[发明专利]齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置

说明书

技术领域

本发明属于仿人机器手技术领域，特别涉及一种齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置的结构设计。 

背景技术

随着社会的发展，机械手的应用已经从工业生产需求逐步向拟人机器人转化。在此改革的过程中人们便面临着设计小型化和更加灵活控制的手指运动关节，能够很好的实现人类手指的多自由度灵活运动。 

而在人类手指中又以拇指根部关节的运动最为复杂和灵活。其主要需要实现拇指从手掌侧面到正面的摆动运动以及拇指贴合手掌和张开的张合运动；且由于人指关节的原因，此两自由度正交。因而高效，精巧的模拟出人类拇指的运动特性是拟人机器手技术领域的关键。 

在实现拇指根部关节运动的机构中，主要有并联和串联两种形式。其中串联形式具有结构简单，运行范围较大等优点；但同时也带来了操纵不够简单、直接，控制系统复杂，运动件质量较多、较大的缺点。因而对于拇指根部关节而言，并联机构具有控制简单，运动部件少、尺寸小等优点。而在并联机构中，现今主要以差动轮系为主要结构形式。其具有运动精度高等特点，但存在装配、维修要求高，零部件加工成本高等不足。 

一种拇指两自由度根部关节装置，如中国发明专利CN101570024B，采用双电机、主动拨盘、多个连杆、套环和套筒等来实现拇指根部的摆动和张合两自由度动作，存在以下不足：其中的拇指张合机构采用了主动拨盘和多个连杆，导致张合动作的传动间隙大、传动不平稳、传动不精确、传动比为非线性、控制死区大且位置控制非线性；传动件多，传动链长，传动效率低，机构较复杂，安装维修难；机构空间占用率大，质量大。 

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置，该装置可以实现机器人手的拇指根部具有独立的摆动和张合两个自由度的灵巧动作，同时结构简单、紧凑、成本低，容易控制，传动平稳精确，传动链短，传动间隙小，传动效率高，适用于拟人机器人手，增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化。 

本发明采用如下技术方案： 

一种齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置，包括基座、拇指、拇指摆动机构和拇指张合机构；所述的拇指摆动机构包括第一电机和转轴；所述的第一电机31固接在基座中，所述第一电机的输出轴与转轴相连，所述的转轴活动套设在基座上；其特征在于：所述的拇指张合机构包括第二电机、齿轮、齿条套筒、套环、张合连杆和拇指连杆；所述的第二电机固接 在基座中；所述的齿轮套固在第二电机的输出轴上，所述的齿轮与齿条套筒上的齿条相啮合，齿条套筒活动套接在转轴上，所述的套环活动嵌套在齿条套筒的下部环形槽中；所述张合连杆的一端与套环的中部通过第一连接轴铰接，所述第一连接轴的中心线与转轴的中心线垂直相交；所述张合连杆的另一端与拇指连杆的中部通过第二连接轴铰接；所述的拇指连杆的一端与转轴通过第三连接轴铰接，拇指连杆的另一端与拇指固接；第三连接轴的中心线与转轴中心线垂直相交；所述的第一连接轴、第二连接轴和第三连接轴的中心线两两相互平行。 

本发明所述的齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置，其特征在于：所述的拇指摆动机构还包括第一减速器、第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述第一电机的输出轴与第一减速器的输入轴相连，所述的第一锥齿轮套固在第一减速器的输出轴上，第一锥齿轮与第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮套固在转轴上。 

本发明所述的齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置，其特征在于：所述的拇指张合机构还包括第二减速器；所述的第二电机的输出轴与第二减速器的输入轴相连，所述的齿轮套固在第二减速器的输出轴上。 

本发明具有以下优点及突出性效果： 

本发明的齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置采用双电机、齿轮-齿条、套环-套筒和人字连杆综合实现了拇指根部的独立摆动和张合两自由度灵巧动作，同时结构简单、紧凑、成本低，容易控制，传动平稳精确，传动链短，传动间隙小，传动效率高，适用于拟人机器人手，增强机器人手抓取物体的灵巧性、稳定性，使机器人手可以实现更多的手势，更加拟人化。 

附图说明

图1是本发明提供的齿条连杆式双自由度拇指根部关节装置的一种实施例的手掌剖视图，此时拇指摆到手掌侧面，虎口打开，从手掌正面观察。 

图2是图1在A-A处的剖视图。 

图3是图2在B-B处的剖视图。 

图4是图1所示实施例的侧面剖视图，此时拇指已摆到手掌侧面。 

图5是图1所示实施例的手掌剖视图，此时拇指已摆到手掌侧面，虎口合上。