CN105598999B - 一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节 - Google Patents

Abstract

一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节，它涉及一种旋转关节，具体涉及一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节。本发明为了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。本发明包括小臂、阶梯凸轮组件、大臂轴、钢丝输入轴、钢丝导向元件、轴承座、电机座、电机、大臂、钢丝绳和两个钢丝固定预紧装置，所述阶梯凸轮组件由第一凸轮和第二凸轮组成，小臂的一端通过大臂轴与大臂的一端铰接，所述阶梯轴组件套装在大臂轴上，钢丝导向元件、轴承座、电机座并排安装在大臂上，电机安装在电机座上，钢丝输入轴的一端穿过轴承座与电机的转动轴连接。本发明属于机器人领域。

Description

一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节

技术领域

本发明涉及一种旋转关节，具体涉及一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节，属于机器人领域。

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。

传统的关节驱动方式传动比都保持恒定，所以对速度的控制需要软件来实现，减速比通常保持在一个比较小的范围内，有些时候，会用上多级减速。在某些场合下，多级减速和多余的电路控制会给系统带来负担，降低稳定性。

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，进而提出一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括小臂、阶梯凸轮组件、大臂轴、钢丝输入轴、钢丝导向元件、轴承座、电机座、电机、大臂、钢丝绳和两个钢丝固定预紧装置，所述阶梯凸轮组件由第一凸轮和第二凸轮组成，小臂的一端通过大臂轴与大臂的一端铰接，所述阶梯凸轮组件套装在大臂轴上，钢丝导向元件、轴承座、电机座并排安装在大臂上，电机安装在电机座上，钢丝输入轴的一端穿过轴承座与电机的转动轴连接，钢丝绳的一端缠绕在第一凸轮上后与设置在大臂上的一个钢丝固定预紧装置连接，钢丝绳的另一端绕过钢丝输入轴、钢丝导向元件、第二凸轮后与设置在大臂上的另一个钢丝固定预紧装置连接。

进一步的，钢丝输入轴上设有螺纹槽段和光轴段，钢丝绳的另一端依次在光轴段和螺纹槽段上分别缠绕多圈后再依次绕过钢丝导向元件、第二凸轮后与另一个钢丝固定预紧装置连接。

进一步的，本发明还包括位置调整块，钢丝输入轴的另一端穿过大臂轴的端部与设置在第一凸轮上的位置调整块连接。

本发明的有益效果是：1、本发明采用在凸轮上缠绕钢丝的方式来传动，由于双向驱动，所以需要两个凸轮才能完成驱动。由于采用了钢丝传动，利用静摩擦，没有滑动摩擦，所以大大减小了传动过程中的损耗，达到了高效率，钢丝本身具有一定的弹性，可以起到一定的缓冲作用，同时在额定负载范围内还能够保证传递精度，钢丝的承载能力很强，可以利用很小的体积实现大的负载，由于钢丝传动的可靠性和外形的任意性，传动比可以任意给定。由于可以用作二级减速，从而解放了减速器，使得器额定负载可以变得很小，从而使得减速器和电机的体积可以大大减小。传动过程中由于凸轮外径在变化，所以关节的传动比一直在变化，可以定制；2、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；3、本发明传动比随着角度的变化而变化，变化的曲线可以随意定制，可以通过机械结构的方式实现控制软件级别的角度的变化；4、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；5、本发明的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；6、本发明由于特殊的机构，钢丝不会滑出。相比于其他钢丝传动，具有更高的稳定性和传动精度；7、本发明的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是本发明的立体结构示意图，图2是本发明的主视图，图3是阶梯凸轮组件的结构示意图，图4是钢丝输入轴的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节包括小臂1、阶梯凸轮组件、大臂轴4、钢丝输入轴5、钢丝导向元件6、轴承座7、电机座8、电机9、大臂10、钢丝绳11和两个钢丝固定预紧装置3，所述阶梯凸轮组件由第一凸轮12和第二凸轮13组成，小臂1的一端通过大臂轴4与大臂10的一端铰接，所述阶梯凸轮组件套装在大臂轴4上，钢丝导向元件6、轴承座7、电机座8并排安装在大臂10上，电机9安装在电机座8上，钢丝输入轴5的一端穿过轴承座7与电机9的转动轴连接，钢丝绳11的一端缠绕在第一凸轮12上后与设置在大臂10上的一个钢丝固定预紧装置3连接，钢丝绳11的另一端绕过钢丝输入轴5、钢丝导向元件6、第二凸轮13后与设置在大臂10上的另一个钢丝固定预紧装置3连接。

本实施方式中固定在大臂10上的电机9转动，电机9的输出轴带动钢丝输入轴5转动，钢丝输入轴5转动拉动钢丝，由于有预紧及绳槽，所以钢丝绳不会脱离钢丝输入轴或者滑动，钢丝拉动第一凸轮12进行转动，带动小臂1转动，小臂1的转动即为第二凸轮13的转动，从而拉动钢丝，使得第二凸轮13上的缠绕长度增长，将第一凸轮12上减少的部分补偿。由于钢丝的拉动导致干死输入轴5和小臂1之间发生了相对转动你，如果小臂1不动，则大臂10及钢丝输入轴5绕着小臂1旋转，如果大臂10不动，则小臂1绕着大臂10旋转。如果改变钢丝输入轮5上绳槽的旋向，相应的凸轮的朝向也应该改变。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节的钢丝输入轴5上设有螺纹槽段5-1和光轴段5-2，钢丝绳11的另一端依次在光轴段5-2和螺纹槽段5-1上分别缠绕多圈后再依次绕过钢丝导向元件6、第二凸轮12后与另一个钢丝固定预紧装置3连接。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1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节还包括位置调整块2，钢丝输入轴5的另一端穿过大臂轴4的端部与设置在第一凸轮12上的位置调整块2连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

工作原理

小臂1的结构如图3所示，第一凸轮12和第二凸轮13是两个半径不同的凸轮，第一凸轮12在第二凸轮13的上面，两凸轮均是小臂1的一部分，S₁为第一凸轮12的边缘(缠上钢丝以后钢丝的中心)到转动中心的距离，S₂为第二凸轮13的边缘(缠上钢丝以后钢丝的中心)到转动中心的距离。

钢丝输入轮5的结构如图4所示，螺纹槽段5-1和光轴段5-2(可根据需要也设计成钢丝绳槽)是钢丝输入轴5上缠绕钢丝的部分，螺纹槽段5-1上缠绕的钢丝与小臂1上的第二凸轮13相连，光轴段5-2上缠绕的钢丝和小臂1上的第一凸轮12相连；R₁是螺纹槽段5-1缠上钢丝后钢丝中心的距离，R₂是光轴段5-2上缠上钢丝后的钢丝中心的距离。P₁是螺纹槽段5-1上钢丝缠绕的导程，P₂是光轴段5-2上钢丝的缠绕的导程。

安装完毕后，螺纹槽段5-2与第一凸轮12的上表面相贴合，光轴段5-2上缠绕的钢丝由光轴与凸轮贴合的末尾的直角处由轴上缠绕转入凸轮上缠绕，具体缠绕方式见图2，青色虚线的部分为背面的钢丝，由于此种方式，钢丝绳11不会从第一凸轮12上滑落。钢丝绳11的另一端从螺纹槽段5-1中绕出，经过导向元件6导向，缠入第二凸轮13的外轮廓上，在第二凸轮13的轮廓边缘通过钢丝固定预紧装置3固定预紧。

当钢丝输入轮5正转的时候，拉动光轴段5-2末端的钢丝，使得钢丝绳11在第一凸轮12上的缠绕长度变短，导致钢丝输入轮4和小臂1产生相对转动，螺纹槽段5-2末端的钢丝因为第二凸轮12的转动而被拉动，导致第二凸轮13上的钢丝缠绕长度边长，从而形成往复运动，反转同理。

由于钢丝缠绕在钢丝输入轮5上，由于在转动过程中，钢丝的出线点在轴向变化，为了保证钢丝不在轮上滑出，所以输出轮的外径也应该随着钢丝出线点的变化而变化，所以输出轮是凸轮，根据相互之间传动比及角度的关系，可以推断出凸轮的外径：

由图3，图4可知，钢丝输入轴5上的螺纹槽段5-1的半径和导程分别为R₁和P₁，光轴段5-2上的半径和导程分别为R₂和P₂，与之相对应的第一凸轮12和第二凸轮13的半径分别为S₁和S₂(因为是凸轮，所以S₁和S₂是变化的，假定初始长度为S₁₁和S₂₂)，钢丝输入轴5的转速为B₁，小臂1的转速为B₂，钢丝输入轴5转过的角度为A₂，小臂1转过的角度为A₁；由于整个系统公用一根钢丝11，所以钢丝的线速度相等，根据光轴段5-2和第一凸轮12相贴合，对应的线速度相等有：

径向速度：B₂*S₁＝B₁*R₂……①，

公式①中B₁表示钢丝输入轴5的转速，B₂表示小臂1的转速，S₁表示第一凸轮12的半径，R₂表示钢丝输入轴5的光轴段5-2的半径；

轴向速度：S₁＝S₁₁+P₂*A₂……②，

公式②中S₁表示第一凸轮12的半径，S₁₁表示第一凸轮12初始半径，P₂表示钢丝输入轴5的光轴段5-2的导程，A₂表示钢丝输入轴5转过的角度；

据光轴段5-1和第二凸轮13相贴合，对应的线速度相等有：

径向速度：B₂*S₂＝B₁*R₁……③，

公式③中B₂表示小臂1的转速，S₂表示第二凸轮13的半径，B₁表示钢丝输入轴5的转速，R₁表示钢丝输入轴5上的螺纹槽段5-1的半径；

轴向速度：S₂＝S₂₂+P₁*A₂……④，

公式④中S₂表示第二凸轮13的半径，S₂₂表示第二凸轮13的初始半径，P₁表示钢丝输入轴5上的螺纹槽段5-1的导程，A₂表示钢丝输入轴5转过的角度；

所以由公式①②③④得出：(R₁*P₂-R₂*P₁)*A₂＝R₁*S₂₂-R₂*S₁₁……⑤；

对任意A₂均成立，R₁、R₂、S₁₁、S₂₂均为定制，若P₁和P₂为定值，则有：

R₁*P₂-R₂*P₁＝0……⑥；R₁*S₂₂-R₂*S₁₁＝0……⑦；

传动比：i＝(S₁₁-P₁*A₂)/R₁……⑧；

传动比i为一个随角度A₂的变化而变化的值。

如果P₁和P₂为随A₂变化的值，则可列出P₁(A₂)、P₂(A₂)的函数，使得

[R₁*P₂(A₂)-R₂*P₁(A₂)]*A₂＝R₁*S₂₂-R₂*S₁₁始终成立即可；

传动比：i＝[S₁₁-P₁(A₂)]/R₁；

也是一个随角度A₂变化的值。

如果将半径R₁，R₂的限制也取消，则可更加灵活的配比出传动比随意变化的关节，但是设计难度也将增大。

角度A₁则等于：

A₂＝B₁*t；

B₂＝B₁*i(A₂)；

A₁＝B₂*t；

上述方程中t表示时间，i表示整体的传动比，通过此方程则可求出A₁，A₁是关于角度A₂的函数A₁(A₂)，根据半径函数S₁(A₂)，则可求出S₁(A₁)，从而可以画出凸轮。

此种方法传动稳定，精确，传动比任意可变，稳定，不随外界环境的变化而变化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节，其特征在于：所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节包括小臂(1)、阶梯凸轮组件、大臂轴(4)、钢丝输入轴(5)、钢丝导向元件(6)、轴承座(7)、电机座(8)、电机(9)、大臂(10)、钢丝绳(11)和两个钢丝固定预紧装置(3)，所述阶梯凸轮组件由第一凸轮(12)和第二凸轮(13)组成，小臂(1)的一端通过大臂轴(4)与大臂(10)的一端铰接，所述阶梯凸轮组件套装在大臂轴(4)上，钢丝导向元件(6)、轴承座(7)、电机座(8)并排安装在大臂(10)上，电机(9)安装在电机座(8)上，钢丝输入轴(5)的一端穿过轴承座(7)与电机(9)的转动轴连接，钢丝绳(11)的一端缠绕在第一凸轮(12)上后与设置在大臂(10)上的一个钢丝固定预紧装置(3)连接，钢丝绳(11)的另一端绕过钢丝输入轴(5)、钢丝导向元件(6)、第二凸轮(13)后与设置在大臂(10)上的另一个钢丝固定预紧装置(3)连接。

2.根据权利要求1所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节，其特征在于：钢丝输入轴(5)上设有螺纹槽段(5-1)和光轴段(5-2)，钢丝绳(11)的另一端依次在光轴段(5-2)和螺纹槽段(5-1)上分别缠绕多圈后再依次绕过钢丝导向元件(6)、第二凸轮(12)后与另一个钢丝固定预紧装置(3)连接。

3.根据权利要求1或2所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节，其特征在于：所述一种利用钢丝驱动的阶梯凸轮输出式旋转关节还包括位置调整块(2)，钢丝输入轴(5)的另一端穿过大臂轴(4)的端部与设置在第一凸轮(12)上的位置调整块(2)连接。