CN109172059A - 一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指 - Google Patents

一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，包括手指连接轴，手指连接轴上、下端分别转动连接上、下掌指板，并且固定带轮一，固定在上掌指板的手指电机减速机的输出轴固定锥齿轮一，锥齿轮一同时与锥齿轮二、双联轮上的锥齿轮三啮合，锥齿轮二驱动上近端指板转动，双联轮上的同步带轮二与带轮一形成带传动，双联轮转动安装在下掌指板上，锥齿轮一通过滑杆传动机构与转动盘连接，转动盘通过传动杆与传动盘连接，传动盘连接固定转轴，转轴的固定锥齿轮五，锥齿轮五与锥齿轮四啮合，锥齿轮四驱动上远端指板转动，上、下掌指板、上、下近端指板、上、下远端指板分别通过连接板固定连接，通过一个电机，实现了手指的三自由度的同步运动。

Description

一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指
技术领域
本发明涉及一种仿生手指，尤其涉及一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指。
背景技术
人类的手指是复杂的，目前多个国家的科研院所在积极不断研究仿生手指，目前的仿生手指设计多为两自由度，通常采用索连接或者连杆连接，并设置有复位机构，机构稳定性不高，容易出现故障。
本申请的技术方案采用了电机内置于掌指节呢，手指更换方便，便于维护；采用的齿轮机构和带传动机构传动，实现手指三个自由度运动更协调，一致性好；远端指节与近端指节采用可弯曲的传动机构，实现电机驱动传递不仅带动近端指节、掌指节运动，同时带动远端指节同步运动；滑杆机构采用了平动的铰链连接，而不采用万向联轴节连接，提高了传动效率和传动的稳定性；本申请采用欠驱动式结构，但实现了三个指节同步屈伸运动。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种单一电机驱动、掌指节通过齿轮机构与带传动机构驱动、近端指节通过齿轮机构驱动、远端指节通过可变角度的传动机构传动和齿轮机构，实现三自由度的仿生手指的三个指关节联合运动。
本发明的目的是这样实现的：一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，包括手指连接轴101、带轮一110、手指电机减速机111、锥齿轮一113、锥齿轮二115、双联轮116、锥齿轮四120、锥齿轮五121、传动盘126，手指连接轴101的上、下端分别转动连接上掌指板102、下掌指板109的后端，手指连接轴101固定带轮一110，手指电机减速机111直接或间接固定在上掌指板102上，手指电机减速机111的输出轴固定锥齿轮一113，锥齿轮一113同时与锥齿轮二115、双联轮116上端设置的锥齿轮三啮合；
所述的锥齿轮二115固定在上近端销114上，上近端销114上部与上掌指板102的前端转动连接，上近端销114中部与上近端指板103的后端固定连接，所述的双联轮116活套在下近端销108的上端，下近端指板107与下掌指板109通过下近端销108的下部铰接，下近端销108与下近端指板107下掌指板109转动连接，所述的双联轮116下端设置的同步带轮二通过同步带117与带轮一110形成带传动连接；
所述的锥齿轮一113通过滑杆传动机构与转动盘118连接，转动盘118通过传动杆125与传动盘同步传动连接，并实现锥齿轮一113与转动盘118位置变化后能够同步转动；
传动盘126固定转轴127的后端，转轴127中部转动连接转轴支撑134，转轴支撑134固定在上近端指板103上，传动盘126转动安装在转动盘支撑128上，转轴127中部转动连接转轴支撑134，转动盘支撑128、转轴支撑134固定在上近端指板103上，转轴127的前端固定锥齿轮五121，锥齿轮五121与锥齿轮四120啮合，锥齿轮四120固定在上远端销119上，上远端销119固定上远端指板104的后端，上远端销119转动连接上近端指板103的前端，所述的转轴127与转动盘118、锥齿轮一113同轴设置，下近端指板107的前端通过下远端销106与下远端指板105的后端铰接；
所述的上近端销114与下近端销108同轴，下远端销106与上远端销119同轴。
所述的滑杆传动机构的结构为：滑杆传动机构包括后滑杆122、滑杆销123、前滑杆124、滑套129，沿着锥齿轮一113的圆周方向均步设置有三个后滑杆122，三个后滑杆122沿前后方向水平设置，三个后滑杆122与锥齿轮一113上设置的滑杆孔前后滑动、以及后滑杆沿着滑杆孔转动连接，每个后滑杆122前部分别通过一个滑杆销123与一个前滑杆124铰接，滑杆销123沿着竖直方向设置，三个前滑杆124中的每个前滑杆124分别与一个滑套129滑动连接，三个滑套129沿着转动盘118的圆周方向均布，三个滑套129与转动盘118轴向设置的滑套孔转动连接；
三个滑套129上设置有滑套平动机构，用以实现用以实现滑套129相对于上近端指板103只做平移运动，而不发生转动。
所述的滑套平动机构的结构为：滑套平动机构包括传动杆125，所述的传动杆125上端设置有向后伸出的后伸端，传动杆125下端设置有向前伸出的前伸端，每个滑套129向前穿过转动盘118后均固定一个传动杆125的上侧后伸端，前伸端与传动盘126上设置的传动杆安装孔转动连接，传动盘126与转动盘118机构相同，传动盘126与转动盘118沿着上下方向的中心距等于传动杆125后伸端与前伸端之间的距离。
所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，还包括簧片一130、簧片座一131、簧片二132、簧片座二133，每个滑套129向后穿过转动盘118后，均固定一个簧片座二133，簧片座二133的上、下侧固定有簧片二132，簧片二132具有弹性，簧片二132与前滑杆124接触，用以防止上掌指板102与上近端指板103共线时，前滑杆124自主滑动，所述的锥齿轮一113的后端与后滑杆122相适应的位置均固定一个簧片座一131，簧片座一131的上下两侧分别设置有簧片一130，簧片一130具有弹性，簧片一130与后滑杆122相接触，用以防止后滑杆122自主滑动。
所述的前滑杆124与滑套129滑动连接的结构为：所述的滑套129内孔为矩形，前滑杆124的外表面为矩形，滑杆124的外侧矩形表面与滑套129矩形内孔滑动连接。
所述的上掌指板102与下掌指板109的左、右侧各通过一个掌指连接板137固定连接，上近端指板103与下近端指板107的左、右侧各通过一个近端连接板138固定连接，上远端指板104与下远端指板105的左、右侧各通过一个远端连接板139固定连接。
锥齿轮二115的小端与锥齿轮三的小端相对设置。
所述的双联轮116下端设置的同步带轮二通过同步带117与带轮一110形成带传动连接可用链传动代替。
锥齿轮一113、锥齿轮二115、锥齿轮三、锥齿轮四120、锥齿轮五121齿数相等。
后滑杆122前后滑动时，簧片一130的摩擦力小于1牛，前滑杆124前后滑动时，簧片二132产生的摩擦力小于1牛。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本申请的技术方案采用了电机内置于掌指节呢，手指更换方便，便于维护；
2.采用的齿轮机构和带传动机构传动，实现手指三个自由度运动更协调，一致性好；
3.远端指节与近端指节采用可弯曲的传动机构，实现电机驱动传递不仅带动近端指节、掌指节运动，同时带动远端指节同步运动；
4.本申请采用欠驱动式结构，但实现了三个指节同步屈伸运动。
附图说明
图1是仿生手指的总体结构示意图。
图2是仿生手指的掌指板连接驱动装置结构示意图。
图3是仿生手指的近端指板与掌指板连接结构示意图。
图4是仿生手指近端指板与掌指板驱动连接结构示意图一。
图5是近端指板与掌指板驱动连接结构示意图二。
图6是近端指板与远端指板驱动连接结构示意图一。
图7是近端指板与远端指板驱动连接结构示意图二。
图8是指板上设置有防护用的连接板结构示意图。
图9传动杆结构示意图。
附图标记:1-仿生手指、101-手指连接轴、102-上掌指板、103-上近端指板、104-上远端指板、105-下远端指板、106-下远端销、107-下近端指板、108-下近端销、109-下掌指板、110-带轮一、111-手指电机、112-手指电机架、113-锥齿轮一、114-上近端销、115-锥齿轮二、116-双联轮、117-同步带、118-转动盘、119-上远端销、120-锥齿轮四、121-锥齿轮五、122-后滑杆、123-滑杆销、124-前滑杆、125-传动杆、126-传动盘、127-转轴、128-转动盘支撑、129-滑套、130-簧片一、131-簧片座一、132-簧片二、133-簧片座二、134-转轴支撑、137-掌指连接板、138-近端连接板、139-远端连接板。
具体实施方式
结合图1～9，本发明的一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，包括手指连接轴101、上掌指板102、上近端指板103、上远端指板104、下远端指板105、下远端销106、下近端指板107、下近端销108、下掌指板109、带轮一110、手指电机减速机111、手指电机架112、锥齿轮一113、上近端销114、锥齿轮二115、双联轮116、同步带117、转动盘118、上远端销119、锥齿轮四120、锥齿轮五121、后滑杆122、滑杆销123、前滑杆124、传动杆125、传动盘126、转轴127、转动盘支撑128、滑套129、簧片一130、簧片座一131、簧片二132、簧片座二133、转轴支撑134、掌指连接板137、近端连接板138、远端连接板139，所述的上掌指板102、下掌指板109的后端分别转动连接手指连接轴101的上、下端，手指连接轴101的下部固定带轮一110，手指电机减速机111固定在手指电机架112上，手指电机架112固定在上掌指板102上，手指电机减速机111的输出轴固定锥齿轮一113，锥齿轮一113同时与锥齿轮二115、双联轮116上端设置的锥齿轮三啮合，锥齿轮二115的小端与锥齿轮三的小端相对设置。
所述的锥齿轮二115固定在上近端销114的下端，上近端销114上部与上掌指板102的前端转动连接，上近端销114中部与上近端指板103的后端固定连接，所述的双联轮116活套在下近端销108的上端，下近端指板107与下掌指板109通过下近端销108的下部铰接，下近端销108与下近端指板107下掌指板109转动连接，所述的双联轮116下端设置的同步带轮二通过同步带117与带轮一110形成带传动连接。
沿着锥齿轮一113的圆周方向均步设置有三个后滑杆122，三个后滑杆122沿前后方向水平设置，三个后滑杆122与锥齿轮一113上设置的滑杆孔前后滑动、以及后滑杆沿着滑杆孔转动连接，每个后滑杆122前部分别通过一个滑杆销123与一个前滑杆124铰接，滑杆销123沿着竖直方向设置，三个前滑杆124中的每个前滑杆124分别与一个滑套129滑动连接，三个滑套129沿着转动盘118的圆周方向均布，三个滑套129与转动盘118轴向设置的滑套孔转动连接，每个滑套129向后穿过转动盘118后，均固定一个簧片座二133，簧片座二133的上、下侧固定有簧片二132，簧片二132具有弹性，簧片二132与前滑杆124接触，以实现前滑杆前后滑动时提供摩擦力，防止上掌指板102与上近端指板103共线时，前滑杆124自主滑动，影响锥齿轮一113到转动盘118的传动效果，每个滑套129向前穿过转动盘118后的内孔均固定一个传动杆125的上侧后伸端，所述的传动杆125上端设置有向后伸出的后伸端，传动杆125下端设置有向前伸出的前伸端，前伸端与传动盘126上设置的传动杆安装孔转动连接，传动盘126与转动盘118机构相同，传动盘126与转动盘118沿着上下方向的中心距等于传动杆125后伸端与前伸端之间的距离。用以实现滑套129相对于上近端指板103只做平移运动，不发生转动，使前滑杆124相对于上近端指板103只做平移运动，不发生转动，滑杆销123始终保持竖直方向设置，实现前滑杆124与后滑杆122能够沿着水平方向相对转动并同时传递动力，从而实现锥齿轮一113转动通过后滑杆122与前滑杆124之间的传动带动转动盘118同步转动。所述的转动盘118的外圆柱面安装在转动盘支撑128的内孔中，转动盘支撑128固定在上近端指板103上，所述的转轴127中部转动安装在转轴支撑134下端的内孔中，转轴支撑134上端固定在上近端指板103上。
所述的前滑杆124与滑套129滑动连接的结构为：所述的滑套129内孔为矩形，前滑杆124的外表面为矩形，滑杆124的外侧矩形表面与滑套129矩形内孔滑动连接。
所述的锥齿轮一113的后端与后滑杆122相适应的位置均固定一个簧片座一131，簧片座一131的上下两侧分别设置有簧片一130，簧片一130具有弹性，簧片一130与后滑杆122相接触，防止上掌指板102与上近端指板103共线时，即手指伸直时，防止后滑杆122自主滑动，影响锥齿轮一113到转动盘118的传动效果，由于簧片一130具有弹性，后滑杆122在传动过程中的摩擦力小，例如1牛，而不会不影响后滑杆122在传动过程中的前后移动，所述的转动盘118与锥齿轮一113同轴设置。
所述的传动盘126固定转轴127的后端，转轴127中部转动连接转轴支撑134，转轴支撑134固定在上近端指板103上，转轴127的前端固定锥齿轮五121，锥齿轮五121与锥齿轮四120啮合，锥齿轮四120固定在上远端销119的下端，上远端销119中部固定上远端指板104的后端，上远端销119的上端转动连接上近端指板103的前端，所述的转轴127与传动盘126同轴设置。
所述的下近端指板107的前端通过下远端销106与下远端指板105的后端铰接。
所述的上掌指板102与下掌指板109的左、右侧各通过一个掌指连接板137固定连接，上近端指板103与下近端指板107的左、右侧各通过一个近端连接板138固定连接，上远端指板104与下远端指板105的左、右侧各通过一个远端连接板139固定连接。
所述的上近端销114与下近端销108同轴，下远端销106与上远端销119同轴。
当控制系统控制手指弯曲时，控制手指电机减速机111中的电机通电，电机驱动锥齿轮一113转动，锥齿轮二115转动，带动上近端指板103转动，锥齿轮一113同时带动双联轮116转动，通过同步带117与带轮一110形成带传动连接，带传动可用链传动替代，由于手指连接轴101固定在手掌架1105上，下掌指板109相对于手指连接轴101摆动，由于锥齿轮二115与双联轮116转动方向相反，所以上近端指板103与下掌指板109摆动方向相同，由于锥齿轮一113转动，后滑杆122通过滑杆销123带动前滑杆124运动，驱动转动盘118转动过程中，由于上近端指板103上掌指板102相对于上近端指板103摆动、弯曲，后滑杆122与前滑杆124沿着滑杆销123弯曲，传动盘126与转动盘118之间采用传动杆125传动，传动杆125的后伸端固定滑套129，滑套129相对于转动盘118转动，相对于上近端指板103只做平动，滑杆销123始终沿着竖直方向设置，后滑杆122与前滑杆124始终能够沿着滑杆销123弯曲，并且上掌指板102相对于上近端指板103摆动时，后滑杆122与前滑杆124朝向上掌指板102与上近端指板103摆动弯曲位置方向运动时，后滑杆122、前滑杆124分别向后方、前方滑动，适应锥齿轮一113与转动盘118相互靠近，之间的距离变小的位置变化，转动盘通过传动杆125带动传动盘126转动，传动盘126带动转轴127转动，带动锥齿轮五121转动，锥齿轮四120转动，锥齿轮四120通过上远端销119带动上远端指板104转动，实现上掌指板102、上近端指板103、上远端指板104同步同向摆动，实现仿生功能的手指运动。

Claims (10)

1.一种仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，包括手指连接轴(101)、带轮一(110)、手指电机减速机(111)、锥齿轮一(113)、锥齿轮二(115)、双联轮(116)、锥齿轮四(120)、锥齿轮五(121)、传动盘(126)，其特征在于：手指连接轴(101)的上、下端分别转动连接上掌指板(102)、下掌指板(109)的后端，手指连接轴(101)固定带轮一(110)，手指电机减速机(111)直接或间接固定在上掌指板(102)上，手指电机减速机(111)的输出轴固定锥齿轮一(113)，锥齿轮一(113)同时与锥齿轮二(115)、双联轮(116)上端设置的锥齿轮三啮合；
所述的锥齿轮二(115)固定在上近端销(114)上，上近端销(114)上部与上掌指板(102)的前端转动连接，上近端销(114)中部与上近端指板(103)的后端固定连接，所述的双联轮(116)活套在下近端销(108)的上端，下近端指板(107)与下掌指板(109)通过下近端销(108)的下部铰接，下近端销(108)与下近端指板(107)下掌指板(109)转动连接，所述的双联轮(116)下端设置的同步带轮二通过同步带(117)与带轮一(110)形成带传动连接；
所述的锥齿轮一(113)通过滑杆传动机构与转动盘(118)连接，转动盘(118)通过传动杆(125)与传动盘同步传动连接，并实现锥齿轮一(113)与转动盘(118)位置变化后能够同步转动；
传动盘(126)固定转轴(127)的后端，转轴(127)中部转动连接转轴支撑(134)，转轴支撑(134)固定在上近端指板(103)上，传动盘(126)转动安装在转动盘支撑(128)上，转轴(127)中部转动连接转轴支撑(134)，转动盘支撑(128)、转轴支撑(134)固定在上近端指板(103)上，转轴(127)的前端固定锥齿轮五(121)，锥齿轮五(121)与锥齿轮四(120)啮合，锥齿轮四(120)固定在上远端销(119)上，上远端销(119)固定上远端指板(104)的后端，上远端销(119)转动连接上近端指板(103)的前端，所述的转轴(127)与转动盘(118)、锥齿轮一(113)同轴设置，下近端指板(107)的前端通过下远端销(106)与下远端指板(105)的后端铰接；
所述的上近端销(114)与下近端销(108)同轴，下远端销(106)与上远端销(119)同轴。
2.根据权利要求1所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的滑杆传动机构的结构为：滑杆传动机构包括后滑杆(122)、滑杆销(123)、前滑杆(124)、滑套(129)，沿着锥齿轮一(113)的圆周方向均步设置有三个后滑杆(122)，三个后滑杆(122)沿前后方向水平设置，三个后滑杆(122)与锥齿轮一(113)上设置的滑杆孔前后滑动、以及后滑杆沿着滑杆孔转动连接，每个后滑杆(122)前部分别通过一个滑杆销(123)与一个前滑杆(124)铰接，滑杆销(123)沿着竖直方向设置，三个前滑杆(124)中的每个前滑杆(124)分别与一个滑套(129)滑动连接，三个滑套(129)沿着转动盘(118)的圆周方向均布，三个滑套(129)与转动盘(118)轴向设置的滑套孔转动连接；
三个滑套(129)上设置有滑套平动机构，用以实现用以实现滑套(129)相对于上近端指板(103)只做平移运动，而不发生转动。
3.根据权利要求2所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的滑套平动机构的结构为：滑套平动机构包括传动杆(125)，所述的传动杆(125)上端设置有向后伸出的后伸端，传动杆(125)下端设置有向前伸出的前伸端，每个滑套(129)向前穿过转动盘(118)后均固定一个传动杆(125)的上侧后伸端，传动杆(125)的前伸端与传动盘(126)上设置的传动杆安装孔转动连接，传动盘(126)与转动盘(118)结构相同，传动盘(126)与转动盘(118)沿着上下方向的中心距等于传动杆(125)后伸端与前伸端之间的距离。
4.根据权利要求3所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的滑杆传动机构还包括簧片一(130)、簧片座一(131)、簧片二(132)、簧片座二(133)，每个滑套(129)向后穿过转动盘(118)后，均固定一个簧片座二(133)，簧片座二(133)的上、下侧固定有簧片二(132)，簧片二(132)具有弹性，簧片二(132)与前滑杆(124)接触，用以防止上掌指板(102)与上近端指板(103)共线时，前滑杆(124)自主滑动，所述的锥齿轮一(113)的后端与后滑杆(122)相适应的位置均固定一个簧片座一(131)，簧片座一(131)的上下两侧分别设置有簧片一(130)，簧片一(130)具有弹性，簧片一(130)与后滑杆(122)相接触，用以防止后滑杆(122)自主滑动。
5.根据权利要求2-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的前滑杆(124)与滑套(129)滑动连接的结构为：所述的滑套(129)内孔为矩形，前滑杆(124)的外表面为矩形，滑杆(124)的外侧矩形表面与滑套(129)矩形内孔滑动连接。
6.根据权利要求1-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的上掌指板(102)与下掌指板(109)的左、右侧各通过一个掌指连接板(137)固定连接，上近端指板(103)与下近端指板(107)的左、右侧各通过一个近端连接板(138)固定连接，上远端指板(104)与下远端指板(105)的左、右侧各通过一个远端连接板(139)固定连接。
7.根据权利要求1-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：锥齿轮二(115)的小端与锥齿轮三的小端相对设置。
8.根据权利要求1-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：所述的双联轮(116)下端设置的同步带轮二通过同步带(117)与带轮一(110)形成带传动连接可用链传动代替。
9.根据权利要求1-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：锥齿轮一(113)、锥齿轮二(115)、锥齿轮三、锥齿轮四(120)、锥齿轮五(121)齿数相等。
10.根据权利要求1-4任一项所述的仿生上肢的三自由度的电动仿生手指，其特征在于：后滑杆(122)前后滑动时，簧片一(130)的摩擦力小于1牛，前滑杆(124)前后滑动时，簧片二(132)产生的摩擦力小于1牛。
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