(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911061880.2
(22)申请日 2019.11.01
(71)申请人 北京精密机电控制设备研究所
地址 100076 北京市丰台区南大红门路1号
申请人 中国运载火箭技术研究院
(72)发明人 吕博瀚 曾广商 刘山 王燕波
原誉桐
(74)专利代理机构 中国航天科技专利中心
11009
代理人 陈鹏
(51)Int.Cl.
B25J 15/02(2006.01)
B25J 15/00(2006.01)
(54)发明名称
系统
(57)摘要
一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动
双直线导轨-高强度碳氟纤维柔性腱-关节的传
动流程，实现度集成的精细化传动机构，在多自
由度及微传动控制技术领域实现了狭小空间内
的精密传动，可通过搭配不同速比的减速器实现
不同负载能力的输出，具有高比功率、高集成度、
高可靠性、体积小、重量轻、易于实现模块化伺服
系统设计等优点。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 110978029 A 2020.04.10
C N 110978029
A
1.一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：包括电机组件、滚珠丝杠副、联轴器、电机支座、直线驱动器壳体、滚珠轴承、滑动轴承、螺母连接组件、端盖、轴承锁紧螺母组件，用于驱动外部仿人灵巧手指关节的电机组件通过电机支座与直线驱动器壳体进行固定连接，所述电机组件输出轴与联轴器一端相连，联轴器另一端与滚珠丝杠副的丝杆相连，用于支撑滚珠丝杠副同时防止丝杆发生轴向窜动的滚珠轴承安装于直线驱动器壳体内，位于电机支座与直线驱动器壳体连接端面靠近直线驱动器壳体一侧，并套装于丝杆与联轴器相连一端，防止滚珠轴承及丝杆沿轴向窜动的轴承锁紧螺母组件套装于滚珠轴承上，将丝杆的旋转运动转换为直线运动的螺母连接组件套装于丝杆上，丝杆输出端上套装有支撑丝杆的滑动轴承，所述端盖设置于直线驱动器壳体端头并对滑动轴承进行支撑。 2.根据权利要求1所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述电机组件包括伺服电机、减速器，所述伺服电机的输出轴与减速器的行星轮系相连，所述减速器输出轴与联轴器一端连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述滚珠轴承包括内圈轴承、外圈轴承，螺母连接组件包括内圈锁紧螺母、外圈锁紧螺母，所述外圈轴承通过外圈锁紧螺母进行锁紧防止滚珠轴承窜动，内圈轴承通过内圈锁紧螺母进行锁紧防止滚珠丝杠副的丝杆沿轴向窜动。
4.根据权利要求3所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述螺母连接组件还包括螺母连接件、丝杠螺母，丝杠螺母通过外圈螺纹与用于固定传动腱位置及运动方向的螺母连接件固定连接，其中，所述传动腱用于连接丝杠螺母与外部仿人灵巧手指关节。
5.根据权利要求4所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述丝杠螺母于径向对称位置分别设置有导向销，所述直线驱动器壳体内壁设置有径向对称的导轨槽并供导向销及丝杠螺母进行轴向滑动，同时丝杠螺母通过导向销防止丝杠螺母转动。
6.根据权利要求4所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述螺母连接件外表面设置有柔性腱导向槽，所述柔性腱导向槽两端开口处沿轴向对称，所述传动腱安装于弧形槽内并通
过轴向对称的弧形槽开口输出轴向力。
7.根据权利要求1所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述端盖外表面设置有传动腱通孔，所述传动腱沿柔性腱导向槽及传动腱通孔穿出直线驱动器壳体，并于直线驱动器壳体前端外侧一定距离处进行打结紧固以保证传动腱消除径向载荷。
8.根据权利要求4所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述传动腱进行打结紧固后通过矩形截面弹簧套管进行保护同时保证传动腱传动比精确度，所述矩形截面弹簧套管采用60Si2MnA或65Mn合金弹簧钢。
9.根据权利要求6所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述柔性腱导向槽为弧形槽，宽度为0.9±0.01mm，深度为0.9±0.01mm。
10.根据权利要求1所述的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，其特征在于：所述电机组件、电机支座、直线驱动器壳体共同组成的壳体结构规格具体为：总体外包络直径Φ13±0.01mm，滚珠丝杠副的丝杆直径Φ4±0.01mm、滚珠丝杠副的螺母直径Φ8±
0.005mm、直线驱动器壳体厚度1.75±0.01mm、导轨槽宽2±0.02mm。
一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，属于腱传动驱动领域。
背景技术
[0002]腱传动灵巧手对于提升智能机器人末端操作能力具有重要的应用价值，适用于多自由度机构与微传动控制领域，特别适合机器人关节远距离的精密传动，如：仿人机器人、腱传动仿人灵巧手、机械手腕关节、外骨骼机器人踝关节等，实现电机，减速器，传动机构集成化、模块化集成设计。
[0003]传统的机器人末端执行机构往往只针对特定的操作任务进行设计，仅具有单一的关节和自由度，甚至缺乏驱动系统。随着机器人智能化和仿人水平的不断提高，智能控制对机器人末端操作能力提出了更高的要求。仿人机器人末端灵巧手通常由多个手指机构并联组成。随着五指仿人灵巧手向着小型化、模块化发展，由于受到尺寸和负载能力的双重制约，伺服电机、减速器以及位置传感器很难集成于指关节空间，而且体积小、重量轻、高比功率的伺服系统及微传动机构是一个亟待突破的关键技术。因此，基于腱传动的伺服系统成为一种非常有效的驱动控制方法。
发明内容
[0004]本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的多自由度传动及控制技术存在的外形体
积大、重量大、机电控制系统及传动机构难以高度集成等问题，及特别容易出现的小型化设计困难，提出了一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统。
[0005]本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0006]一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，包括电机组件、滚珠丝杠副、联轴器、电机支座、直线驱动器壳体、滚珠轴承、滑动轴承、螺母连接组件、端盖、轴承锁紧螺母组件，用于驱动外部仿人灵巧手指关节的电机组件通过电机支座与直线驱动器壳体进行固定连接，所述电机组件输出轴与联轴器一端相连，联轴器另一端与滚珠丝杠副的丝杆相连，用于支撑滚珠丝杠副同时防止丝杆发生轴向窜动的滚珠轴承安装于直线驱动器壳体内，位于电机支座与直线驱动器壳体连接端面靠近直线驱动器壳体一侧，并套装于丝杆与联轴器相连一端，防止滚珠轴承及丝杆沿轴向窜动的轴承锁紧螺母组件套装于滚珠轴承上，将丝杆的旋转运动转换为直线运动的螺母连接组件套装于丝杆上，丝杆输出端上套装有支撑丝杆的滑动轴承，所述端盖设置于直线驱动器壳体端头并对滑动轴承进行支撑。
[0007]所述电机组件包括伺服电机、减速器，所述伺服电机的输出轴与减速器的行星轮系相连，所述减速器输出轴与联轴器一端连接。
[0008]所述滚珠轴承包括内圈轴承、外圈轴承，螺母连接组件包括内圈锁紧螺母、外圈锁紧螺母，所述外圈轴承通过外圈锁紧螺母进行锁紧防止滚珠轴承窜动，内圈轴承通过内圈锁紧螺母进行锁紧防止滚珠
丝杠副的丝杆沿轴向窜动。
[0009]所述螺母连接组件包括螺母连接件、丝杠螺母，丝杠螺母通过外圈螺纹与用于固定传动腱位置及运动方向的螺母连接件固定连接，其中，所述传动腱用于连接丝杠螺母与外部仿人灵巧手指关节。
[0010]所述丝杠螺母于径向对称位置分别设置有导向销，所述直线驱动器壳体内壁设置有径向对称的导轨槽并供导向销及丝杠螺母进行轴向滑动，同时丝杠螺母通过导向销防止丝杠螺母转动。
[0011]所述螺母连接件外表面设置有柔性腱导向槽，所述柔性腱导向槽两端开口处沿轴向对称，所述传动腱安装于弧形槽内并通过轴向对称的弧形槽开口输出轴向力。
[0012]所述端盖外表面设置有传动腱通孔，所述传动腱沿柔性腱导向槽及传动腱通孔穿出直线驱动器壳体，并于直线驱动器壳体前端外侧一定距离处进行打结紧固以保证传动腱消除径向载荷。
[0013]所述传动腱进行打结紧固后通过矩形截面弹簧套管进行保护同时保证传动腱传动比精确度，所述矩形截面弹簧套管采用60Si2MnA或65Mn合金弹簧钢。
[0014]所述柔性腱导向槽为弧形槽，宽度为0.9±0.01mm，深度为0.9±0.01mm。[0015]所述电机组件、电机支座、直线驱动器壳体共同组成的壳体结构规格具体为：总体外包络直径Φ13±0.01mm，滚珠丝杠副的丝杆直径Φ4±0.01mm、滚珠丝杠副的螺母直径Φ8±0.005mm、直线驱动器壳体厚度1.75±0.01mm
、导轨槽宽2±0.02mm。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017](1)本发明提供的一种用于腱传动仿人灵巧手指关节的驱动系统，通过灵巧手指关节驱动及传动系统的高集成化设计，通过伺服电机-减速器-滚珠丝杠副-对称双直线导轨-高强度碳氟纤维柔性腱-关节的传动流程，实现度集成的精细化传动机构，在多自由度及微传动控制技术领域实现了狭小空间内的精密传动，可通过搭配不同速比的减速器实现不同负载能力的输出，具有高比功率、高集成度、高可靠性、体积小、重量轻、易于实现模块化伺服系统设计等优点；
[0018](2)本发明通过设计新的矩形截面弹簧套管，利用该具有径向刚度低、轴向刚度高的特性，作为柔性腱的保护套管，一方面可以保护柔性腱在传递运动的过程中不会被磨损，另一方面套管的轴向高刚度可以保证绳索在机构运动过程中传动比的精确性，当手腕运动或者灵巧手抓取过程中，受到外界环境的扰动时，矩形截面套管的轴向不可压缩性可以严格保证柔性腱在外部空间的总长度不变，从而保证腱传动灵巧手指关节传动比的精确性；[0019](3)本发明通过设计圆柱面带有曲线导向槽的螺母连接部件，同时将导向槽的两个输出端沿螺母连接件的径向对称，将柔性腱由导向槽的输出端引出，构成一个“腱环”，用金属卡扣将两股柔性腱紧固，使得柔性腱与丝杠的螺母固连，将滚珠丝杠副的螺母的轴向力转换为柔性腱的张力，既保证了腱与滚珠丝杠副螺母连接的可靠性，同时消除了柔性腱对丝杠螺母产生的径
向载荷，将伺服电机的输出力全部等效为沿滚珠丝杠副的轴向力；[0020](4)本发明提出了壳体内部沿轴向开有对称双直线导轨槽的直线驱动器壳体，与丝杠螺母的导向销精密配合，实现螺母低摩擦的直线运动的同时，又能够消除丝杠螺母的反向死区误差；
[0021](5)本发明对滚珠丝杠副前后两端分别用滚珠轴承和滑动轴承支撑，滚珠轴承可以实现滚珠丝杠副低摩擦、高可靠性的旋转运动，滚珠轴承的内圈和外圈分别通过内圈锁
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