CN105538337A - 一种高精度钢丝绳垂直传动关节 - Google Patents

一种高精度钢丝绳垂直传动关节 Download PDF

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Abstract

一种高精度钢丝绳垂直传动关节，它涉及一种机器人驱动关节，本发明的底板侧大绳轮盘和外壳侧大绳轮盘设置在大绳轮轴的两端，小绳轮上设有上螺旋槽和下螺旋槽，上螺旋槽与下螺旋槽的旋向相反，底板侧传动钢丝绳的一端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔中，底板侧传动钢丝绳的另一端缠绕在上螺旋槽后沿切线方向绕出并固定在底板侧传动钢丝绳末尾固定孔中，外壳侧传动钢丝绳的一端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔中，外壳侧传动钢丝绳的另一端缠绕后在下螺旋槽后沿切线方向绕出并固定在外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔中，壳体与底板扣合设置，关节驱动组件设置在壳体与底板形成的腔体内。本发明用于机器人的关节部位。

Description

一种高精度钢丝绳垂直传动关节
技术领域
本发明涉及一种机器人驱动关节，具体涉及一种高精度钢丝绳垂直传动关节。
背景技术
垂直传动是电机驱动的机器人运动关节中常见的一种传动形式，当前最为普遍的是通过齿轮换向实现垂直传动。然而，采用单级锥齿轮传动的传动比较小，多级传动又会导致重量的增大与效率的降低；采用蜗轮蜗杆传动的传动效率低，发热大；此外，加工高精度齿轮的成本也较高，所以传统的齿轮换向实现垂直传动并不能够很好的适用于所有工况。高精度钢丝绳传动具有抗冲击性好、传动比大、传动精度高、成本低等优点，但单根钢丝绳传动只能单向出力。因此现有通过钢丝绳实现垂直传动的运动关节为了实现双向出力，会设计较多组件，使得整体结构复杂，灵活性差。
发明内容
本发明为解决现有垂直传动运动关节结构冗余、质量大、效率低、灵活性差的问题，而提供一种高精度钢丝绳垂直传动关节。
本发明的一种高精度钢丝绳垂直传动关节包括底板、关节驱动组件和壳体，关节驱动组件包括驱动电机、支撑法兰、联轴器、小绳轮、底板侧调节套筒、外壳侧调节套筒、底板侧大绳轮盘、外壳侧大绳轮盘、外壳侧传动钢丝绳、底板侧传动钢丝绳、大绳轮轴、两个支撑轴承和两个安装键，驱动电机固定在支撑法兰上，联轴器的一端与驱动电机的输出轴连接，联轴器的另一端与小绳轮的输入端连接，底板侧大绳轮盘和外壳侧大绳轮盘分别设置在大绳轮轴的两端，底板侧大绳轮盘和外壳侧大绳轮盘与大绳轮轴均通过安装键连接，底板侧大绳轮盘的内侧端面设有底板侧钢丝绳展开槽，外壳侧大绳轮盘的内侧端面设有外壳侧钢丝绳展开槽，大绳轮轴的两端分别支撑在相对应的支撑轴承中，底板侧调节套筒套装在大绳轮轴上并置于底板侧大绳轮盘与底板侧支撑轴承之间，外壳侧调节套筒套装在大绳轮轴上并置于外壳侧大绳轮盘与外壳侧支撑轴承之间，小绳轮上设有上螺旋槽和下螺旋槽，上螺旋槽与下螺旋槽的旋向相反，上螺旋槽和下螺旋槽以大绳轮轴的轴线为中心对称布置，上螺旋槽的起始端设有底板侧传动钢丝绳起始固定孔，下螺旋槽的起始端设有外壳侧传动钢丝绳起始固定孔，底板侧钢丝绳展开槽的末端设有底板侧传动钢丝绳末尾固定孔，外壳侧钢丝绳展开槽的末端设有外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔，底板侧传动钢丝绳的一端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔中，底板侧传动钢丝绳的另一端缠绕在上螺旋槽后沿切线方向绕出并固定在底板侧传动钢丝绳末尾固定孔中，外壳侧传动钢丝绳的一端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔中，外壳侧传动钢丝绳的另一端缠绕后在下螺旋槽后沿切线方向绕出并固定在外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔中，壳体与底板扣合设置，关节驱动组件设置在壳体与底板形成的腔体内，且支撑法兰固定在底板上，两个支撑轴承分别支撑在相对应的底板和壳体上。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
一、本发明通过合理设计小绳轮与大绳轮盘的螺旋线实现垂直传动，整体结构紧凑，重量轻，整体灵活度高。
二、钢丝绳传动方式在可以实现较大传动比的同时又能保证传动的效率与精度，此外还可以承受较大的转矩与冲击。
三、通过配套调整小绳轮与大绳轮盘的螺旋线可以针对性的改变本发明关节的传动比。
四、本发明的关节可以实现双向传动。
附图说明
图1是本发明高精度钢丝绳垂直传动关节的整体结构立体图；
图2是图1的分解立体图；
图3是高精度钢丝绳垂直传动关节内部装配立体图；
图4是小绳轮5与底板侧大绳轮盘9的配合传动示意图；
图5是小绳轮5与外壳侧大绳轮盘10的配合传动示意图；
图6是底板侧转动输出杆9-2位于极限位置I时，外壳侧传动钢丝绳12和底板侧传动钢丝绳13的传动原理图；
图7是底板侧转动输出杆9-2位于极限位置II时，外壳侧传动钢丝绳12和底板侧传动钢丝绳13的传动原理图；
图8是底板侧转动输出杆9-2位于极限位置I与限位置II之间的任意中间位置时，外壳侧传动钢丝绳12和底板侧传动钢丝绳13的传动原理图。
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，本实施方式包括底板1、关节驱动组件A和壳体15，关节驱动组件A包括驱动电机2、支撑法兰3、联轴器4、小绳轮5、底板侧调节套筒7、外壳侧调节套筒8、底板侧大绳轮盘9、外壳侧大绳轮盘10、外壳侧传动钢丝绳12、底板侧传动钢丝绳13、大绳轮轴14、两个支撑轴承6和两个安装键11，驱动电机2固定在支撑法兰3上，联轴器4的一端与驱动电机2的输出轴连接，联轴器4的另一端与小绳轮5的输入端连接，底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10分别设置在大绳轮轴14的两端，底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10与大绳轮轴14均通过安装键11连接，底板侧大绳轮盘9的内侧端面设有底板侧钢丝绳展开槽9-1-1，外壳侧大绳轮盘10的内侧端面设有外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1，大绳轮轴14的两端分别支撑在相对应的支撑轴承6中，底板侧调节套筒7套装在大绳轮轴14上并置于底板侧大绳轮盘9与底板侧支撑轴承6之间，外壳侧调节套筒8套装在大绳轮轴14上并置于外壳侧大绳轮盘10与外壳侧支撑轴承6之间，小绳轮5上设有上螺旋槽5-1和下螺旋槽5-2，上螺旋槽5-1与下螺旋槽5-2的旋向相反，上螺旋槽5-1和下螺旋槽5-2以大绳轮轴14的轴线N-N为中心对称布置，上螺旋槽5-1的起始端设有底板侧传动钢丝绳起始固定孔5-1-1，下螺旋槽5-2的起始端设有外壳侧传动钢丝绳起始固定孔5-2-1，底板侧钢丝绳展开槽9-1-1的末端设有底板侧传动钢丝绳末尾固定孔9-1-2，外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1的末端设有外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔10-1-2，底板侧传动钢丝绳13的一端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔5-1-1中，底板侧传动钢丝绳13的另一端缠绕在上螺旋槽5-1后沿切线方向绕出并固定在底板侧传动钢丝绳末尾固定孔9-1-2中，外壳侧传动钢丝绳12的一端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔5-2-1中，外壳侧传动钢丝绳12的另一端缠绕后在下螺旋槽5-2后沿切线方向绕出并固定在外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔10-1-2中，底板侧大绳轮盘9由底板侧大绳轮盘本体9-1和底板侧转动输出杆9-2组成，底板侧转动输出杆9-2的一端与底板侧大绳轮盘本体9-1的外圆边相连，底板侧转动输出杆9-2的另一端伸出于底板1与外壳15组成的腔体外，壳体15与底板1扣合设置，关节驱动组件A设置在壳体15与底板1形成的腔体内，且支撑法兰3固定在底板1上，两个支撑轴承6分别支撑在相对应的底板1和壳体15上。
依据需要配套设计上螺旋槽5-1、下螺旋槽5-2、底板侧钢丝绳展开槽9-1-1和外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1的长度，可以调整垂直传动关节的传动比，以获得所需的最佳值。
可以根据需要合理选择驱动电机2，还可以配套行星减速器以满足整体负载端转动与转矩需求。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的底板侧钢丝绳展开槽9-1-1分为底板侧变径圆弧段9-1-1-1和底板侧直线段9-1-1-2。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4说明本实施方式，本实施方式的底板侧钢丝绳展开槽9-1-1的展开长度与上螺旋槽5-1的展开长度相等。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5说明本实施方式，本实施方式的外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1分为外壳侧变径圆弧段10-1-1-1和外壳侧直线段10-1-1-2。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5说明本实施方式，本实施方式的外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1的展开长度与下螺旋槽5-2的展开长度相等。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、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的底板侧变径圆弧段9-1-1-1和外壳侧变径圆弧段10-1-1-1以大绳轮轴14的轴线N-N为中心对称布置。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6和图7说明本实施方式，本实施方式的底板侧传动钢丝绳13和外壳侧传动钢丝绳12在小绳轮5、底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10上的缠绕方法：一、当底板侧转动输出杆9-2位于左侧水平位置时：底板侧传动钢丝绳13的起始端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔5-1-1中，底板侧传动钢丝绳13沿上螺旋槽5-1缠绕一圈后沿切线方向绕出上螺旋槽5-1，然后依次进入底板侧直线段9-1-1-2和底板侧变径圆弧段9-1-1-1中，底板侧传动钢丝绳13的末端固定于底板侧传动钢丝绳末尾固定孔9-1-2中，见图6，外壳侧传动钢丝绳12的起始端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔5-2-1中，外壳侧传动钢丝绳12沿下螺旋槽5-2缠绕三圈后沿切线方向绕出下螺旋槽5-2，外壳侧传动钢丝绳12的末端固定于外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔10-1-2中；二、当底板侧转动输出杆9-2位于右侧水平位置时：底板侧传动钢丝绳13的起始端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔5-1-1中，底板侧传动钢丝绳13沿上螺旋槽5-1缠绕三圈后沿切线方向绕出上螺旋槽5-1，底板侧传动钢丝绳13的末端固定于底板侧传动钢丝绳末尾固定孔9-1-2中，见图7，外壳侧传动钢丝绳12的起始端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔5-2-1中，外壳侧传动钢丝绳12沿下螺旋槽5-2缠绕一圈后沿切线方向绕出下螺旋槽5-2，然后依次进入外壳侧直线段10-1-1-2和外壳侧变径圆弧段10-1-1-1中，外壳侧传动钢丝绳12的末端固定于外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔10-1-2中，见图7。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5说明本实施方式，本实施方式的外壳侧大绳轮盘10由外壳侧大绳轮盘本体10-1和外壳侧转动输出杆10-2组成，外壳侧转动输出杆10-2的一端与外壳侧大绳轮盘本体10-1的外圆边相连，外壳侧转动输出杆10-2的另一端伸出于底板1与外壳15组成的腔体外。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式为关节驱动组件A还包括连接杆16，连接杆16设置在底板侧转动输出杆9-2与外壳侧转动输出杆10-2之间，连接杆16的一端与底板侧转动输出杆9-2固接，连接杆16的另一端与外壳侧转动输出杆10-2固接。这样设计可以提高输出运动的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一和八相同。
工作原理：
当驱动电机2工作时，通过联轴器4带动小绳轮5转动，小绳轮5通过底板侧传动钢丝绳13和外壳侧传动钢丝绳12带动底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10转动，从而实现底板侧转动输出杆9-2的转动。
⑴、当底板侧转动输出杆9-2位于左侧水平位置时(即底板侧转动输出杆9-2位于极限位置I)，传动方式I为：
小绳轮5按照图6中a的方向转动，拉动底板侧传动钢丝绳13，从而带动底板侧大绳轮盘9沿图6中的顺时针方向转动，由于底板侧大绳轮盘9与外壳侧大绳轮盘10一起通过轴键方式连接在大绳轮轴14上，故底板侧大绳轮盘9的转动带动外壳侧大绳轮盘10同向转动，进而外壳侧大绳轮盘10拉动外壳侧传动钢丝绳12从小绳轮5上放出。
由于底板侧钢丝绳展开槽9-1-1与外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1以大绳轮轴14的轴线N-N为中心对称布置，并且底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10的角速度相同，所以此时拉动底板侧大绳轮盘9上的底板侧传动钢丝绳13与外壳侧大绳轮盘10拉动外壳侧传动钢丝绳12的运动线速度是相同的，即小绳轮5拉动的底板侧传动钢丝绳13与拉动小绳轮5的外壳侧传动钢丝绳12的运动线速度是相同的，所以两者不会干涉整体传动结构的正常运动。
⑵、当底板侧转动输出杆9-2位于右侧水平位置时，(即底板侧转动输出杆9-2位于极限位置Ⅱ)，传动方式Ⅱ为：
小绳轮5按照图7中b的方向转动，拉动外壳侧传动钢丝绳12，从而带动外壳侧大绳轮盘10沿图7中的逆时针方向转动，由于外壳侧大绳轮盘10与底板侧大绳轮盘9一起通过轴键方式连接在大绳轮轴14上，故外壳侧大绳轮盘10的转动带动底板侧大绳轮盘9同向转动，进而底板侧大绳轮盘9拉动底板侧传动钢丝绳13从小绳轮5上放出。
同理，由于底板侧钢丝绳展开槽9-1-1与外壳侧钢丝绳展开槽10-1-1以大绳轮轴14的轴线N-N为中心对称布置，并且底板侧大绳轮盘9和外壳侧大绳轮盘10的角速度相同，所以此时拉动外壳侧大绳轮盘10上的外壳侧传动钢丝绳12与底板侧大绳轮盘9拉动底板侧传动钢丝绳13的运动线速度是相同的，即小绳轮5拉动的外壳侧传动钢丝绳12与拉动小绳轮5的底板侧传动钢丝绳13的运动线速度是相同的，所以两者不会干涉整体传动结构的正常运动。
⑶、当底板侧转动输出杆9-2位于极限位置I与限位置II之间的任意中间位置时，见图8：
既可以按照上述传动方式I运动也可以按照传动方式II运动，或者将传动方式I与传动方式II任意组合运动。

Claims (9)

1.一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述高精度钢丝绳垂直传动关节包括底板(1)、关节驱动组件(A)和壳体(15)，关节驱动组件(A)包括驱动电机(2)、支撑法兰(3)、联轴器(4)、小绳轮(5)、底板侧调节套筒(7)、外壳侧调节套筒(8)、底板侧大绳轮盘(9)、外壳侧大绳轮盘(10)、外壳侧传动钢丝绳(12)、底板侧传动钢丝绳(13)、大绳轮轴(14)、两个支撑轴承(6)和两个安装键(11)，驱动电机(2)固定在支撑法兰(3)上，联轴器(4)的一端与驱动电机(2)的输出轴连接，联轴器(4)的另一端与小绳轮(5)的输入端连接，底板侧大绳轮盘(9)和外壳侧大绳轮盘(10)分别设置在大绳轮轴(14)的两端，底板侧大绳轮盘(9)和外壳侧大绳轮盘(10)与大绳轮轴(14)均通过安装键(11)连接，底板侧大绳轮盘(9)的内侧端面设有底板侧钢丝绳展开槽(9-1-1)，外壳侧大绳轮盘(10)的内侧端面设有外壳侧钢丝绳展开槽(10-1-1)，大绳轮轴(14)的两端分别支撑在相对应的支撑轴承(6)中，底板侧调节套筒(7)套装在大绳轮轴(14)上并置于底板侧大绳轮盘(9)与底板侧支撑轴承(6)之间，外壳侧调节套筒(8)套装在大绳轮轴(14)上并置于外壳侧大绳轮盘(10)与外壳侧支撑轴承(6)之间，小绳轮(5)上设有上螺旋槽(5-1)和下螺旋槽(5-2)，上螺旋槽(5-1)与下螺旋槽(5-2)的旋向相反，上螺旋槽(5-1)和下螺旋槽(5-2)以大绳轮轴(14)的轴线(N-N)为中心对称布置，上螺旋槽(5-1)的起始端设有底板侧传动钢丝绳起始固定孔(5-1-1)，下螺旋槽(5-2)的起始端设有外壳侧传动钢丝绳起始固定孔(5-2-1)，底板侧钢丝绳展开槽(9-1-1)的末端设有底板侧传动钢丝绳末尾固定孔(9-1-2)，外壳侧钢丝绳展开槽(10-1-1)的末端设有外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔(10-1-2)，底板侧传动钢丝绳(13)的一端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔(5-1-1)中，底板侧传动钢丝绳(13)的另一端缠绕在上螺旋槽(5-1)后沿切线方向绕出并固定在底板侧传动钢丝绳末尾固定孔(9-1-2)中，外壳侧传动钢丝绳(12)的一端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔(5-2-1)中，外壳侧传动钢丝绳(12)的另一端缠绕后在下螺旋槽(5-2)后沿切线方向绕出并固定在外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔(10-1-2)中，底板侧大绳轮盘(9)由底板侧大绳轮盘本体(9-1)和底板侧转动输出杆(9-2)组成，底板侧转动输出杆(9-2)的一端与底板侧大绳轮盘本体(9-1)的外圆边相连，底板侧转动输出杆(9-2)的另一端伸出于底板(1)与外壳(15)组成的腔体外，壳体(15)与底板(1)扣合设置，关节驱动组件(A)设置在壳体(15)与底板(1)形成的腔体内，且支撑法兰(3)固定在底板(1)上，两个支撑轴承(6)分别支撑在相对应的底板(1)和壳体(15)上。
2.根据权利要求1所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述底板侧钢丝绳展开槽(9-1-1)分为底板侧变径圆弧段(9-1-1-1)和底板侧直线段(9-1-1-2)。
3.根据权利要求2所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述底板侧钢丝绳展开槽(9-1-1)的展开长度与上螺旋槽(5-1)的展开长度相等。
4.根据权利要求3所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述外壳侧钢丝绳展开槽(10-1-1)分为外壳侧变径圆弧段(10-1-1-1)和外壳侧直线段(10-1-1-2)。
5.根据权利要求4所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述外壳侧钢丝绳展开槽(10-1-1)的展开长度与下螺旋槽(5-2)的展开长度相等。
6.根据权利要求5所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述底板侧变径圆弧段(9-1-1-1)和外壳侧变径圆弧段(10-1-1-1)以大绳轮轴(14)的轴线(N-N)为中心对称布置。
7.根据权利要求6所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述底板侧传动钢丝绳(13)和外壳侧传动钢丝绳(12)在小绳轮(5)、底板侧大绳轮盘(9)和外壳侧大绳轮盘(10)上的缠绕方法：一、当底板侧转动输出杆(9-2)位于左侧水平位置时：底板侧传动钢丝绳(13)的起始端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔(5-1-1)中，底板侧传动钢丝绳(13沿上螺旋槽(5-1缠绕一圈后沿切线方向绕出上螺旋槽(5-1)，然后依次进入底板侧直线段(9-1-1-2)和底板侧变径圆弧段(9-1-1-1)中，底板侧传动钢丝绳(13)的末端固定于底板侧传动钢丝绳末尾固定孔(9-1-2)中，外壳侧传动钢丝绳(12)的起始端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔(5-2-1)中，外壳侧传动钢丝绳(12)沿下螺旋槽(5-2)缠绕三圈后沿切线方向绕出下螺旋槽(5-2)，外壳侧传动钢丝绳(12)的末端固定于外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔(10-1-2)中；二、当底板侧转动输出杆(9-2)位于右侧水平位置时：底板侧传动钢丝绳(13)的起始端固定在底板侧传动钢丝绳起始固定孔(5-1-1)中，底板侧传动钢丝绳(13)沿上螺旋槽(5-1)缠绕三圈后沿切线方向绕出上螺旋槽(5-1)，底板侧传动钢丝绳(13)的末端固定于底板侧传动钢丝绳末尾固定孔(9-1-2)中，外壳侧传动钢丝绳(12)的起始端固定在外壳侧传动钢丝绳起始固定孔(5-2-1)中，外壳侧传动钢丝绳(12)沿下螺旋槽(5-2)缠绕一圈后沿切线方向绕出下螺旋槽(5-2)，然后依次进入外壳侧直线段(10-1-1-2)和外壳侧变径圆弧段(10-1-1-1)中，外壳侧传动钢丝绳(12)的末端固定于外壳侧传动钢丝绳末尾固定孔(10-1-2)中。
8.根据权利要求7所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述外壳侧大绳轮盘(10)由外壳侧大绳轮盘本体(10-1)和外壳侧转动输出杆(10-2)组成，外壳侧转动输出杆(10-2)的一端与外壳侧大绳轮盘本体(10-1)的外圆边相连，外壳侧转动输出杆(10-2)的另一端伸出于底板(1)与外壳(15)组成的腔体外。
9.根据权利要求1和8所述一种高精度钢丝绳垂直传动关节，其特征在于：所述关节驱动组件(A)还包括连接杆(16)，连接杆(16)设置在底板侧转动输出杆(9-2)与外壳侧转动输出杆(10-2)之间，连接杆(16)的一端与底板侧转动输出杆(9-2)固接，连接杆(16)的另一端与外壳侧转动输出杆(10-2)固接。
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