入端的外圆面加工有第五平面，第二输入轴2-4输出端的外圆面沿第二输入轴2-4的轴线方向加工有第六平面，第二输出轴连接杆2-10的通孔处加工有与第四平面对应的凸起，第二行星架2-9的通孔处加工有与第五平面对应的凸起，第二太阳轮2-14的中心通孔处加工有与第六平面对应的凸起，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置，所述第一行星齿轮组件包括第一行星轴螺钉1-5、第一行星齿轮1-6和第一行星轴1-8，第二行星齿轮组件包括第二行星轴螺钉2-5、第二行星齿轮2-6和第二行星轴2-8，第一行星轴1-8上沿轴线方向加工有螺纹孔，第一行星齿轮1-6套装在第一行星轴1-8上，第一行星轴螺钉1-5螺纹连接安装在第一行星轴1-8一端螺纹孔上，第一行星轴1-8的另一端固定安装在第一行星架1-9上，第二行星轴2-8上沿轴线方向加工有螺纹孔，第二行星齿轮2-6套装在第二行星轴2-8上，第二行星轴螺钉2-5螺纹连接安装在第二行星轴2-8一端螺纹孔上，第二行星轴2-8的另一端固定安装在第二行星架2-9上，其它与具体实施方式一、二、三或四相同。
工作原理
本发明工作时输入一通过第一齿轮架齿轮1-3带动第一齿轮架1-15转动，第一齿轮架1-15和第一内齿圈1-16联动，第一内齿圈1-16带动第一行星齿轮1-6转动；输入二通过第一输入轴齿轮1-19带动第一输入轴1-20转动，第一输入轴1-20带动第一太阳轮1-14转动，第一太阳轮1-14带动第一行星齿轮1-6转动。第一行星齿轮1-6带动第一行星架1-9转动，第一行星架1-9带动第一输出轴1-4转动，第一输出轴1-4带动第一输出轴连接杆1-10转动。
输入一同时通过第一齿轮架齿轮1-3带动第二输入轴齿轮2-3转动，第二输入轴齿轮2-3带动第二输入轴2-4转动，第二输入轴2-4带动第二太阳轮2-14转动，第二太阳轮2-14带动第二行星齿轮2-6转动；输入二同时通过第一输入轴齿轮1-19带动差动行星齿轮传动齿轮组件3转动，差动行星齿轮传动齿轮组件3带动第二齿轮架齿轮2-19转动，第二齿轮架齿轮2-19带动第二齿轮架2-15转动，第二齿轮架2-15与第二内齿圈2-16联动，第二内齿圈2-16带动第二行星齿轮2-6转动。第二行星齿轮2-6带动第二行星架2-9转动，第二行星架2-9带动第二输出轴2-20转动，第二输出轴2-20带动第一输出轴连接杆2-10转动。
当只有一个输入时，另一个输入相当于固定。当两个一起输入时，互相叠加，互不干扰。可以按照本发明的多个装置进行顺次连接，实现双输入多输出，具体传动方式与输出二类似。

Claims (5)

1.基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置,其特征在于：它包括第一差动行星齿轮机构(1)、第二差动行星齿轮机构(2)和差动行星齿轮传动齿轮组件(3)，第一差动行星齿轮机构(1)包括第一输出轴端轴承(1-1)、第一齿轮架齿轮(1-3)、第一齿轮架固定齿轮(1-2)、第一输出轴(1-4)、第一行星轮组件、第一输出轴连接杆(1-10)、第一输入轴齿轮(1-19)、第一输入轴(1-20)、两个第一输入轴端滑动轴承(1-11)、两个第一输出轴中部轴承(1-13)和两个第一输入轴中部轴承(1-18)，第二差动行星齿轮机构(2)包括第二输入轴端轴承(2-1)、第二输入轴轴套(2-2)、第二输入轴齿轮(2-3)、第二输入轴(2-4)、第二行星轮组件、第二输出轴连接杆(2-10)、第二齿轮架齿轮(2-19)、第二输出轴(2-20)、两个第二输出轴端滑动轴承(2-11)、两个第二输入轴中部轴承(2-13)和两个第二输出轴中部轴承(2-18)，第一输出轴端轴承(1-1)和第一输出轴连接杆(1-10)由第一输出轴(1-4)的输出端至第一输出轴(1-4)的输入端依次套装在第一输出轴(1-4)上，第一输出轴(1-4)的输入端穿过两个第一输出轴中部轴承(1-13)插装在第一行星轮组件上，两个第一输出轴中部轴承(1-13)安装在第一行星轮组件上，第一齿轮架齿轮(1-3)和第一齿轮架固定齿轮(1-2)均套装在第一行星轮组件上，两个第一输入轴端滑动轴承(1-11)和第一输入轴齿轮(19)依次套装在第一输入轴(1-20)的输入端上，两个第一输入轴中部轴承(1-18)安装在第一行星轮组件上，第一输入轴(1-20)的输出端穿过两个第一输入轴中部轴承(1-18)插装在第一行星轮组件上，第二输入轴端轴承(2-1)、第二输入轴轴套(2-2)和第二输入轴齿轮(2-3)依次套装在第二输入轴(2-4)的输入端上，两个第二输入轴中部轴承(2-13)安装在第二行星轮组件上，第二输入轴(2-4)的输出端插装在两个第二输入轴中部轴承(2-13)上，两个第二输出轴端滑动轴承(2-11)和第二输出轴连接杆(2-10)依次套装在第二输出轴(2-20)的输出端上，两个第二输出轴中部轴承(2-18)安装在第二行星轮组件上，且第二输出轴(2-20)的输入端插装在两个第二输出轴中部轴承(2-18)上，第一差动行星齿轮机构(1)和第二差动行星齿轮机构(2)并排设置，第一输出轴(1-4)和第一输入轴(1-20)同轴设置，第二输入轴(2-4)和第二输出轴(2-20)同轴设置，第一齿轮架齿轮(1-3)与第二输入轴齿轮(2-3)齿啮合，且第一输出轴(1-4)的轴线与第二输入轴(2-4)的轴线平行设置，第一输入轴齿轮(1-19)和第二齿轮架齿轮(2-19)分别与差动行星齿轮传动齿轮组件(3)齿啮合。
2.根据权利要求1所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置,其特征在于：所述差动行星齿轮传动齿轮组件(3)包括差动行星齿轮传动齿轮(3-1)、差动行星齿轮传动轴(3-2)和差动行星齿轮传动轴承(3-3)，差动行星齿轮传动轴(3-2)的一端安装在差动行星齿轮传动轴承(3-3)上，差动行星齿轮传动轴(3-2)的另一端安装在差动行星齿轮传动齿轮(3-1)上，且差动行星齿轮传动齿轮(3-1)分别与第一输入轴齿轮(1-19)和第二齿轮架齿轮(2-19)啮合。
3.根据权利要求1所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置,其特征在于：所述第一行星轮组件包括第一行星架(1-9)、第一太阳轮(1-14)、第一齿轮架(1-15)、第一内齿圈(1-16)、第一齿圈架(1-17)和三个第一行星齿轮组件，第二行星轮组件包括第二行星架(2-9)、第二太阳轮(2-14)、第二齿轮架(2-15)、第二内齿圈(2-16)、第二齿圈架(2-17)和三个第二行星齿轮组件，第一齿轮架(1-15)和第一齿圈架(1-17)相对安装在第一内齿圈(1-16)的两端面上，第一太阳轮(1-14)套装在第一输入轴(1-20)的输出端上，三个第一行星齿轮组件沿圆周方向均布设置在第一太阳轮(1-14)的外圆面上，三个第一行星齿轮组件均与第一太阳轮(1-14)齿啮合，三个第一行星齿轮组件设置在第一内齿圈(1-16)内，三个第一行星齿轮组件与第一内齿圈(1-16)的内圆面齿啮合，且三个第一行星齿轮组件均布安装在第一行星架(1-9)上，第一输出轴(1-4)的输入端插装在第一行星架(1-9)上，第二齿轮架(2-15)和第二齿圈架(2-17)相对安装在第二内齿圈(2-16)的两端面上，第二太阳轮(2-14)套装在第二输入轴(2-4)的输出端上，三个第二行星齿轮组件沿圆周方向均布设置在第二太阳轮(2-14)的外圆面上，三个第二行星齿轮组件均与第二太阳轮(2-14)齿啮合，三个第二行星齿轮组件设置在第二内齿圈(2-16)内，三个第二行星齿轮组件与第二内齿圈(2-16)的内圆面齿啮合，且三个第二行星齿轮组件均布安装在第二行星架(2-9)上，第二输出轴(2-20)的输入端插装在第一行星架(1-9)上。
4.根据权利要求1所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置,其特征在于：所述第一齿轮架齿轮(1-3)套装在第一齿轮架(1-15)的外圆面加工有第一平面，第一太阳轮(1-14)套装在第一输入轴(1-20)的外圆面加工有第二平面，第一行星架(1-9)套装在第一输出轴(1-4)输入端的外圆面加工有第三平面，第一平面处第一齿轮架(1-15)、第二平面处第一输入轴(1-20)和第三平面处第一输出轴(1-4)的横截面均为“D”字形，第一齿轮架齿轮(1-3)的中心通孔处加工有与第一平面对应的凸起，第一太阳轮(1-14)的中心通孔处加工有与第二平面对应的凸起，第一行星架(1-9)的通孔处加工有与第三平面对应的凸起，所述第二输出轴连接杆(2-10)套装在第二输出轴(2-20)上的外圆面至第二输出轴(2-20)输出端的外圆面加工有第四平面，第二输出轴(2-20)输入端的外圆面加工有第五平面，第二输入轴(2-4)输出端的外圆面沿第二输入轴(2-4)的轴线方向加工有第六平面，第二输出轴连接杆(2-10)的通孔处加工有与第四平面对应的凸起，第二行星架(2-9)的通孔处加工有与第五平面对应的凸起，第二太阳轮(2-14)的中心通孔处加工有与第六平面对应的凸起。
5.根据权利要求3所述基于差动行星齿轮的双输入多输出协同装置,其特征在于：所述第一行星齿轮组件包括第一行星轴螺钉(1-5)、第一行星齿轮(1-6)和第一行星轴(1-8)，第二行星齿轮组件包括第二行星轴螺钉(2-5)、第二行星齿轮(2-6)和第二行星轴(2-8)，第一行星轴(1-8)上沿轴线方向加工有螺纹孔，第一行星齿轮(1-6)套装在第一行星轴(1-8)上，第一行星轴螺钉(1-5)螺纹连接安装在第一行星轴(1-8)一端螺纹孔上，第一行星轴(1-8)的另一端固定安装在第一行星架(1-9)上，第二行星轴(2-8)上沿轴线方向加工有螺纹孔，第二行星齿轮(2-6)套装在第二行星轴(2-8)上，第二行星轴螺钉(2-5)螺纹连接安装在第二行星轴(2-8)一端螺纹孔上，第二行星轴(2-8)的另一端固定安装在第二行星架(2-9)上。
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