專利名稱：螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿人機(jī)器手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用已經(jīng)從工業(yè)生產(chǎn)需求逐步向擬人機(jī)器人轉(zhuǎn)化。在此改革的過程中人們便面臨著設(shè)計(jì)小型化和更加靈活控制的手指運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)人類手指的多自由度靈活運(yùn)動(dòng)。而在人類手指中又以拇指根部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)最為復(fù)雜和靈活。其主要需要實(shí)現(xiàn)拇指從手掌側(cè)面到正面的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以及拇指貼合手掌和張開的張合運(yùn)動(dòng)；且由于人指關(guān)節(jié)的原因，此兩自由度正交。因而高效，精巧的模擬出人類拇指的運(yùn)動(dòng)特性是擬人機(jī)器手技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵。在實(shí)現(xiàn)拇指根部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。其中串聯(lián)形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行范圍較大等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)也帶來(lái)了操縱不夠簡(jiǎn)單、直接，控制系統(tǒng)復(fù)雜， 運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量較多、較大的缺點(diǎn)。因而對(duì)于拇指根部關(guān)節(jié)而言，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。而在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，現(xiàn)今主要以差動(dòng)輪系為主要結(jié)構(gòu)形式。其具有運(yùn)動(dòng)精度高等特點(diǎn)，但存在裝配、維修要求高，零部件加工成本高等不足。一種拇指兩自由度根部關(guān)節(jié)裝置，如中國(guó)發(fā)明專利CN101570024B，采用雙電機(jī)、主動(dòng)撥盤、多個(gè)連桿、套環(huán)和套筒等來(lái)實(shí)現(xiàn)拇指根部的擺動(dòng)和張合兩自由度動(dòng)作，存在以下不足其中的拇指張合機(jī)構(gòu)采用了主動(dòng)撥盤和多個(gè)連桿，導(dǎo)致張合動(dòng)作的傳動(dòng)間隙大、傳動(dòng)不平穩(wěn)、傳動(dòng)不精確、傳動(dòng)比為非線性、控制死區(qū)大且位置控制非線性；傳動(dòng)件多，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)， 傳動(dòng)效率低，機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，安裝維修難；機(jī)構(gòu)空間占用率大，質(zhì)量大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的拇指根部具有獨(dú)立的擺動(dòng)和張合兩個(gè)自由度的靈巧動(dòng)作，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低，容易控制，傳動(dòng)平穩(wěn)精確，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)間隙小，傳動(dòng)效率高，適用于擬人機(jī)器人手，增強(qiáng)機(jī)器人手抓取物體的靈巧性、穩(wěn)定性，使機(jī)器人手可以實(shí)現(xiàn)更多的手勢(shì)，更加擬人化。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明提供的一種螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置，包括手掌基座、拇指、關(guān)節(jié)軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)、拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和拇指張合機(jī)構(gòu)；所述關(guān)節(jié)軸活動(dòng)套設(shè)在手掌基座中；所述拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一減速器、第一錐齒輪和第二錐齒輪；所述第一電機(jī)固接在手掌基座上，所述第一電機(jī)的輸出軸與第一減速器的輸入軸固接，所述第一錐齒輪套固在第一減速器的輸出軸上，所述第二錐齒輪與第一錐齒輪相嚙合；其特征在于 所述第二錐齒輪套接在關(guān)節(jié)軸上；所述拇指張合機(jī)構(gòu)包括第二減速器、第三錐齒輪、第四錐齒輪、絲桿、螺母、螺母擋板、套筒、套環(huán)、張合連桿和拇指連桿；所述拇指連桿的一端與關(guān)節(jié)軸通過第一連接軸鉸接，拇指連桿的另一端與拇指固接；所述第二電機(jī)固接在手掌基座上； 所述第二電機(jī)的輸出軸與第二減速器的輸入軸固接，所述第三錐齒輪套固在第二減速器的輸出軸上，所述第三錐齒輪與第四錐齒輪相嚙合；所述絲桿套固在關(guān)節(jié)軸上，并與第四錐齒輪固接；所述螺母擋板固接在手掌基座中；所述螺母與絲桿螺紋連接形成螺紋傳動(dòng)關(guān)系， 螺母的外側(cè)面與螺母擋板滑動(dòng)固接；所述套筒活動(dòng)套接在關(guān)節(jié)軸上，套筒與螺母固接；所述套環(huán)活動(dòng)套接在套筒上；所述張合連桿的一端與套環(huán)通過第二連接軸鉸接，張合連桿的另一端與拇指連桿的中部通過第三連接軸鉸接；第一連接軸的中心線與關(guān)節(jié)軸中心線垂直相交；第二連接軸的中心線與關(guān)節(jié)軸中心線垂直相交；所述第一連接軸、第二連接軸和第三連接軸的中心線相互平行。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明裝置采用雙電機(jī)與絲桿螺母、套筒套環(huán)和人字連桿機(jī)構(gòu)等，綜合實(shí)現(xiàn)了拇指根部的獨(dú)立擺動(dòng)和張合兩自由度靈巧動(dòng)作，擺動(dòng)與張合兩關(guān)節(jié)自由度垂直相交，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低、容易控制、傳動(dòng)平穩(wěn)精確、傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)間隙小以及傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于擬人機(jī)器人手，增強(qiáng)機(jī)器人手抓取物體的靈巧性和穩(wěn)定性，使機(jī)器人手可以實(shí)現(xiàn)更多的手勢(shì)，更加擬人化。


圖1是本發(fā)明提供的螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置的正視圖。
圖2是本實(shí)施例核心機(jī)構(gòu)的局部剖視圖。
圖3是圖2中圓形區(qū)域部分以2 1比例放大后的正視圖。
圖4是本實(shí)施例核心機(jī)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
圖5是本實(shí)施例核心機(jī)構(gòu)的外觀立體圖。
在圖1至圖5中
1-手掌基座，11-下支承板，12-上支承板，
13-第一電機(jī)支承板，14-第二電機(jī)支撐板，2-拇指，
31-第一電機(jī)，32-第一減速器，33-第一錐齒輪，
34-第二錐齒輪，35-拇指連桿，41-第二電機(jī)，
42-第二減速器，43-第三錐齒輪，44-第四錐齒輪，
451-絲桿，452-螺母，453-螺母擋板，
46-套筒，47-套環(huán)，48-張合連桿，
5-關(guān)節(jié)軸，61-第一連接軸，62-第二連接軸，
63-第三連接軸，71-第一軸承、72-第二軸承。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)、工作原理的內(nèi)容。本發(fā)明所述的螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置一種實(shí)施例，如圖1 所示，包括手掌基座1、拇指2、關(guān)節(jié)軸5、第一電機(jī)31、第二電機(jī)41、拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和拇指張合機(jī)構(gòu)。
所述手掌基座包括下支承板11、上支承板12、第一電機(jī)支承板13、第二電機(jī)支承板14 ；所述關(guān)節(jié)軸5活動(dòng)套設(shè)在手掌基座1中；所述拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一減速器32、第一錐齒輪33和第二錐齒輪34 ；所述第一電機(jī)31通過第一電機(jī)支承板13固接在手掌基座1 上，所述第一電機(jī)31的輸出軸與第一減速器32的輸入軸固接，所述第一錐齒輪33套固在第一減速器32的輸出軸上，所述第一錐齒輪33與第二錐齒輪34相嚙合；所述第二錐齒輪 34通過第一軸承71活動(dòng)套接在關(guān)節(jié)軸5上；第一電機(jī)31轉(zhuǎn)動(dòng)，通過第一減速器32帶動(dòng)第一錐齒輪33轉(zhuǎn)動(dòng)，通過嚙合帶動(dòng)第二錐齒輪34轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)固連在第二錐齒輪34上的拇指連桿35轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拇指2擺動(dòng)。所述拇指張合機(jī)構(gòu)包括第二減速器42、第三錐齒輪43、 第四錐齒輪44、絲桿451、螺母452、螺母擋板463、套筒46、套環(huán)47、張合連桿48和拇指連桿35 ；所述拇指連桿35的一端與關(guān)節(jié)軸5通過第一連接軸61鉸接，拇指連桿35的另一端與拇指2固接；所述第二電機(jī)41通過第二電機(jī)支承板固接在手掌基座1上；所述第二電機(jī) 41的輸出軸與第二減速器42的輸入軸固接，所述第三錐齒輪43套固在第二減速器42的輸出軸上，所述第三錐齒輪43與第四錐齒輪44相嚙合；第四錐齒輪44通過軸承73套接在關(guān)節(jié)軸5上；所述絲桿45套固在關(guān)節(jié)軸5上，并與第四錐齒輪44固接；所述螺母擋板453固接在手掌基座1中；所述螺母452與絲桿451螺紋連接形成螺紋傳動(dòng)關(guān)系，螺母452的外側(cè)面與螺母擋板453滑動(dòng)固接；所述套筒46活動(dòng)套接在關(guān)節(jié)軸上，套筒46與螺母452固接； 所述套環(huán)47活動(dòng)套接在套筒46上；所述張合連桿48的一端與套環(huán)47通過第二連接軸62 鉸接，張合連桿48的另一端與拇指連桿35通過第三連接軸63鉸接；第一連接軸61的中心線與關(guān)節(jié)軸5中心線垂直相交；第二連接軸61的中心線與關(guān)節(jié)軸5中心線垂直相交；所述第一連接軸61、第二連接軸62和第三連接軸63的中心線相互平行。第二電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過減速器，帶動(dòng)第三錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第三錐齒輪通過第四錐齒輪帶動(dòng)絲桿451轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺母452的側(cè)平面與螺母擋板453的相互作用使螺母452不可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而是上下運(yùn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)套筒46上下運(yùn)動(dòng)。套筒46通過帶動(dòng)套環(huán)47的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)張合連桿48和拇指連桿35組成的人字連桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)拇指2運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拇指2的張合。下面結(jié)合圖1敘述本實(shí)施例的工作原理。機(jī)器人手的拇指2需要擺動(dòng)時(shí)，第一電機(jī)31轉(zhuǎn)動(dòng)，通過第一減速器32帶動(dòng)第一錐齒輪33轉(zhuǎn)動(dòng)，通過嚙合帶動(dòng)第二錐齒輪34轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)固連在第二錐齒輪34上的拇指連桿 35轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拇指2擺動(dòng)，此時(shí)，張合連桿48帶動(dòng)套環(huán)47在套筒46上轉(zhuǎn)動(dòng)并無(wú)阻礙。機(jī)器人手的拇指2需要張合運(yùn)動(dòng)時(shí)，第二電機(jī)41轉(zhuǎn)動(dòng)，通過第二減速器42帶動(dòng)第三錐齒輪43轉(zhuǎn)動(dòng)，通過嚙合帶動(dòng)第四錐齒輪44轉(zhuǎn)動(dòng)，第四錐齒輪44帶動(dòng)固連在其上的絲桿451轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)谒腻F齒輪44帶動(dòng)絲桿451轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該裝置通過一個(gè)與絲桿451嚙合的且不可轉(zhuǎn)動(dòng)的螺母452將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽?52的上下平動(dòng)，螺母452通過帶動(dòng)固連在螺母452 上的套筒46上下平動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)套接在套筒46上的套環(huán)47上下平動(dòng)，套環(huán)47帶動(dòng)固連在其上的張合連桿48運(yùn)動(dòng)，通過人字桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拇指2的張合。本發(fā)明裝置采用雙電機(jī)與絲桿螺母、套筒套環(huán)和人字連桿機(jī)構(gòu)等，綜合實(shí)現(xiàn)了拇指根部的獨(dú)立擺動(dòng)和張合兩自由度靈巧動(dòng)作，擺動(dòng)與張合兩關(guān)節(jié)自由度垂直相交，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低，容易控制，傳動(dòng)平穩(wěn)精確，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)間隙小，傳動(dòng)效率高，適用于擬人機(jī)器人手，增強(qiáng)機(jī)器人手抓取物體的靈巧性、穩(wěn)定性，使機(jī)器人手可以實(shí)現(xiàn)更多的手勢(shì)，更加擬人化。
權(quán)利要求
1. 一種螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置，包括手掌基座(1)、拇指O)、 關(guān)節(jié)軸( 、第一電機(jī)(31)、第二電機(jī)Gl)、拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和拇指張合機(jī)構(gòu)；所述關(guān)節(jié)軸(5) 活動(dòng)套設(shè)在手掌基座(1)中；所述拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一減速器(32)、第一錐齒輪(33)和第二錐齒輪(34)；所述第一電機(jī)(31)固接在手掌基座(1)上，所述第一電機(jī)(31)的輸出軸與第一減速器(3 的輸入軸固接，所述第一錐齒輪(3 套固在第一減速器(3 的輸出軸上，所述第一錐齒輪(3 與第二錐齒輪(34)相嚙合；其特征在于所述第二錐齒輪(34)活動(dòng)套接在關(guān)節(jié)軸( 上；所述拇指張合機(jī)構(gòu)包括第二減速器(42)、第三錐齒輪(43)、第四錐齒輪(44)、絲桿051)、螺母052)、螺母擋板 (453)、套筒(46)、套環(huán)(47)、張合連桿(48)和拇指連桿(35)；所述拇指連桿(35)的一端與關(guān)節(jié)軸( 通過第一連接軸(61)鉸接，拇指連桿(3 的另一端與拇指( 固接；所述第二電機(jī)Gl)固接在手掌基座(1)上；所述第二電機(jī)Gl)的輸出軸與第二減速器G2)的輸入軸固接，所述第三錐齒輪^幻套固在第二減速器0 的輸出軸上，所述第三錐齒輪G3) 與第四錐齒輪G4)相嚙合；所述絲桿(451)套固在關(guān)節(jié)軸( 上，并與第四錐齒輪G4)固接；所述螺母擋板(45 固接在手掌基座(1)上；所述螺母(45 與絲桿(451)螺紋連接形成螺紋傳動(dòng)關(guān)系，螺母G52)的外側(cè)面與螺母擋板(45 滑動(dòng)固接；所述套筒G6)活動(dòng)套接在關(guān)節(jié)軸( 上，套筒G6)與螺母(46 固接；所述套環(huán)07)活動(dòng)套接在套筒G6)上； 所述張合連桿G8)的一端與套環(huán)07)通過第二連接軸(6 鉸接，張合連桿08)的另一端與拇指連桿(3 通過第三連接軸(6 鉸接；第一連接軸(61)的中心線與關(guān)節(jié)軸(5)中心線垂直相交；第二連接軸(61)的中心線與關(guān)節(jié)軸(5)中心線垂直相交；所述第一連接軸 (61)、第二連接軸(62)和第三連接軸(63)的中心線相互平行。
全文摘要
螺紋連桿式雙自由度機(jī)器人拇指根部關(guān)節(jié)裝置，屬于仿人機(jī)器手技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括手掌基座、拇指、關(guān)節(jié)軸、拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和拇指張合機(jī)構(gòu)；拇指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一減速器、第一錐齒輪和第二錐齒輪；所述拇指張合機(jī)構(gòu)包括第二減速器、第三錐齒輪、第四錐齒輪、絲桿、螺母、套筒、套環(huán)、張合連桿和拇指連桿。本發(fā)明采用雙電機(jī)與絲桿螺母、套筒套環(huán)和人字連桿機(jī)構(gòu)等，綜合實(shí)現(xiàn)了拇指根部的獨(dú)立擺動(dòng)和張合兩自由度靈巧動(dòng)作，擺動(dòng)與張合兩關(guān)節(jié)自由度垂直相交，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、成本低，容易控制，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)間隙小，傳動(dòng)效率高，適用于擬人機(jī)器人手；增強(qiáng)機(jī)器人手抓取物體的靈巧性、穩(wěn)定性，使機(jī)器人手可以實(shí)現(xiàn)更多的手勢(shì)，更加擬人化。
文檔編號(hào)B25J17/00GK102303317SQ20111023383
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者張文增, 陳柯潔 申請(qǐng)人:清華大學(xué)