CN113305868A - 一种多自由度机器人手指基关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人手指基关节领域，具体涉及一种多自由度机器人手指基关节，为了解决现有灵巧手基关节设计存在用较大的电机为弯曲\伸展自由度提供动力，降低了手指的灵活性的问题；以及通过差动机构实现相交轴传动，传动通常比较复杂，并且断电无法自锁的问题，它包括外框架、差动轮系、接口和两组驱动机构；两组所述驱动机构对称设置在外框架上，差动轮系设置在两组驱动机构的驱动端之间，且差动轮系每侧的输入端与一组驱动机构的驱动端连接，接口与差动轮系的输出端连接，该方案能够使得基关节具有弯曲\伸展和外展\内收2个自由度，并且以较小的体积提供较大的指尖力，并且从驱动空间到关节空间的关系始终保持线性，并能够在断电时实现自锁。

Description

一种多自由度机器人手指基关节

技术领域

本发明涉及机器人手指基关节领域，具体涉及一种多自由度机器人手指基关节。

背景技术

理想的灵巧手手指基关节通常需要具有弯曲\伸展和外展\内收2个自由度，并能以比较小的体积够提供较大的指尖力。现有的灵巧手基关节设计一般有两种方案：

1、只保留弯曲\伸展自由度1个自由度，并将基关节使用的电机数目由2个减少为1个，以此节省出空间来使用较大的电机为弯曲\伸展自由度提供动力，从增加其能提供的指尖力。这种方案降低了手指的灵活性。

2、通过差动机构实现相交轴传动，从而使得弯曲\伸展运动中的负载可以由两个电机共同分担。差动机构常见的有连杆球铰式和锥齿轮式。其中连杆球铰式的差动机构传动相对简单，但运动过程中连杆机构传动角的变化使其从驱动空间到关节空间的关系是非线性的，这种非线性会增加控制的难度。锥齿轮式的差动机构一般由旋转电机驱动，其驱动空间到关节空间的关系呈线性，但是其传动通常比较复杂，并且断电无法自锁。

综上，现有灵巧手基关节设计存在以下问题：

1、用较大的电机为弯曲\伸展自由度提供动力，降低了手指的灵活性。

2、通过差动机构实现相交轴传动，传动通常比较复杂，并且断电无法自锁。

发明内容

发明目的：为了解决现有灵巧手基关节设计存在的问题，本发明提供了一种多自由度机器人手指基关节。

本发明是通过以下方案实现的：一种多自由度机器人手指基关节，它包括外框架、差动轮系、接口和两组驱动机构；

两组所述驱动机构对称设置在外框架上，差动轮系设置在两组驱动机构的驱动端之间，且差动轮系每侧的输入端与一组驱动机构的驱动端连接，接口与差动轮系的输出端连接。

进一步地，所述驱动机构包括电机、齿条和齿轮；

所述电机的输出端与齿条的末端连接，齿条与齿轮啮合设置，齿轮与差动轮系的一个输入端连接。

再进一步地，所述外框架包括电机后托架、电机前托架和两块侧板；

两块所述侧板对称设置，两块侧板的后端均通过电机后托架连接，两块侧板的中端均通过电机前托架连接；托架、电机前托架和两块侧板之间形成电机固定区间，两个电机对称设置在电机固定区间内。

优选地，所述电机前托架与两块侧板之间均为插接，电机后托架与两块侧板均为插接。

进一步地，所述电机后托架每端均通过多个螺栓与一块侧板连接。

优选地，两块所述侧板的前端通过多个连接件连接，每个连接件包括带帽连接杆和连接帽；

带帽连接杆穿过两块侧板后与连接帽连接。

进一步地，所述侧板上设置有轴，轴上设有滚轮，齿条的侧部设有引导槽；滚轮设置在引导槽内。

再进一步地，所述差动轮系包括轮轴、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮和两个主动锥齿轮；

所述轮轴的每端与一块侧板连接，两个齿轮对称设置在轮轴上，两个主动锥齿轮对称设置在轮轴上，两个齿轮设置在两个主动锥齿轮的外侧，齿轮与其相邻的主动锥齿轮配合设置，且齿轮带动其相邻的主动锥齿轮转动，所述第一从动锥齿轮设置在轮轴的上方，且与两个主动锥齿轮均啮合，第二从动锥齿轮设置在轮轴的下方，且与两个主动锥齿轮均啮合，第一从动锥齿轮通过第一从动轴与接口的上臂连接，第二从动锥齿轮通过第二从动轴与接口的下臂连接；

所述接口的上臂设有限位缺口，第一从动锥齿轮上端设有定位突起，所述限位缺口和定位突起配合设置。

进一步地，所述第一从动轴顶部连接有第一限位帽；第二从动轴底部连接有第二限位帽。

优选地，所述电机为直线电机。

有益效果：该方案能够使得基关节具有弯曲\伸展和外展\内收2个自由度，并且以较小的体积提供较大的指尖力，同时传动简单，并且从驱动空间到关节空间的关系始终保持线性，并能够在断电时实现自锁。

此系统的的传动通过齿轮之间的啮合来实现，由于齿轮的传动比恒定，从而能保证驱动空间与关节空间的关系始终呈恒定的线性关系，而不会随着关节运动到不同的角度而发生变化。

此外，此系统的传动简单可靠，当电机掉电时，可以依靠直线电机固有的自锁特性实现手指关节的自锁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明立体图；

图2为本发明局剖视图；

图3为本发明的驱动机构的示意图；

图4为本发明的局部细节图；

图5为本发明的局部爆炸图；

图6为本发明的差动轮系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

具体实施方式一：一种多自由度机器人手指基关节，它包括外框架、差动轮系、接口6和两组驱动机构；

两组所述驱动机构对称设置在外框架上，差动轮系设置在两组驱动机构的驱动端之间，且差动轮系每侧的输入端与一组驱动机构的驱动端连接，接口6与差动轮系的输出端连接。

本实施方式中：两组驱动机构均由外框架固定，两组驱动机构共同驱动差动轮系运作，差动轮系带动接口运作。

具体实施方式二：一种多自由度机器人手指基关节，所述驱动机构包括电机2、齿条4和齿轮9；

所述电机2的输出端与齿条4的末端连接，齿条4与齿轮9啮合设置，齿轮9与差动轮系的一个输入端连接。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：一种多自由度机器人手指基关节，所述外框架包括电机后托架5、电机前托架3和两块侧板1；

两块所述侧板1对称设置，两块侧板1的后端均通过电机后托架5连接，两块侧板的中端均通过电机前托架3连接；托架5、电机前托架3和两块侧板1之间形成电机固定区间，两个电机2对称设置在电机固定区间内。

其他实施方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：一种多自由度机器人手指基关节，所述电机前托架3与两块侧板1之间均为插接，电机后托架5与两块侧板1均为插接。

其他实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：一种多自由度机器人手指基关节，所述电机后托架5每端均通过多个螺栓7与一块侧板1连接。

其他实施方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：两块所述侧板1的前端通过多个连接件连接，每个连接件包括带帽连接杆8和连接帽11；

带帽连接杆8穿过两块侧板1后与连接帽11连接。

其他实施方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：一种多自由度机器人手指基关节，所述侧板1上设置有轴12，轴上设有滚轮13，齿条4的侧部设有引导槽；滚轮13设置在引导槽内。

其他实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：一种多自由度机器人手指基关节，所述差动轮系包括轮轴10、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮和两个主动锥齿轮14；

所述轮轴10的每端与一块侧板1连接，两个齿轮9对称设置在轮轴10上，两个主动锥齿轮14对称设置在轮轴10上，两个齿轮9设置在两个主动锥齿轮14的外侧，齿轮9与其相邻的主动锥齿轮14配合设置，且齿轮9带动其相邻的主动锥齿轮14转动，所述第一从动锥齿轮设置在轮轴10的上方，且与两个主动锥齿轮14均啮合，第二从动锥齿轮设置在轮轴10的下方，且与两个主动锥齿轮14均啮合，第一从动锥齿轮通过第一从动轴15与接口6的上臂连接，第二从动锥齿轮通过第二从动轴17与接口6的下臂连接；

所述接口6的上臂设有限位缺口，第一从动锥齿轮上端设有定位突起，所述限位缺口和定位突起配合设置。

本实施方式中：轮轴10和齿轮9之间设有轴承18。

其他实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：一种多自由度机器人手指基关节，所述第一从动轴15顶部连接有第一限位帽16；第二从动轴17底部连接有第二限位帽19。

其他实施方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：一种多自由度机器人手指基关节，所述电机2为直线电机。

其他实施方式与具体实施方式二相同。

工作原理：

如图1-5所示，基关节由两个电机2驱动，电机2的输出轴通过螺栓连接与齿条4固连(图1)，齿条4相对齿轮9的相对位置由轴承18确定(图3)，以此来保证齿轮齿条的正常啮合。齿条4与直齿轮9啮合，齿轮9与差动轮系的主动锥齿轮14固连(图5)。

两个电机的相对位置由电机前托架3上的异形孔确定，电机前托架3和电机后托架5插在侧板1的方孔中，将电机固定在电机固定区间内，并通过调整螺钉7来保证电机的正常安装。

两块侧板1带帽连接杆8和连接帽11连接。(图4)

当两个电机2的输出轴运动时，两个直齿轮9分别带动差动轮系中的两个主动锥齿轮14绕轴10转动，从而可以通过两个电机的直线运动来完全控制差动轮系的运动。

接口6与差动轮系的连接，以及如何实现运动

接口6是基关节与前端手指连接的接口，同时也是2维关节力矩传感器。差动轮系的第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮均与接口6连接，减摩垫片20用于减小差动齿轮和第二限位帽1022指尖的摩擦。

当两个电机2的输出轴输出同向运动时，均带动所固连的齿条4做同向运动，带动与齿条啮合的齿轮9做同向转动，从而带动差动轮系中的两个主动锥齿轮14做同向转动，从而使接口6做与差动轮系主动齿轮相同转向的转动，差动轮系沿轮轴转动，最终带动接口6固连的上端手指做弯曲\伸展运动。

同理，当两个电机输出反向运动时，两个主动锥齿轮14方向转动，带动第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮，第一从动锥齿轮转动带动接口转动，接口6带动上端手指做外展\内收运动。

此系统的传动通过齿轮之间的啮合来实现，由于齿轮的传动比恒定，从而能保证驱动空间与关节空间的关系始终呈恒定的线性关系，而不会随着关节运动到不同的角度而发生变化。

此外，此系统的传动简单可靠，当电机掉电时，可以依靠直线电机固有的自锁特性实现手指关节的自锁。

当弯曲\伸展和外展\内收不是由差动轮系实现，而是由两个电机独立实现时：

手指弯曲\伸展运动时指尖承受的负载会由提供弯曲\伸展运动的电机独立平衡，因此当指尖需要较大的负载时，提供弯曲\伸展运动动力的电机也需要比较大。

在使用差动轮系实现手指的弯曲\伸展和外展\内收两个自由的度运动时：

当两个直线电机以相同的速度进行同向运动，基关节的力矩传感器(即手指的接口)会围绕轮轴旋转，此时对应的是手指做弯曲\伸展运动。此时手指末端受到的负载折算到关节差动齿轮上是一个力矩，该力矩由两个直线电机的输出同时平衡，即因为差动轮系的存在，使得两个电机分担了原本应该由一个一个独立提供的输出力，因此可以用更小的电机来提供更大的指尖力。

差动轮系的作用在于将两个电机分别与差动轮系的两个主动齿轮相连时，两个电机同向同速率运动时，手指做弯曲\伸展运动；当两个电机反向同速率运动时，手指做外展\内收运动，即手指的每个自由度并不是由某一个电机独立提供，而是由两个电机同时提供，从而达到以较小的电机提供较大的指尖力的效果。

传动关系呈线性：在手指运动的过程中，不论基关节处于什么角度，齿轮齿条传动的压力角始终恒定，差动轮系中各锥齿轮之间的压力角也始终恒定，因此，手指基关节从电机的驱动空间到关节的关节空间的映射关系始终没有变化，体现出的效果即电机输出轴以某一恒定的速度和力输出时，基关节的运动速度和输出力始终保持恒定。

连杆型的机构会在运动过程中因为关节角度发生变化时导致的连杆机构杆件间压力角发生变化而使得电机以恒力恒速度输出时，关节的转速和输出力会随着压力角的变化而变化，即从驱动空间到关节空间的映射是非线性的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：它包括外框架、差动轮系、接口(6)和两组驱动机构；

两组所述驱动机构对称设置在外框架上，差动轮系设置在两组驱动机构的驱动端之间，且差动轮系每侧的输入端与一组驱动机构的驱动端连接，接口(6)与差动轮系的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述驱动机构包括电机(2)、齿条(4)和齿轮(9)；

所述电机(2)的输出端与齿条(4)的末端连接，齿条(4)与齿轮(9)啮合设置，齿轮(9)与差动轮系的一个输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述外框架包括电机后托架(5)、电机前托架(3)和两块侧板(1)；

两块所述侧板(1)对称设置，两块侧板(1)的后端均通过电机后托架(5)连接，两块侧板的中端均通过电机前托架(3)连接；托架(5)、电机前托架(3)和两块侧板(1)之间形成电机固定区间，两个电机(2)对称设置在电机固定区间内。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述电机前托架(3)与两块侧板(1)之间均为插接，电机后托架(5)与两块侧板(1)之间均为插接。

5.根据权利要求4所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述电机后托架(5)每端均通过多个螺栓(7)与一块侧板(1)连接。

6.根据权利要求5所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：两块所述侧板(1)的前端通过多个连接件连接，每个连接件包括带帽连接杆(8)和连接帽(11)；

带帽连接杆(8)穿过两块侧板(1)后与连接帽(1111)连接。

7.根据权利要求3所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述侧板(1)上设置有轴(12)，轴上设有滚轮(13)，齿条(4)的侧部设有引导槽；滚轮(13)设置在引导槽内。

8.根据权利要求3所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述差动轮系包括轮轴(10)、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮和两个主动锥齿轮(14)；

所述轮轴(10)的每端与一块侧板(1)连接，两个齿轮(9)对称设置在轮轴(10)上，两个主动锥齿轮(14)对称设置在轮轴(10)上，两个齿轮(9)设置在两个主动锥齿轮(14)的外侧，齿轮(9)与其相邻的主动锥齿轮(14)配合设置，且齿轮(9)带动其相邻的主动锥齿轮(14)转动，所述第一从动锥齿轮设置在轮轴(10)的上方，且与两个主动锥齿轮(14)均啮合，第二从动锥齿轮设置在轮轴(10)的下方，且与两个主动锥齿轮(14)均啮合，第一从动锥齿轮通过第一从动轴(15)与接口(6)的上臂连接，第二从动锥齿轮通过第二从动轴(17)与接口(6)的下臂连接；

所述接口(6)的上臂设有限位缺口，第一从动锥齿轮上端设有定位突起，所述限位缺口和定位突起配合设置。

9.根据权利要求8所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述第一从动轴(15)顶部连接有第一限位帽(16)；第二从动轴(17)底部连接有第二限位帽(19)。

10.根据权利要求2所述的一种多自由度机器人手指基关节，其特征在于：所述电机(2)为直线电机。

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