CN105479485B - 一种钢丝传动串联柔性驱动关节 - Google Patents

Abstract

一种钢丝传动串联柔性驱动关节，它涉及一种机器人驱动关节，本发明的换向小锥齿轮与行星减速器的输出轴键连接，换向大锥齿轮与换向小锥齿轮啮合，换向大锥齿轮与小绳轮键连接，传动钢丝绳的一端缠绕在小绳轮上、另一端绕过大绳轮后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮上，大绳轮与大绳轮轴键连接，绳预紧装置位于平面上方，绳预紧装置和大绳轮的平面一端设置在倒U型拨叉的倒U型槽中，关节驱动组件设置在支撑底板的一侧端面上，外部支撑壳体扣合在支撑底板上，且输出杆外露在支撑底板和外部支撑壳体的外面，两个小绳轮支撑轴承和大绳轮轴支撑轴承分别支撑在相对应的支撑底板和外部支撑壳体上。本发明用于机器人的关节部位。

Description

一种钢丝传动串联柔性驱动关节

技术领域

本发明涉及一种机器人驱动关节，具体涉及一种钢丝传动串联柔性驱动关节。

背景技术

机器人驱动关节是机器人整体系统中至关重要的组成模块，而柔性驱动关节可以有效的减小冲击，提高机器人使用寿命，并且具有良好的人机交互性，因此基于柔性驱动的关节设计逐渐兴起。串联柔性驱动方式具有自然柔顺性，生物力学类似特性以及较好的缓冲功能等优点，所以在仿生机器人、康复机器人、外骨骼机器以及人机交互性较强的领域得到了广泛的应用。传统的串联柔性驱动关节需要专门串联一个柔性部件，整体结构冗余，关节重量较大，结构适应性也较差，同时难以实现精确的力控制，关节的稳定性与精度较差。因此，随着柔性驱动关节技术的发展，提高关节的适应性、精度与稳定性，此外配合柔性控制方法，可以有效的提高机器人的关节性能。

发明内容

本发明为解决现有串联柔性驱动关节结构冗余、质量大、空间适应性差、运动稳定性差的问题，而提供一种钢丝传动串联柔性驱动关节。

本发明的一种钢丝传动串联柔性驱动关节包括支撑底板、关节驱动组件和外部支撑壳体，关节驱动组件包括驱动电机、行星减速器、支撑法兰、换向小锥齿轮、传动钢丝绳、换向大锥齿轮、小绳轮、大绳轮、大绳轮轴、输出件、绳预紧装置、两个小绳轮支撑轴承和两个大绳轮轴支撑轴承，输出件由倒U型拨叉和输出杆组成，倒U型拨叉的倒U型壁下端设有安装槽，输出杆设置在倒U型拨叉的上面，输出杆与倒U型拨叉的一侧倒U型壁正对，倒U型拨叉与输出杆制成一体，行星减速器的输入端与驱动电机的输出端连接，行星减速器固定在支撑法兰上，支撑法兰固定在支撑底板上，换向小锥齿轮与行星减速器的输出轴键连接，换向大锥齿轮与换向小锥齿轮啮合，换向大锥齿轮与小绳轮键连接，小绳轮的两端分别支撑在相对应的小绳轮支撑轴承中，传动钢丝绳的一端缠绕在小绳轮上，传动钢丝绳的另一端绕过大绳轮后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮上，大绳轮与大绳轮轴键连接，大绳轮轴的两端分别支撑在相对应的大绳轮轴支撑轴承中，大绳轮为轮辐式构型，大绳轮的圆周上设有一平面，绳预紧装置位于平面上方，绳预紧装置和大绳轮的平面一端设置在倒U型拨叉的倒U型槽中，且大绳轮轴位于安装槽中，关节驱动组件设置在支撑底板的一侧端面上，外部支撑壳体扣合在支撑底板上，且输出杆外露在支撑底板和外部支撑壳体的外面，两个小绳轮支撑轴承和大绳轮轴支撑轴承分别支撑在相对应的支撑底板1和外部支撑壳体上。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

一、本发明设计了轮辐式的大绳轮，利用其结构自身轮辐的微变形实现串联柔性，同时通过检测轮辐的变形将大绳轮本身作为力矩传感器，从而实现关节的反向驱动。通过“一件多用”的形式，实现了关节的柔性驱动与反向驱动，提高了结构的紧凑度。

二、本发明通过改变大绳轮的外圆形状与输出端相对于大绳轮的位置便可以调节所需的关节输出运动范围。

三、采用高速端齿轮加末端钢丝绳传动的形式，提高输出轴运动的稳定性，同时减小齿轮组所受的载荷，减少了齿轮的级数与体积，整体上减轻了关节重量，也提高了整体结构的紧凑性。

四、整体电机组件可以绕大锥齿轮的轴心转动布置，同时大绳轮可以绕大绳轮轴心转动布置，关节结构外形的适应性很强。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的分解立体图；

图3是关节驱动组件的结构立体图；

图4是驱动电机2、行星减速器3、支撑法兰4、换向小锥齿轮5、换向大锥齿轮8、小绳轮9和两个小绳轮支撑轴承6的连接关系示意图；

图5是传动钢丝绳7、换向大锥齿轮8、小绳轮9、大绳轮10、大绳轮轴11、输出件13、绳预紧装置14、两个小绳轮支撑轴承6和两个大绳轮轴支撑轴承12的连接关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式包括支撑底板1、关节驱动组件和外部支撑壳体15，关节驱动组件包括驱动电机2、行星减速器3、支撑法兰4、换向小锥齿轮5、传动钢丝绳7、换向大锥齿轮8、小绳轮9、大绳轮10、大绳轮轴11、输出件13、绳预紧装置14、两个小绳轮支撑轴承6和两个大绳轮轴支撑轴承12，输出件13由倒U型拨叉13-1和输出杆13-2组成，倒U型拨叉13-1的倒U型壁下端设有安装槽13-1-1，输出杆13-2设置在倒U型拨叉13-1的上面，输出杆13-2与倒U型拨叉13-1的一侧倒U型壁正对，倒U型拨叉13-1与输出杆13-2制成一体，行星减速器3的输入端与驱动电机2的输出端连接，行星减速器3固定在支撑法兰4上，支撑法兰4固定在支撑底板1上，换向小锥齿轮5与行星减速器3的输出轴键连接，换向大锥齿轮8与换向小锥齿轮5啮合，换向大锥齿轮8与小绳轮9键连接，小绳轮9的两端分别支撑在相对应的小绳轮支撑轴承6中，传动钢丝绳7的一端缠绕在小绳轮9上，传动钢丝绳7的另一端绕过大绳轮10后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮9上，即传动钢丝绳7的两个固定端都在小绳轮9上，大绳轮10与大绳轮轴11键连接，大绳轮轴11的两端分别支撑在相对应的大绳轮轴支撑轴承12中，大绳轮10为轮辐式构型，大绳轮10的圆周上设有一平面10-1，绳预紧装置14位于平面10-1上方，绳预紧装置14和大绳轮10的平面10-1一端设置在倒U型拨叉13-1的倒U型槽中，且大绳轮轴11位于安装槽13-1-1中，关节驱动组件设置在支撑底板1的一侧端面上，外部支撑壳体15扣合在支撑底板1上，且输出杆13-2外露在支撑底板1和外部支撑壳体15的外面，两个小绳轮支撑轴承6和大绳轮轴支撑轴承12分别支撑在相对应的支撑底板1和外部支撑壳体15上。

由于大绳轮10的轮辐式构型，受到传动钢丝绳7作用的外圈与输出件13相连的内圈在运动过程中会有相对的微转动(即大绳轮10的轮辐变形)，从而使输出具有柔性特点。

此外，通过检测轮辐上的变形量可以得知大绳轮10的负载转矩，即大绳轮10本身可以作为转矩传感器使用，从而经过控制器可以实现关节的反向驱动。

通过设计大绳轮10外圆的形状与改变输出件13在大绳轮10上的安装位置可以调节输出件13的所需转动角度。

可以根据需求合理选择驱动电机2、行星减速器3、换向小锥齿轮5、换向大锥齿轮8、小绳轮9、大绳轮10的配比，调整整体的传动比，进而满足负载输出端转动与转矩的需求。

驱动电机2、行星减速器3、支撑法兰4、换向小锥齿轮5所组成整体的安装位置可以绕换向大锥齿轮8的轴心转动布置；小绳轮9相对于大绳轮10的安装位置也可以绕大绳轮10的轴心转动布置，因此，整体关节外形适应性很强。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的小绳轮9上设有小绳轮螺旋槽9-1，小绳轮螺旋槽9-1的起始位置和末尾位置分别设有传动绳固定孔9-2。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的大绳轮10上设有大绳轮螺旋槽10-2。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的传动钢丝绳7在小绳轮9和大绳轮10上的缠绕方法：步骤一、传动钢丝绳7的一端固定在小绳轮9起始位置的传动绳固定孔9-2中；步骤二、传动钢丝绳7的另一端在小绳轮螺旋槽9-1中缠绕一圈后，绕到大绳轮10上；步骤三、在大绳轮螺旋槽10-2中缠绕一圈后，绕回小绳轮9上；步骤四、传动钢丝绳7在小绳轮9上缠绕第二圈，重复步骤二、三；步骤五、传动钢丝绳7的末尾端固定在小绳轮9末尾位置的传动绳固定孔9-2中。这样缠绕可实现正反双向驱动。其它组成及连接关系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，本实施方式的传动钢丝绳7在小绳轮螺旋槽9-1中缠绕2圈～5圈。缠绕圈数是根据传动钢丝绳7的强度来决定。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的传动钢丝绳7在小绳轮螺旋槽9-1中缠绕3圈。这个缠绕圈数为小绳轮9通过传动钢丝绳7带动大绳轮10转动的推荐最优圈数。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六不同的是它还增加有小绳轮轴承垫圈16，小绳轮轴承垫圈16设置在换向大锥齿轮8与小绳轮支撑轴承6之间，且小绳轮轴承垫圈16套装在小绳轮9上。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同的是它还增加有大绳轮轴承垫圈17，大绳轮轴承垫圈17设置在大绳轮10与大绳轮轴支撑轴承12之间，且大绳轮轴承垫圈17套装在大绳轮轴11上。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

工作原理：当驱动电机2工作时，通过行星减速器3带动换向小锥齿轮5转动，换向大锥齿轮8通过与小锥齿轮5相互啮合实现垂直换向转动，并带动小绳轮9转动，小绳轮9通过传动绳15带动大绳轮10转动，从而实现输出件13的转动。

Claims (6)

1.一种钢丝传动串联柔性驱动关节，它包括支撑底板(1)、关节驱动组件和外部支撑壳体(15)，关节驱动组件包括驱动电机(2)、行星减速器(3)、支撑法兰(4)、换向小锥齿轮(5)、传动钢丝绳(7)、换向大锥齿轮(8)、小绳轮(9)、大绳轮(10)、大绳轮轴(11)、输出件(13)、绳预紧装置(14)、两个小绳轮支撑轴承(6)和两个大绳轮轴支撑轴承(12)，输出件(13)由倒U型拨叉(13-1)和输出杆(13-2)组成，倒U型拨叉(13-1)的倒U型壁下端设有安装槽(13-1-1)，输出杆(13-2)设置在倒U型拨叉(13-1)的上面，输出杆(13-2)与倒U型拨叉(13-1)的一侧倒U型壁正对，倒U型拨叉(13-1)与输出杆(13-2)制成一体，行星减速器(3)的输入端与驱动电机(2)的输出端连接，行星减速器(3)固定在支撑法兰(4)上，支撑法兰(4)固定在支撑底板(1)上，换向小锥齿轮(5)与行星减速器(3)的输出轴键连接，换向大锥齿轮(8)与换向小锥齿轮(5)啮合，换向大锥齿轮(8)与小绳轮(9)键连接，小绳轮(9)的两端分别支撑在相对应的小绳轮支撑轴承(6)中，传动钢丝绳(7)的一端缠绕在小绳轮(9)上，传动钢丝绳(7)的另一端绕过大绳轮(10)后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮(9)上，大绳轮(10)与大绳轮轴(11)键连接，大绳轮轴(11)的两端分别支撑在相对应的大绳轮轴支撑轴承(12)中，其特征在于：大绳轮(10)为轮辐式构型，大绳轮(10)的圆周上设有一平面(10-1)，绳预紧装置(14)位于平面(10-1)上方，绳预紧装置(14)和大绳轮(10)的平面(10-1)一端设置在倒U型拨叉(13-1)的倒U型槽中，且大绳轮轴(11)位于安装槽(13-1-1)中，关节驱动组件设置在支撑底板(1)的一侧端面上，外部支撑壳体(15)扣合在支撑底板(1)上，且输出杆(13-2)外露在支撑底板(1)和外部支撑壳体(15)的外面，两个小绳轮支撑轴承(6)和大绳轮轴支撑轴承(12)分别支撑在相对应的支撑底板(1)和外部支撑壳体(15)上；所述柔性驱动关节还包括小绳轮轴承垫圈(16)，所述小绳轮轴承垫圈(16)设置在换向大锥齿轮(8)与小绳轮支撑轴承(6)之间，且小绳轮轴承垫圈(16)套装在小绳轮(9)上；所述柔性驱动关节还包括大绳轮轴承垫圈(17)，所述大绳轮轴承垫圈(17)设置在大绳轮(10)与大绳轮轴支撑轴承(12)之间，且大绳轮轴承垫圈(17)套装在大绳轮轴(11)上。

2.根据权利要求1所述一种钢丝传动串联柔性驱动关节，其特征在于：所述小绳轮(9)上设有小绳轮螺旋槽(9-1)，小绳轮螺旋槽(9-1)的起始位置和末尾位置分别设有传动绳固定孔(9-2)。

3.根据权利要求2所述一种钢丝传动串联柔性驱动关节，其特征在于：所述大绳轮(10)上设有大绳轮螺旋槽(10-2)。

4.根据权利要求3所述一种钢丝传动串联柔性驱动关节，其特征在于：所述传动钢丝绳(7)在小绳轮(9)和大绳轮(10)上的缠绕方法：步骤一、传动钢丝绳(7)的一端固定在小绳轮(9)起始位置的传动绳固定孔(9-2)中；步骤二、传动钢丝绳(7)的另一端在小绳轮螺旋槽(9-1)中缠绕一圈后，绕到大绳轮(10)上；步骤三、在大绳轮螺旋槽(10-2)中缠绕一圈后，绕回小绳轮(9)上；步骤四、传动钢丝绳(7)在小绳轮(9)上缠绕第二圈，重复步骤二、三；步骤五、传动钢丝绳(7)的末尾端固定在小绳轮(9)末尾位置的传动绳固定孔(9-2)中。

5.根据权利要求4所述一种钢丝传动串联柔性驱动关节，其特征在于：所述传动钢丝绳(7)在小绳轮螺旋槽(9-1)中缠绕2圈～5圈。

6.根据权利要求5所述一种钢丝传动串联柔性驱动关节，其特征在于：所述传动钢丝绳(7)在小绳轮螺旋槽(9-1)中缠绕3圈。