一种多自由度人形机器人灵巧手及其关节用行星减速模组的制作方法

本技术涉及人形手，尤其涉及一种多自由度人形机器人灵巧手及其关节用行星减速模组。

背景技术：

1、人形机器人的灵巧手作为一种末端执行器，需要具有接近人手的自由度和承载能力，同时随着人形机器人的发展，对灵巧手关节用减速模组的轻量化、小型化要求越来越高。灵巧手关节常用的减速模组包括rv减速模组、谐波减速模组和行星减速模组，rv减速模组扭矩能力和耐冲击能力强，但结构复杂且效率低于行星减速模组，谐波减速模组结构最为简单，但其扭矩能力若且效率低，行星减速模组效率高，但结构比谐波减速模组复杂，扭矩能力不如rv减速模组。

2、其中，行星减速模组的体积通常较大，虽然依靠输出侧减速承受输出扭矩，保证运行的平稳性，但由于灵巧手关节对行星减速模组的小型化需求，在相同加工精度下，减速机模组越小，其性能越差，在多级传动作用下会直接影响整个减速机模的平稳、振动和噪音。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种多自由度人形机器人灵巧手及其关节用行星减速模组，行星减速模组运行平稳且噪音低，整个灵巧手各个关节根据其扭矩负载需求选择合适的减速模组，且个减速模组满足轻量化、小型化的使用需求，使得整个灵巧手更接近人手。

2、本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种多自由度人形机器人灵巧手关节用行星减速模组，包括同轴设置的三级行星减速机和行星电机，所述行星电机包括行星电机外壳、安装在行星电机外壳内的行星输入轴、行星定子和行星转子，所述行星输入轴、行星定子和行星转子与三级行星减速机同轴设置，所述行星转子安装在行星输入轴上，所述行星电机呈两端端面为平面的类球状结构，且其靠近三级行星减速机一端的外径较大；

4、所述三级行星减速机包括同轴设置的内齿圈、第一行星架、第二行星架和第三行星架，所述行星电机外壳和内齿圈之间设有将其连接的连接法兰；

5、所述第一行星架上圆周阵列安装有至少两个第一行星轮，所述行星输入轴一端伸入内齿圈内且其端部安装有与多个第一行星轮同步啮合的第一输入齿轮；

6、所述第二行星架上圆周阵列安装有至少两个第二行星轮，所述第一行星架上设有与多个第二行星轮同步啮合的第二输入齿轮；

7、所述第三行星架上圆周阵列安装有至少两个第三行星轮，所述第二行星架上设有与多个第三行星轮同步啮合的第三输入齿轮，所述第三行星架远离第二行星架的一端设有对多个第三行星轮进行轴向限位的压板；

8、若干所述第一行星轮、第二行星轮及第三行星轮均与内齿圈啮合，且所述第一行星轮、第二行星轮及第三行星轮与内齿圈的啮合齿宽依次增大；

9、所述第一行星架、第二行星架以及第三行星架与内齿圈之间均设有行星第一四点接触球轴承，所述第一行星架和多个第一行星轮之间、第二行星架和多个第二行星轮之间均设有行星第二四点接触球轴承，所述第三行星架和多个第三行星轮之间均设有行星支撑轴承，所述行星输入轴和第一行星架之间、第一行星架和第二行星架之间、第二行星架和第三行星架之间均设有行星第一深沟球轴承；

10、所述压板远离第三行星架的一侧设有与第三行星架连接的行星端盖，所述行星端盖和内齿圈分别作为固定端和输出端，且其侧壁分别设有向外延伸且分别位于行星输入轴两侧的行星安装凸耳；

11、所述行星转子远离行星定子的一端安装有行星编码器，所述行星电机外壳远离内齿圈的一端安装有编码器罩壳，所述行星输入轴两端和编码器罩壳及连接法兰之间设有行星第三深沟球轴承。

12、通过采用上述技术方案，行星电机和三级行星减速机直接连接，行星端盖和内齿圈分别作为固定端和输出端，通过行星安装凸耳与外部结构连接，带动关节绕行星输入轴轴线转动。本技术中在第一行星架、第二行星架以及第三行星架与内齿圈之间均设有行星第一四点接触球轴承，这样来保证第一行星架与第一行星轮、第二行星架与第二行星轮、第三行星架与第三行星轮运行的平稳性和低噪音，现有技术中只关注作为承载输出弯矩和扭矩的末级减速的平稳性，但是本技术中的三级行星减速要运用到模拟人手的关节中，安装空间有限，对行星减速模组的小型化及轻量化要求极高，若第一级减速和第二级减速运动不平稳、噪音大，会对整个减速模组及关节的运行有不可忽视的影响。另外，在第一行星架和多个第一行星轮之间、第二行星架和多个第二行星轮之间均设有行星第二四点接触球轴承，第三行星架和多个第三行星轮之间均设有行星支撑轴承，在行星输入轴和第一行星架之间、第一行星架和第二行星架之间、第二行星架和第三行星架之间均设有行星第一深沟球轴承，从而保证高速侧的齿轮位置度的精度较高，提高啮合的平稳性，降低噪音。而行星编码器实时检测输入转速，且行星编码器设置在行星电机内，合理利用行星电机的空间，实现模组能力最大化和体积最小化，利用行星第三深沟球轴承来保证行星输入轴运行的平稳性，保证其与三级行星减速机的同轴度。

13、进一步地，所述内齿圈上设有外沟道直接作为三个行星第一四点接触球轴承的外圈，所述第一行星架、第二行星架、第三行星架上分别设置内沟道直接作为对应行星第一四点接触球轴承的内圈。

14、通过采用上述技术方案，内齿圈直接作为三个行星第一四点接触球轴承的外圈，第一行星架、第二行星架、第三行星架直接作为对应行星第一四点接触球轴承的内圈，不仅能够保证三个行星架转动时的平稳，且内齿圈能够承载一定的弯矩，并保证其齿轮啮合更充分。除此之外，三个行星第一四点接触球轴承与内齿圈及第一行星架、第二行星架、第三行星架的一体化设置，还能够减小行星减速模组的体积，且行星电机为轴向磁通电机，减小行星减速模组的轴向长度，进一步提高其小型化和轻量化程度。

15、进一步地，所述行星支撑轴承包括两个沿第三行星架轴向并列设置的角轴承，且两个所述角轴承与第三行星架上的行星第一四点接触球轴承对应；或所述行星支撑轴承包括两个分别位于第三行星轮两端的行星第二深沟球轴承，所述第三行星架上的行星第一四点接触球轴承设有两个且与两个行星第二深沟球轴承一一对应。

16、通过采用上述技术方案，第三行星轮通过一对角轴承安装在第三行星架上，角轴承能够同时承载轴向力和径向力，能够获得较大的弯矩能力，保证第三行星轮啮合充分。第三行星轮两端分别通过一个行星第二深沟球轴承支撑，并分别与一个行星第一四点接触球轴承对应，进一步来提高其承载弯矩的能力，实现传递力最大化。

17、一种多自由度人形机器人灵巧手，包括手掌、手腕和五根手指，所述手掌中部设有将其贯穿的镂空孔，所述手腕与手掌一体结构，且所述手腕处设有旋转主关节、弯曲主关节和摆动主关节，五根所述手指可拆卸安装在手掌上，且每根所述手指均包括从指根向指尖方向依次设置的j1关节、j2关节、j3关节以及j4关节；所述j1关节为张开关节且使用上述行星减速模组，且每个所述j1关节的行星减速模组中的固定端或输出端通过方形定位及螺钉紧固与手掌连接；所述j2关节、j3关节以及j4关节为弯曲关节，且所述旋转主关节、弯曲主关节、摆动主关节以及j2关节均采用rv减速模组，每个所述rv减速模组的输出轴线与对应关节的旋转轴线同轴设置，所述j3关节和j4关节采用谐波减速模组；

18、所述rv减速模组包括同轴设置在关节处的rv电机和rv减速机，所述rv减速机包括两个摆线轮、一个主轴承、至少两根圆周阵列设置的偏心轴以及针齿壳一和针齿壳二，所述主轴承设置在两个摆线轮之间，所述针齿壳一和针齿壳二分别与两个摆线轮对应且其之间通过滚针啮合，且所述针齿壳一靠近rv电机，所述主轴承外圈位于针齿壳一和针齿壳二之间；

19、所述偏心轴安装在主轴承内圈和摆线轮上，且每根所述偏心轴的真圆和主轴承内圈之间安装有真圆支撑轴承，每根所述偏心轴的凸轮和两个摆线轮之间分别安装有偏心圆支撑轴承；所述偏心轴远离rv电机的一端安装有rv行星轮，所述rv电机连接有从其中心及rv减速机中心穿过的rv输入轴，所述rv输入轴远离rv电机的一端设有与若干rv行星轮同步啮合的rv输入齿轮；

20、所述针齿壳一和固定法兰之间设有挡板一，所述针齿壳二和rv输出轴之间设有挡板二，且所述挡板二和rv输出轴之间设有rv-o型圈；所述挡板一和固定法兰及针齿壳一连接，所述挡板二与针齿壳二连接，且所述挡板一及挡板二配合与两个摆线轮及对应的滚针进行轴向限位；

21、两个所述摆线轮相互远离的端面上设有挡片一，所述挡片一通过螺钉安装在与其靠近的摆线轮端面上并分别压住偏心圆支撑轴承的外圈端面；两个所述真圆支撑轴承的内圈相互远离的一侧和对应的偏心圆支撑轴承内圈之间设有挡片二；

22、所述rv电机包括设置在针齿壳一远离主轴承一侧的rv电机外壳，所述rv电机外壳侧壁连接有固定法兰，且所述rv电机外壳远离针齿壳一的一侧设有第一支撑法兰，所述固定法兰与针齿壳一、主轴承外圈以及针齿壳二通过销子和螺钉定位连接；

23、所述针齿壳二远离主轴承外圈的一侧设有rv输出轴，所述rv输出轴通过连接销与主轴承内圈连接，且所述rv输出轴连接有rv输出法兰，所述固定法兰和rv输出法兰分别作为模组的固定端和输出端；

24、所述rv输出轴远离针齿壳二的一侧还设有与针齿壳二连接的第二支撑法兰，所述rv输出轴上安装有rv输出编码器，所述第二支撑法兰上安装有与rv输出编码器配合的rv输出读数头；所述rv电机远离rv减速机的一侧连接有转轴，所述转轴上安装有rv输入编码器，所述第一支撑法兰远离固定法兰的一侧设有盖板，且所述盖板上安装有与rv输入编码器配合的rv输入读数头；

25、所述谐波减速模组包括同轴设置的谐波电机和双刚轮谐波减速机，所述谐波电机包括谐波电机外壳和与双刚轮谐波减速机同轴设置的谐波输入轴；

26、所述双刚轮谐波减速机包括与谐波输入轴同轴设置的波发生器、柔性轴承、柔轮、固定刚轮、输出刚轮和谐波支撑轴承，所述谐波输入轴与波发生器固定连接，所述柔性轴承设置在波发生器和柔轮之间，所述柔轮与固定刚轮和输出刚轮分别差齿数啮合；

27、所述谐波支撑轴承设置在固定刚轮和输出刚轮之间，所述固定刚轮作为谐波支撑轴承的内圈并与谐波电机外壳可拆卸固定连接，且所述谐波电机外壳远离固定刚轮的一侧设有轴承支撑法兰，所述谐波输入轴和轴承支撑法兰及谐波电机外壳之间安装谐波电机支撑轴承；

28、所述输出刚轮作为谐波支撑轴承的外圈位于固定刚轮远离谐波电机外壳的一侧，且所述输出刚轮远离固定刚轮的一侧安装有谐波支撑法兰和谐波输出支撑法兰，所述谐波支撑法兰位于输出刚轮和谐波输出支撑法兰之间；所述柔性轴承沿谐波输入轴轴向并列设置有两个，所述柔轮内壁中部设有位于两个柔性轴承外圈之间且与其抵接的限位凸起；

29、所述谐波电机外壳和输出刚轮分别作为固定端和输出端，且所述谐波电机外壳外壁设有向外延伸的固定凸台，所述输出刚轮外壁设有向外延伸的输出凸台，所述固定凸台和输出凸台分别位于谐波输入轴两侧且分别设有将其贯穿的安装孔；

30、所述输出凸台上设有沿谐波输入轴径向设置的钢球安装孔，所述谐波支撑轴承的钢球从钢球安装孔进入其内圈和外圈的沟道内，且所述钢球安装孔内设有封堵塞；

31、所述谐波支撑法兰靠近谐波输出支撑法兰的一侧设有谐波输出编码器，所述谐波输出支撑法兰上安装有与谐波输出编码器配合的谐波输出读数头，且所述谐波输出支撑法兰和输出刚轮之间、输出刚轮和固定刚轮之间均设有谐波o型圈；

32、所述波发生器靠近谐波支撑法兰的一端安装有谐波输入编码器，此时所述谐波支撑法兰上安装有谐波输入编码器配合的谐波输入读数头，且所述轴承支撑法兰远离谐波电机外壳的一端安装有谐波密封板；

33、或所述谐波输入轴03-12远离谐波支撑法兰的一端安装有谐波输入编码器，此时所述轴承支撑法兰远离谐波电机外壳的一端安装有谐波输入支撑法兰，且所述谐波输入支撑法兰上安装有与谐波输入编码器配合的谐波输入读数头。

34、通过采用上述技术方案，整个灵巧手的自由度、大小和灵活度接近人手，j1关节起到左右方向张开或合拢手指作用，其受力小，扭矩需求中等偏小，采用上述的三级行星减速模组。j2关节承受的负载最大，需要大扭矩、大刚度和高耐冲击能力，采用扭矩能力最强的rv减速模组。j3关节和j4关节体积小，承受的负载小，对扭矩能力的要求小，采用结构最为简单、扭矩能力较弱的谐波减速模组。手腕的旋转主关节、弯曲主关节和摆动主关节对扭矩能力要求更高，也采用rv减速模组，但该处的三个rv减速模组体积大于j2关节模组的rv减速模组体积。整个灵巧手的各个关节根据其扭矩能力需求，选择合适的减速模组，使其能力最大化、结构最简化。其中，手掌上的镂空孔使整个灵巧手更加轻量化，j1关节直接采用方形定位和螺钉紧固实现其与手掌的可拆卸连接，手指安装定位精度高，拆装简单。

35、本实用新型中的行星减速模组、rv减速模组、谐波减速模组均为类球状结构，可以保证各模组更接近人手手指关节形状，且采用的电机均为轴向磁通电机，与对应的减速机直连，大大减小模组的轴向厚度和体积，有效保证模组的传动精度，满足灵巧手关节模组轻量化、小型化和美观化的使用需求，同时灵巧手的指段空间可以用于安装其他传感器等部件，且由于传动精度的提高，使得灵巧手的扭矩、精度、速度等能力更加接近人手。

36、其中，rv减速模组中的rv减速机省略了传统的输出轴、输出盘架等结构，在保证rv减速机整体性能的前提下极大地减小了rv减速机的轴向厚度。谐波减速模组中的双刚轮谐波减速机直接利用两个第一柔性轴承与柔轮上限位凸起的配合对柔轮进行轴向限位，省略柔轮额外的轴向限位结构，在减小整个关节模组轴向长度的同时，双刚轮谐波减速机直接承担负载和输出精度，有效提高整个关节模组的负载能力和传动精度。

37、进一步地，每根所述手指上j1关节、j2关节、j3关节以及j4关节中两两相邻的减速模组相互配合的固定端和输出端通过螺钉连接。

38、通过采用上述技术方案，j1关节、j2关节、j3关节以及j4关节中两两相邻的减速模组相互配合的固定端和输出端直接通过螺钉实现连接，其结构简单，连接后相邻模组之间空出的空间很大，可以预留更多的空间安装其他结构。

39、进一步地，每根所述手指上j1关节、j2关节、j3关节以及j4关节中减速模组的固定端和输出端均为内螺纹结构，两两相邻的减速模组相互配合的固定端和输出端之间设有弹性垫片，对应的固定端和输出端之间通过与其螺纹连接且穿过弹性垫片的螺杆连接。

40、通过采用上述技术方案，利用螺杆直接连接固定端和输出端，实现相邻模组之间的连接，弹性垫片可以起到预紧作用，保证各关节的轴心线平行，从而保证运行精度和平稳性，且更加便于安装和拆卸。

41、进一步地，所述针齿壳一、主轴承外圈以及针齿壳二一体成型。

42、进一步地，所述rv电机包括设置在rv电机外壳内的rv定子和设置在第一支撑法兰内的rv转子和rv背铁，所述rv转子位于rv定子和rv背铁之间，且所述转轴安装在rv背铁及rv转子内圈内，所述rv输入轴安装在转轴内孔内通过转轴与rv转子连接；或所述rv电机包括rv转子和两个分别位于rv转子两侧的rv定子，其中一所述rv定子安装在rv电机外壳内，所述rv转子和另一rv定子安装在第一支撑法兰内，所述转轴安装在rv转子内圈内，所述rv输入轴安装在转轴内孔内通过转轴与rv转子连接。

43、进一步地，所述谐波电机还包括谐波转子和两个分别位于谐波转子两侧的谐波定子，所述谐波输入轴安装在谐波转子的内孔内；或所述谐波电机还包括谐波转子和分别位于谐波转子两侧的谐波定子和谐波背铁，且此时所述谐波定子位于谐波转子靠近波发生器的一端，此时所述谐波输入轴安装在谐波转子和谐波背铁的内孔内。

44、进一步地，所述谐波支撑轴承的内圈与固定刚轮焊接连接，所述谐波支撑轴承的外圈与输出刚轮焊接连接，且所述钢球安装孔延伸至谐波支撑轴承的外圈。

45、综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

46、1、本实用新型中的行星减速模组采用轴向磁通的行星电机与三级行星减速机构成类球状结构，三级行星减速机中第一行星架、第二行星架和第三行星架与内齿圈之间设置第一四点接触球轴承并与其一体化设置，在第一行星架和多个第一行星轮之间、第二行星架和多个第二行星轮之间均设有行星第二四点接触球轴承，第三行星架和多个第三行星轮之间均设有行星支撑轴承，在行星输入轴和第一行星架之间、第一行星架和第二行星架之间、第二行星架和第三行星架之间均设有行星第一深沟球轴承，提高弯矩承载能力，齿轮啮合更充分，提高整个行星减速模组运行的平稳性和低噪音；

47、2、本实用新型中灵巧手的j1关节起到左右方向张开或合拢手指作用，其受力小，扭矩需求中等偏小，采用上述的三级行星减速模组；j2关节承受的负载最大，需要大扭矩、大刚度和高耐冲击能力，采用扭矩能力最强的rv减速模组；j3关节和j4关节体积小，承受的负载小，对扭矩能力的要求小，采用结构最为简单、扭矩能力较弱的谐波减速模组；手腕的旋转主关节、弯曲主关节和摆动主关节对扭矩能力要求更高，也采用rv减速模组；整个灵巧手的各个关节根据其扭矩能力需求，选择合适的减速模组，使其能力最大化、结构最简化，自由度、大小和灵活度接近人手；

48、3、本实用新型中的行星减速模组、rv减速模组、谐波减速模组与对应的减速机直连，大大减小模组的轴向厚度和体积，有效保证模组的传动精度，满足灵巧手关节模组轻量化、小型化和美观化的使用需求，同时灵巧手的指段空间可以用于安装其他传感器等部件，且由于传动精度的提高，使得灵巧手的扭矩、精度、速度等能力更加接近人手；

49、4、本实用新型中rv减速模组中的rv减速机省略了传统的输出轴、输出盘架、等结构，在保证rv减速机整体性能的前提下极大地减小了rv减速机的轴向厚度；

50、5、本实用新型中谐波减速模组中的双刚轮谐波减速机直接利用两个第一柔性轴承与柔轮上限位凸起的配合对柔轮进行轴向限位，省略柔轮额外的轴向限位结构，在减小整个关节模组轴向长度的同时，双刚轮谐波减速机直接承担负载和输出精度，有效提高整个关节模组的负载能力和传动精度。