CN111390963A - 一种机器人仿人灵巧手手指的基关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，包括关节座、十字轴、近指段、第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一驱动组件和第二驱动组件，十字轴包括第一轴和第二轴，第一轴与关节座转动连接，第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮可转动的套设在第一轴上，从动锥齿轮套设在第二轴上且与近指段固定，近指段与第二轴转动连接，第一驱动组件的输出端与第一主动锥齿轮连接，第二驱动组件的输出端与第二主动锥齿轮连接。本发明提供了一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，执行机构结构简单，通过腱绳、滑轮驱动的差动结构实现近指段关节仿人的两个自由度的运动。

Description

一种机器人仿人灵巧手手指的基关节
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人仿人灵巧手手指的基关节。
背景技术
机器人仿人灵巧手相对于工业夹爪，其多自由度和灵巧性在机器人与外界对象交互操作中具有突出的优势。基关节处具有两个自由度，可以是实现手指的俯仰运动和摆动运动，是实现灵巧手的灵巧程度的关键结构。目前灵巧手的基关节主要采用俯仰运动关节和摆动运动关节分离的结构。双关节的基关节设计虽然可以简化手指的结构，但是存在很多的不足之处。首先，双关节的设计会增大手指的整体尺寸，增加手指的重量且不利于手指的仿人化设计；其次，双关节的设计会增加驱动器的数量且不利于驱动腱绳的走线，造成关节与关节之间的耦合问题。并且双关节的设计使运动关节存在偏置，在控制时要考虑驱动器之间的协同作用会提高控制系统的复杂程度且在一定程度上降低了手指的灵巧度。另一方面目前常见的球关节，都是被动运动形式，无法实现主动准确的运动控制。
中国专利申请公开号CN105666509B，公开日为2018年02月02日，名称为“三自由度表面可动机器人手”，公开了包括两个指段、四个锥齿轮、左右两个半轴、左右两个关节驱动器、左右两个关节传动机构、纵轴、纵移驱动器、纵移传动机构和皮肤层等。本发明装置实现了绕关节轴弯曲和绕纵轴自转的关节双自由度正交转动功能，且具有表面纵移功能。该装置适合安装在机器人手指上使用，扩展了拟人机器人手指的功能，而且在运动过程中相邻手指不会发生干涉。该装置具有可以多维移动的手指表面，利用表面的运动可使物体相对运动或者变形，适合拾取物体，特别适合拾取扁平状物体和可变形物体，并可对所抓物体进行位置和姿态的调整操作。但是该装置运动机构结构不够简单，驱动结构与运动机构为完全分离，基关节处结构不够紧凑，且基关节实现的运动是手指的弯曲和自转，并非仿人的俯仰和摆动动作。
发明内容
本发明第一发明目的：提供一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，执行机构结构简单，通过腱绳、滑轮驱动的差动结构实现近指段关节仿人的两个自由度的运动。
本发明第二发明目的：基关节结构可以实现近指段模仿人手，进行俯仰和摆动的动作。
本发明第三发明目的：基关节结构的运动机构和驱动机构的分离，使基关节结构更加紧凑。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，包括关节座、十字轴、近指段、第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一驱动组件和第二驱动组件，十字轴包括第一轴和第二轴，第一轴与关节座转动连接，第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮可转动的套设在第一轴上，且第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮设置在第二轴的相对两侧，从动锥齿轮套设在第二轴上且与近指段固定，近指段与第二轴转动连接，第一驱动组件的输出端与第一主动锥齿轮连接，第二驱动组件的输出端与第二主动锥齿轮连接，从动锥齿轮分别与第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮啮合。
上述技术方案中，近指段可以相对关节座做两个自由度的运动，即十字轴提供的两个自由度。当第一主动锥齿轮与第二主动锥齿轮转动时，可以带动从动锥齿轮绕第一轴的进行自转，可以带动从动锥齿轮绕第二轴进行公转，从而对近指段进行两个自由度的驱动。
作为优选，所述近指段的长度方向与第二轴的轴线垂直。所述结构可以实现近指段模仿人手，进行俯仰和摆动的动作。
作为优选，所述第一驱动组件包括第一驱动件、第一滑轮、第一驱动腱绳和第一回复腱绳；第一滑轮与第一主动锥齿轮同轴布置且与第一主动锥齿轮固定，第一驱动腱绳的一端卷绕在第一滑轮上，第一回复腱绳的一端卷绕在第一滑轮上，第一驱动腱绳与第一回复腱绳的卷绕方向相反，第一驱动腱绳和第一回复腱绳与第一驱动件的输出端连接。
上述技术方案中，第一驱动件可以是气缸、油缸、电机、气动肌肉等驱动件，可以由一个驱动件一起驱动第一驱动腱绳和第一回复腱绳，也可以由两个驱动件分别驱动第一驱动腱绳和第一回复腱绳。所述近指段俯仰和摆动两个自由度的实现方式如下：通过第一驱动件使第一驱动腱绳和第一回复腱绳相反运动并产生拉力差，进而带动第一滑轮和第一主动锥齿轮转动，设定第一驱动腱绳的拉力值减去第一回复腱绳拉力值为第一拉力差；另一侧的第二驱动组件结构与第一驱动组件相同，并存在第二拉力差；所述第一拉力差的值等于所述第二拉力差的值且两者都大于零时，所述从动锥齿轮沿第一轴正向转动，带动近指段实现弯曲运动；所述第一拉力差的值等于所述第二拉力差的值且两者都小于零时，所述从动锥齿轮沿第一轴反向转动，带动所述近指段实现伸展运动；所述第一拉力差的绝对值等于所述第二拉力差的绝对值且正负相反时，所述从动锥齿轮沿第二轴转动，带动所述近指段实现侧摆运动。第一拉力差的值与第二拉力的值为其他关系时，可以实现所述从动锥齿轮做俯仰和摆动运动的综合运动，提高了手指基关节的灵活性和运动空间。第一驱动组件可以设置在远离近指段的位置并与支撑件固定，实现了运动机构和驱动机构的分离，使基关节结构更加紧凑。且由于采用卷绕结构，不会出现打滑现象，控制精度高。
作为优选，所述第一滑轮上设有腱绳容纳槽，第一驱动腱绳和第一回复腱绳设置在腱绳容纳槽内。所述结构可以时第一驱动腱绳和第一回复腱绳始终位于腱绳容纳槽内，避免出现脱绳的情况。
作为优选，所述第一驱动件包括两个单独的驱动元件，第一驱动腱绳与第一回复腱绳分别与两个驱动元件的输出端连接。所述驱动元件可以是气缸、气动肌肉、电机等驱动件，通过单独控制第一驱动腱绳与第一回复腱绳，可以控制第一拉力差。
作为优选，所述第一驱动件包括驱动电机和卷绕筒，卷绕筒与驱动电机的输出轴连接，第一驱动腱绳和第一回复腱绳卷绕在卷绕筒上，第一驱动腱绳与第一回复腱绳且卷绕方向相反。所述结构可以减少驱动数量，且第一驱动腱绳与第一回复腱绳的卷放状态始终相反，可以增加可控性，通过控制电机的转矩可以改变第一拉力差。
作为优选，所述第一驱动组件还包括驱动导向轮和回复导向轮，第一驱动件为伸缩驱动件，驱动导向轮和回复导向轮设置在伸缩驱动件伸缩杆伸缩方向的相对两侧，第一驱动腱绳的一端绕过驱动导向轮与伸缩驱动件的伸缩端连接，第一回复腱绳的一端绕过回复导向轮与伸缩驱动件的伸缩端连接。驱动导向轮和回复导向轮与支撑件转动连接。上述结构中驱动导向轮和回复导向轮分别位于第一驱动件伸缩方向的两个相对位置上，伸缩杆在远离驱动导向轮的同时靠近回复导向轮，伸缩杆在靠近驱动导向轮的同时远离回复导向轮，从而使第一驱动腱绳收缩时第一回复腱绳放出；第一驱动腱绳放出时第一回复腱绳收缩。第一拉力差由伸缩驱动件驱动力控制。所述伸缩驱动件可以使气缸、油缸、气动肌肉等伸缩驱动件，本方案采用气动肌肉，可以通过气压和产气量控制第一拉力差。
作为优选，所述关节座包括球关节外套，球关节外套上设有内球面，近指段上设有与球关节外套适配的球关节内衬，球关节内衬与近指段固定，十字轴设置在球关节外套内且与球关节外套转动连接。所述结构可以实现关节座与近指段的球面连接，保证自由转动的同时减少近指段转动时其它方向上的晃动。
作为优选，所述第二驱动组件包括第二驱动件、第二驱动腱绳、第二回复腱绳和第二滑轮；第二滑轮与第二主动锥齿轮同轴布置且与第二主动锥齿轮固定，第二驱动腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二回复腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二驱动腱绳与第二回复腱绳的卷绕方向相反，第二驱动腱绳和第二回复腱绳的另一端与第二驱动件的输出端连接。所述第二驱动组件与第一驱动组件结构相同，通过两个结构配合，实现近指段的运动。
本发明的有益效果是：（1）通过腱绳、滑轮驱动的差动结构实现了近指段关节两个自由度的运动；（2）实现了运动机构和驱动机构的分离，使基关节结构更加紧凑；（3）关节座与近指段球面连接，使关节运动更加稳定和准确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是图2中B-B剖面的剖视图；
图4是实施例4中第一驱动件的结构示意图。
图中：关节座1、球关节外套1.1、十字轴2、第一轴2.1、第二轴2.2、近指段3、球关节内衬3.1、第一主动锥齿轮4、第二主动锥齿轮5、从动锥齿轮6、第一驱动组件7、第一驱动件7.1、驱动导向轮7.1.1、回复导向轮7.1.2、第一滑轮7.2、腱绳容纳槽7.2.1、第一驱动腱绳7.3、第一回复腱绳7.4、第二驱动组件8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，包括关节座1、十字轴2、近指段3、第一主动锥齿轮4、第二主动锥齿轮5、从动锥齿轮6、第一驱动组件7和第二驱动组件8，十字轴2包括第一轴2.1和第二轴2.2，第一轴2.1与关节座1转动连接，第一主动锥齿轮4和第二主动锥齿轮5可转动的套设在第一轴2.1上，且第一主动锥齿轮4和第二主动锥齿轮5设置在第二轴2.2的相对两侧，从动锥齿轮6套设在第二轴2.2上且与近指段3固定，近指段3与第二轴2.2转动连接，近指段3的长度方向与第二轴2.2的轴线垂直；第一驱动组件7的输出端与第一主动锥齿轮4连接，第二驱动组件8的输出端与第二主动锥齿轮5连接，从动锥齿轮6分别与第一主动锥齿轮4和第二主动锥齿轮5啮合；所述关节座1包括球关节外套1.1，球关节外套1.1上设有内球面，近指段3上设有与球关节外套1.1适配的球关节内衬3.1，球关节内衬3.1与近指段3固定，十字轴2设置在球关节外套1.1内且与球关节外套1.1转动连接。
所述第一驱动组件7包括第一驱动件7.1、第一滑轮7.2、第一驱动腱绳7.3和第一回复腱绳7.4；第一滑轮7.2与第一主动锥齿轮4同轴布置且与第一主动锥齿轮4固定，第一滑轮7.2上设有腱绳容纳槽7.2.1，第一驱动腱绳7.3的一端卷绕在腱绳容纳槽7.2.1内，第一回复腱绳7.4的一端卷绕在腱绳容纳槽7.2.1内，第一驱动腱绳7.3与第一回复腱绳7.4的卷绕方向相反，第一驱动腱绳7.3和第一回复腱绳7.4与第一驱动件7.1的输出端连接。
所述第二驱动组件8包括第二驱动件、第二驱动腱绳、第二回复腱绳和第二滑轮；第二滑轮与第二主动锥齿轮5同轴布置且与第二主动锥齿轮5固定，第二驱动腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二回复腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二驱动腱绳与第二回复腱绳的卷绕方向相反，第二驱动腱绳和第二回复腱绳的另一端与第二驱动件的输出端连接。
上述技术方案中，近指段3可以相对关节座1做两个自由度的运动，即十字轴2提供的两个自由度。当第一主动锥齿轮4与第二主动锥齿轮5转动时，可以带动从动锥齿轮6绕第一轴2.1的进行自转，可以带动从动锥齿轮6绕第二轴2.2进行公转，从而对近指段3进行两个自由度的驱动。所述近指段3俯仰和摆动两个自由度的实现方式如下：通过第一驱动件7.1使第一驱动腱绳7.3和第一回复腱绳7.4相反运动并产生拉力差，进而带动第一滑轮7.2和第一主动锥齿轮4转动，设定第一驱动腱绳7.3的拉力值减去第一回复腱绳7.4拉力值为第一拉力差；另一侧的第二驱动组件8结构与第一驱动组件7相同，并存在第二拉力差；所述第一拉力差的值等于所述第二拉力差的值且两者都大于零时，所述从动锥齿轮6沿第一轴2.1正向转动，带动近指段3实现弯曲运动；所述第一拉力差的值等于所述第二拉力差的值且两者都小于零时，所述从动锥齿轮6沿第一轴2.1反向转动，带动所述近指段3实现伸展运动；所述第一拉力差的绝对值等于所述第二拉力差的绝对值且正负相反时，所述从动锥齿轮6沿第二轴2.2转动，带动所述近指段3实现侧摆运动。第一拉力差的值与第二拉力的值为其他关系时，可以实现所述从动锥齿轮6做俯仰和摆动运动的综合运动，提高了手指基关节的灵活性和运动空间。第一驱动组件7可以设置在远离近指段3的位置并与支撑件固定，实现了运动机构和驱动机构的分离，使基关节结构更加紧凑。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述第一驱动件7.1包括两个单独的驱动元件，第一驱动腱绳7.3与第一回复腱绳7.4分别与两个驱动元件的输出端连接。所述驱动元件可以是气缸、气动肌肉、电机等驱动件，通过单独控制第一驱动腱绳7.3与第一回复腱绳7.4，可以控制第一拉力差。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述第一驱动件7.1包括驱动电机和卷绕筒，卷绕筒与驱动电机的输出轴连接，第一驱动腱绳7.3和第一回复腱绳7.4卷绕在卷绕筒上，第一驱动腱绳7.3与第一回复腱绳7.4且卷绕方向相反。所述结构可以减少驱动数量，且第一驱动腱绳7.3与第一回复腱绳7.4的卷放状态始终相反，可以增加可控性，通过控制电机的转矩可以改变第一拉力差。
实施例4：
如图4所示，在实施例1的基础上，所述第一驱动组件7还包括驱动导向轮7.1.1和回复导向轮7.1.2，第一驱动件7.1为伸缩驱动件，驱动导向轮7.1.1和回复导向轮7.1.2设置在伸缩驱动件伸缩杆伸缩方向的相对两侧，第一驱动腱绳7.3的一端绕过驱动导向轮7.1.1与伸缩驱动件的伸缩端连接，第一回复腱绳7.4的一端绕过回复导向轮7.1.2与伸缩驱动件的伸缩端连接。驱动导向轮7.1.1和回复导向轮7.1.2与支撑件转动连接。上述结构中驱动导向轮7.1.1和回复导向轮7.1.2分别位于第一驱动件7.1伸缩方向的两个相对位置上，伸缩杆在远离驱动导向轮7.1.1的同时靠近回复导向轮7.1.2，伸缩杆在靠近驱动导向轮7.1.1的同时远离回复导向轮7.1.2，从而使第一驱动腱绳7.3收缩时第一回复腱绳7.4放出；第一驱动腱绳7.3放出时第一回复腱绳7.4收缩。第一拉力差由伸缩驱动件驱动力控制。所述伸缩驱动件可以使气缸、油缸、气动肌肉等伸缩驱动件，本方案采用气动肌肉，可以通过气压和产气量控制第一拉力差。
本发明的有益效果是：通过腱绳、滑轮驱动的差动结构实现了近指段关节两个自由度的运动；实现了运动机构和驱动机构的分离，使基关节结构更加紧凑；关节座与近指段球面连接，使关节运动更加稳定和准确。

Claims (8)

1.一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，包括关节座、十字轴、近指段、第一主动锥齿轮、第二主动锥齿轮、从动锥齿轮、第一驱动组件和第二驱动组件，十字轴包括第一轴和第二轴，第一轴与关节座转动连接，第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮可转动的套设在第一轴上，且第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮设置在第二轴的相对两侧，从动锥齿轮套设在第二轴上且与近指段固定，近指段与第二轴转动连接，第一驱动组件的输出端与第一主动锥齿轮连接，第二驱动组件的输出端与第二主动锥齿轮连接，从动锥齿轮分别与第一主动锥齿轮和第二主动锥齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述近指段的长度方向与第二轴的轴线垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第一驱动组件包括第一驱动件、第一滑轮、第一驱动腱绳和第一回复腱绳；第一滑轮与第一主动锥齿轮同轴布置且与第一主动锥齿轮固定，第一驱动腱绳的一端卷绕在第一滑轮上，第一回复腱绳的一端卷绕在第一滑轮上，第一驱动腱绳与第一回复腱绳的卷绕方向相反，第一驱动腱绳和第一回复腱绳与第一驱动件的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第一滑轮上设有腱绳容纳槽，第一驱动腱绳和第一回复腱绳设置在腱绳容纳槽内。
5.根据权利要求3所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第一驱动件包括两个单独的驱动元件，第一驱动腱绳与第一回复腱绳分别与两个驱动元件的输出端连接。
6.根据权利要求3所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第一驱动件包括驱动电机和卷绕筒，卷绕筒与驱动电机的输出轴连接，第一驱动腱绳和第一回复腱绳卷绕在卷绕筒上，第一驱动腱绳与第一回复腱绳且卷绕方向相反。
7.根据权利要求3所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第一驱动组件还包括驱动导向轮和回复导向轮，第一驱动件为伸缩驱动件，驱动导向轮和回复导向轮设置在伸缩驱动件伸缩杆伸缩方向的相对两侧，第一驱动腱绳的一端绕过驱动导向轮与伸缩驱动件的伸缩端连接，第一回复腱绳的一端绕过回复导向轮与伸缩驱动件的伸缩端连接。
8.根据权利要求1或2所述的一种机器人仿人灵巧手手指的基关节，其特征是，所述第二驱动组件包括第二驱动件、第二驱动腱绳、第二回复腱绳和第二滑轮；第二滑轮与第二主动锥齿轮同轴布置且与第二主动锥齿轮固定，第二驱动腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二回复腱绳的一端卷绕在第二滑轮上，第二驱动腱绳与第二回复腱绳的卷绕方向相反，第二驱动腱绳和第二回复腱绳的另一端与第二驱动件的输出端连接。
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