機器人靈巧手手指的手指關節的製作方法

2023-12-09 10:44:06

專利名稱：機器人靈巧手手指的手指關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人手指的手指關節。
背景技術：
機器人靈巧手技術作為機器人技術的一個重要分支，經過幾十年的發展，
取得了很好的成績，也相繼誕生了一些有代表性的靈巧手，比如Stanford/JPL 手、Utan/M. I.'T手、DLR手、狐SA手等等。 一些進步主要體現在機械結構、驅 動、傳感、集成度以及控制等方面。但由於受到電機技術、電子產品製造技術 等的限制，以往的靈巧手在集成度方面還沒有達到令人滿意的程度，比如 Stanford/JPL手、Utan/M. I. T手以及商品化的Shadow手等，將驅動器等置於 靈巧手的外部(如前臂內)，傳遞力的空間距離較遠且路徑不規則，這些靈巧手 是通過腱(繩索)來實現傳動的。腱傳動系統的優點是可以使驅動器與手指 本體分離，有利於減小手指的尺寸和重量；腱傳動在結構的緊湊性、靈活性、 成本等方面具有最好的綜合指標；腱傳動是一種零回差的柔順傳動方式，因而 可以簡化力控制器的設計。但腱傳動在實現空間布置自由的同時，有其不可避 免的缺陷由於腱的剛度是有限的，所以驅動系統表現出一定的滯後，從而影 響位置精度，甚至引起高增益系統的不穩定；必須對腱進行預緊，這就增加了 結構的複雜性和裝配的難度；同時，預緊程度對驅動系統的性能有很大的影響， 較大的預緊力會產生較大的摩擦力，而較小的預緊力會導致腱的鬆弛，腱的張力 和波動如果很大，可能會激發系統的振蕩，從而引起腱的不穩定或造成腱的損 壞。同時，由於腱連接的路徑複雜，端部、磨損等隱患的存在，影響了系統的 可靠性、可維護性，當某根腱斷裂時，必須進行靈巧手整體的拆卸，工作量大。

發明內容
本發明為了解決現有機器人靈巧手的手指關節存在的可靠性差、驅動系統 表現滯後、位置精度差、結構複雜、可維修性差、傳遞力的空間距離較遠的問 題，進而提供了一種機器人靈巧手手指。
本發明的技術方案是機器人靈巧手手指的手指關節包括第一指節外殼、
第二指節外殼、末端指節外殼、第一關節軸、第二關節軸、電機；第一指節外 殼的上端與第；指節外殼的下端通過第一關節軸轉動連接，第二指節外殼的上 端與末端指節外殼的下端通過第二關節軸轉動連接；它還包括指尖一維力矩傳 感器、鋼絲耦合傳動機構、帶傳動機構、諧波減速器、傳動件；所述的電機固 定在第一指節外殼內壁上，帶傳動機構中的第一同步帶輪固裝在電機的輸出軸 上，帶傳動機構中的第二同步帶輪固裝在第一關節軸上，諧波減速器裝在第一 關節軸上，傳動件裝在諧波減速器上並與第二指節外殼的內壁固定連接，指尖 一維力矩傳感器裝在第二關節軸上並與末端指節外殼的內壁固定連接，鋼絲耦 合傳動機構中的第一關節鋼絲輪與第一指節外殼的內壁連接，鋼絲耦合傳動機 構中的第二關節鋼絲輪裝在末端指節外殼內並與指尖一維力矩傳感器連接。
本發明具有以下有益效果本發明的靈巧手手指的手指關節集成了驅動系 統、傳動系統、傳感器系統等，並採用了開放式的設計結構，有效的降低了手 指的維護難度和維修成本。本發明的傳動方式為直接傳動方式，直接傳動方式 具有集成度高、可靠性高、位置精度高、遲滯小的優點。直接傳動方式對驅動、 減速機構與轉動關節的空間位置有較高的要求，要求將電機、減速機構、傳感 以及電氣等集成在手指或手掌內部。靈巧手手指部分具有兩個關節1個自由度, 2個耦合關節，第一關節由電機直接驅動，第二關節的轉動是通過鋼絲結構耦合 而成，且傳動比為嚴格的l:l。指尖的輸出力矩達到500mN'm。靈巧手手指的 外形完全仿照人手的外形而設計且表面無任何電氣系統布置及走線，該手指可 做為一個小型W器人系統獨立工作。


圖1是本發明的主視立體圖，圖2是圖1的後視立體圖，圖3是本發明的 主剖視圖，圖4是本發明的主視立體圖(去掉第一指節左側板1和第二指節左 側板3)，圖5是圖1的後視立體圖(去掉指尖上蓋6、第二指節上蓋板4、第二 指節右側板10、第一指節上蓋板2、第一指節右側板11)，圖6是圖3的A-A 剖視圖；圖7是本發明的第二指節左側板3的後視圖，圖8是本發明的第二指 節右側板10的後視圖，圖9是本發明的第一指節左側板1的主視圖，圖10是 本發明的第一指節右側板11的主視圖，圖11是手指彎曲結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1 3所示，本實施方式的機器人靈巧手手指的手指
關節由第一指節外殼61、第二指節外殼62、末端指節外殼63、第一關節軸20、 第二關節軸26、電機35、指尖一維力矩傳感器28、鋼絲耦合傳動機構51、帶 傳動機構52、諧波減速器53、傳動件18組成；第一指節外殼61的上端與第二 指節外殼62的下端通過第一關節軸20轉動連接，第二指節外殼62的上端與末 端指節外殼63的下端通過第二關節軸26轉動連接；所述的電機35固定在第一 指節外殼61的第一指節左側板1上，帶傳動機構52中的第一同步帶輪34固裝 在電機35的輸出軸上，帶傳動機構52中的第二同步帶輪31固裝在第一關節軸 20上，諧波減速器53裝在第一關節軸20上，傳動件18裝在諧波減速器53上 並與第二指節外殼62的內壁固定連接，指尖一維力矩傳感器28裝在第二關節 軸26上並與末端指節外殼63的內壁固定連接，鋼絲耦合傳動機構51中的第一 關節鋼絲輪37與第一指節外殼61的內壁連接，鋼絲耦合傳動機構51中的第二 關節鋼絲輪39裝在末端指節外殼63內並與指尖一維力矩傳感器28連接。
本實施方案中所採用的電機35由maxon (瑞士)公司製造，型號為EC20 直流無刷盤式電機，功率為3W，供電電壓為12V，連續輸出轉矩為4mN m。
具體實施方式
二如圖l、圖2所示，本實施方式所述的第一指節外殼61 由第一指節左側板l、第一指節右側板ll、第一指節指肚蓋板12、第一指節上 蓋板2組成，所述的第一指節指肚蓋板12的左側邊與第一指節上蓋板2的左側 邊通過第一指節左側板1固定連接；第一指節指肚蓋板12的右側邊與第一指節 上蓋板2的右側邊通過第一指節右側板11固定連接。能夠實現第一指節的穩固 連接，並能夠將驅動電機35和電路板44包圍在指節內部、而不至於裸露在外 側。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三如圖1、圖2所示，本實施方式所述的第二指節外殼62 由第二指節左側板3、第二指節右側板10、第二指節指肚蓋板9、第二指節上蓋 板4組成，所述的第二指節指肚蓋板9的左側邊與第二指節上蓋板4的左側邊 通過第二指節左側板3固定連接；所述的第二指節指肚蓋板9的右側邊與第二 指節上蓋板4的右側邊通過第二指節右側板10固定連接。採用這樣的結構，能 夠實現第一指節的穩固連接，其它組成和連接關係與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四如圖7、圖8、圖9、圖IO、圖11所示，本實施方式所
述的第一指節左側板1上設有左限位突起1-3，第一指節右側板11上設有右限 位突起11-3，所述的第一指節外殼61和第二指節外殼62所成的角度a為0度 90度。在手指伸直(極限位置0度)時，左限位突起1-3的第一限位面1-1和 第二指節左側板3的第一限位凹面3-1接觸；右限位突起11-3的第二限位面 11-1和第二指節右側板10的第二限位凹面10-1接觸。在手指彎曲成90度(極 限位置)時，左限位突起卜3的第三限位面卜2和第二指節左側板3的第三限 位凹面3-2接觸；右限位突起11-3的第四限位面11-2和第二指節右側板10的 第四限位凹面10-2接觸。第二指節外殼62繞第一關^T軸20轉動時，第二指節 外殼62與第一指節外殼61互相限位，從而實現了第一指節外殼61和第二指節 外殼62在0度 90度的範圍內彎曲運動。其它組成和連接關係與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五如圖1、圖2所示，本實施方式所述的末端指節外殼63 由指尖指肚7、指尖上蓋6組成，指尖上蓋6蓋在指尖指肚7上並與指尖指肚7 固定連接。採用這樣的結構，能夠形成類似人手手指尖部的指肚形狀，其它組 成和連接關係與具體實施方式
三或四相同。
具體實施方式
六如圖4所示，本實施方式所述的帶傳動機構52由第一同 步帶輪擋板33、第一同步帶輪34、 K型同步帶32、第二同步帶輪31、第二同步 帶輪擋板30組成，所述的第一同步帶輪擋板33固定裝在第一同步帶輪34的兩 側端面上，第二同步帶輪擋板30固定裝在第二同步帶輪31的兩側端面上，第 一同步帶輪34與第二同步帶輪31通過K型同步帶32連接。採用這樣的結構， 使手指傳動機構路徑簡單，可靠性好，維修性好。其它組成和連接關係與具體 實施方式一相同。
具體實施方式
七如圖3和圖5所示，本實施方式所述的鋼絲耦合傳動機 構51由第一關節鋼絲輪37、兩根鋼絲38、第二關節鋼絲輪39、鋼絲預緊壓板 36、鋼絲卡板40、鋼絲預緊螺釘41、鋼絲預緊塊27組成，所述的兩根鋼絲38 分別纏繞在第一關節鋼絲輪37和第二關節鋼絲輪39上並交叉成"8"字形，鋼 絲預緊板36固定在第一指節外殼61中的的內壁上，鋼絲卡板40裝在第二關節 鋼絲輪39上，鋼絲預緊塊27設置在第二關節鋼絲輪39上，鋼絲預緊螺釘41 設置在鋼絲預緊塊27上。採用這樣的結構，實現了手指部分兩個關節的1: 1
耦合傳動關係。'其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八如圖3所示，本實施方式所述的諧波減速器53由波發生 器16、諧波內套軸承19、諧波內套21、諧波柔輪23、諧波鋼輪24組成，諧波 內套21裝在第一關節軸20上，諧波柔輪23裝在諧波內套21上並與第一指節 右側板11固定，諧波鋼輪24套在諧波柔輪23上，所述的波發生器16設置在 諧波柔輪23內，諧波內套軸承19裝在諧波內套21和第一關節軸20之間，諧 波鋼輪24與傳動件18連接、完成諧波減速器的力矩輸出。本實施方式所述的 諧波減速器53與第一關節軸20同軸。採用這樣的結構，在力矩的傳遞過程中 減速平穩。其它組成和連接關係與具體實施方式
二相同。
所採用的諧波減速器53由Harmonic Drive (日本)公司製造，型號為 HDUC-5-100-2A-BLR ，減速比為100: 1，最大連續輸出轉矩為0. 5Nm。
具體實施方式
九如圖3所示，本實施方式還包括第一關節左墊片17和第 一關節右墊片22,所述的第一關節左墊片17設置在第一指節左側板1與第二指 節左側板3的搭接處之間;所述的第一關節右墊片22設置在第一指節右側板11 與第二指節右側板10的搭接處之間。第一關節左墊片17、第一關節右墊片22 均由黃銅(Brass)材料製成。採用這樣的結構，起到減小摩擦的作用，避免兩 個鋁件之間的直接摩擦。其它組成和連接關係與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
十如圖3和圖6所示，本實施方式還包括磁鋼14、位置傳 感器電路板15、第一指節電路板44、第二指節電路板43、轉接電路板42，所 述的磁鋼14固定在第二關節軸26端部的中心槽內，位置傳感器電路板15位於 磁鋼14的左端並固定在第二指節外殼62的內壁上；第一指節電路板44裝在第 一指節外殼61的內壁上；第二指節電路板43裝在第二指節外殼62的內壁上， 所述的轉接電路板42設置在指尖一維力矩傳感器28的後端面上。採用這樣的 結構，具有可靠性高、連接方便等優點。轉接電路板42使電路板與傳感器可靠 連接並固定，避免了兩者之間連接線的伸長和縮短，提高了連接的可靠性。其 它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
工作原理電機35將輸出的動力傳遞給帶傳動機構52中的第一同步帶輪 34，第一同步帶輪34通過K型同步帶32把動力傳遞給與第一關節軸20緊固連 接的第二同步帶輪31帶動第一關節軸20轉動，諧波減速器53的諧波鋼輪24
帶動傳動件18轉動，傳動件18帶動第二指節外殼62繞第一關節軸20進行回 轉運動，鋼絲耦合傳動機構51中的第一關節鋼絲輪37與第一指節外殼61連接， 鋼絲耦合傳動機構51中的第二關節鋼絲輪39與末端指節外殼63內的指尖一維 力矩傳感器28連接，當第二指節外殼62帶動與其相連的末端指節外殼63繞第 二關節軸26轉動時，鋼絲耦合傳動機構51將使末端指節外殼63和第二指節外 殼62的轉動角度相同。
權利要求
1、一種機器人靈巧手手指的手指關節，它包括第一指節外殼(61)、第二指節外殼(62)、末端指節外殼(63)、第一關節軸(20)、第二關節軸(26)、電機(35)；第一指節外殼(61)的上端與第二指節外殼(62)的下端通過第一關節軸(20)轉動連接，第二指節外殼(62)的上端與末端指節外殼(63)的下端通過第二關節軸(26)轉動連接；其特徵在於它還包括指尖一維力矩傳感器(28)、鋼絲耦合傳動機構(51)、帶傳動機構(52)、諧波減速器(53)、傳動件(18)；所述的電機(35)固定在第一指節外殼(61)內壁上，帶傳動機構(52)中的第一同步帶輪(34)固裝在電機(35)的輸出軸上，帶傳動機構(52)中的第二同步帶輪(31)固裝在第一關節軸(20)上，諧波減速器(53)裝在第一關節軸(20)上，傳動件(18)裝在諧波減速器(53)上並與第二指節外殼(62)的內壁固定連接，指尖一維力矩傳感器(28)裝在第二關節軸(26)上並與末端指節外殼(63)的內壁固定連接，鋼絲耦合傳動機構(51)中的第一關節鋼絲輪(37)與第一指節外殼(61)的內壁連接，鋼絲耦合傳動機構(51)中的第二關節鋼絲輪(39)裝在末端指節外殼(63)內並與指尖一維力矩傳感器(28)連接。
2、 根據權利要求1所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的第一指節外殼(61)由第一指節左側板(1)、第一指節右側板(11)、第一指 節指肚蓋板(12)、第一指節上蓋板(2)組成，所述的第一指節指肚蓋板(12) 的左側邊與第一指節上蓋板(2)的左側邊分別與第一指節左側板(1)固定連 接；第一指節指肚蓋板(12)的右側邊與第一指節上蓋板(2)的右側邊分別與 第一指節右側板ll固定連接。
3、 根據權利要求2所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的第二指節外殼(62)由第二指節左側板(3)、第二指節右側板(10)、第二指 節指肚蓋板(9)、第二指節上蓋板(4)組成，所述的第二指節指肚蓋板(9) 的左側邊與第二指節上蓋板(4)的左側邊分別與第二指節左側板(3)固定連 接；所述的第二指節指肚蓋板(9)的右側邊與第二指節上蓋板(4)的右側邊 分別與第二指節右側板(10)固定連接。
4、 根據權利要求3所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的第一指節左側板(1)上設有左限位突起(1-3)，第一指節右側板(11)上設 有右限位突起(11-3)，所述的第一指節外殼(61)和第二指節外殼(62)所成 的角度a為0度 90度。
5、 根據權利要求3或4所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於 所述的末端指節外殼(63)由指尖指肚(7)、指尖上蓋(6)組成，指尖上蓋(6) 蓋在指尖指肚(7)上並與指尖指肚(7)固定連接。
6、 根據權利要求1所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的帶傳動機構<52)由第一同步帶輪擋板(33)、第一同步帶輪(34)、 K型同步 帶(32)、第二同步帶輪(31)、第二同步帶輪擋板(30)組成，所述的第一同 步帶輪擋板(33)固定裝在第一同步帶輪(34)的兩側端面上，第二同步帶輪 擋板(30)固定裝在第二同步帶輪(31)的兩側端面上，第一同步帶輪(34) 與第二同步帶輪(31)通過K型同步帶(32)連接。
7、 根據權利要求1所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的鋼絲耦合傳動機構(51)由第一關節鋼絲輪(37)、兩根鋼絲(38)、第二關 節鋼絲輪(39)、鋼絲預緊壓板(36)、鋼絲卡板(40)、鋼絲預緊螺釘(41)、 鋼絲預緊塊(27)組成，所述的兩根鋼絲(38)分別纏繞在第一關節鋼絲輪(37) 和第二關節鋼絲輪(39)上並交叉成"8"字形，鋼絲預緊板(36)固定在第一 指節外殼(61)的內壁上，鋼絲卡板(40)裝在第二關節鋼絲輪(39)上，鋼 絲預緊塊(27)設置在第二關節鋼絲輪(39)上，鋼絲預緊螺釘(41)設置在 鋼絲預緊塊(27)上。
8、 根據權利要求2所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於所述 的諧波減速器(53)由波發生器(16)、諧波內套軸承(19)、諧波內套(21)、 諧波柔輪(23)、諧波鋼輪(24)組成，諧波內套(21)裝在第一關節軸(20) 上，諧波柔輪(23)裝在諧波內套(21)上並與第一指節右側板(11)固定， 諧波鋼輪(24)套在諧波柔輪(23)上，所述的波發生器(16)設置在諧波柔 輪(23)內，諧波內套軸承(19)裝在諧波內套(21)和第一關節軸(20)之 間，諧波鋼輪(24)與傳動件(18)連接。
9、 根據權利要求3所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於它還 包括第一關節左墊片(17)和第一關節右墊片(22)，所述的第一關節左墊片(17) 設置在第一指節左側板(1)與第二指節左側板(3)的搭接處之間；所述的第 一關節右墊片(22)設置在第一指節右側板(11)與第二指節右側板(10)的 搭接處之間。
10、根據權利要求1所述的機器人靈巧手手指的手指關節，其特徵在於它 還包括磁鋼(14)、位置傳感器電路板(15)、第一指節電路板(44)、第二指節 電路板(43)、轉接電路板(42)，所述的磁鋼(14)固定在第二關節軸(26) 端部的中心槽內，位置傳感器電路板(15)位於磁鋼(14)的左端並固定在第 二指節外殼(62)的內壁上；第一指節電路板(44)裝在第一指節外殼(61) 的內壁上；第二指節電路板(43)裝在第二指節外殼(62)的內壁上；所述的 轉接電路板(42)設置在指尖一維力矩傳感器(28)的後端面上。
全文摘要
機器人靈巧手手指的手指關節，它涉及一種機器人手指的手指關節。本發明有效決解了現有的機器人靈巧手存在可靠性差、驅動系統表現滯後、位置精度差、結構複雜、可維修性差、傳遞力的空間距離較遠的問題。電機(35)固定在第一指節外殼(61)內壁上，第一同步帶輪(34)固裝在電機(35)的輸出軸上，第二同步帶輪(31)固裝在第一關節軸(20)上，諧波減速器(53)裝在第一關節軸(20)上，傳動件(18)裝在諧波減速器(53)上，指尖一維力矩傳感器(28)裝在第二關節軸(26)上，第一關節鋼絲輪(37)與第一指節外殼(61)的內壁連接，第二關節鋼絲輪(39)與指尖一維力矩傳感器(28)連接。本發明具有集成度高、可靠性高、位置精度高、遲滯小的優點。
文檔編號B25J15/00GK101100063SQ20071007256
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月25日 優先權日2007年7月25日
發明者宏 劉, 劉伊威, 樊紹巍, 趙京東, 金明河 申請人:哈爾濱工業大學