CN115194811B - 一种具有自锁功能的三自由度假肢腕及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有自锁功能的三自由度假肢腕及方法，属于机器人技术领域。解决了现有假肢腕自由度少，运动范围小，体积重量大，输出力矩小，缺少自锁功能的问题。三自由度假肢腕它包括手腕屈伸与偏移机构、手腕旋转机构和手腕壳体，手腕旋转机构安装在所述手腕屈伸与偏移机构上，手腕屈伸与偏移机构和手腕旋转机构同轴布置，手腕旋转机构设置在手腕壳体内，手腕屈伸与偏移机构的腕手连接支架设置在手腕壳体外部。该假肢腕具有三个主动自由度，在拥有较小体积与重量的同时可以输出较大的驱动力矩，三个自由度均有较大的运动范围，基本覆盖人手手腕的运动区间，同时三个自由度均具有自锁功能。本发明适用于能够自锁的假肢腕。

Description

一种具有自锁功能的三自由度假肢腕及方法

技术领域

本发明创造属于机器人技术领域，尤其是涉及一种具有自锁功能的三自由度假肢腕及方法。

背景技术

手腕在在众多骨骼及肌肉群的作用下可以实现旋转、屈伸和偏移三自由度运动，在日常生活中具有重要的作用。前臂截肢患者由于截肢会丧失手腕的运动功能，这将给前臂截肢患者的生活带来诸多不便。通过假肢腕可以部分恢复前臂截肢患者手腕的运动功能，提高其生活质量。

现有的商业假肢腕由于体积与重量的限制，大多设计成单自由度，无法很好的复现腕部的运动功能。部分研究型假肢腕会设计成两个或三个自由度，但由于现有驱动器与减速机构的限制，现有多自由度假肢腕输出力矩往往较小，并且体积与重量较大，运动范围较小。此外手腕需要在断电时能保持其位置，因此三个自由度都需要能够自锁，由于自锁机构会增加腕部的体积与重量，许多三自由度假肢腕缺少自锁功能或仅部分自由度具有自锁功能。

公开号为CN104875214A，公开日为2015年9月2日的中国发明专利公开了一种三自由度仿人手腕装置，该手腕具有三个自由度，其中2个电机通过蜗轮蜗杆传动，驱动差动锥齿轮结构实现屈伸和偏移运动，并由另外一个电机直接驱动实现旋转运动。该手腕屈伸和偏移运动的范围较小，并且旋转自由度无法自锁，体积较大。公开号为CN109822618A，公开日为2019年5月31日的中国发明专利公开了一款两自由度的手腕，该手腕通过两个带自锁功能的直线驱动器驱动空间并联连杆机构实现了手腕的屈伸和偏移运动。但是该手腕的运动范围较小，并且缺乏旋转自由度，无法很好的复现腕部的运动功能。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，以解决现有假肢腕自由度少，运动范围小，体积重量大，输出力矩小，缺少自锁功能问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，包括手腕屈伸与偏移机构、手腕旋转机构和手腕壳体，所述手腕旋转机构安装在所述手腕屈伸与偏移机构上，所述手腕屈伸与偏移机构和手腕旋转机构同轴布置，所述手腕旋转机构设置在手腕壳体内，所述手腕屈伸与偏移机构的腕手连接支架设置在手腕壳体外部；

所述手腕屈伸与偏移机构还包括直流有刷电机、第一行星减速器、旋转基座、蜗轮、蜗轮传动轴、十字轴、锥齿轮差动机构和第一电位计，在旋转基座的上端面的一侧安装两个圆柱形凸台，所述十字轴布置在旋转基座的正上方，在每个圆柱形凸台内安装一个蜗杆，每个蜗杆由一个布置在旋转基座下方的直流有刷电机经由第一行星减速器带动，每个蜗杆与一个蜗轮配合，每个蜗轮安装在一个蜗轮传动轴上，两个蜗轮传动轴套设在十字轴的相对布置的两个轴上，在十字轴的四个轴上安装锥齿轮差动机构，在十字轴的另两个相对布置的轴上安装腕手连接支架，每个蜗轮传动轴的自由端通过支撑机构支撑定位在旋转基座上，在每个蜗轮传动轴上安装一个第一电位计；在旋转基座底部中心处连接手腕旋转机构；

所述手腕旋转机构包括无刷电机、微型谐波减速器、转动壳体、谐波输出轴、第二行星减速器、自锁输入机构、圆柱滚动体、自锁输出机构、第二电位计、自锁机构壳体、行星输出轴和旋转机构输出轴；

无刷电机通过连接螺钉固定在旋转基座上，在无刷电机的输出轴上安装微型谐波减速器，所述微型谐波减速器设置在转动壳体的上腔内，且微型谐波减速器的输出轴伸入转动壳体的下腔，所述谐波输出轴、第二行星减速器、自锁输入机构、自锁输出机构和行星输出轴均设置在转动壳体的下腔内，且转动壳体的下腔通过自锁机构壳体封闭，谐波输出轴的上端通过输出轴连接螺钉与微型谐波减速器的输出轴连接，谐波输出轴的下端与第二行星减速器的太阳轮连接，在第二行星减速器的行星轮上连接行星输出轴，行星输出轴驱动自锁输入机构旋转，自锁输入机构旋转时推动圆柱滚动体运动，进而推动自锁输出机构进行旋转，自锁输出机构与旋转机构输出轴连接，旋转机构输出轴伸出自锁机构壳体，旋转机构输出轴固定在手腕壳体上，在旋转机构输出轴上还安装有第二电位计；

所述手腕壳体包括圆柱壳体、底部壳体和底部螺母，圆柱壳体与底部壳体连接，底部壳体中心设有一个与旋转机构输出轴相配合的D形孔，通过底部螺母将底部壳体与旋转机构输出轴进行轴向固定，所述圆柱壳体套设在转动壳体的外部。

更进一步的，直流有刷电机经第一行星减速器驱动蜗杆转动，蜗杆驱动相应的蜗轮转动，蜗轮通过蜗轮传动轴驱动安装在十字轴上的锥齿轮差动机构运动，从而带动腕手连接支架进行手腕屈伸或偏移运动。

更进一步的，所述锥齿轮差动机构包括主动锥齿轮、传动锥齿轮和被动锥齿轮，在两个蜗轮传动轴上分别安装一个主动锥齿轮，在十字轴的另两个相对布置的轴上分别安装传动锥齿轮和被动锥齿轮，其中一个主动锥齿轮与传动锥齿轮啮合，传动锥齿轮与另一个主动锥齿轮啮合，另一个主动锥齿轮与被动锥齿轮啮合，被动锥齿轮与其中一个主动锥齿轮啮合。

更进一步的，所述腕手连接支架包括前侧连接支架、后侧连接支架和支架螺钉，前侧连接支架与后侧连接支架通过支架螺钉固连形成门字形结构，前侧连接支架与传动锥齿轮固定连接并通过一紧固螺钉安装在十字轴上对前侧连接支架进行限位，传动锥齿轮和前侧连接支架同步转动，后侧连接支架设置在被动锥齿轮后方，后侧连接支架套设在十字轴上，且通过一紧固螺钉安装在十字轴上对后侧连接支架进行限位，被动锥齿轮与后侧连接支架能相对转动。

更进一步的，所述支撑机构包括设置在蜗轮传动轴的自由端的第一角接触轴承，第一角接触轴承安装在轴承座上，轴承座安装在旋转基座上。

更进一步的，在两组蜗轮蜗杆上分别安装左侧装饰外壳和右侧装饰外壳，且通过螺钉将左侧装饰外壳和右侧装饰外壳固定在旋转基座上；所述圆柱壳体通过固定螺钉与底部壳体连接，在圆柱壳体和转动壳体之间设有支撑轴承。

更进一步的，所述自锁输入机构为环状结构，在环状结构的上表面均匀设有三个与行星输出轴连接的连接孔，在环状结构的底部对称设有两个拨动块，所述自锁输出机构为在圆柱体上开设四个对称的楔形槽，四个楔形槽两两一组，在每组楔形槽上贯穿设有一个圆柱孔，两个圆柱孔对称布置，在每个圆柱孔内设有一个压簧，在每个楔形槽内放置一个圆柱滚动体，在手腕静止状态下，压簧推动圆柱滚动体始终与自锁机构壳体接触，自锁输入机构旋转时，通过拨动块拨动圆柱滚动体运动，从而使自锁输出机构运动，在自锁输出机构中心处设有与旋转机构输出轴连接的D形孔。

更进一步的，在第二行星减速器上端与转动壳体之间放置减速器垫片，在自锁输入机构与转动壳体之间安装输入机构轴承，在第二行星减速器下端与输入机构轴承之间设有环形垫圈，在自锁输出机构与自锁机构壳体之间放置第二铜垫片，在旋转机构输出轴的上下部分分别安一个承受外部载荷的第三角接触轴承。

更进一步的，在每个蜗杆的上下两端各通过一个第二角接触轴承支撑，且在最上方的第二角接触轴承上方安装有端盖对轴承进行轴向限位，通过端盖螺钉将端盖固定在相应的圆柱形凸台上，在圆柱形凸台上开设有使蜗杆与对应的蜗轮啮合的空隙。

本申请的另一方面提供一种自锁功能的三自由度假肢腕的控制方法，

手腕屈伸与偏移运动：直流有刷电机经第一行星减速器来驱动蜗杆，进而驱动与之配合的蜗轮转动，蜗轮转动并通过蜗轮传动轴带动相应的主动锥齿轮进行转动，两主动锥齿轮同向同速转动时，腕手连接支架进行手腕屈伸运动，两主动锥齿轮反向同速转动时，腕手连接支架进行手腕偏移运动，其他情况下，手腕同时进行屈伸与偏移运动；两侧的蜗轮传动轴上均装有第一电位计，测量两侧蜗轮传动轴转过的角度，从而获得手腕屈伸与偏移的角度；

手腕旋转运动：无刷电机首先连接微型谐波减速器来实现一级减速，之后连接行星减速器实现二级减速，通过两级减速使手腕旋转自由度具有所需的扭矩与转速；行星输出轴连接在第二行星减速器的行星轮上，用来驱动自锁输入机构，自锁输入机构旋转时将推动圆柱滚动体，进而推动自锁输出机构进行旋转；由于旋转机构输出轴与底部壳体固连，即旋转机构输出轴固定，因此手腕旋转机构的其余部分转动，从而实现手腕的旋转运动，第二电位计安装在旋转机构输出轴上，用来测量手腕旋转机构所转过的角度；通过自锁输入机构与自锁输出机构配合实现手腕旋转运动的双向自锁。

与现有技术相比，本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的有益效果是：

(1)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，利用差动锥齿轮机构来实现手腕的屈伸与偏移运动，两个直流有刷电机通过行星减速器与蜗轮蜗杆机构来驱动差动锥齿轮机构中的主动锥齿轮。差动锥齿轮机构能够利用两个电机来同时驱动，因而可以使用两个功率较小的电机进行组合来获得较大的扭矩。在保证扭矩的同时，降低电机功率，能够有效减少电机的体积与重量，进而减小手腕的体积与重量。蜗轮蜗杆机构能够在较小的体积与重量下提供较大的减速比，也有助于减小手腕的体积与重量，并且蜗轮蜗杆还具有自锁功能，使得手腕的屈伸与偏移自由度能够自锁。

(2)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，手腕旋转机构主要包括无刷电机、微型谐波减速器、第二行星减速器与自锁机构几部分；无刷电机具有较高的功率密度，能够提供较大的输出扭矩；微型谐波减速器搭配行星减速器的方式可以降低减速器部分的体积与重量；所设计的自锁机构则能为手腕的旋转自由度提供自锁能力。

(3)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，手腕的屈伸偏移机构的两个直流电机布置在转动壳体正方形外边缘的相邻一侧，能够使手腕屈伸偏移机构更加紧凑，同时可以增加手腕屈伸与偏移两个自由度的运动范围。直流电机布置在转动壳体正方形边的中心处，则有助于减小手腕的直径。

(4)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，手腕旋转机构采用输出轴与手腕壳体固定，其余部分转动的特殊旋转方式，手腕旋转机构与手腕屈伸偏移机构保持相对静止，因此两者可以紧凑地装配在一起，有助于减小手腕直径。

(5)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，假肢手腕三个自由度均具有自锁功能，可以在手腕不运动时，保持手腕的状态；这种断电保持功能可以有效地节省能量，延长手腕的使用时间。

(6)本发明创造所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，手腕长度95.2mm，最大外径为51mm，总重量为236g。三个自由度具有较大的运动范围，可以基本覆盖人手手腕的运动区间，其中手腕旋转自由度的运动范围为-180°～+180°，手腕屈伸自由度的运动范围为-90°～+90°，手腕偏转自由度的运动范围为-35°～+35°。三个自由度均具有的较大的扭矩与合适的转速，其中手腕旋转自由度的额定转矩为2.26Nm，堵转转矩为5.12Nm，额定转速为80°/s；手腕屈伸自由度的额定转矩为1.88Nm，堵转转矩为3.84Nm，额定转速为60°/s；手腕偏移自由度的额定转矩为1.88Nm，堵转转矩为3.84Nm，额定转速为60°/s。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的外形图；

图2为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的分解结构示意图；

图3为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的手腕屈伸与偏移机构的结构爆炸示意图；

图4为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的手腕屈伸与偏移机构的剖视图；

图5为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的手腕旋转机构的剖视图；

图6为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的手腕旋转机构的结构爆炸示意图；

图7为本发明创造实施例所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的手腕壳体的结构爆炸示意图；

图8为手腕旋转机构中的双向自锁机构的结构示意图；

图9为腕屈伸与偏移机构中的电机布置方式的示意图；

图10为腕屈伸与偏移机构中的电机布置方式的另一角度示意图。

附图标记说明：

A、手腕屈伸与偏移机构；B、手腕旋转机构；C、手腕壳体；

1、支架螺钉；2、主动锥齿轮；3、第二角接触轴承；4、蜗杆；5、圆柱形凸台；6、端盖螺钉；7、端盖；8、后侧连接支架；9、第二铜垫片；10、被动锥齿轮；11、蜗轮；12、蜗轮传动轴；13、第一角接触轴承；14、轴承座；15、第一电位计；16、右侧装饰外壳；17、轴承座固定螺钉；18、第一行星减速器；19、直流有刷电机；20、连接螺钉；21、旋转基座；22、传动锥齿轮；23、紧固螺钉；24、前侧连接支架；25、十字轴；26、左侧装饰外壳；27、无刷电机；28、微型谐波减速器；29、转动壳体；30、支撑轴承；31、谐波输出轴；32、输出轴连接螺钉；33、减速器垫片；34、第二行星减速器；35、环形垫圈；36、输入机构轴承；37、自锁输入机构；38、圆柱滚动体；39、自锁输出机构；40、第一铜垫片；41、第二电位计；42、第三角接触轴承；43、自锁机构壳体；44、压簧；45、行星输出轴；46、旋转机构输出轴；47、固定螺钉；48、圆柱壳体；49、底部壳体；50、底部螺母。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

在本发明创造的描述中，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创造和简化描述，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创造的限制。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。

在本发明创造的描述中，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创造中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图10所示，一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，包括手腕屈伸与偏移机构A、手腕旋转机构B和手腕壳体C，所述手腕旋转机构B安装在手腕屈伸与偏移机构A上，所述手腕屈伸与偏移机构A和手腕旋转机构B同轴布置，所述手腕旋转机构B设置在手腕壳体C内，手腕屈伸与偏移机构A的腕手连接支架设置在手腕壳体C外部；

所述手腕屈伸与偏移机构A还包括直流有刷电机19、第一行星减速器18、旋转基座21、蜗轮11、蜗轮传动轴12、十字轴25、锥齿轮差动机构和第一电位计15，在旋转基座21的上端面的一侧安装两个圆柱形凸台5，所述十字轴25布置在旋转基座21的正上方，在每个圆柱形凸台5内安装一个蜗杆4，第一行星减速器18的输出轴与蜗杆4通过D形孔连接，每个蜗杆4由一个布置在旋转基座21下方的直流有刷电机19经由第一行星减速器18带动，每个蜗杆4与一个蜗轮配合，每个蜗轮安装在一个蜗轮传动轴上，两个蜗轮传动轴套设在十字轴25的相对布置的两个轴上，蜗轮传动轴12与十字轴25可以相对转动，在十字轴25的四个轴上安装锥齿轮差动机构，在十字轴25的另两个相对布置的轴上安装腕手连接支架，每个蜗轮传动轴的自由端通过支撑机构支撑定位在旋转基座21上，在每个蜗轮传动轴上安装一个第一电位计15；电位计15安装在蜗轮传动轴12上，可以对蜗轮11和主动锥齿轮2的旋转角度进行测量；在旋转基座21底部中心处连接手腕旋转机构B；

所述手腕旋转机构B包括无刷电机27、微型谐波减速器28、转动壳体29、谐波输出轴31、第二行星减速器34、自锁输入机构37、圆柱滚动体38、自锁输出机构39、第二电位计41、自锁机构壳体43、行星输出轴45和旋转机构输出轴46；

无刷电机27通过连接螺钉20固定在旋转基座21上，在无刷电机27的输出轴上安装微型谐波减速器28，转动壳体29的中部通过隔板将转动壳体29分为上腔和下腔，所述微型谐波减速器28设置在转动壳体29的上腔内，且微型谐波减速器28的输出轴伸入转动壳体29的下腔，所述谐波输出轴31、第二行星减速器34、自锁输入机构37、自锁输出机构39和行星输出轴45均设置在转动壳体29的下腔内，且转动壳体29的下腔通过自锁机构壳体43封闭，谐波输出轴31的上端通过输出轴连接螺钉32与微型谐波减速器28的输出轴连接，谐波输出轴31的下端与第二行星减速器34的太阳轮连接，在第二行星减速器34的行星轮上连接行星输出轴45，行星输出轴45驱动自锁输入机构37旋转，自锁输入机构37旋转时推动圆柱滚动体38运动，进而推动自锁输出机构39进行旋转，自锁输出机构39与旋转机构输出轴46连接，旋转机构输出轴46伸出自锁机构壳体43，旋转机构输出轴46固定在手腕壳体C上，在旋转机构输出轴46上还安装有第二电位计41，第二电位计41安装在旋转机构输出轴46上，用来测量手腕旋转机构所转过的角度；

所述手腕壳体C包括圆柱壳体48、底部壳体49和底部螺母50，圆柱壳体48与底部壳体49连接，底部壳体49中心设有一个与旋转机构输出轴46相配合的D形孔，通过底部螺母50将底部壳体49与旋转机构输出轴46进行轴向固定，所述圆柱壳体48套设在转动壳体29的外部。

手腕旋转机构采用无刷电机27进行驱动，通过微型谐波减速器28来增加扭矩，降低转速，使用谐波减速器能够有效降低减速器部分的体积与重量；第二行星减速器34的太阳轮中心有D形孔，并通过D形孔与谐波输出轴31连接，第二行星减速器34用来进一步增加扭矩，使手腕的旋转自由度有较大的驱动力矩；圆柱壳体48包络住手腕屈伸与偏移机构和手腕旋转机构，可以起到保护内部结构的作用；底部壳体49通过固定螺钉47与圆柱壳体48连接，手腕壳体做成圆柱壳体48与底部壳体49两部分是为了方便加工与装配。底部壳体49中心有一个D形孔，用来与旋转机构输出轴46相连接，并利用底部螺母50对旋转机构输出轴46进行轴向固定。

直流有刷电机19经第一行星减速器18驱动蜗杆4转动，蜗杆4驱动相应的蜗轮转动，蜗轮通过蜗轮传动轴驱动安装在十字轴25上的锥齿轮差动机构运动，从而带动腕手连接支架进行手腕屈伸或偏移运动。

所述锥齿轮差动机构包括主动锥齿轮2、传动锥齿轮22和被动锥齿轮10，在两个蜗轮传动轴上分别安装一个主动锥齿轮2，在十字轴25的另两个相对布置的轴上分别安装传动锥齿轮22和被动锥齿轮10，其中一个主动锥齿轮2与传动锥齿轮22啮合，传动锥齿轮22与另一个主动锥齿轮2啮合，另一个主动锥齿轮2与被动锥齿轮10啮合，被动锥齿轮10与其中一个主动锥齿轮啮合。

所述腕手连接支架包括前侧连接支架24、后侧连接支架8和支架螺钉1，前侧连接支架24与后侧连接支架8通过支架螺钉1固连形成门字形结构，前侧连接支架24与传动锥齿轮22固定连接并通过一紧固螺钉23安装在十字轴25上对前侧连接支架24进行限位，传动锥齿轮22和前侧连接支架24同步转动，后侧连接支架8设置在被动锥齿轮10后方，在后侧连接支架8和被动锥齿轮10之间安装有第一铜垫片9，后侧连接支架8套设在十字轴25上，且通过一紧固螺钉23安装在十字轴25上对后侧连接支架8进行限位，被动锥齿轮10与后侧连接支架8能相对转动，并通过第一铜垫片9来减少滑动摩擦。

所述支撑机构包括设置在蜗轮传动轴的自由端的第一角接触轴承13，第一角接触轴承13安装在轴承座14上，轴承座14安装在旋转基座21上；在每个蜗杆4的上下两端各通过一个第二角接触轴承3支撑，两第二角接触轴承3能够对蜗杆4进行限位并可以承受蜗杆4受到的径向与轴向负载，且在最上方的第二角接触轴承3上方安装有端盖7对轴承进行轴向限位，通过端盖螺钉6将端盖7固定在相应的圆柱形凸台5上，在圆柱形凸台5上开设有使蜗杆4与对应的蜗轮啮合的空隙。

在两组蜗轮蜗杆上分别安装左侧装饰外壳26和右侧装饰外壳16，且通过螺钉将左侧装饰外壳26和右侧装饰外壳16固定在旋转基座21上；左侧装饰外壳26和右侧装饰外壳16可以对上述蜗轮蜗杆传动机构起到保护作用同时可以美化手腕的外观；所述圆柱壳体48通过固定螺钉47与底部壳体49连接，在圆柱壳体48和转动壳体29之间设有支撑轴承30。

所述自锁输入机构37为环状结构，在环状结构的上表面均匀设有三个与行星输出轴45连接的连接孔，在环状结构的底部对称设有两个拨动块，所述自锁输出机构39为在圆柱体上开设四个对称的楔形槽，四个楔形槽两两一组，在每组楔形槽上贯穿设有一个圆柱孔，两个圆柱孔对称布置，在每个圆柱孔内设有一个压簧44，在每个楔形槽内放置一个圆柱滚动体38，在手腕静止状态下，压簧44推动圆柱滚动体38始终与自锁机构壳体43接触，自锁输入机构37旋转时，通过拨动块拨动圆柱滚动体38运动，从而使自锁输出机构39运动，在自锁输出机构39中心处设有与旋转机构输出轴46连接的D形孔，通过该D形孔与旋转机构输出轴46连接，驱动旋转机构输出轴46。压簧44放置在圆柱孔内，其作用是推动自锁机构中的圆柱滚动体38，保证在手腕静止状态下圆柱滚动体38与自锁机构壳体43能够始终保持接触，这样可以减少自锁机构输出轴的回程间隙。

在第二行星减速器34上端与转动壳体29之间放置减速器垫片33，在自锁输入机构37与转动壳体29之间安装输入机构轴承36，在第二行星减速器下端与输入机构轴承36之间设有环形垫圈35，在自锁输出机构39与自锁机构壳体43之间放置第二铜垫片40；减速器垫片33为铜垫片，用来减小第二行星减速器34内部齿轮旋转时与转动壳体29的摩擦，环形垫圈35位于第二行星减速器34与输入机构轴承36之间，对输入机构轴承36进行限位，输入机构轴承36装在自锁输入机构37与自锁机构壳体43之间，保证自锁输入机构37能够顺畅转动；第二铜垫片40放置在自锁输出机构39与自锁机构壳体43之间，用来减少自锁输出机构39旋转时与自锁机构壳体43之间的滑动摩擦；在旋转机构输出轴46的上下部分分别安一个承受外部载荷的第三角接触轴承42，为了使得旋转机构输出轴46能够承受较大的轴向负载与径向负载，使用一对角接触轴承42来承受外部载荷。

本申请通过第一行星减速器18搭配蜗轮蜗杆机构来驱动手腕屈伸与偏移自由度，可以在较小的体积与重量下实现约1600：1的较大减速比，同时可以实现自锁功能；通过利用差动锥齿轮机构，利用2个微型直流有刷电机19同时驱动手腕的屈伸与偏移自由度，相比每个自由度由单个电机单独驱动，这种方式在不增加电机功率的情况下，有效的增加了每个自由度的驱动力矩；通过无刷电机27，并搭配微型谐波减速器28与第二行星减速器34组成的两级减速机构来驱动手腕的旋转自由度；无刷电机相比有刷电机有更大的功率密度，可以提供较大的输出力矩；微型谐波减速器28具有非常小的体积与重量，搭配第二行星减速器34可以实现约200：1的减速比，使手腕旋转自由度拥有较大的输出力矩与合适的旋转速度；

本申请的手腕旋转机构的特殊旋转方式是手腕具有较小体积的重要原因，传统手腕的旋转机构是电机、减速器等结构与手腕壳体固定，然后旋转机构的输出轴与手腕屈伸与偏移机构相连接，旋转机构的输出轴转动进而带动与之相连的手腕屈伸偏移机构进行转动。这种方式下手腕屈伸与偏移机构有两种布置方式，一种方式是布置在手腕旋转机构的轴向，这样做将会显著增加手腕的长度；另一种方式是布置在手腕旋转机构的径向，但是此时旋转机构与手腕屈伸偏移机构将会发生相对旋转，为了避免相对旋转时机构之间发生干涉，手腕屈伸偏移机构将无法紧挨着手腕旋转机构，这会造成手腕直径的增加。本实施方式中手腕旋转机构采用输出轴46与手腕底部壳体49固定，而电机、减速器等其余结构与手腕屈伸偏移机构固定的方式进行设计，旋转结构运动时，由于其输出轴与手腕壳体固定，因此无法转动，此时电机、减速器等其余结构将相对手腕的壳体进行转动，并带动手腕屈伸偏移机构进行旋转；由于手腕旋转机构与手腕屈伸偏移机构之间没有相对转动，因此可以紧密的连接在一起，使得所设计的腕部拥有较小的长度与外径。

本申请的手腕屈伸偏移机构电机的布置方式也有效地缩减了手腕的体积，用来驱动手腕屈伸与偏移自由度的两个直流有刷电机19布置在转动壳体29正方形外边缘的相邻一侧，相比放置在对侧，这样能够使手腕屈伸与偏移机构更加紧凑，同时可以增加手腕屈伸与偏移两个自由度的运动范围。直流有刷电机19布置在转动壳体29正方形边的中心处，这样手腕旋转时，有最小的旋转半径，减小了手腕的直径。

本申请的腕手连接支架主要包括后侧连接支架8、紧固螺钉23和前侧连接支架24，前侧连接支架24通过D形孔与传动锥齿轮22相配合，后侧连接支架8的两侧有弧状缺口；本申请将腕手连接支架拆分为前侧连接支架与后侧连接支架，便于零件的加工与后续的装配，后侧连接支架8的两侧开有弧状缺口，这是因为手腕在进行偏移运动时，支架容易与两侧的装饰外壳干涉，通过该弧状缺口可以增加手腕偏移自由度的运动范围。

本申请的差动锥齿轮结构主要包括锥齿轮2、锥齿轮10、传动锥齿轮22和十字轴25，所用的锥齿轮均为经过表面强化处理的螺旋齿锥齿轮，十字轴则为不锈钢材料。

本申请所用的锥齿轮均为经过表面强化处理的螺旋齿锥齿轮，这种锥齿轮与普通的直齿锥齿轮相比具有更高的表面接触强度与更大的重叠系数，因此可以承受更大的负载并且传动平稳效率高。十字轴25用来保持差动机构中各个锥齿轮的相对位置，若无该轴，在手腕承受较大负载时，可能会导致腕手连接支架发生较大的变形，导致锥齿轮的相对位置发生改变，无法正常啮合。

本申请所述自锁机构主要包括自锁输入机构37、圆柱滚动体38、自锁输出机构39、第二铜垫片40、自锁机构壳体43和压簧44，自锁输入机构37上有两个扇形凸台，自锁输出机构39上开有四个对称的楔形槽，圆柱滚动体38被放置在四个楔形槽中，自锁输出机构39上开有两个对称的圆柱孔，用来放置压簧44；本申请的自锁机构原理类似于圆柱斜槽式双向离合器。自锁输入机构37转动时，扇形凸台会推动圆柱滚动体38进而使压簧44压缩，圆柱滚动体38将进入楔形槽较宽的一端，此时圆柱滚动体38将与自锁机构壳体43脱离，自锁输出机构39会随着自锁输入机构37与圆柱滚动体38一起转动。自锁输入机构37静止时，自锁输出机构39也保持静止，圆柱滚动体38在压簧44的作用下被推到楔形槽的窄端，此时若自锁输出机构39受到外力矩的作用，自锁输出机构39将通过圆柱滚动体38与自锁机构壳体43卡紧，自锁输出机构39则无法转动，从而实现双向的自锁。

本申请提出一种结构紧凑的三自由度假肢腕，该假肢腕具有三个主动自由度，在拥有较小体积与重量的同时可以输出较大的驱动力矩，该三自由度假肢腕的三个自由度均有较大的运动范围，可以基本覆盖人手手腕的运动区间，同时三个自由度均具有自锁功能。

一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的控制方法，包括

手腕屈伸与偏移运动：假肢手安装在腕手连接支架上，直流有刷电机19经第一行星减速器18来驱动蜗杆4，进而驱动与之配合的蜗轮11转动，蜗轮11转动并通过蜗轮传动轴12带动相应的主动锥齿轮2进行转动，两主动锥齿轮2同向同速转动时，腕手连接支架进行手腕屈伸运动，两主动锥齿轮2反向同速转动时，腕手连接支架进行手腕偏移运动，其他情况下，即，两主动锥齿轮2同向不同速转动和反向不同速转动时，手腕同时进行屈伸与偏移运动；两侧的蜗轮传动轴12上均装有第一电位计15，测量两侧蜗轮传动轴12转过的角度，通过换算从而获得手腕屈伸与偏移的角度；手腕屈伸与偏移运动的自锁通过蜗轮蜗杆机构实现；

手腕旋转运动：无刷电机27首先通过微型谐波减速器28来实现一级减速，之后通过第二行星减速器34实现二级减速，通过两级减速使手腕旋转自由度具有合适的扭矩与转速；行星输出轴45连接在第二行星减速器34的行星轮上，用来驱动自锁输入机构37，自锁输入机构37旋转时将推动圆柱滚动体38，进而推动自锁输出机构39进行旋转；由于旋转机构输出轴46与底部壳体49固连，即旋转机构输出轴46固定，因此手腕旋转机构B的其余部分转动，这种运动方式可以有效减小手腕的直径，从而实现手腕的旋转运动，第二电位计41安装在旋转机构输出轴46上，用来测量手腕旋转机构B所转过的角度；通过自锁输入机构37与自锁输出机构39配合实现手腕旋转运动的双向自锁；该自锁机构原理类似于圆柱斜槽式双向离合器，通过该自锁机构可以实现手腕旋转运动的双向自锁。

本申请的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕也可以用于机器人的手腕。

以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。

Claims (10)

1.一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：包括手腕屈伸与偏移机构(A)、手腕旋转机构(B)和手腕壳体(C)，所述手腕旋转机构(B)安装在手腕屈伸与偏移机构(A)上，所述手腕屈伸与偏移机构(A)和手腕旋转机构(B)同轴布置，所述手腕旋转机构(B)设置在手腕壳体(C)内，手腕屈伸与偏移机构(A)的腕手连接支架设置在手腕壳体(C)外部；

所述手腕屈伸与偏移机构(A)还包括直流有刷电机(19)、第一行星减速器(18)、旋转基座(21)、蜗轮(11)、蜗轮传动轴(12)、十字轴(25)、锥齿轮差动机构和第一电位计(15)，在旋转基座(21)的上端面的一侧安装两个圆柱形凸台(5)，所述十字轴(25)布置在旋转基座(21)的正上方，在每个圆柱形凸台(5)内安装一个蜗杆(4)，每个蜗杆(4)由一个布置在旋转基座(21)下方的直流有刷电机(19)经由第一行星减速器(18)带动，每个蜗杆(4)与一个蜗轮配合，每个蜗轮安装在一个蜗轮传动轴上，两个蜗轮传动轴套设在十字轴(25)的相对布置的两个轴上，在十字轴(25)的四个轴上安装锥齿轮差动机构，在十字轴(25)的另两个相对布置的轴上安装腕手连接支架，每个蜗轮传动轴的自由端通过支撑机构支撑定位在旋转基座(21)上，在每个蜗轮传动轴上安装一个第一电位计(15)；在旋转基座(21)底部中心处连接手腕旋转机构(B)；

所述手腕旋转机构(B)包括无刷电机(27)、微型谐波减速器(28)、转动壳体(29)、谐波输出轴(31)、第二行星减速器(34)、自锁输入机构(37)、圆柱滚动体(38)、自锁输出机构(39)、第二电位计(41)、自锁机构壳体(43)、行星输出轴(45)和旋转机构输出轴(46)；

无刷电机(27)通过连接螺钉(20)固定在旋转基座(21)上，在无刷电机(27)的输出轴上安装微型谐波减速器(28)，所述微型谐波减速器(28)设置在转动壳体(29)的上腔内，且微型谐波减速器(28)的输出轴伸入转动壳体(29)的下腔，所述谐波输出轴(31)、第二行星减速器(34)、自锁输入机构(37)、自锁输出机构(39)和行星输出轴(45)均设置在转动壳体(29)的下腔内，且转动壳体(29)的下腔通过自锁机构壳体(43)封闭，谐波输出轴(31)的上端通过输出轴连接螺钉(32)与微型谐波减速器(28)的输出轴连接，谐波输出轴(31)的下端与第二行星减速器(34)的太阳轮连接，在第二行星减速器(34)的行星轮上连接行星输出轴(45)，行星输出轴(45)驱动自锁输入机构(37)旋转，自锁输入机构(37)旋转时推动圆柱滚动体(38)运动，进而推动自锁输出机构(39)进行旋转，自锁输出机构(39)与旋转机构输出轴(46)连接，旋转机构输出轴(46)伸出自锁机构壳体(43)，旋转机构输出轴(46)固定在手腕壳体(C)上，在旋转机构输出轴(46)上还安装有第二电位计(41)；

所述手腕壳体(C)包括圆柱壳体(48)、底部壳体(49)和底部螺母(50)，圆柱壳体(48)与底部壳体(49)连接，底部壳体(49)中心设有一个与旋转机构输出轴(46)相配合的D形孔，通过底部螺母(50)将底部壳体(49)与旋转机构输出轴(46)进行轴向固定，所述圆柱壳体(48)套设在转动壳体(29)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：直流有刷电机(19)经第一行星减速器(18)驱动蜗杆(4)转动，蜗杆(4)驱动相应的蜗轮转动，蜗轮通过蜗轮传动轴驱动安装在十字轴(25)上的锥齿轮差动机构运动，从而带动腕手连接支架进行手腕屈伸或偏移运动。

3.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：所述锥齿轮差动机构包括主动锥齿轮(2)、传动锥齿轮(22)和被动锥齿轮(10)，在两个蜗轮传动轴上分别安装一个主动锥齿轮(2)，在十字轴(25)的另两个相对布置的轴上分别安装传动锥齿轮(22)和被动锥齿轮(10)，其中一个主动锥齿轮(2)与传动锥齿轮(22)啮合，传动锥齿轮(22)与另一个主动锥齿轮(2)啮合，另一个主动锥齿轮(2)与被动锥齿轮(10)啮合，被动锥齿轮(10)与其中一个主动锥齿轮啮合。

4.根据权利要求3所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：所述腕手连接支架包括前侧连接支架(24)、后侧连接支架(8)和支架螺钉(1)，前侧连接支架(24)与后侧连接支架(8)通过支架螺钉(1)固连形成门字形结构，前侧连接支架(24)与传动锥齿轮(22)固定连接并通过一紧固螺钉(23)安装在十字轴(25)上对前侧连接支架(24)进行限位，传动锥齿轮(22)和前侧连接支架(24)同步转动，后侧连接支架(8)设置在被动锥齿轮(10)后方，后侧连接支架(8)套设在十字轴(25)上，且通过一紧固螺钉(23)安装在十字轴(25)上对后侧连接支架(8)进行限位，被动锥齿轮(10)与后侧连接支架(8)能相对转动。

5.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：所述支撑机构包括设置在蜗轮传动轴的自由端的第一角接触轴承(13)，第一角接触轴承(13)安装在轴承座(14)上，轴承座(14)安装在旋转基座(21)上。

6.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：在两组蜗轮蜗杆上分别安装左侧装饰外壳(26)和右侧装饰外壳(16)，且通过螺钉将左侧装饰外壳(26)和右侧装饰外壳(16)固定在旋转基座(21)上；所述圆柱壳体(48)通过固定螺钉(47)与底部壳体(49)连接，在圆柱壳体(48)和转动壳体(29)之间设有支撑轴承(30)。

7.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：所述自锁输入机构(37)为环状结构，在环状结构的上表面均匀设有三个与行星输出轴(45)连接的连接孔，在环状结构的底部对称设有两个拨动块，所述自锁输出机构(39)为在圆柱体上开设四个对称的楔形槽，四个楔形槽两两一组，在每组楔形槽上贯穿设有一个圆柱孔，两个圆柱孔对称布置，在每个圆柱孔内设有一个压簧(44)，在每个楔形槽内放置一个圆柱滚动体(38)，在手腕静止状态下，压簧(44)推动圆柱滚动体(38)始终与自锁机构壳体(43)接触，自锁输入机构(37)旋转时，通过拨动块拨动圆柱滚动体(38)运动，从而使自锁输出机构(39)运动，在自锁输出机构(39)中心处设有与旋转机构输出轴(46)连接的D形孔。

8.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：在第二行星减速器(34)上端与转动壳体(29)之间放置减速器垫片(33)，在自锁输入机构(37)与转动壳体(29)之间安装输入机构轴承(36)，在第二行星减速器下端与输入机构轴承(36)之间设有环形垫圈(35)，在自锁输出机构(39)与自锁机构壳体(43)之间放置第二铜垫片(40)，在旋转机构输出轴(46)的上下部分分别安一个承受外部载荷的第三角接触轴承(42)。

9.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕，其特征在于：在每个蜗杆(4)的上下两端各通过一个第二角接触轴承(3)支撑，且在最上方的第二角接触轴承(3)上方安装有端盖(7)对轴承进行轴向限位，通过端盖螺钉(6)将端盖(7)固定在相应的圆柱形凸台(5)上，在圆柱形凸台(5)上开设有使蜗杆(4)与对应的蜗轮啮合的空隙。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种具有自锁功能的三自由度假肢腕的控制方法，其特征在于：

手腕屈伸与偏移运动：直流有刷电机(19)经第一行星减速器(18)来驱动蜗杆(4)，进而驱动与之配合的蜗轮(11)转动，蜗轮(11)转动并通过蜗轮传动轴(12)带动相应的主动锥齿轮(2)进行转动，两主动锥齿轮(2)同向同速转动时，腕手连接支架进行手腕屈伸运动，两主动锥齿轮(2)反向同速转动时，腕手连接支架进行手腕偏移运动，其他情况下，手腕同时进行屈伸与偏移运动；两侧的蜗轮传动轴(12)上均装有第一电位计(15)，测量两侧蜗轮传动轴(12)转过的角度，从而获得手腕屈伸与偏移的角度；

手腕旋转运动：无刷电机(27)首先通过微型谐波减速器(28)来实现一级减速，之后通过第二行星减速器(34)实现二级减速，通过两级减速使手腕旋转自由度具有所需的扭矩与转速；行星输出轴(45)连接在第二行星减速器(34)的行星轮上，用来驱动自锁输入机构(37)，自锁输入机构(37)旋转时将推动圆柱滚动体(38)，进而推动自锁输出机构(39)进行旋转；由于旋转机构输出轴(46)与底部壳体(49)固连，即旋转机构输出轴(46)固定，因此手腕旋转机构(B)的其余部分转动，从而实现手腕的旋转运动，第二电位计(41)安装在旋转机构输出轴(46)上，用来测量手腕旋转机构(B)所转过的角度；通过自锁输入机构(37)与自锁输出机构(39)配合实现手腕旋转运动的双向自锁。

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