用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器，包括与灵巧手内指节连接的第一涡轮、与第一涡轮啮合的内蜗杆轴、驱动灵巧手外指节的第二涡轮、与第二涡轮啮合的外蜗杆轴以及与驱动电机输出轴连接的第一齿轮，在外蜗杆轴上固定有第三齿轮，第一齿轮和第三齿轮啮合，在内蜗杆轴上螺纹连接有一可在内蜗杆轴轴向上移动的第二齿轮，该第二齿轮与所述的第一齿轮啮合，在内蜗杆轴上还设置有一使第二齿轮与内蜗杆轴相对静止或相对转动的蝶形弹簧，在蝶形弹簧与第二齿轮之间设置有一挡圈。本变量式力矩转换器，安装简便，连接可靠，能有效实现对力矩传递的控制，尤其适用于对欠驱动灵巧手指节转动的逻辑控制。
【专利说明】用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器，用于对欠驱动灵巧手指节转动的逻辑控制。
【背景技术】
[0002]机器人灵巧手作为拟人机器人的输出终端，被越来越多的机器人研究者所重视，与人类似，拟人机器人的多数功能是通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。为了增加手部的拟人化，需要设计较多的关节自由度，然而，为了减轻拟人机器人手部的控制难度，以及减小手部的体积重量，需要减少驱动器数目，两者有一定的矛盾。另外，为了更好地抓取物体，还需要手指在抓取物体时有一定的自适应性。通过应用本发明所提供的一种变量式力矩转换器，可以精准的实现灵巧手手指欠驱动情况下对不同形状、尺寸物体的抓取。
[0003]已有的欠驱动灵巧手装置，如中国发明专利CN1283429C，其中的灵巧手手指采用了一套齿轮装置，该齿轮欠驱动灵巧手手指在近关节和远关节之间有两个过渡轴，在近关节轴、远关节轴和过渡轴上均安装有齿轮，齿轮之间两两啮合，中部指段套结在近关节轴之间采用直接摩擦接触。当电机转动时，中部指段会因为其与近关节轴之间的静摩擦力而随近关节轴转动，当中部指段接触到物体被阻挡而不能转动时，电机的驱动力矩会驱动多级齿轮传动运作起来，使末端指段绕远关节的转动而被驱动，具有自动解耦的效果。
[0004]该装置的不足之处为:由于此种摩擦解耦会造成材料的损耗，长期使用解耦效果会下降导致抓取性能不可靠；一旦零件制造成型，抓取物体所用力矩的大小便不可改变，不具有可调节性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述已有技术的不足，而提供一种变量式力矩转换器，适用于欠驱动灵巧手指节转动的逻辑控制，结构简单可靠，成本低廉，可调节性强，协助完成对不同形状、尺寸物体抓取的自适应性。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:
[0007]—种用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器，包括与灵巧手内指节连接的第一涡轮、与所述的第一涡轮啮合的内蜗杆轴、驱动灵巧手外指节的第二涡轮、与所述的第二涡轮啮合的外蜗杆轴以及与驱动电机输出轴连接的第一齿轮，在所述的外蜗杆轴上固定有第三齿轮，所述的第一齿轮和第三齿轮啮合，其特征在于:在所述的内蜗杆轴上螺纹连接有一可在内蜗杆轴轴向上移动的第二齿轮，该第二齿轮与所述的第一齿轮啮合，在所述的内蜗杆轴上还设置有一使第二齿轮与内蜗杆轴相对静止或相对转动的蝶形弹簧，在所述的蝶形弹簧与第二齿轮之间设置有一挡圈。
[0008]所述的内蜗杆轴通过深沟球轴承转动的设置在以蜗杆座上，在蜗杆座的两端分别固定有蜗杆座端盖。
[0009]在所述的第二涡轮上固定连接有一主动带轮，在所述的外指节上固定被动带轮，所述主动带轮和被动带轮之间采用一皮带传动。
[0010]所述第一涡轮设有中心孔和沉头孔，沉头孔穿过十字槽盘头螺钉与内指节连接，中心孔嵌入另一深沟球轴承穿过内关节轴，所述第一涡轮、内指节两侧分别由内关节轴轴肩与轴套进行轴向定位，所述内关节轴由左侧板、右侧板进行轴向与周向定位，由六角薄螺母与开槽平端紧定螺钉进行径向定位。
[0011]所述蜗杆座通过十字槽盘头螺钉与电机架连接，所述电机架与支撑架固连，在电机架安装有电机。
[0012]有益效果:
[0013]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0014]1、本发明用于灵巧手的力矩转换器，在驱动内指节抓取的内蜗杆轴上设置有蝶形弹簧和可移动的第二齿轮，并通过第二齿轮压缩蝶形弹簧使第二齿轮与内蜗杆轴同步转动，当第一指节(内指节)接触到物体被阻挡力矩增大到一定预设限度时，末端指段(外指节)可继续运动包络抓取物体，自适应所抓取物体的形状大小实现单电机驱动下内关节和外关节的逻辑运动，由此不仅保证了手指抓取功能的实现，而且简化了驱动和机械结构。
[0015]2、在相同的关节输出力矩下，有利于采用更小的驱动系统，在大限度的减小体积，降低重量，使结构更加紧凑，加工装配更加容易，进而促使整个手指具有独立的控制器。
[0016]性能可靠，使用寿命长，特别适应作为欠驱动灵巧手的力矩转换装置，以实现灵巧手以较少的驱动器驱动较多的转动关节，。
[0017]3、可调节性强，在安装时通过控制第二齿轮的旋入轴段的深度便可改变碟形弹簧的压缩程度，进而在不同的轴向反力下，第二齿轮所受的螺纹静摩擦力也不同，使得第二齿轮的旋出力矩也不同，实现其变量性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图；
[0019]图2为本发明爆炸示意图；
[0020]图3为本发明内蜗杆轴与蜗杆座连接的爆照示意图；
[0021]图4为本发明电机与齿轮的传动示意图；
[0022]图5为应用本发明的灵巧手手指驱动机构示意图；
[0023]图6为本发明灵巧手外指节先接触到物体时第二齿轮与内蜗杆轴的状态示意图；
[0024]图7为本发明灵巧手外指节先接触到物体时第二齿轮与内蜗杆轴的状态示意图；
[0025]图中有:第一齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3、外指节4、外关节轴5、内指节6、内关节轴7、电机架8、支撑架9、左侧板10、右侧板11、轴套12、主动带轮13、被动带轮14、内涡杆轴15、外涡杆轴16、第一涡轮17、蜗杆座18、蜗杆座端盖19、开槽平端紧定螺钉20、十字槽盘头螺钉21、六角薄螺母22、深沟球轴承23、大垫圈24、开口挡圈25、孔用弹性挡圈26、碟形弹簧27、电机28、皮带29，第二涡轮30。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0027]请参阅图1?5，一种变量式力矩转换器，包括第一齿轮1、第二齿轮2、内蜗杆轴15、第一涡轮17、开口挡圈25、碟形弹簧27、十字槽盘头螺钉21、蜗杆座18、蜗杆座端盖19、大垫圈24、深沟球轴承23、电机架8，内蜗杆轴15通过深沟球轴承23安装在蜗杆座18上，内蜗杆轴15 —端设有大垫圈24、十字槽盘头螺钉21进行轴向定位，另一端依次安装有蝶形弹簧27、开口挡圈25，开口挡圈外侧轴端设有螺纹，第二齿轮2中心螺纹孔与此轴段配合，拧上第二齿轮2压紧碟形弹簧27使其轴向收缩，第二齿轮2受到轴向反力，进而螺纹间摩擦力使得第二齿轮2轴向定位，蜗杆座18整体外侧使用蜗杆座端盖19进行封装，第一涡轮17与蜗杆模数对应配合。
[0028]第一涡轮17打有中心孔和沉头孔，沉头孔穿过十字槽盘头螺钉21与内指节6连接，中心孔嵌入深沟球轴承穿过内关节轴7,第一润轮17、内指节6两侧分别由内关节轴轴肩与轴套进行轴向定位，内关节轴由左侧板10、右侧板11进行轴向与周向定位，由六角薄螺母22与开槽平端紧定螺钉20进行径向定位。
[0029]第三齿轮3固定在外蜗杆轴16上，第二涡轮30与外涡杆轴16啮合，在第二涡轮30上固定连接主动带轮13，在外指节4上固定被动带轮14，主动带轮13和被动带轮14之间采用皮带29传动。
[0030]第二齿轮2与第一齿轮I哨合，第一齿轮I与电机输出轴固连，为第二齿轮提供力矩带动内指节6的转动，同时第一齿轮I与第三齿轮3啮合带动外指节4的转动。
[0031]蜗杆座18通过十字槽盘头螺钉与电机架8连接，同样的，电机架8与支撑架9固连，电机28安装在电机架8上。
[0032]实施例:在变量式力矩转换器的作用下，对于外指节先接触到物体或者内指节先接触到物体，手指有两种不同的运动情况。
[0033]请参阅图6，当手指的外指节先接触到物体时，变量式力矩转换器的工作原理如图所示。原始状态时，第二齿轮2在内蜗杆轴15上处于旋紧状态，被压缩的碟形弹簧27对第二齿轮2施加推力&，在此推力的作用下，第二齿轮2的螺纹孔和内蜗杆轴15的螺纹柱之间产生静摩擦力矩Μ(ι。开始抓取时，手指电机带动第一齿轮I正转，第一齿轮I受到驱动力矩M1，第二齿轮2和第三齿轮3分别受到第一齿轮I传递过来的力矩M2、M3，因为有M2 < M0,第二齿轮2不能在内蜗杆轴15上旋出，于是内蜗杆轴15与第二齿轮2 —起转动，同时外蜗杆轴16与第三齿轮3—起转动，从而内、外指节均获得驱动力。由于传动比不同，内、外指节的转速满足V?，随着内、外指节一起运动，外指节先接触到物体，控制系统命令手指电机停止，抓取完成。松开物体时，手指电机带动第一齿轮I反转，第二齿轮2在内蜗杆轴15上有旋紧的趋势，内蜗杆轴15与第二齿轮2 —起转动，因此与抓取时类似，内、外指节一起运动，直到手指恢复原始状态，控制系统命令手指电机停止，完成松开动作。
[0034]请参阅图7，当手指的内指节先接触到物体时，变量式力矩转换器的工作原理如图所示。原始状态和开始抓取的情况不变，当内指节接触到物体时，由于物体对内指节的反作用力效果，内蜗杆轴15上的阻力矩增大，从而手指电机的输出力矩增大，当M2 > Mtl时，第二齿轮2开始在在内蜗杆轴15上旋出，于是，内蜗杆轴15停止转动，内指节在蜗轮蜗杆的自锁下保持静止。此时，第三齿轮3仍在与外蜗杆轴16—起转动，直到外指节也接触到物体，控制系统命令手指电机停止，抓取完成。松开物体时，手指电机带动第一齿轮I反转，第二齿轮2在静止的内蜗杆轴15上旋入，此时外指节已经开始转动。当第二齿轮2旋入到压缩蝶形弹簧27产生的推力使螺旋副上的摩擦力矩足够大时，内蜗杆轴15与第二齿轮2 —起转动，此后，内、外指节一起运动，直到手指恢复原始状态，控制系统命令手指电机停止，完成松开动作。
[0035]从变量式力矩转换器工作原理的分析中可以看到，初始静摩擦力矩Mtl是力矩转换器的工作临界值，而此静摩擦力矩的大小由碟形弹簧27施加给第二齿轮2的推力决定，也就是说初始状态时，第二齿轮2压紧碟形弹簧的程度决定了力矩转换器的工作临界值。这个工作临界值越大，第二齿轮2开始旋出运动所需的力矩M2越大，意味着手指电机的输出力矩越大，同时意味着手指内指节受到的反作用力越大，即抓取更紧。因此碟形弹簧27初始的压紧程度决定了手指内指节抓取物体的松紧程度，若要避免目标物体受到过大的接触力，则初始状态时碟形弹簧就不应过分压紧，比如抓取鸡蛋时。在变量式力矩转换器的作用下，单个手指就可以实现一点或多点的接触，再结合多个手指和手掌的配合，灵巧手便具有多种抓取模式，对不同目标物体的抓取能力得到大幅度增强。
【权利要求】
1.一种用于欠驱动灵巧手的变量式力矩转换器，包括与灵巧手内指节连接的第一涡轮(17)、与所述的第一涡轮啮合的内蜗杆轴(15)、驱动灵巧手外指节的第二涡轮(30)、与所述的第二涡轮啮合的外蜗杆轴(16)以及与驱动电机输出轴连接的第一齿轮(1)，在所述的外蜗杆轴(16)上固定有第三齿轮(3)，所述的第一齿轮(I)和第三齿轮(3)啮合，其特征在于:在所述的内蜗杆轴(15)上螺纹连接有一可在内蜗杆轴(15)轴向上移动的第二齿轮(2)，该第二齿轮(2)与所述的第一齿轮(I)啮合，在所述的内蜗杆轴(15)上还设置有一使所述第二齿轮(2)与内蜗杆轴(15)相对静止或相对转动的蝶形弹簧(27)，在所述的蝶形弹簧(27)与第二齿轮(2)之间设置有一挡圈(25)。
2.根据权利要求1所述的变量式力矩转换器，其特征在于:所述的内蜗杆轴(15)通过深沟球轴承(23)转动的设置在以蜗杆座(18)上，在蜗杆座(18)的两端分别固定有蜗杆座端盖(19)。
3.根据权利要求1所述的一种变量式力矩转换器，其特征在于:在所述的第二涡轮(30)上固定连接有一主动带轮(13)，在所述的外指节(4)上固定被动带轮(14)，所述主动带轮(13)和被动带轮(14)之间采用一皮带(29)传动。
4.根据权利要求1所述的一种变量式力矩转换器，其特征在于:所述第一涡轮(17)设有中心孔和沉头孔，沉头孔穿过十字槽盘头螺钉(21)与内指节(6)连接，中心孔嵌入另一深沟球轴承(23)穿过内关节轴(7)，所述第一涡轮(17)、内指节(6)两侧分别由内关节轴(7 )轴肩与轴套(12 )进行轴向定位，所述内关节轴(7 )由左侧板(1 )、右侧板(11)进行轴向与周向定位，由六角薄螺母(22)与开槽平端紧定螺钉(20)进行径向定位。
5.根据权利要求1所述的一种变量式力矩转换器，其特征在于:所述蜗杆座(18)通过十字槽盘头螺钉(21)与电机架(8 )连接，所述电机架(8 )与支撑架(9 )固连，在电机架(8 )安装有电机(28)。
【文档编号】B25J15/00GK104175319SQ201410408978
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】雷鹏坤, 王超 申请人:东南大学