CN103817705B - 一种二维旋转自由度的同心转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维旋转自由度的同心转动关节，它包括由两个圆环构成的同心转动基体，在每个圆环的外壁面两侧设置有滚珠外沟槽，位于两道滚珠外沟槽中间位置处设置有绳系外沟槽；每个圆环上设置有关节支座，关节支座一端为弧形结构，另一端为管状结构，在两结构之间内部设置有通道，管状结构中空内设置有定滑轮组；在弧形结构端内侧壁两侧设置有滚珠内沟槽；关节支座外侧壁上设置有滚珠导向管组，每条导向管的一端与滚珠内沟槽连通，另一端与通道连通；滚珠内沟槽与滚珠外沟槽构成滚珠滑道，滚珠组嵌设在由滚珠滑道、滚珠导向管组和通道构成的闭合滚道内；动作绳系套设在绳系外沟槽和定滑轮组上，定滑轮组的转动轴由外部的动力源驱动。

Description

一种二维旋转自由度的同心转动关节

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域中的转动关节，特别是关于一种能在机器人和各类有旋转关节的机械系统中使用的二维旋转自由度的同心转动关节。

背景技术

随着机器人任务种类的增加和功能需求的提升，越来越多的机器人需要采用空间运动机构的协助来完成规定的任务，有些空间运动机构已成为机器人执行任务的核心和主要手段，大量空间运动机构的使用提高了机器人执行任务的灵活性、自主性和时效性。

空间展开机构是最为常见的一种空间运动机构，其工作原理是在动力源的驱动下完成对结构件的展开、收拢和转动等功能，并通过多个结构件之间的运动配合来实现整套空间展开机构的预定功能。典型的空间展开机构都采用了人体仿生学中对“手臂”模拟的设计思路，主结构多是由两根或多根杆结构组成，杆结构之间多采用运动关节进行连接，通过动力源驱动运动关节实现杆结构之间的相对运动，通过杆结构组之间的运动配合实现整套空间展开机构的系统运动，进而完成空间展开机构整体规定动作的执行，实现特定的功能。因此，运动关节决定了空间展开机构的运动特性，是整套系统的关键。

空间运动关节在设计上重点需要考虑的问题是如何提高可靠性、如何降低资源占用率以及如何提高任务执行的效率。根据目前在机器人上使用的各类运动关节的应用效果来看，普遍存在如下缺点：1、系统复杂：运动关节的功能多通过伺服电机来实现，伺服电机安装于两结构之间，伺服电机以及所需的安装结构复杂，同时，伺服电机需要供电、控制以及信号采集等电路系统，这样进一步增加了系统的复杂性。2、使用环境受限：由于电机的存在，电机转动过程中必然会产生振动、噪声以及电磁场，一些安装于展开机构上且对振动、噪声和电磁环境敏感的设备是无法适应的；另一方面，电机一般都会对机器人所提供的安装环境(安装精度、力学环境和热环境等)提出要求，在某些情况下要求很高，需要设计严格保证。这些特点都将使运动关节的使用环境受到限制。3、可靠性低：系统设计复杂、使用环境要求严格都将导致系统可靠性的降低，特别是对使用环境的依赖性，提高了外界环境因素对系统可靠性的影响程度，降低了系统的可靠性。4、资源占用率高：系统的复杂性必然带来重量、体积和电功耗的增加，这些资源对于任何机器人都是非常宝贵的；另一方面，对使用环境的高敏感度只能通过增加配置来克服，如增加系统冗余、结构加强等手段，进一步增加了系统资源的占用率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种二维旋转自由度的同心转动关节，该关节结构简单，环境适应性强、可靠性高、资源占用率低。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：它包括一个由两个圆环构成的同心转动基体、两个关节支座、两组动作绳系、两组滚珠组、两组定滑轮组和两组滚珠导向管组，每组所述滚珠导向管组都由两条导向管构成；在所述同心转动基体每个圆环的外壁面上，位于外壁面两侧设置有两道滚珠外沟槽，位于所述两道滚珠外沟槽的中间位置处设置有一道绳系外沟槽；在所述同心转动基体每个圆环上还分别设置有一个所述关节支座，所述关节支座一端为弧形结构，所述关节支座另一端为与所述弧形结构一体成型的管状结构，在所述管状结构与所述弧形结构之间内部设置有两道用于滚珠滚动的通道，在所述管状结构的中空内设置有一组所述定滑轮组，所述定滑轮组通过转动轴安装在所述管状结构上；在所述关节支座弧形结构端内侧壁两侧设置有与所述两道滚珠外沟槽对应设置的两道滚珠内沟槽；在所述关节支座外侧壁上设置有所述两组滚珠导向管组，每条所述导向管的一端与一道所述滚珠内沟槽连通，所述导向管的另一端与一道所述通道连通；两道所述滚珠内沟槽分别与两道所述滚珠外沟槽构成两道滚珠滑道，每组所述滚珠组都嵌设在由所述滚珠滑道、滚珠导向管组和通道构成的闭合滚道内；每组所述动作绳系分别套设在所述圆环上的绳系外沟槽和定滑轮组上，所述动作绳系、绳系外沟槽和定滑轮组构成闭锁绳系，所述定滑轮组的转动轴由外部的动力源驱动。

每组所述动作绳系与所述同心转动基体、定滑轮组之间的连接关系为：所述动作绳系的一端通过固定件固定在所述同心转动基体的内壁面上，另一端依次缠绕在所述同心转动基体上一圆环一侧的绳系外沟槽、定滑轮组、圆环另一侧的绳系外沟槽，且所述动作绳系另一端通过另一固定件固定在所述同心转动基体的内壁面上。

每个所述关节支座的两侧分别设置有用于动作绳系穿过的通孔。

所述同心转动基体由一个一体成型的转轴构成，所述转轴由两个所述圆环正交构成，其中一个所述圆环构成第一旋转轴，另一个所述圆环构成第二旋转轴，两个所述旋转轴的轴心重合；位于两个所述圆环的两端正交位置处，其中一个所述圆环上的绳系外沟槽位于外侧，另一个所述圆环上的绳系外沟槽由在该正交位置处设置的通孔形成。

每组所述动作绳系都采用Kevla细绳。

每组所述定滑轮组都由三个并列设置的定滑轮构成，并在每个所述定滑轮的内侧开设有沟槽；位于中间的所述定滑轮为主动轮，位于两侧的所述定滑轮为从动轮。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用同心转动基体，通过该同心转动基体实现双轴转动功能，两旋转轴之间不需要设置过渡支撑，通过滚珠组实现同心转动基体与关节支座的转动匹配，不需要轴承结构，且二维转动基体外形为球形结构，减小了体积和重量，节约了安装空间，结构简单；通过定滑轮组驱动动作绳系，从而驱动二维转动基体，不需要内置电机进行驱动，进一步减小了体积和重量、节约安装空间。2、本发明由于采用一个同心转动基体实现双轴转动功能，消除了由于加工、装配等因素引起的转动传递误差，因此大大提高了双轴转动之间的匹配精度。3、本发明由于同心转动基体外形采用球形结构，使二维转动基体转动过程中承受的载荷通过几何中心(质心)，且同心转动基体与关节支座之间通过滚珠组配合，受力均匀、转动平滑，因此大大提高了系统承载能力。4、本发明整体结构重量轻、体积小、内部无供电需求部件，因此使本发明的同心转动关节在重量、体积和电功耗需求方面具有明显的优势，减低了系统资源占用率。5、本发明由于在关节结构内部无电性能产品，无类似轴承配合的高精度装配要求，因此降低了系统对使用环境的要求，提高了环境适应性。6、本发明由于采用的单个关节支座可实现沿某个方向的单轴转动，且采用两个结构形式完全相同的关节支座实现了沿某两个方向的双轴转动，因此提高了关节的通用性和可维修行；进一步，本发明采用的关节支座对外接口结构简单，这样可以提高本发明的适用性。7、本发明由于结构简单、环境适应性强、产品通用性和可维修性高，进而提高了本发明的可靠性。综上所述，本发明可以广泛应用于各类机器人的运动关节机构单元上。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是本发明的关节支座结构示意图；

图6是本发明的同心转动基体结构示意图；

图7是图6的C-C剖视图；

图8是本发明的同心转动基体与动作绳系及定滑轮组配合结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图8所示，本发明包括一个由两个圆环构成球形结构的同心转动基体1、两个关节支座2、两组定滑轮组3、两组滚珠导向管组4、两组滚珠组5和两组动作绳系6，每组滚珠导向管组4都由两条导向管构成。在同心转动基体1每个圆环的外壁面上，位于外壁面两侧设置有两道滚珠外沟槽7，位于外壁面两道滚珠外沟槽7的中间位置处设置有一道绳系外沟槽8。在同心转动基体1每个圆环上还分别设置有一个关节支座2，关节支座2一端为弧形结构，以便与同心转动基体1配合转动；关节支座2另一端为与弧形结构一体成型的管状结构，在管状结构与弧形结构之间内部设置有两道用于滚珠滚动的通道，在管状结构的中空内设置有一组定滑轮组3，定滑轮组3通过转动轴安装在管状结构上。在关节支座2弧形结构端内侧壁两侧设置有与两道滚珠外沟槽7对应设置的两道滚珠内沟槽9，在关节支座2外侧壁上设置有两组滚珠导向管组4，用于提供滚珠组运动过程中需要的路径和导向；每条导向管的一端与一道滚珠内沟槽9连通，导向管的另一端与一道滚珠滚动的通道连通。两道滚珠内沟槽9分别与两道滚珠外沟槽7构成两道滚珠滑道，每组滚珠组5都嵌设在由滚珠滑道、滚珠导向管组4和通道构成的闭合滚道内，由滚珠组5、同心转动基体1和关节支座2配合形成传动副，滚珠组5提供同心转动基体1与关节支座2之间转动所需的环境，并承载两者之间接触产生的作用力。每组动作绳系6分别套设在圆环上的绳系外沟槽8和定滑轮组3上，由动作绳系6、绳系外沟槽8和定滑轮组3构成闭锁绳系，定滑轮组3的转动轴由位于本发明同心转动关节关节外部的动力源驱动，动力源驱动定滑轮组3运动，由定滑轮组3驱动动作绳系6产生同心转动基体1转动所需的动力，实现同心转动基体1与关节支座2之间的转动。其中，动力源可以安置在本发明二维旋转自由度的同心转动关节的远端，这样可以大大减轻运动关节自身的重量和体积。

上述实施例中，如图3、图8所示，每组动作绳系6与同心转动基体1、定滑轮组3之间的连接关系为：动作绳系6的一端通过固定件固定在同心转动基体1的内壁面上，另一端依次缠绕在同心转动基体1上一圆环一侧的绳系外沟槽8、定滑轮组3、圆环另一侧的绳系外沟槽8，缠绕完成后动作绳系6另一端通过另一固定件固定在同心转动基体1的内壁面上。

上述实施例中，如图6～图8所示，同心转动基体1用于实现双轴转动功能，同心转动基体1由一个一体成型的转轴10构成，转轴10由两个圆环正交构成，其中一个圆环构成第一旋转轴，另一个圆环构成第二旋转轴，两个旋转轴的轴心重合。两个圆环的两端正交，位于其中一端正交位置，其中一个圆环上的绳系外沟槽8位于外侧，另一个圆环上的绳系外沟槽8位于内侧，即在该正交位置处设置有一通孔；另一端正交位置处的绳系外沟槽8设置与该端正交位置处绳系外沟槽8的设置相同。

上述各实施例中，如图5所示，每个关节支座2的两侧分别设置有用于动作绳系6穿过的通孔11。

上述各实施例中，每组动作绳系6都采用Kevla细绳，用于为同心转动基体1提供其转动所需的动力。

上述各实施例中，每组定滑轮组3都由三个并列设置的定滑轮构成，并在每个定滑轮的内侧都开设有沟槽，用于缠绕动作绳系6。位于中间的定滑轮为主动轮，通过外部的动力源驱动实现正反方向旋转；位于两侧的定滑轮为从动轮，用于支撑、传递和导向动作绳系6的作用。

综上所述，本发明二维旋转自由度的同心转动关节的机构运动原理是根据动作绳系被定滑轮组驱动，通过关节支座2与同心转动基体1之间配合实现转动功能，通过同心转动基体1正交结构的两个旋转轴可以实现二维转动功能。

本发明在使用时，为清楚描述使用过程，将本发明两个关节支座2分别命名为第一关节支座2和第二关节支座2。在初始位置时其中第一关节支座2处于固定约束状态、第二关节支座2处于自由状态，当动作绳系6在定滑轮组3的驱动下围绕第一旋转轴进行顺时针旋转，从而使与同心转动基体1连接的第二关节支座2一同绕第一旋转轴进行顺时针旋转，进而使同心转动关节的机构运动具有第一旋转轴单轴顺时针旋转的功能；同理，固定第一关节支座2，第二关节支座2处于自由状态，当动作绳系6在定滑轮组3的驱动下围绕第一旋转轴进行逆时针旋转，从而使与同心转动基体1连接的第二关节支座2一同绕第一旋转轴进行逆时针旋转，使同心转动关节的机构运动具有第一个转轴单轴逆时针旋转的功能。

同样，初始位置时第二关节支座2处于固定约束状态、第一关节支座2处于自由状态，当动作绳系6在定滑轮组3的驱动下围绕第二旋转轴进行顺时针旋转，从而使与同心转动基体1连接的第一关节支座2一同绕转轴10进行顺时针旋转，使同心转动关节的机构运动具有第二旋转轴单轴顺时针旋转的功能；同理，固定第二关节支座2，第一关节支座2处于自由状态，当动作绳系6在定滑轮组3的驱动下围绕第二旋转轴进行逆时针旋转，从而使与同心转动基体1连接的第一关节支座2一同绕第二旋转轴进行逆时针旋转，使同心转动关节的机构运动具有第二旋转轴单轴逆时针旋转的功能。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：它包括一个由两个圆环构成的同心转动基体、两个关节支座、两组动作绳系、两组滚珠组、两组定滑轮组和两组滚珠导向管组，每组所述滚珠导向管组都由两条导向管构成；

在所述同心转动基体每个圆环的外壁面上，位于外壁面两侧设置有两道滚珠外沟槽，位于所述两道滚珠外沟槽的中间位置处设置有一道绳系外沟槽；在所述同心转动基体每个圆环上还分别设置有一个所述关节支座，所述关节支座一端为弧形结构，所述关节支座另一端为与所述弧形结构一体成型的管状结构，在所述管状结构与所述弧形结构之间内部设置有两道用于滚珠滚动的通道，在所述管状结构的中空内设置有一组所述定滑轮组，所述定滑轮组通过转动轴安装在所述管状结构上；在所述关节支座弧形结构端内侧壁两侧设置有与所述两道滚珠外沟槽对应设置的两道滚珠内沟槽；在所述关节支座外侧壁上设置有所述两组滚珠导向管组，每条所述导向管的一端与一道所述滚珠内沟槽连通，所述导向管的另一端与一道所述通道连通；两道所述滚珠内沟槽分别与两道所述滚珠外沟槽构成两道滚珠滑道，每组所述滚珠组都嵌设在由所述滚珠滑道、滚珠导向管组和通道构成的闭合滚道内；每组所述动作绳系分别套设在所述圆环上的绳系外沟槽和定滑轮组上，所述动作绳系、绳系外沟槽和定滑轮组构成闭锁绳系，所述定滑轮组的转动轴由外部的动力源驱动。

2.如权利要求1所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述动作绳系与所述同心转动基体、定滑轮组之间的连接关系为：所述动作绳系的一端通过固定件固定在所述同心转动基体的内壁面上，另一端依次缠绕在所述同心转动基体上一圆环一侧的绳系外沟槽、定滑轮组、圆环另一侧的绳系外沟槽，且所述动作绳系另一端通过另一固定件固定在所述同心转动基体的内壁面上。

3.如权利要求1所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每个所述关节支座的两侧分别设置有用于动作绳系穿过的通孔。

4.如权利要求2所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每个所述关节支座的两侧分别设置有用于动作绳系穿过的通孔。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：所述同心转动基体由一个一体成型的转轴构成，所述转轴由两个所述圆环正交构成，其中一个所述圆环构成第一旋转轴，另一个所述圆环构成第二旋转轴，两个所述旋转轴的轴心重合；位于两个所述圆环的两端正交位置处，其中一个所述圆环上的绳系外沟槽位于外侧，另一个所述圆环上的绳系外沟槽由在该正交位置处设置的通孔形成。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述动作绳系都采用Kevla细绳。

7.如权利要求5所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述动作绳系都采用Kevla细绳。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述定滑轮组都由三个并列设置的定滑轮构成，并在每个所述定滑轮的内侧开设有沟槽；位于中间的所述定滑轮为主动轮，位于两侧的所述定滑轮为从动轮。

9.如权利要求5所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述定滑轮组都由三个并列设置的定滑轮构成，并在每个所述定滑轮的内侧开设有沟槽；位于中间的所述定滑轮为主动轮，位于两侧的所述定滑轮为从动轮。

10.如权利要求6所述的一种二维旋转自由度的同心转动关节，其特征在于：每组所述定滑轮组都由三个并列设置的定滑轮构成，并在每个所述定滑轮的内侧开设有沟槽；位于中间的所述定滑轮为主动轮，位于两侧的所述定滑轮为从动轮。