CN105583851B - 一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节 - Google Patents

Abstract

一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，它涉及一种机器人传动关节，本发明的大臂轴的下端固定在大臂上，大臂轴的上端设有铰接孔，轴承座固定在大臂上，锥轴的两端分别与轴承座和铰接孔铰接，锥形轴的输入端与电机输出轴连接，电机固定在电机座上，电机座与大臂固连，小臂的一端设有锥盘，锥盘的轴心处设有安装孔，安装孔与大臂轴转动连接，锥盘的锥盘锥形面与锥轴上的锥轴锥形面贴合，锥轴锥形面上设有螺旋槽，锥盘锥形面上设有与螺旋槽相对应的钢丝绳槽，螺旋槽中缠绕有数圈钢丝绳，钢丝绳的两端分别放入钢丝绳槽中，钢丝绳的两端由钢丝固定预紧装置固定预紧，钢丝固定预紧装置固装在小臂上。本发明用于机器人的关节部位。

Description

一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节

技术领域

本发明涉及一种机器人传动关节，具体涉及一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节。

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由转动关节组成。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，而提供一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节。

本发明的一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节包括小臂、两个钢丝固定预紧装置、大臂轴、锥轴、轴承座、电机座、电机、大臂、钢丝绳，大臂轴的下端固定在大臂上，大臂轴的上端设有铰接孔，轴承座固定在大臂上，锥轴的两端分别与轴承座和铰接孔铰接，锥形轴的输入端与电机输出轴连接，电机固定在电机座上，电机座与大臂固连，小臂的一端设有锥盘，锥盘的轴心处设有安装孔，安装孔与大臂轴转动连接，锥盘的锥盘锥形面与锥轴上的锥轴锥形面贴合，锥轴锥形面上设有螺旋槽，锥盘锥形面上设有与螺旋槽相对应的钢丝绳槽，螺旋槽中缠绕有数圈钢丝绳，钢丝绳的两端分别放入钢丝绳槽中，钢丝绳的两端由钢丝固定预紧装置固定预紧，钢丝固定预紧装置固装在小臂上。

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，本发明设计了锥形盘钢丝传动关节结构，利用电机带动钢丝绳轮驱动关节进行转动，由于钢丝绳传动是静摩擦传动，因而效率较高。

二、由于传动比和传动轴的夹角取决于输入输出锥形轮斜角的大小，所以可以以任意的盘的大小配比出适当范围内的传动比，而且传动轴的夹角可以任意，甚至可以不在同一个平面内。

三、由于钢丝的大负载性，钢丝绳盘的轻便性，使得关节的重量和体积大大减小。

四、电机转轴与传动轴不在同一轴线上，可以节省空间，使得结构紧凑，美观。

五、钢丝在槽中传动。相比于其他钢丝传动，具有更高的稳定性和传动精度。

六、由于钢丝具有一定的弹性，在过载的情况下，可以起到缓冲的作用，在特大负载下，钢丝绳断掉可以保护机器不受损伤，钢丝的更换比较简单，成本更低，可以大大的节约成本，合理的设计，可以保证在额定负载下钢丝不发生变形。

附图说明

图1是本发明一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节的整体结构立体图；

图2是锥轴4的主视图；

图3是锥轴4的剖视图；

图4是小臂1的主剖视图；

图5是图4的俯视图；

图6是钢丝绳9在锥盘1-1和锥轴4上缠绕示意图；

图7是小臂1的运动示意图；

图8是图3的I局部放大图；

图9是图4的Ⅱ局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图9说明本实施方式，本实施方式包括小臂1、两个钢丝固定预紧装置2、大臂轴3、锥轴4、轴承座5、电机座6、电机7、大臂8、钢丝绳9，大臂轴3的下端固定在大臂8上，大臂轴3的上端设有铰接孔3-1，轴承座5固定在大臂8上，锥轴4的两端分别与轴承座5和铰接孔3-1铰接，使得锥形轴4固定轴向移动，锥形轴4的输入端与电机7输出轴连接，电机7固定在电机座6上，电机座6与大臂8固连，小臂1的一端设有锥盘1-1，锥盘1-1的轴心处设有安装孔1-2，安装孔1-2与大臂轴3转动连接，锥盘1-1的锥盘锥形面1-3与锥轴4上的锥轴锥形面4-1贴合，锥轴锥形面4-1上设有螺旋槽4-1-1，锥盘锥形面1-3上设有与螺旋槽4-1-1相对应的钢丝绳槽1-3-1，螺旋槽4-1-1中缠绕有数圈钢丝绳9，钢丝绳9的两端分别放入钢丝绳槽1-3-1中，钢丝绳9的两端由钢丝固定预紧装置2固定预紧，钢丝固定预紧装置2固装在小臂1上，从而达到电机7驱动锥轴4转动并带动小臂1转动的效果。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的锥轴4的锥轴锥角A2为锥轴轴线O-O与各圈钢丝绳9的中心连线N-N之间的夹角，中心连线N-N与锥轴锥形面4-1之间的距离为第二距离L2。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，本实施方式的锥盘1-1的锥盘锥角A1为锥盘轴线M-M与各圈钢丝绳9的中心连线N-N之间的夹角，中心连线N-N与锥盘锥形面1-3之间的距离为第一距离L1。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8和图9说明本实施方式，本实施方式的第二距离L2与第一距离L1相等。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3和图6说明本实施方式，本实施方式的螺旋槽4-1-1与钢丝绳槽1-3-1的旋向相反。若螺旋槽4-1-1为左旋时，钢丝绳槽1-3-1为右旋；若螺旋槽4-1-1为右旋时，钢丝绳槽1-3-1为左旋。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3～图9说明本实施方式，本实施方式的所述钢丝绳9在螺旋槽4-1-1和钢丝绳槽1-3-1上的缠绕方法：锥盘锥形面1-3上的钢丝绳槽1-3-1由内至外依次为第一钢丝绳槽1-3-1-1、第二钢丝绳槽1-3-1-2、第三钢丝绳槽1-3-1-3和第四钢丝绳槽1-3-1-4，钢丝绳9的一端由钢丝固定预紧装置2固定，钢丝绳9的另一端缠入第四钢丝绳槽1-3-1-4中，在锥盘锥形面1-3与锥轴锥形面4-1相接触的地方缠到螺旋槽4-1-1上，缠绕三圈(具体多少圈视情况而定)，在第三圈的末尾锥盘锥形面1-3与锥轴锥形面4-1相接触的地方缠到第一钢丝绳槽1-3-1-1中，在第一钢丝绳槽1-3-1-1的末端用钢丝固定锁紧装置2固定锁紧。第四钢丝绳槽1-3-1-4为入线端，第一钢丝绳槽1-3-1-1为出线端，第二钢丝绳槽1-3-1-2和第三钢丝绳槽1-3-1-3起到避免与螺旋槽4-1-1中的钢丝绳9相干涉的目的。

当锥轴4转动时，拉动钢丝绳9，使得在第四钢丝绳槽1-3-1-4中的钢丝绳9变短，第一钢丝绳槽1-3-1-1中的钢丝绳9变长，如果大臂8不动，则锥轴4不动，小臂1绕着大臂8旋转，如果小臂1固定不动，则大臂8和锥轴4绕着小臂1转动，反向驱动亦可。钢丝绳9在锥盘1-1上的缠绕方式如图6所示，虚线为背面的钢丝绳。锥盘锥角A1与锥轴锥角A2之和(即A1+A2)的值为传动轴的夹角，可任意，传动比为：i＝cos(A2)：cos(A1)，任意搭配A1、A2的值则可配比出任意传动比的关节和任意夹角的关节。钢丝绳9在锥盘1-1和锥轴4上的缠绕方式为螺旋缠绕，缠绕的导程(沿着轴径方向)一致。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8说明本实施方式，本实施方式为第二距离L2小于钢丝绳9的半径。钢丝绳9的受力垂直于锥盘轴线M-M向里，只要合理的选择L2的值，则可保证钢丝绳9在运转过程中不滑出钢丝绳槽1-3-1。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9说明本实施方式，本实施方式为第一距离L1小于钢丝绳9的半径。钢丝绳9的受力垂直于锥轴轴线O-O向里，只要合理的选择L1的值，则可保证钢丝绳9在运转过程中不滑出螺旋槽4-1-1。只要钢丝绳有预紧，就能保证传动的精确性和稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

工作原理：固定在大臂8上的电机7转动，输出轴带动锥轴4转动，锥轴4转动的同时带动轴上的钢丝绳9一起转动，锥轴4和钢丝绳9之间由于有预紧力，所以不会产生相对滑动，钢丝绳9的一端收线、另一端放线，收线端使得锥盘1-1上的第四钢丝绳槽1-3-1-4(或第一钢丝绳槽1-3-1-1)里的钢丝绳9受到拉动，于是小臂1与锥轴4的相对位置发生改变，形成转动的效果，由于预紧力的作用，放线端的钢丝绳9则被拉回第一钢丝绳槽1-3-1-1(或第四钢丝绳槽1-3-1-4)里。钢丝绳9的总长度不变，只是在锥轴4和锥盘1-1上的相对位置发生了改变，从而传递了运动。

Claims (8)

1.一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述旋转关节包括小臂(1)、两个钢丝固定预紧装置(2)、大臂轴(3)、锥轴(4)、轴承座(5)、电机座(6)、电机(7)、大臂(8)、钢丝绳(9)，大臂轴(3)的下端固定在大臂(8)上，大臂轴(3)的上端设有铰接孔(3-1)，轴承座(5)固定在大臂(8)上，锥轴(4)的两端分别与轴承座(5)和铰接孔(3-1)铰接，锥形轴(4)的输入端与电机(7)输出轴连接，电机(7)固定在电机座(6)上，电机座(6)与大臂(8)固连，小臂(1)的一端设有锥盘(1-1)，锥盘(1-1)的轴心处设有安装孔(1-2)，安装孔(1-2)与大臂轴(3)转动连接，锥盘(1-1)的锥盘锥形面(1-3)与锥轴(4)上的锥轴锥形面(4-1)贴合，锥轴锥形面(4-1)上设有螺旋槽(4-1-1)，锥盘锥形面(1-3)上设有与螺旋槽(4-1-1)相对应的钢丝绳槽(1-3-1)，螺旋槽(4-1-1)中缠绕有数圈钢丝绳(9)，钢丝绳(9)的两端分别放入钢丝绳槽(1-3-1)中，钢丝绳(9)的两端由钢丝固定预紧装置(2)固定预紧，钢丝固定预紧装置(2)固装在小臂(1)上。

2.根据权利要求1所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：锥轴(4)的锥轴锥角(A2)为锥轴轴线(O-O)与各圈钢丝绳(9)的中心连线(N-N)之间的夹角，中心连线(N-N)与锥轴锥形面(4-1)之间的距离为第二距离(L2)。

3.根据权利要求2所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述锥盘(1-1)的锥盘锥角(A1)为锥盘轴线(M-M)与各圈钢丝绳(9)的中心连线(N-N)之间的夹角，中心连线(N-N)与锥盘锥形面(1-3)之间的距离为第一距离(L1)。

4.根据权利要求3所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述第二距离(L2)与第一距离(L1)相等。

5.根据权利要求4所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：螺旋槽(4-1-1)与钢丝绳槽(1-3-1)的旋向相反。

6.根据权利要求5所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述钢丝绳(9)在螺旋槽(4-1-1)和钢丝绳槽(1-3-1)上的缠绕方法：锥盘锥形面(1-3)上的钢丝绳槽(1-3-1)由内至外依次为第一钢丝绳槽(1-3-1-1)、第二钢丝绳槽(1-3-1-2)、第三钢丝绳槽(1-3-1-3)和第四钢丝绳槽(1-3-1-4)，钢丝绳(9)的一端由钢丝固定预紧装置(2)固定，钢丝绳(9)的另一端缠入第四钢丝绳槽(1-3-1-4)中，在锥盘锥形面(1-3)与锥轴锥形面(4-1)相接触的地方缠到螺旋槽(4-1-1)上，缠绕三圈，在第三圈的末尾锥盘锥形面(1-3)与锥轴锥形面(4-1)相接触的地方缠到第一钢丝绳槽(1-3-1-1)中，在第一钢丝绳槽(1-3-1-1)的末端用钢丝固定锁紧装置(2)固定锁紧。

7.根据权利要求6所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述第二距离(L2)小于钢丝绳(9)的半径。

8.根据权利要求7所述一种利用钢丝传动锥形盘输出式旋转关节，其特征在于：所述第一距离(L1)小于钢丝绳(9)的半径。