CN102943851A

CN102943851A - 一种多关节的绳传动单元

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Publication number: CN102943851A
Application number: CN2012104507798A
Authority: CN
Inventors: 庄德胜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102943851B

Abstract

本发明涉及属于机械领域，具体为一种用于机械臂关节驱动的多关节的绳传动单元。该传动单元的柔绳通过从动轮、导向辊Ⅰ、导向辊Ⅱ、旋转关节导向辊Ⅰ、旋转关节导向辊Ⅱ、导向辊Ⅲ、主动轮环绕一周；绳与从动轮为固定连接，并且在从动轮上缠绕至少一周；旋转关节导向辊Ⅰ和旋转关节导向辊Ⅱ分别位于旋转关节Ⅰ和旋转关节Ⅱ的同一侧、且位于中心附近，并与所在的导向辊同步旋转。本发明解决了多关节的绳传动及布置的问题，使得全绳传动的机械臂成为可能，从而发挥绳传动所具有传动精度高，制造成本低，能量消耗少以及机构简单，易于布置等的特点。

Description

一种多关节的绳传动单元

技术领域

本发明涉及属于机械领域，具体为一种用于机械臂关节驱动的多关节的绳传动单元。

背景技术

机械臂关节普遍采用电机、齿轮减速器、关节轴三者直接相连的传动机构，这种传动机构要求电机与齿轮减速器安装在机械臂关节附件，机构简单但结构不紧凑，外观不整洁。尤其突出的缺点是，在多关节机械臂中，下一级关节的电机与齿轮减速器等传动装置成为上一级关节的负载，提高了对机械臂动力和传动元件的要求，由此造成整体重量和内部消耗的增加，降低了机械臂对外做功的能力和效率。

目前已经公开的资料中，上海交通大学的陶俊、袁建军等人的专利《用于机械臂的钢丝绳传动机构，公开号CN1995777A》及其相关论文，如：《钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计》、《钢丝绳传动5自由度机器人的机构设计》对钢丝绳传动结构进行有益的探索，但不能用于多关节的机械臂，因而不能更大程度的发挥钢丝绳传动机构的所具有的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多关节的绳传动单元，解决了多关节的绳传动及布置的问题，使得全绳传动的机械臂成为可能，从而发挥绳传动所具有传动精度高，制造成本低，能量消耗少以及机构简单，易于布置等的特点。

本发明的技术方案是：

一种多关节的绳传动单元，该传动单元主要包括：从动轮、导向辊Ⅰ、导向辊Ⅱ、旋转关节导向辊Ⅰ、旋转关节Ⅰ、旋转关节Ⅲ、旋转关节导向辊Ⅱ、主动轮、柔绳、导向辊Ⅲ、旋转关节Ⅱ、旋转关节Ⅳ，具体结构如下：

柔绳通过从动轮、导向辊Ⅰ、导向辊Ⅱ、旋转关节导向辊Ⅰ、旋转关节导向辊Ⅱ、导向辊Ⅲ、主动轮环绕一周；柔绳与从动轮为固定连接，并且在从动轮上缠绕至少一周；旋转关节导向辊Ⅰ位于旋转关节Ⅰ和旋转关节Ⅲ的中心同一侧且位于中心附近，并与所在的旋转关节同步旋转；旋转关节导向辊Ⅱ位于旋转关节Ⅱ和旋转关节Ⅳ的中心的同一侧且位于中心附近，并与所在的旋转关节同步旋转。

所述的多关节的绳传动单元，柔绳与主动轮为固定连接或非固定连接，并且柔绳在主动轮上至少缠绕一周。

所述的多关节的绳传动单元，从动轮的轮槽中设置固定销，柔绳缠绕在从动轮的固定销上，同时柔绳通过固定销及垫片的涨紧作用，从而使得柔绳与从动轮的轮槽侧壁紧密挤压在一起。

所述的多关节的绳传动单元，主动轮通过轴孔安装在调节板的固定轴上，调节板上开有槽孔，并通过螺母与基座上的固定螺栓锁紧，从而实现柔绳的张紧。

所述的多关节的绳传动单元，绳传动单元采用直线动力源驱动，直线动力源为滚珠丝杠、气压或液压缸。

所述的多关节的绳传动单元，直线动力源为铰接气缸时，气缸的缸体与固定销铰接，气缸的活塞杆端部通过压板与柔绳连接，压板与柔绳固连。

所述的多关节的绳传动单元，导向辊Ⅰ为两个，相对设置于柔绳的两侧；导向辊Ⅱ为两个，交错设置于柔绳的两侧；在旋转关节Ⅰ、旋转关节Ⅲ之间，旋转关节导向辊Ⅰ为两个，相对设置于柔绳的两侧；在旋转关节Ⅱ、旋转关节Ⅳ之间，旋转关节导向辊Ⅱ为两个，相对设置于柔绳的两侧。

所述的多关节的绳传动单元，柔绳在从动轮与旋转关节Ⅰ及旋转关节Ⅲ之间为A段，柔绳在旋转关节Ⅰ及旋转关节Ⅲ和旋转关节Ⅱ及旋转关节Ⅳ之间为B段；导向辊Ⅰ、导向辊Ⅱ设置于A段的两侧，在主动轮和旋转关节Ⅱ、旋转关节Ⅳ之间的柔绳两侧设置导向辊Ⅲ。

所述的多关节的绳传动单元，绳传动单元设置在相邻两节机械臂上，从动轮中心设有与驱动对象相连接的键槽，从动轮与机械臂Ⅰ做相对旋转运动；其中，一个机械臂Ⅰ、另一个机械臂Ⅱ的一端关节处，通过旋转关节Ⅰ与旋转关节Ⅲ铰接；二者之间的旋转关节导向辊Ⅰ给柔绳导向；一个机械臂Ⅰ的另一端关节处安装从动轮，从动轮通过键槽与驱动对象连接；另一个机械臂Ⅱ的另一端关节处安装旋转关节Ⅱ、旋转关节Ⅳ；旋转关节Ⅱ、旋转关节Ⅳ安装旋转关节导向辊Ⅱ，以给柔绳导向。

所述的多关节的绳传动单元，两节机械臂中部空心，便于柔绳穿入其中，从动轮布置在关节的一侧，另一侧布置相应的检测角度传感器。

本发明的有益效果是：

1、本发明公开了突破了目前已公开的钢丝绳传动机构技术方案中，钢丝绳传动只能应用于一节机械臂的局限，使得多关节绳传动成为可能。

2、本发明通过导向辊Ⅱ、旋转关节导向辊Ⅰ、旋转关节导向辊Ⅱ、导向辊Ⅲ的空间灵活布置，公开了柔绳的空间传动技术，可以更加充分地发挥绳传动的优点，如传动精度高，生产成本低等。

3、本发明为研制多关节绳传动的机器人奠定基础，利用成本低的优势，使本类型传动机器人可以大面积推广应用。

4、作为力的传递，除所述的钢丝绳外，还可采用其他新式的绳索，如非金属的尼龙绳等，或者金属和非金属的结合。

附图说明

图1（a）-图1（c）是多关节的钢丝绳传动单元结构示意图。其中，图1（a）为主视图；图1（b）为钢丝绳传动单元旋转到一定角度的示意图；图1（c）为图1（b）的俯视图。

图2是旋转关节导向辊示意图。

图3是多关节的钢丝绳传动的机械臂示意图。其中，图3（a）为主视图；图3（b）为俯视图。

图4是从动轮与钢丝绳固连的一种方式示意图。

图中，1从动轮；2导向辊Ⅰ；3导向辊Ⅱ；4旋转关节导向辊Ⅰ；5旋转关节Ⅰ；6固定销；7气缸；8调节板；9螺母；10固定螺栓；11主动轮；12压板；13柔绳（如钢丝绳）；14导向辊Ⅲ；15旋转关节Ⅱ；16垫片；17固定销；18旋转关节导向辊Ⅱ；19键槽；20机械臂Ⅰ；21机械臂Ⅱ；22旋转关节Ⅲ；23旋转关节Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1（a）-图1（c）所示，本发明多关节的钢丝绳传动单元，该传动单元主要包括：从动轮1、导向辊Ⅰ2、导向辊Ⅱ3、旋转关节导向辊Ⅰ4、旋转关节导向辊Ⅱ18、旋转关节Ⅰ5、固定销6、气缸7、调节板8、螺母9、固定螺栓10、主动轮11、压板12、钢丝绳13、导向辊Ⅲ14、旋转关节Ⅱ15、旋转关节Ⅲ22、旋转关节Ⅳ23以及动力源等，具体结构如下：

钢丝绳13通过从动轮1、导向辊Ⅰ2、导向辊Ⅱ3、旋转关节导向辊Ⅰ4、旋转关节导向辊Ⅱ18、导向辊Ⅲ14、主动轮11环绕一周。其中，钢丝绳13与从动轮1为固定连接，并且在从动轮1上缠绕至少一周。钢丝绳13与主动轮11可以是固定连接，也可以非固定连接，并且在主动轮11上至少缠绕一周。气缸7的一端（缸体）与固定销6铰接，气缸7的另一端（活塞杆端部）通过压板12与钢丝绳13连接，压板12与钢丝绳13固连。主动轮11通过轴孔安装在调节板8的固定轴上，调节板8上开有细长槽孔，并通过螺母9与基座上的固定螺栓10锁紧，从而实现钢丝绳13的张紧。本发明中，从动轮1中心设有带动驱动对象（如旋转关节）做旋转的键槽19。

钢丝绳13与从动轮1固连，并可在从动轮1上缠绕一圈或n圈（n≥1）；旋转关节导向辊Ⅰ4位于旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22的中心同侧且位于中心附近，并可与旋转关节同步旋转；旋转关节导向辊Ⅱ18位于旋转关节Ⅱ15和旋转关节Ⅳ23的中心同侧且位于中心附近，并可与旋转关节同步旋转。

本发明多关节的钢丝绳传动单元，可由多种直线动力源驱动，如滚珠丝杠或气压、液压缸等。优选铰接气缸，气缸7的活塞杆端部与钢丝绳13连接，气缸7的缸体与固定销6铰接。

本发明中，多对导向辊灵活布置于钢丝绳13的两侧，其中：

导向辊Ⅰ2为两个，相对设置于钢丝绳13的两侧；

导向辊Ⅱ3为两个，交错设置于钢丝绳13的两侧；

在旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22上，旋转关节导向辊Ⅰ4为两个，相对设置于钢丝绳13的两侧；

在旋转关节Ⅱ15和旋转关节Ⅳ23上，旋转关节导向辊Ⅱ18为两个，相对设置于钢丝绳13的两侧；

本发明中，旋转关节Ⅲ22和旋转关节Ⅰ5、旋转关节Ⅳ23和旋转关节Ⅱ15为分体结构，可以把它们分别看成是“半轴”，两两组成一对，每对旋转关节间安装旋转关节导向辊：旋转关节Ⅲ22和旋转关节Ⅰ5之间安装旋转关节导向辊Ⅰ4，旋转关节Ⅳ23和旋转关节Ⅱ15之间安装旋转关节导向辊Ⅱ18。

钢丝绳13在从动轮1与旋转关节Ⅰ5和旋转关节III22之间为A段，钢丝绳13在旋转关节Ⅰ5及旋转关节III22与旋转关节Ⅱ15和旋转关节Ⅳ23之间为B段；导向辊Ⅰ2、导向辊Ⅱ3设置于A段的两侧，在主动轮11与旋转关节Ⅱ15和旋转关节Ⅳ23之间的钢丝绳13两侧设置导向辊Ⅲ14。

当气缸7伸出时，由于压板12与钢丝绳13固连，因此在气缸力的作用下，主动轮11将顺时针旋转，通过导向辊Ⅲ14、旋转关节导向辊Ⅱ18、旋转关节导向辊Ⅰ4、导向辊Ⅱ3及导向辊Ⅰ2的作用，使得从动轮1也做顺时针方向旋转，从而在从动轮1上键槽19的作用下，对外做功。

反之，当气缸7回缩时，主动轮11做逆时针方向旋转，从动轮1也做逆时针方向旋转，从而通过键槽19对外做功。

旋转关节导向辊Ⅰ4、旋转关节Ⅰ5、旋转关节导向辊Ⅱ18、旋转关节Ⅱ15、旋转关节III22和旋转关节Ⅳ23的关系与作用是：当从动轮1、导向辊Ⅰ2、导向辊Ⅱ3、旋转关节导向辊Ⅰ4、旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22所在的机械臂Ⅰ20旋转时，如图1（b）-图1（c）和图3所示，在旋转关节导向辊Ⅰ4的作用下，钢丝绳13将被导向，并通过旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22的中心。由于钢丝绳13近似通过旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22的中心转向，因此钢丝绳13的A段、B段长度近似保持不变，因此可以实现对从动轮1运动角度的精确控制，从而实现精确传动。实际上，为了实现更加精确的传动，往往通过反馈来实现，如：只要保证气缸7有足够的行程，那么就可抵消钢丝绳13的A段与B段的长度误差；与此同时，通过测量从动轮1的角度，那么在引入反馈后，就可实现对从动轮1的运动角度的更加精确的控制。灵活的布置导向辊，可实现空间传动。

如图2所示，为了保证旋转关节Ⅰ5和旋转关节III22能有比较大的旋转角度，一对旋转关节导向辊Ⅰ4往往布置在旋转关节Ⅰ5和旋转关节Ⅲ22的中心同一侧、且靠近中心的位置，旋转关节导向辊的间距由钢丝绳13的直径决定，略大即可。旋转关节导向辊Ⅱ18、旋转关节Ⅱ15和旋转关节Ⅳ23的结构相同。

图3（a）-图3（b）为采用多关节的钢丝绳传动单元的发明原理而设计的一种新型机械臂，在相邻两节机械臂上设置钢丝绳传动单元；其中，一个机械臂Ⅰ20、另一个机械臂Ⅱ21的一端关节处，通过旋转关节Ⅰ5与旋转关节Ⅲ22铰接，二者之间的旋转关节导向辊Ⅰ4给钢丝绳13导向。一个机械臂Ⅰ20的另一端关节处安装从动轮1，从动轮1通过键槽19与驱动对象连接；另一个机械臂Ⅱ21的另一端关节处安装旋转关节Ⅱ15、旋转关节Ⅳ23。旋转关节Ⅱ15、旋转关节Ⅳ23安装旋转关节导向辊18，以给钢丝绳13导向。本发明中，从动轮1与机械臂Ⅰ20做相对旋转运动。

本发明中，两节机械臂中部空心，便于钢丝绳穿入其中，从动轮1布置在关节的一侧，另一侧可布置相应的传感器，以检测角度等。利用本发明机械臂的结构，可方便的组成多节（两节以上）机械臂，从而使机械臂具有更多的自由度。

图4是从动轮1与钢丝绳13的一种固定连接结构，从动轮1的轮槽中设置固定销17，钢丝绳13缠绕在从动轮1的固定销17上，同时钢丝绳13通过固定销17及垫片16的涨紧作用，从而使得钢丝绳13与从动轮1的轮槽侧壁紧密挤压在一起。这样就可靠的保证了钢丝绳与从动轮之间没有相对运动。根据需要，钢丝绳可在从动轮上缠绕1圈或多圈。该结构具有最小的轴向尺寸，布置简洁，外形美观。

Claims

1.一种多关节的绳传动单元，其特征在于，该传动单元主要包括：从动轮（1）、导向辊Ⅰ（2）、导向辊Ⅱ（3）、旋转关节导向辊Ⅰ（4）、旋转关节Ⅰ（5）、旋转关节Ⅲ（22）、旋转关节导向辊Ⅱ（18）、主动轮（11）、柔绳（13）、导向辊Ⅲ（14）、旋转关节Ⅱ（15）、旋转关节Ⅳ（23），具体结构如下：

柔绳（13）通过从动轮（1）、导向辊Ⅰ（2）、导向辊Ⅱ（3）、旋转关节导向辊Ⅰ（4）、旋转关节导向辊Ⅱ（18）、导向辊Ⅲ（14）、主动轮（11）环绕一周；柔绳（13）与从动轮（1）为固定连接，并且在从动轮（1）上缠绕至少一周；旋转关节导向辊Ⅰ（4）位于旋转关节Ⅰ（5）和旋转关节Ⅲ（22）的中心同一侧且位于中心附近，并与所在的旋转关节同步旋转；旋转关节导向辊Ⅱ（18）位于旋转关节Ⅱ（15）和旋转关节Ⅳ（23）的中心的同一侧且位于中心附近，并与所在的旋转关节同步旋转。

2.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，柔绳（13）与主动轮（11）为固定连接或非固定连接，并且柔绳（13）在主动轮（11）上至少缠绕一周。

3.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，从动轮（1）的轮槽中设置固定销（17），柔绳（13）缠绕在从动轮（1）的固定销（17）上，同时柔绳（13）通过固定销（17）及垫片（16）的涨紧作用，从而使得柔绳（13）与从动轮（1）的轮槽侧壁紧密挤压在一起。

4.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，主动轮（11）通过轴孔安装在调节板（8）的固定轴上，调节板（8）上开有槽孔，并通过螺母（9）与基座上的固定螺栓（10）锁紧，从而实现柔绳（13）的张紧。

5.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，绳传动单元采用直线动力源驱动，直线动力源为滚珠丝杠、气压或液压缸。

6.按照权利要求5所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，直线动力源为铰接气缸时，气缸（7）的缸体与固定销（6）铰接，气缸（7）的活塞杆端部通过压板（12）与柔绳（13）连接，压板（12）与柔绳（13）固连。

7.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，导向辊Ⅰ（2）为两个，相对设置于柔绳（13）的两侧；导向辊Ⅱ（3）为两个，交错设置于柔绳（13）的两侧；在旋转关节Ⅰ（5）、旋转关节Ⅲ（22）之间，旋转关节导向辊Ⅰ（4）为两个，相对设置于柔绳（13）的两侧；在旋转关节Ⅱ（15）、旋转关节Ⅳ（23）之间，旋转关节导向辊Ⅱ（18）为两个，相对设置于柔绳（13）的两侧。

8.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，柔绳（13）在从动轮（1）与旋转关节Ⅰ（5）及旋转关节Ⅲ（22）之间为A段，柔绳（13）在旋转关节Ⅰ（5）及旋转关节Ⅲ（22）和旋转关节Ⅱ（15）及旋转关节Ⅳ（23）之间为B段；导向辊Ⅰ（2）、导向辊Ⅱ（3）设置于A段的两侧，在主动轮（11）和旋转关节Ⅱ（15）、旋转关节Ⅳ（23）之间的柔绳（13）两侧设置导向辊Ⅲ（14）。

9.按照权利要求1所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，绳传动单元设置在相邻两节机械臂上，从动轮（1）中心设有与驱动对象相连接的键槽（19），从动轮（1）与机械臂Ⅰ（20）做相对旋转运动；其中，一个机械臂Ⅰ（20）、另一个机械臂Ⅱ（21）的一端关节处，通过旋转关节Ⅰ（5）与旋转关节Ⅲ（22）铰接；二者之间的旋转关节导向辊Ⅰ（4）给柔绳（13）导向；一个机械臂Ⅰ（20）的另一端关节处安装从动轮（1），从动轮（1）通过键槽（19）与驱动对象连接；另一个机械臂Ⅱ（21）的另一端关节处安装旋转关节Ⅱ（15）、旋转关节Ⅳ（23）；旋转关节Ⅱ（15）、旋转关节Ⅳ（23）安装旋转关节导向辊Ⅱ（18），以给柔绳（13）导向。

10.按照权利要求9所述的多关节的绳传动单元，其特征在于，两节机械臂中部空心，便于柔绳穿入其中，从动轮（1）布置在关节的一侧，另一侧布置相应的检测角度传感器。