一种基于轴传动的仿人机械手指结构的制作方法

本发明属于机器人技术，具体涉及一种基于轴传动的仿人机械手指结构，用于机械手对于物体的抓取。

背景技术：

随着科技的进步，机械手被广泛应用于工业生产、危险环境作业以及助残假肢等领域，由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有极强的功能性和很高的通用性，因此它完全可以代替人手在很多场合下完成各类复杂和灵巧的操作。机械手作业过程中，主要通过机械手指对物体进行抓取，因此具有高精度、高灵活性、大力矩输出的灵巧机械手指具有重要的应用价值和实际的紧迫性。

现有仿真手指多为线牵引或连杆结构，存在不能精确控制、响应速度慢、可输出力矩小等缺陷。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于轴传动的仿人机械手指结构。

技术方案：本发明所述的一种基于轴传动的仿人机械手指结构，包括从上到下依次连接的第一指节、第二指节、第三指节和基座；所述第一指节的外壳底部连接有第一皇冠齿轮，第一皇冠齿轮与第二指节中的第一直齿轮啮合、第一直齿轮向下连接第一传动轴，第一传动轴的底部设置有第二直齿轮，第二直齿轮通过第三皇冠齿轮连接于第五直齿轮，第五直齿轮并排依次啮合有第四直齿轮和第三直齿轮，第三直齿轮的一端啮合有第二皇冠齿轮，第二皇冠齿轮的另一端固定于第二指节的外壳底部，同时，第三直齿轮、第四直齿轮和第五直齿轮均向下连接有第二传动轴、第三传动轴和第四传动轴，第二传动轴的底部连接于第六直齿轮，第三指节的外壳底部分别固定有第四皇冠齿轮和第五皇冠齿轮，第四皇冠齿轮一端啮合与第六直齿轮，第四皇冠齿轮的另一端与第七直齿轮啮合、第五皇冠齿轮的另一端与第九直齿轮啮合，第七直齿轮与第九直齿轮并排设置且二者中间啮合有第八直齿轮，第七直齿轮还连接于基座中的直流电机，直流电机上配置有光电编码器。

其中，第一皇冠齿轮、第二皇冠齿轮和第五皇冠齿轮上均有一端与相应指节外壳固定连接，且另一端啮合与相对应的直齿轮，第三皇冠齿轮和第四皇冠齿轮的两端均与相应齿轮啮合。第三传动轴和第四传动轴的一端分别啮合于相应直齿轮，另一端搭在第三指节的支撑架。

进一步的，所述第一指节与第二指节的连接处外周、第二指节与第三指节的连接处外周以及第三指节与基座的连接处外周均包裹有薄膜。

进一步的，所述第二指节顶部还设有第一转轴，第一皇冠齿轮和第一指节均可绕第一转轴旋转；第三指节顶部设有第二转轴，第二皇冠齿轮、第三皇冠齿轮和第二指节均可绕第二转轴旋转；基座顶部设有第三转轴，第四皇冠齿轮、第五皇冠齿轮和第三指节均可绕第三转轴旋转。三个转轴均是直接固定于相应指节的外壳上的，与外壳一体化设计。

进一步的，所述基座包括底座外壳以及安装于底座外壳中的直流电机和光电编码器。

进一步的，所述第一指节、第二指节、第三指节和基座均呈中空结构。

有益效果：本发明中的各指节通过不同皇冠齿轮与不同齿轮的配合，与前一指节实现联动，驱动指节转动的动力通过轴传动的方式从安装在基座上的直流电机向前逐级传输，实现机械手指的弯曲与张开，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用轴传动传递动力，能够实现机械手指的快速运动，且仅要求转动电机驱动即可；

(2)本发明通过轴传动以及各级齿轮的配合，能够精确地传输较大的力；

(3)本发明中各指节连接关节处均可视为转动副，较容易建立准确的运动模型，方便精确控制；另外通过编码器可以确定当前转动位置，推算出指尖在三维空间中的位置；

(4)在关节处有柔性连接薄膜保护，避免齿轮暴露在外面，增加使用寿命；

(5)本发明的手指内部中空，可放置传感器信号采集电路，如指尖力传感器、滑觉传感器等，走线可在手指内部，确保线路安全，不易损坏。

附图说明

图1是本发明的内部结构示意图；

图2是本发明的三维结构示意图；

图3是本发明的运动状态示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种基于轴传动的仿人机械手指结构，包括从上到下依次连接的第一指节27、第二指节28、第三指节29和基座30；所述第一指节27的外壳1底部连接有第一皇冠齿轮2，第一皇冠齿轮2与第二指节28中的第一直齿轮3啮合、第一直齿轮3向下连接第一传动轴5，第一传动轴5的底部设置有第二直齿轮6，第二直齿轮6通过第三皇冠齿轮7连接于第五直齿轮9，第五直齿轮9并排依次啮合有第四直齿轮8和第三直齿轮22，第三直齿轮22的一端啮合有第二皇冠齿轮20，第二皇冠齿轮20的另一端固定于第二指节28的外壳4底部，同时，第三直齿轮22、第四直齿轮8和第五直齿轮9均向下连接有第二传动轴10、第三传动轴11和第四传动轴12，第二传动轴10的底部连接于第六直齿轮14，第三指节29的外壳13底部分别固定有第四皇冠齿轮23和第五皇冠齿轮15，第四皇冠齿轮23一端啮合与第六直齿轮14，第四皇冠齿轮23的另一端与第七直齿轮26啮合、第五皇冠齿轮15的另一端与第九直齿轮16啮合，第七直齿轮26与第九直齿轮16并排设置且二者中间啮合有第八直齿轮25，第七直齿轮26还连接于基座30中的直流电机18，直流电机18上配置有光电编码器19。

上述第一指节27与第二指节28的连接处外周、第二指节28与第三指节29的连接处外周以及第三指节29与基座30的连接处外周均包裹有薄膜32。第二指节28顶部还设有第一转轴31，第一皇冠齿轮2和第一指节27均可绕第一转轴31旋转；第三指节29顶部设有第二转轴21，第二皇冠齿轮20、第三皇冠齿轮7和第二指节28均可绕第二转轴21旋转；基座30顶部设有第三转轴23，第四皇冠齿轮23、第五皇冠齿轮15和第三指节29均可绕第三转轴23旋转。基座30包括底座外壳17以及安装于底座外壳17中的直流电机18和光电编码器19。

本发明的具体工作原理为：

在实际使用中，首先由直流电机18带动第七直齿轮26转动，第七直齿轮26通过啮合带动第八直齿轮25和第九直齿轮16转动(其中，第九直齿轮16与第七直齿轮26转动方向相同)，第九直齿轮16通过啮合带动第五皇冠齿轮15旋转，由于第三指节29的外壳与第五皇冠齿轮15固定连接，因此二者同时旋转；第七直齿轮26通过啮合带动第四皇冠齿轮23旋转，第四皇冠齿轮23通过啮合带动第六直齿轮14旋转(第六直齿轮14与第七直齿轮26转动方向相反)，第六直齿轮14通过第二传动轴10带动第三直齿轮22旋转(第六直齿轮14与第三直齿轮22的转动方向相同)，第三直齿轮22通过啮合带动第二皇冠齿轮20旋转，由于第二皇冠齿轮20与第二指节28外壳固定连接，因此二者同时旋转，且第二皇冠齿轮20的转动方向、第二指节28的转动方向与第五皇冠齿轮15相同，即第二指节28的外壳与第三指节29的外壳旋转方向相同，第三直齿轮22通过啮合带动第四直齿轮8旋转，第四直齿轮8通过啮合带动第五直齿轮9旋转(第五直齿轮9的旋转方向与第三直齿轮22的旋转方向相同)，第五直齿轮9通过啮合带动第三皇冠齿轮7旋转，第三皇冠齿轮7通过啮合带动第二直齿轮6旋转，第二直齿轮6通过第一传动轴5带动第一直齿轮3旋转，第一直齿轮3通过啮合带动第一皇冠齿轮2旋转，并且其旋转方向与第二皇冠齿轮20相同，第一皇冠齿轮2与第一指节27的外壳固定连接，且二者同时旋转，即第一指节27外壳与第二指节28外壳旋转方向相同，即第一指节27，第二指节28，第三指节29同时同向旋转，模拟人手指弯曲与张开。通过调节第一皇冠齿轮2、第二皇冠齿轮20和第五皇冠齿轮15的齿数比，能够设定不同的手指弯曲动作及弯曲张开的角度。

假设第一皇冠齿轮2、第二皇冠齿轮20和第五皇冠齿轮15的齿数分别为Z1、Z2和Z3，第一指节27相对第二指节28旋转角度、第二指节28相对第三指节29旋转角度、第三指节29相对基座30旋转角度分别为α、β、γ，则在手指运动过程中α/β＝Z1/Z2、β/γ＝Z2/Z3，通过调节Z1、Z2和Z3的比例即可以控制各指节相对旋转的角度，从而得到不同的弯曲动作及最大张开与闭合角度。