CN105459148A - 一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节 - Google Patents

Abstract

一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，它涉及一种适用于机器人的传动关节，以解决现有的驱动关节可靠性差、能量传输效率低以及影响机器人使用空间小的问题，它包括小臂和大臂；小臂包括小臂座、钢丝绳轮、螺母座、丝杠轴、丝杠副、电机、直线轴承座、直线轴承、钢丝绳和两个钢丝绳舵轮；大臂包括轴承座和大臂座；电机滑动安装在小臂座上，丝杠轴上固装有钢丝绳螺纹轮盘，钢丝绳螺纹轮盘布置在螺母座和直线轴承座之间，钢丝绳螺纹轮盘的两侧分别布置有一个钢丝绳舵轮，钢丝绳舵轮转动安装在小臂座上；小臂座通过安装在轴承座上的轴承与大臂座转动连接，钢丝绳轮安装在轴承座上。本发明用于机器人。

Description

一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节

技术领域

本发明涉及一种适用于机器人的传动关节，具体涉及一种高效率的能够自动补偿绳轮出绳点窜动的交叉轴钢丝传动关节。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人主要分为工业机器人、固定式机器人和移动式机器人。机器人结构的核心是机器人的关节，机器人的任何运动均有转动关节组成。工业机器人则完全由转动关节串联组成，由各个关节之间的联动实现机器人的各种位置和姿态，达到不同的效果。移动机器人分为足式和轮式，均需要转动关节作为驱动，并且机器人上的执行机构也需要转动关节来驱动，固定式的机器人也是如此。特别是现在一些新型的机器人比如外骨骼之类的对关节的尺寸，效率有着特殊要求的机器人，在转动关节的设计上更是需要注意。因此，机器人的转动关节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、为实现某特定功能而专门设计的，通常，电机轴均与转轴重合，但是由于电机自身的长度的限制，导致机器人的关节尺寸比较大，对机器人整体结构的影响也比较大，或者在关节处采取齿轮传动的方式将驱动装置放在机械臂中，但是由于使用了齿轮的传动机构，由于加工以及齿轮本身滑动传动的特点，会导致效率比较低。所以传统机器人旋转关节的尺寸也比较大，结构复杂，拆装维修困难。但是目前已有的驱动关节，一般电机轴线与机器人臂的关节轴线相垂直，一方面由于电机的配置需要空间，就会使杆件的横截面积增大，限制了机器人空间上使用；另一方面也会影响机器人杆件的美观程度。类似的许多关节装置，电机轴与杆件垂直，电机位置处的杆件体积较大。因此，这类关节不适合制造结构紧凑，关节数量多，并且要求传动比精确、可靠的场合。

除此之外，很多关节驱动机构，一般都是由多个关节、驱动器和传动机构组成的，目前公开的关节器的传动机构，其关节的活动都是由单独的齿轮等机械直接带动或者传动。目前公开的驱动机构，多是齿轮机构联合驱动，机械直接带动关节的运动，由于机件和机件之间总会有一定的间隙，影响关节线性地协调地运动，影响关节运动的正确性、稳定性、和可操作性。比如，涡流蜗杆的传动机构，能量传输效率太低，功率损耗太大，驱动器的能力不能充分的利用，再加上如前所说的问题，给比较精确的关节驱动机构，带来更多的麻烦。为解决以上的不足，在技术上可以采取一些补偿办法，但是它会使关节驱动器变的更加复杂。

发明内容

本发明是为解决现有的驱动关节可靠性差、能量传输效率低以及影响机器人使用空间小的问题，进而提供一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，它包括小臂和大臂；小臂包括小臂座、钢丝绳轮、螺母座、丝杠轴、丝杠副、电机、直线轴承座、直线轴承、钢丝绳和两个钢丝绳舵轮；大臂包括轴承座和大臂座；

电机滑动安装在小臂座上，电机沿电机轴的轴向移动，电机的输出端与丝杆轴的一端连接，直线轴承座安装在小臂座上，直线轴承安装在直线轴承座上，丝杠轴插装在直线轴承上，丝杠轴的另一端与丝杠副的丝杠连接，丝杠副的螺母布置在安装在小臂座上的螺母座上，丝杠轴上固装有钢丝绳螺纹轮盘，钢丝绳螺纹轮盘布置在螺母座和直线轴承座之间，钢丝绳螺纹轮盘的两侧分别布置有一个钢丝绳舵轮，钢丝绳舵轮转动安装在小臂座上；

小臂座通过安装在轴承座上的轴承与大臂座转动连接，钢丝绳轮安装在轴承座上，钢丝绳轮与小臂座相邻设置，钢丝绳的一端缠绕在钢丝绳螺纹轮盘上，钢丝绳的另一端依次绕过其中一个钢丝绳舵轮、钢丝绳轮和另一个钢丝绳舵轮后并在钢丝绳螺纹轮盘上绕制一圈固定在小臂座上。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

一、基于传统关节驱动的不足，本发明设计了具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节结构，利用电机带动钢丝绳轮驱动关节进行转动，关节转轴轴线和电机轴线之间有一定角度(多数情况为直角)，由于钢丝绳传动是静摩擦传动，因而效率较高，钢丝绳传动比取决于输入绳轮与输出绳轮的直径比，因而可以实现大的传动比，而且可以使钢丝的拉力较小，因而结构紧凑，传动误差较小。根据输入轮和输出轮上钢丝的缠绕方式，可以配比出不同的关节角度输出范围和传动比。

二、电机的轴配置方向与手臂杆件方向一致，使手臂杆件结构更为紧凑，增大了手臂的使用范围和空间，同时也更为美观。

三、采用滚珠丝丝杠和钢丝绳轮作为传动机构，传动效率较高，且比较可靠。

四、螺母转动可补偿丝杠轴旋转导致钢丝绳螺纹轮盘刚出线点产生的偏离距离，保证钢丝沿钢丝绳螺纹轮盘的螺纹线槽出线，而不会划出螺纹线槽，使传动比恒定，同时增强可靠性。

五、结构简单，易于使用。

六、可以实现比较大的传动比。

七、可以实现关节比较大的转动范围。

附图说明

图1是本发明的整体立体结构图；

图2是电机和滑动机构连接的立体结构放大图；

图3是舵轮轴、钢丝绳舵轮和舵轮座的立体结构放大图；

图4是丝杠轴的立体结构放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，它包括小臂和大臂；小臂包括小臂座A、钢丝绳轮I、螺母座D、丝杠轴F、丝杠副、电机G1、直线轴承座L、直线轴承M、钢丝绳H和两个钢丝绳舵轮E2；大臂包括轴承座C和大臂座B；

电机G1滑动安装在小臂座A上，电机G1沿电机轴的轴向移动，电机G1的输出端与丝杆轴F的一端连接，直线轴承座L安装在小臂座A上，直线轴承M安装在直线轴承座L上，丝杠轴F插装在直线轴承M上，丝杠轴F的另一端与丝杠副的丝杠F2连接，丝杠副的螺母J布置在安装在小臂座A上的螺母座D上，丝杠轴F上固装有钢丝绳螺纹轮盘F1，钢丝绳螺纹轮盘F1布置在螺母座D和直线轴承座L之间，钢丝绳螺纹轮盘F1的两侧分别布置有一个钢丝绳舵轮E2，钢丝绳舵轮E2转动安装在小臂座A上；

小臂座A通过安装在轴承座C上的轴承与大臂座B转动连接，钢丝绳轮I安装在轴承座C上，钢丝绳轮I与小臂座A相邻设置，钢丝绳H的一端缠绕在钢丝绳螺纹轮盘F1上，钢丝绳H的另一端依次绕过其中一个钢丝绳舵轮E2、钢丝绳轮I和另一个钢丝绳舵轮E2后并在钢丝绳螺纹轮盘F1上绕制一圈固定在小臂座A上。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的丝杠副为滚珠丝杠副。如此设置，传动效率高，运行稳定可靠。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的一种具有绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节还包括联轴器N，电机G1的输出端通过联轴器N与丝杠轴F连接。如此设置，提高轴系动态性能，运行稳定可靠。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的联轴器N为梅花联轴器。如此设置，结构简单紧凑，方便维修。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的一种具有绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节还包括滑动机构，滑动机构包括托架G2、滑块G3和导轨G4；导轨G4安装在小臂座A上，滑块G3滑动安装在导轨G4上，托架G2安装在滑块G3上，电机G1安装在托架G2上，滑块G3沿电机G1的轴向滑动。如此设置，结构简单，便于使用，满足电机轴向移动。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图3说明，本实施方式的一种具有绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节还包括舵轮座E3，舵轮座E3安装在小臂座A上，舵轮轴E1安装在舵轮座E3上，钢丝绳舵轮E2转动安装在舵轮轴E1上。如此设置，结构简单，运行稳定可靠。其它与具体实施方式五相同。

工作过程

本发明是一种新型钢丝驱动关节外骨骼手臂整体结构图如图1所示，电机G1转动通过联轴器N将电机转动传动给丝杠轴F，丝杠轴F带动钢丝绳H。钢丝绳螺纹轮盘F1上的绳槽为螺旋绳槽，拥有固定导程，钢丝绳H在钢丝绳螺纹轮盘F1第一圈中绕出，并通过钢丝舵轮E2带动钢丝绳轮I转动，再经过钢丝舵轮K2回到钢丝绳螺纹轮盘F1的最后一圈。钢丝绳轮I固接在小臂之上，导轮带动小臂绕轴O相对于大臂的转动，而实现了将电机的转动转换为小臂绕轴O的转动。在电机轴带动丝杠轴转动的过程中，由于钢丝绳螺纹轮盘F1的出现位置会前后移动(由于钢丝绳螺纹轮盘F1上的绳槽是有导程螺旋线，犹如螺纹一般)。为了保持钢丝舵轮E2的切线与钢丝绳螺纹轮盘F1第一圈螺纹槽相吻合和钢丝舵轮K的切线与钢丝绳螺纹轮盘F1的最后一圈螺纹槽相吻合，也就是使钢丝走向与钢丝绳螺纹轮盘F1槽螺纹走向一致，以免使钢丝脱离螺纹槽，引起钢丝松动，传动误差增大，受力波动。钢丝绕螺纹槽出线，当钢丝绳螺纹轮盘F1转动时，钢丝绳的出线点会沿螺线轴向偏移，从而偏离线Q，同理入线也会偏离线P,此时也会造成钢丝脱离螺纹槽，引起钢丝松动，传动误差增大，受力波动等问题。因此，本发明采用了丝杠螺母机构，使丝杠轴轴向移动，补偿由于钢丝绳螺纹轮盘F1转动，第一圈钢丝绳出线偏离Q的的距离，使钢丝绳仍然沿线Q出线，沿线P入线。丝杠一般采用滚珠丝杠，以获得较高的传动效率。由于丝杠轴沿轴向移动，且电机G1与丝杠轴F是刚性连接，因此电机也会轴向移动。本发明中采用了滑动式的电机G1,该电机相对固连在小臂座A上的导轨G4可以轴向移动，而无法周向转动。因此，在电机驱动丝杠轴F转动过程中，电机G1和丝杠轴F会在丝杠副的作用下轴向移动，以保持钢丝绳螺纹轮盘F1上的钢丝绳沿线Q出线，沿线P入线(补偿钢丝绳螺纹轮盘F1在转动过程中出线点的轴向窜动)。钢丝绳舵轮E2的作用是保证钢丝绳螺纹轮盘F1和钢丝绳轮I，并且保证钢丝绳舵轮E2上的钢丝绳在同一平面上，使得钢丝绳只受拉力。同时调节钢丝绳舵轮E2的角度和位置可以实现输入的钢丝绳螺纹轮盘F1和输出的钢丝绳轮I轴线呈任意角度。

托架G2与小臂座A固连在一起，将电机G1与托架G2和滑块G3固连，滑块G3在导轨G4上滑动，使电机G1与托架G2之间能沿着丝杠轴方向运动，而不能产生周向运动。电机G1的输出轴通过联轴器N与丝杠轴F刚性连接，丝杠轴F用直线轴承座支撑以提高丝杠轴的支撑刚度，保证轴与电机的同心度。最后丝杠d与螺母J相配合。两个钢丝绳舵轮E2与小臂座A固连在一起，其大致位置位于丝杠起始螺纹处。小臂与大臂在图1所示轴O处关节通过轴链接在一起。

Claims (6)

1.一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：它包括小臂和大臂；

小臂包括小臂座(A)、钢丝绳轮(I)、螺母座(D)、丝杠轴(F)、丝杠副、电机(G1)、直线轴承座(L)、直线轴承(M)、钢丝绳(H)和两个钢丝绳舵轮(E2)；大臂包括轴承座(C)和大臂座(B)；

电机(G1)滑动安装在小臂座(A)上，电机(G1)沿电机轴的轴向移动，电机(G1)的输出端与丝杆轴(F)的一端连接，直线轴承座(L)安装在小臂座(A)上，直线轴承(M)安装在直线轴承座(L)上，丝杠轴(F)插装在直线轴承(M)上，丝杠轴(F)的另一端与丝杠副的丝杠(F2)连接，丝杠副的螺母(J)布置在安装在小臂座(A)上的螺母座(D)上，丝杠轴(F)上固装有钢丝绳螺纹轮盘(F1)，钢丝绳螺纹轮盘(F1)布置在螺母座(D)和直线轴承座(L)之间，钢丝绳螺纹轮盘(F1)的两侧分别布置有一个钢丝绳舵轮(E2)，钢丝绳舵轮(E2)转动安装在小臂座(A)上；

小臂座(A)通过安装在轴承座(C)上的轴承与大臂座(B)转动连接，钢丝绳轮(I)安装在轴承座(C)上，钢丝绳轮(I)与小臂座(A)相邻设置，钢丝绳(H)的一端缠绕在钢丝绳螺纹轮盘(F1)上，钢丝绳(H)的另一端依次绕过其中一个钢丝绳舵轮(E2)、钢丝绳轮(I)和另一个钢丝绳舵轮(E2)后并在钢丝绳螺纹轮盘(F1)上绕制一圈固定在小臂座(A)上。

2.根据权利要求1所述的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：丝杠副为滚珠丝杠副。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：它还包括联轴器(N)，电机(G1)的输出端通过联轴器(N)与丝杠轴(F)连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：联轴器(N)为梅花联轴器。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：它还包括滑动机构，滑动机构包括托架(G2)、滑块(G3)和导轨(G4)；导轨(G4)安装在小臂座(A)上，滑块(G3)滑动安装在导轨(G4)上，托架(G2)安装在滑块(G3)上，电机(G1)安装在托架(G2)上，滑块(G3)沿电机(G1)的轴向滑动。

6.根据权利要求5所述的一种具有出绳点窜动补偿功能的钢丝传动关节，其特征在于：它还包括舵轮座(E3)，舵轮座(E3)安装在小臂座(A)上，舵轮轴(E1)安装在舵轮座(E3)上，钢丝绳舵轮(E2)转动安装在舵轮轴(E1)上。