专利名称：电磁直接驱动机器人手指装置的制作方法
技术领域：
本发明属于拟人机器人技术领域，特别涉及一种电磁直接驱动机器人手指装置的结构设计。
背景技术：
拟人机器人一直以来都是机器人研究的尖端领域，通过模仿实现人类动作来实现智能化 一直是该领域的重要研究方向。而同人类本身一样，拟人机器人的大部分功能也是通过手来 实现的。因此，拟人机器人手的研究是机器人研究的关键技术之一。拟人机器人手一般具有 3~5个手指，每个手指2~4个关节自由度，拟人机器人手能做出人手的各种动作，可以灵活 主动的抓取物体。
拟人机器人手发展的瓶颈是驱动源(驱动器)技术。现有的拟人机器人手绝大多数采用 了电机作为驱动源。由于人手(手指)体积很小而力矩、运动角度较大，给电机驱动的机器 人手设计带有巨大困难。即使己经越来越多的出现能够放置到手指中又具有相对较大功率的 微型电机，但是采用多个微型电机驱动的机器人手不足之处为，该手成本极其昂贵，仅供实 验室科学研究使用，难以市场化。另外采用电机驱动还需要减速器等多级传动，传动过程的 间隙造成控制死区和抓取状态不稳定等问题。
也有采用气动人工肌肉等其他方式作为驱动源，不足之处为驱动器体积庞大只能放置在 手的外部。
发明内容
本发明的目的是针对己有技术的不足之处，提供一种电磁直接驱动机器人手指装置，它 利用电磁力驱动手指弯曲，传动链短，减少传动间隙和回程死区对抓取稳定性的破坏，能够 实现手指弯曲，在较小的体积下提供足够的抓取力，结构紧凑、可靠，成本低，外观、尺寸 与人手指相当，适合用于拟人机器人手使用。
本发明的技术方案如下
一种电磁直接驱动机器人单关节手指装置，其特征在于包括第一指段、第二指段和设 置在第一指段内的电磁驱动关节体，所述的电磁驱动关节体包括关节轴、齿轮齿条啮合机构、 线圈、隔离套筒、铁芯和簧件；所述的关节轴套设在第一指段上，所述的簧件的两端分别连 接第一指段和第二指段；所述的齿轮齿条啮合机构的齿轮套固在关节轴上，所述的齿轮齿条 啮合机构的齿条与铁芯的一端固接；所述线圈的母线与关节轴的中心线相互垂直，隔离套筒 固定镶嵌在线圈内所述的铁芯镶嵌在隔离套筒中；所述的第一指段采用导磁性材料，所述 的隔离套筒的材料采用非磁性材料。
3本发明所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置，其特征在于所述的簧件采用扭簧、 拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮筋中的一种或几种的组合。
本发明还提供了一种采用所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置的电磁直接驱动机 器人多关节手指装置，其特征在于包括n个指段和tv-l个电磁驱动关节体，其中n为大于2 的整数。可以将多个所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置串联起来构成高自由度、更 灵巧的多关节手指装置，也可以将多个这样的高自由度的多关节手指装置组合搭配起来形成 高自由度机器人灵巧手。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果
本发明装置利用线圈、导磁指段、齿轮齿条机构和簧件综合实现了一种特殊的电磁直接 驱动关节体。该装置利用感应电磁力驱动手指弯曲，传动链短，运动间隙小，抓取稳定，能 够实现手指弯曲，同时在较小的体积下具有较大的抓取力，结构紧凑、可靠，成本低，外观、 尺寸与人手指相当，适合用于拟人机器人手使用，可实现高自由度、高灵巧性的拟人机器人 手。
图1是本发明提供的电磁直接驱动机器人单关节手指装置的一种实施例的正面剖视图。
图2是图1所示实施例的侧剖图(图1的右侧剖视图)。
图3是图1所示实施例的正面外观图。
图4是图1所示实施例的侧面外观图。
图5是图1所示实施例的簧件的安装示意图。
图6和图7是一种采用图1所示实施例的电磁直接驱动机器人两关节手指装置实施例， 采用两个电磁驱动关节体。
图8和图9是一种采用图1所示实施例的电磁直接驱动机器人三关节手指装置实施例， 采用三个电磁驱动关节体。
图10、图11和图12是是图1所示实施例抓取物体过程示意。
图13是图12的剖视图。
图14是图6和图7所示实施例抓取物体示意。
图15是图8和图9所示实施例抓取物体示意。
图16是一种采用图6和图8所示两种实施例构成的电磁驱动机器人手装置实施例抓取物 体示意，该装置具有两关节手指和三关节手指。 在图1至图16中 l一第一指段，
ll一下端盖， 12 —前面板， 13 —背面板，
14一上端盖， 15 —第一侧板， 16—第二侧板，2—第二指段，
3 —电磁驱动关节体，
31 —关节轴， 34 —铁芯， 37—簧件，
32 —线圈， 35 —齿条， 38 —销，
33 —隔离套筒，
36_齿轮，
39—轴套，
81 —中部第一指段，
82—中部第二指段
9一中部指段。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理的内容。
本发明所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置的实施例，如图1、图2、图3、图4 和图5所示，包括第一指段1、第二指段2和设置在第一指段内的电磁驱动关节体3，所述的 电磁驱动关节体3包括关节轴31、齿轮齿条啮合机构(齿条35和齿轮36)、线圈32、隔离 套筒33、铁芯34和簧件37;所述的关节轴31套设在第一指段1上，所述的簧件37的两端 分别连接第一指段1和第二指段2;所述的齿轮齿条啮合机构的齿轮36套固在关节轴31上， 所述的齿轮齿条啮合机构的齿条35与铁芯34的一端固接；所述线圈32的母线与关节轴31 的中心线相互垂直，隔离套筒33固定镶嵌在线圈32内；所述的铁芯34镶嵌在隔离套筒33 中；所述的第一指段1采用导磁性材料，所述的隔离套筒33的材料采用非磁性材料。
本实施例中，所述的簧件37采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮 筋中的一种或几种的组合。本实施例中，所述的簧件37采用套在关节轴31上的扭簧。
可以将多个所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置串联起来构成高自由度、更灵巧 的多关节手指装置，也可以将多个这样的高自由度的多关节手指装置组合搭配起来形成高自 由度机器人灵巧手。
本发明提供的一种采用所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置的电磁直接驱动机器 人多关节手指装置，包括n个指段和n-l个电磁驱动关节体，其中n为大于2的整数。
本发明提供的电磁直接驱动机器人多关节手指装置的第一种实施例，如图6和图7所示， 包括3个指段和2个电磁驱动关节体，图14是图6和图7所示实施例抓取物体示意。
本发明提供的电磁直接驱动机器人多关节手指装置的第二种实施例包括4个指段和3个 电磁驱动关节体，图15是图8和图9所示实施例抓取物体示意。
一种采用图6和图8所示两种实施例构成的电磁驱动机器人手装置实施例，如图16所示， 该图为抓取物体示意，该装置具有两关节手指和三关节手指。
下面结合图10、图11、图12和图13叙述电磁直接驱动机器人单关节手指装置的工作原理。
抓取物体时，线圈通电，铁芯受电磁力作用向下运动，齿条向下运动，齿轮转动，关节轴转动，第二指段转动，簧件变形，如图11所示。直到第二指段接触物体，如图12所示， 抓取过程结束。松开物体时，线圈断电，铁芯不再受电磁力作用，第二指段在簧件的弹力作 用下，反向转动，恢复初始的手指伸直状态，通过齿轮齿条传动使得铁芯向上运动回到初始 位置。
通过电流大小的控制，可以实现手指在极限范围内弯曲任意角度，在该角度处簧件变形 弹力与电磁力对铁芯作用达到平衡。
本发明装置利用线圈、导磁指段、齿轮齿条机构和簧件综合实现了一种特殊的电磁直接 驱动关节体。该装置利用感应电磁力驱动手指弯曲，传动链短，运动间隙小，抓取稳定，能 够实现手指任意角度弯曲，同时在较小的体积下具有较大的抓取力，结构紧凑、可靠，成本 低，外观、尺寸与人手指相当，适合用于拟人机器人手使用，可实现高自由度、高灵巧性的 拟人机器人手。
权利要求
1. 一种电磁直接驱动机器人单关节手指装置，其特征在于包括第一指段(1)、第二指段(2)和设置在第一指段内的电磁驱动关节体(3)，所述的电磁驱动关节体(3)包括关节轴(31)、齿轮齿条啮合机构、线圈(32)、隔离套筒(33)、铁芯(34)和簧件(37)；所述的关节轴(31)套设在第一指段上，所述的簧件的两端分别连接第一指段和第二指段；所述的齿轮齿条啮合机构的齿轮套固在关节轴上，所述的齿轮齿条啮合机构的齿条与铁芯的一端固接；所述线圈的母线与关节轴的中心线相互垂直，隔离套筒固定镶嵌在线圈内；所述的铁芯镶嵌在隔离套筒中；所述的第一指段采用导磁性材料，所述的隔离套筒的材料采用非磁性材料。
2、 如权利要求l所述的电磁直接驱动机器人单关节手指装置，其特征在于所述的簧件 采用扭簧、拉簧、压簧、片簧、板簧、发条、弹性绳和橡皮筋中的一种或几种的组合。
3、 一种采用如权利要求1所述装置的电磁直接驱动机器人多关节手指装置，其特征在于包括n个指段和n-l个电磁驱动关节体，其中n为大于2的整数。
全文摘要
电磁直接驱动机器人手指装置，属于拟人机器人技术领域。该手指装置包括单关节手指和多关节手指装置。该单关节手指装置包括第一指段、第二指段和设置在第一指段内的电磁驱动关节体，电磁驱动关节体包括关节轴、齿轮齿条啮合机构、线圈、隔离套筒、铁芯和簧件。该装置利用线圈、导磁指段、齿轮齿条机构和簧件综合实现了一种特殊的电磁直接驱动关节体。该装置利用感应电磁力驱动手指弯曲，传动链短，运动间隙小，抓取稳定，能够实现手指弯曲，同时在较小的体积下具有较大的抓取力，结构紧凑、可靠，成本低，外观、尺寸与人手指相当，适合用于拟人机器人手使用，可实现高自由度、高灵巧性的拟人机器人手。
文档编号B25J15/08GK101486190SQ20091000947
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者何翘楚, 宇 侯, 孙振国, 张文增, 东 都, 强 陈 申请人:清华大学