CN101628418B - 一种拼装式通用机器人旋转关节及其拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种拼装式通用机器人旋转关节机器拼装方法。包括关节突、滑轮片、锁紧销、关节窝和转轴，滑轮片上有一缺口，锁紧销的形状与滑轮片上的缺口的形状相配合，滑轮片与关节突连接成一体，锁紧销置入滑轮片的缺口内，关节突置于关节窝中，关节突、滑轮片、关节窝的孔同轴且转轴穿在所述孔中并用锁紧销将转轴卡紧。本发明采用了拼装结构思想，结构简单紧凑，可靠性高，无螺丝，可徒手拆卸，便于使用和现场维护；本发明可适用于机器人手部的关节，特别适用于灵巧手的关节以及有尺寸限制的机器人，各种不要求周转的低负载转动机构、角随动伺服系统，需要通过腱传动控制的转动机构，玩具中的旋转部件，其他转动力量不大的转动装置中。

Description

一种拼装式通用机器人旋转关节及其拼装方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种用于机器人的关节机构。本发明还涉及一种机器人的关节的组装方法。

(二)背景技术

机器人机构设计的优劣往往决定着机器人整体性能的好坏。以往机器人的机构往往是采用特定的传动方式、安装特定的传感器、为实现某特定功能而专门设计的。在机器人机构中，旋转为关节的主要运动形式，但很少有为实现通用目的和高可靠性要求而设计的旋转关节。另外，传统机器人旋转关节的尺寸也较大，结构复杂，拆装维修困难。缺少通用的、尺寸小的，尤其适用于小型仿生机器人的旋转关节。

在传动方式上，机器人的传动方式主要有齿轮传动、腱传动、带轮传动等。在小型仿生机器人中，齿轮传动和腱传动比较常用，但只能选择一种传动方式使用。这是因为机器人的关节一般属于特定的设计，当需采用其他传动方式时，则需要另行设计。

在机器人传感方面，机器人关节处往往需要安装传感器以检测关节位置、速度、力矩等信息。传统的机器人关节大多设计成封闭的，将传感器置于关节内部，对传感器形状尺寸等因素造成限制，且往往需要拆下某些部件才能更换、修正传感器，造成很大不便。

在安装维修方面，以往机器人关节的结构复杂，且很多使用了螺丝，给拆装和维修带来了不便，造成可靠性不高。另外，在腱传动系统中，以往机器人关节的腱普遍容易损坏或松弛，需经常维修。

关于机器人机构技术的现状，在“机器人关节的发展现状与趋势”(机械传动，2004年第28卷第4期，P1～5)中已有比较详细的描述；中国专利申请号：02155646.6，名称为“机器人灵巧手机构”的专利文件中也有涉及。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单紧凑，装卸灵活，动力特性好，控制容易，适用于各种小型机器人的一种拼装式通用机器人旋转关节。本发明的目的还在于提供一种拼装式通用机器人旋转关节的拼装方法。

本发明的目的是这样实现的：

其组成包括关节突、滑轮片、锁紧销、关节窝和转轴，滑轮片上有一缺口，锁紧销的形状与滑轮片上的缺口的形状相配合，滑轮片与关节突连接成一体，锁紧销置入滑轮片的缺口内，关节突置于关节窝中，关节突、滑轮片、关节窝的孔同轴且转轴穿在所述孔中并用锁紧销将转轴卡紧。

本发明还可以包括：

1、所述的用锁紧销将转轴卡紧是选用腱传动方式，在腱的嵌入位置打个结，腱结嵌入锁紧销和关节突上平面之间的间隙内，锁紧销由于被顶紧而产生锁紧力，使转轴与关节突固联。

2、所述的用锁紧销将转轴卡紧是选用齿轮传动，关节突和锁紧销之间填入一个顶紧块，用以产生锁紧力，并在转轴带切口一侧安装齿轮。

3、所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成一整体。

4、所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成两整体，滑轮片胶合或焊接在关节突上。

5、所述转轴的一侧细一侧粗。

6、所述转轴的粗的一侧有一个切面。

本发明的机器人关节的拼装方法是：

第一步，将滑轮片胶合或焊接在关节突上，并注意轴孔对齐，可参见附图2，若滑轮片与关节突整体加工，则略去此步；第二步，将锁紧销置入滑轮片(在关节突上)的缺口内，可参见附图3；第三步，将关节突放入关节窝中，使它们的孔同轴，然后穿入转轴；第四步，需要用锁紧销将转轴卡紧，使关节突和转轴相对固定，具体的卡紧方法与传动方式有关：如果选用腱传动方式(腱的材料和尺寸自定，关节尺寸也可调整)，则需要在腱的嵌入位置打个结，将腱结嵌入锁紧销和关节突上平面之间的间隙内，锁紧销由于被顶紧而产生锁紧力，使转轴与关节突固联。这样，当关节旋转时，轴就会连同关节突一起相对关节窝旋转，构成一个转动副；如果使用其它传动方式，如齿轮传动，仅需在关节突和锁紧销之间填入一个顶紧块，用以产生锁紧力，并在转轴带切口一侧安装齿轮。拆卸过程与上述过程相反。根据使用需要，可在关节两头安装机架、摇杆等，从而使该关节融入整机。此外，转轴一侧细一侧粗，安装后不会从另一侧滑出，粗的一侧有一个切面，用于同轴安装齿轮或传感器转动端。安装完传感器后，转轴就不能轴向滑动了。在实际使用中，转轴和切面形状、尺寸由具体使用情况决定。转轴与关节突、滑轮片、锁紧销接触面处可以磨砂，以增加转轴与关节突之间的摩擦力。

本发明的工作过程是：该关节构成一个转动副，当使用腱传动时，腱跨越缠绕在滑轮片上，关节一侧的腱松弛，另一侧的腱张紧，从而牵动转轴和关节突一同向一侧旋转；腱的张弛情况改变，则关节向另一侧旋转。转动时关节突、滑轮片、锁紧销和转轴相对固定，与关节窝相对旋转。由于滑轮片截面为圆形，动力臂恒等于滑轮片半径，因此传动比也是恒定的，动力特性好，控制容易。

本发明对于关节信息传感的实现方法，例如需要测量关节角度时，在关节的一侧安装角度传感器。角度传感器的定子固连于关节窝外侧(安装方式自定)，转子固连于转轴，关节的旋转角度由转轴和关节窝的相对位置测出。当需要调整角度传感器的零点位置时，固定关节窝和关节突的相对位置，将锁紧销适当放松，并将轴向某一方向旋转一定的角度，到达所需的零点位置后，再将锁紧销锁紧即可。

本发明在传动方式上具有通用性，该机器人关节兼容齿轮传动和腱传动，使用者根据不同的使用需要选择齿轮传动方式或腱传动方式，还能够追加辅助零件和其他零件装配在一起。如果使用齿轮传动，仅需在关节突上平面和锁紧销之间填入一个顶紧块，用以产生锁紧力，并在转轴带切口一侧安装齿轮。

本发明的旋转关节作为一个独立机构，关节两端可用螺纹片与其他部件连接，若用于机器人关节，无论外骨骼或者内骨骼式结构均适用。此外，还可根据使用需要，在关节两头安装机架、摇杆等，从而使该关节融入整机。

本发明的优点是：机器人关节不使用螺丝，在需要锁紧的部位靠机构间的相对锁紧力来实现锁紧功能，因此避免了使用螺丝，可以徒手拆装；关节结构开放，可在外侧安装传感器，便于在不拆卸关节的情况下更换和调整传感器，同时对传感器尺寸、形状限制较小；采用腱传动时，便于对腱拆卸调整。

本发明适用于负载较轻的情况，当负载较大时，可加螺丝固定锁紧销。本机器人关节为转动副，关节转角范围为±90度，如需其他的转动范围，需要适当调整关节形状和尺寸。

综上所述，本发明的特点是，机器人关节的结构简单紧凑，可靠性高，无螺丝，可徒手拆卸，便于使用和现场维护；可以兼容腱传动和齿轮传动等传动方式；传动比恒定，传动线性度好，便于控制；开放式的关节使传感器安装在外侧，便于更换、调整，而且对传感器的选型限制较小，可根据使用需要，安装不同的传感器；本发明可适用于机器人手部的关节，特别适用于灵巧手的关节以及有尺寸限制的机器人，各种不要求周转的低负载转动机构、角随动伺服系统，需要通过腱传动控制的转动机构，玩具中的旋转部件，以及其他转动力量不大的转动装置中。

(四)附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是关节突的结构示意图；

图5是滑轮片的结构示意图；

图6关节窝的结构示意图；

图7是锁紧销的结构示意图；

图8是转轴的结构示意图；

图9是本发明的应用参考图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图8，本发明的拼装式通用机器人关节的主要部件包括关节突1、滑轮片2、锁紧销3、关节窝4和转轴5。若加工方便，可将滑轮片和关节突合做成一个部件加工，使其为一个整体。由于采用拼装结构思想，各部件互相配合限位，无需使用螺丝。其中的各个部件可以用轻合金、塑料或钢材等加工得到，如转轴)、锁紧销3可选用淬火钢，其余部件可选用YL7075；形状和尺寸由使用需要而定；角度传感器可以选用电位器式角度传感器，如RDC506或PVS01等，也可采用其他类型传感器以检测关节力矩、关节角速度等；根据不同的传动需要，自行选用腱或齿轮。

结合图9本发明的具体组装方法是：以腱传动为例，第一步，将滑轮片2胶合在关节突1的上面，并注意轴孔对齐，若滑轮片与关节突整体加工，则略去此步；第二步，将锁紧销3嵌入滑轮片2的缺口内；第三步，将关节窝4套在关节突1、滑轮片2和锁紧销3构成的结构体的外侧；第四步，将转轴5插入关节突1、滑轮片2、锁紧销3和关节窝4中间的轴孔中；第五步，将腱6打结嵌入锁紧销3与关节突1之间的缝隙中，并注意腱6的结应安装在锁紧销3与关节突1之间缝隙的中间，以此可以锁紧锁紧销3，卡住转轴；第六步，将角度传感器7安装在转轴5的切口一侧。拆卸过程与上述过程相反。

由于采用了机构间的相对锁紧力来实现锁紧功能，使得本发明的机器人关节具有体积小、结构简单紧凑，无螺丝，且装卸灵活，拆卸时不需要使用工具，可徒手拆卸等特点。便于使用现场维护，可靠性高，可以兼容腱传动和齿轮传动等传动方式，开放式关节使传感器安装在外侧，便于更换、调整，而且对传感器的选型限制较小，可扩充性好。可以根据使用需要，安装不同传感器，传动比恒定，传动线性度好，便于控制。本发明适用于机器人手部的关节，特别适用于灵巧手的关节以及有尺寸限制的机器人，各种不要求周转的低负载转动机构、角随动伺服系统，需要通过腱传动控制的转动机构，玩具中的旋转部件，以及其他转动力量不大的转动装置中，尤其适于野外、太空等不便使用工具的环境。

Claims (10)

1.一种拼装式通用机器人旋转关节，其组成包括关节突、滑轮片、锁紧销、关节窝和转轴，其特征是：滑轮片上有一缺口，锁紧销的形状与滑轮片上的缺口的形状相配合，滑轮片与关节突连接成一体，锁紧销置入滑轮片的缺口内，关节突置于关节窝中，关节突、滑轮片、关节窝的孔同轴且转轴穿在所述孔中并用锁紧销将转轴卡紧；所述的用锁紧销将转轴卡紧是选用腱传动方式，在腱的嵌入位置打个结，腱结嵌入锁紧销和关节突上平面之间的间隙内，锁紧销由于被顶紧而产生锁紧力，使转轴与关节突固联。

2.根据权利要求1所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成一整体。

3.根据权利要求1所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成两整体，滑轮片胶合或焊接在关节突上。

4.根据权利要求2或3所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述转轴的一侧细一侧粗。

5.根据权利要求4所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述转轴的粗的一侧有一个切面

6.一种拼装式通用机器人旋转关节，其组成包括关节突、滑轮片、锁紧销、关节窝和转轴，其特征是：滑轮片上有一缺口，锁紧销的形状与滑轮片上的缺口的形状相配合，滑轮片与关节突连接成一体，锁紧销置入滑轮片的缺口内，关节突置于关节窝中，关节突、滑轮片、关节窝的孔同轴且转轴穿在所述孔中并用锁紧销将转轴卡紧；所述的用锁紧销将转轴卡紧是选用齿轮传动，关节突和锁紧销之间填入一个顶紧块，用以产生锁紧力，并在转轴带切口一侧安装齿轮。

7.根据权利要求6所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成一整体。

8.根据权利要求7所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述滑轮片与关节突连接成一体是滑轮片与关节突加工成两整体，滑轮片胶合或焊接在关节突上。

9.根据权利要求7或8所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述转轴的一侧细一侧粗。

10.根据权利要求9所述的一种拼装式通用机器人旋转关节，其特征是：所述转轴的粗的一侧有一个切面。

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