CN108312175A - 一种机械臂的腕关节及其动作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂的腕关节，包括：前臂，实现腕关节动作的支撑部件；腕部，实现腕部动作的执行部件，所述的腕部与前臂呈两个自由度旋转、摆动连接；驱动装置，集成在前臂内部用于实现腕关节动作的驱动部件；传动组件，集成在前臂内部将驱动装置的驱动力传递给腕部的传递部件；所述的传动组件包括多级带传动和锥齿轮传动，所述的多级带传动与驱动装置连接，所述的锥齿轮传动连接在多级带传动的末级与腕部连接。还公开了该机械臂的腕关节的动作方法。该机械臂腕关节，将传动组件全部集成在前臂内部，布局紧凑，传动组件采用以多级带传动和锥齿轮传动实现了腕部的摆动、末端旋转的两个自由度完美组合，结构设计巧妙，制造方便，安装简单。

Description

一种机械臂的腕关节及其动作方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，更具体的说涉及一种机械臂的腕关节及其动作方法。

背景技术

机械臂使用的领域越来越广泛，由于现有的机械臂在设置上结构复杂，不够紧凑，而且成本高，从而使得机械臂在使用过程受到很大的局限，制约了机械臂的发展，因此，急需要设计一种设计合理，结构紧凑，低成本，并且使得其在肘关节处能够更加灵活的机械臂的腕关节。

中国专利文献（公告日：2011年9月28日，公告号：CN 101913144B）公开了一种机器人技术领域的移动机械臂，包括：移动平台以及设置于移动平台上的机械臂和二维转动云台，所述的机械臂包括：腰关节、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手爪，其中：腰关节连接肩关节，大臂的两端分别与肩关节和肘关节相连接，小臂的两端分别与肘关节和腕关节相连接，手爪与腕关节的末端相连。本发明作业空间广泛。由于机械手固定在移动平台上，因此可以进行移动作业，空间上不受限制；具有类似人眼的2自由度视觉功能，可以适用于远程操作和控制，同时，也可以进行图像信息采样；该机构可实现六轴联动，且整个系统有更高的刚度、姿态调整度和可靠性。

上述技术方案公开了一种移动机械臂，其中也包含有腕关节，但是该腕关节采用的是传统的设计方式。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机械臂结构设置复杂，不够紧凑，成本高等问题，而提供一种结构设计巧妙，布局紧凑，制造安装简单，成本低，更加灵活，既可以转动又能够摆动，能够满足不同的工作状况需要的机械臂的腕关节及其动作方法。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种机械臂的腕关节，包括：

前臂，实现腕关节动作的支撑部件；

腕部，实现腕部动作的执行部件，所述的腕部与前臂呈两个自由度旋转、摆动连接；

驱动装置，集成在前臂内部用于实现腕关节动作的驱动部件；

传动组件，集成在前臂内部将驱动装置的驱动力传递给腕部的传递部件；

所述的传动组件包括多级带传动和锥齿轮传动，所述的多级带传动与驱动装置连接，所述的锥齿轮传动连接在多级带传动的末级与腕部连接。

该机械臂腕关节，对腕关节的驱动装置和传动组件进行全新的设计，并且将传动组件全部集成在前臂内部，使布局更加紧凑，而传动组件采用以多级带传动和锥齿轮传动实现了腕部的摆动、末端旋转的两个自由度完美组合，结构设计巧妙，制造方便，安装简单。

作为优选，所述的前臂内部设置有安装座；所述的驱动装置和传动装置集成在安装座内部。

作为优选，所述的驱动装置包括摆动驱动装置和旋转驱动装置。旋转驱动装置可以带动腕部进行转动，而摆动驱动装置可以带动腕部实现摆动，旋转驱动装置和摆动驱动装置既可以单独动作，也可以同时动作。

作为优选，所述的多级带传动设置有两组，包括旋转带传动和摆动带传动，所述的旋转带传动和摆动带传动的传动末级设置有输出传动轴，所述的锥齿轮传动设置在输出传动轴上，并且所述的旋转带传动的末级与输出传动轴转动连接；所述的摆动带传动的末级与输出传动轴固定连接并带动输出传动轴往复摆动。设置旋转带传动和摆动带传动是为了实现腕部的旋转和摆动，而且上述结构设计巧妙，在结构上更加合理，在力的传递过程中更加稳定。

作为优选，所述的摆动带传动包括一级摆动同步带、二级摆动同步带和三级摆动同步带；所述的一级摆动同步带上设有编码器，所述的二级摆动同步带上设有张紧轮，三级摆动同步带上设有张紧轮；所述的三级摆动同步带通过一个三级带轮与输出传动轴固定连接。摆动带传动设置三级同步带，实现了动力的逐级稳定传递。

作为优选，所述的旋转带传动包括一级旋转同步带、二级旋转同步带和三级旋转同步带，所述的一级旋转同步带上设有带传动编码器，所述的二级旋转同步带上设有带传动张紧轮，三级旋转同步带上设有带传动张紧轮；所述的三级旋转同步带通过一带轮与输出传动轴转动连接，所述的带轮与锥齿轮传动通过螺栓固定连接。旋转带传动设置三级同步带，实现了动力的逐级稳定的传递。

作为优选，所述的输出传动轴靠近锥齿轮传动的一端的端部固定有支架，所述的支架上固定有支撑轴，所述的锥齿轮传动包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述的第二锥齿轮与第一锥齿轮相互啮合，第二锥齿轮通过轴承与支撑轴相连。输出传动轴上设置支架是为了实现对第二锥齿轮的设置，有效实现了从带传动到锥齿轮传动的机械设置。

作为优选，输出传动轴内部设置有空腔。输出轴内部设置空腔是为了减轻整个腕部的重量，同时方便走电缆、气管等，实现腕部动作的灵活性。

作为优选，腕部上设置有末端法兰，所述的末端法兰上设置有通用连接孔。末端法兰是为了实现与机械爪等部件的连接，设置通用连接孔可以实现不同型号的部件的连接。

本发明实现其第二个发明目的所采用的技术方案是：一种机械臂的腕关节的动作方法，包括以下步骤：

步骤1：摆动驱动装置将动力依次传递到一级摆动同步带、二级摆动同步带、三级摆动同步带；

三级摆动同步带将动力传到三级带轮，三级带轮带动输出传动轴一起转动，输出传动轴带动其上的支架一起往复摆动从而实现腕部的摆动；

步骤2：旋转驱动装置将动力依次传递到一级旋转同步带、二级旋转同步带和三级旋转同步带；

三级旋转同步带的带轮绕输出传动轴转动并带动与带轮固定连接的第一锥齿轮一起绕输出传动轴转动，第一锥齿轮带动第二锥齿轮啮合运动，第二锥齿轮带动其上的末端法兰实现转动；

步骤3：步骤1和步骤2动作时可实现腕部单独的摆动或转动，也可以实现腕部同时摆动和转动。

本发明的有益效果是：该机械臂腕关节，将传动组件全部集成在前臂内部，布局紧凑，传动组件采用以多级带传动和锥齿轮传动实现了腕部的摆动、末端旋转的两个自由度完美组合，结构设计巧妙，制造方便，安装简单。

附图说明

图1是本发明机械臂的腕关节的一种结构示意图；

图2是本发明多级带传动的一种结构示意图；

图3是本发明多级带传动另一角度的结构示意图；

图4是本发明中多级带传动和锥齿轮传动的一种结构示意图；

图5是本发明中多级带传动和锥齿轮传动另一角度的结构示意图；

图6是发明机械臂的腕关节的局部剖视图；

图中：1、前臂，2、安装座，3、腕部，4、驱动装置，5、传动组件，6、多级带传动，7、锥齿轮传动，8、摆动驱动装置，9、旋转驱动装置，10、旋转带传动，11、摆动带传动，12、输出传动轴，13、一级摆动同步带，14、二级摆动同步带，15、三级摆动同步带，16、编码器，17、张紧轮，18、张紧轮，19、三级带轮，20、一级旋转同步带，21、二级旋转同步带，22、三级旋转同步带，23、带传动编码器，24、带传动张紧轮，25、带传动张紧轮，26、带轮，27、支架，28、支撑轴，29、第一锥齿轮，30、第二锥齿轮，31、轴承，32、空腔，33、末端法兰，34、通用连接孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1：

在图1、图2、图4所示的实施例中，一种机械臂的腕关节，包括：

前臂1，实现腕关节动作的支撑部件；

腕部3，实现腕部动作的执行部件，腕部3与前臂1呈两个自由度旋转、摆动连接；

驱动装置4，集成在前臂1内部用于实现腕关节动作的驱动部件；

传动组件5，集成在前臂1内部将驱动装置4的驱动力传递给腕部3的传递部件；

传动组件5包括多级带传动6和锥齿轮传动7，多级带传动6与驱动装置4连接，锥齿轮传动7连接在多级带传动6末级与腕部3连接。

前臂1内部设置有安装座2；驱动装置4和传动装置5集成在安装座2内部。

驱动装置4包括摆动驱动装置8和旋转驱动装置9。

多级带传动6设置有两组，包括旋转带传动10和摆动带传动11，旋转带传动10和摆动带传动11的传动末级设置有输出传动轴12，锥齿轮传动7设置在输出传动轴12上，并且所述的旋转带传动10的末级与输出传动轴12转动连接；摆动带传动11的末级与输出传动轴12固定连接并带动输出传动轴12往复摆动。

摆动带传动11包括一级摆动同步带13、二级摆动同步带14和三级摆动同步带15；一级摆动同步带13上设有编码器16，二级摆动同步带14上设有张紧轮17，三级摆动同步带15上设有张紧轮18；三级摆动同步带15通过一个三级带轮19与输出传动轴12固定连接。

旋转带传动10包括一级旋转同步带20、二级旋转同步带21和三级旋转同步带22，一级旋转同步带20上设有带传动编码器23，二级旋转同步带21上设有带传动张紧轮24，三级旋转同步带22上设有带传动张紧轮25；三级旋转同步带22通过一带轮26与输出传动轴12连接，带轮26与锥齿轮传动7通过螺栓固定连接。

输出传动轴12靠近锥齿轮传动7的一端的端部固定有支架27（见图6），支架27上固定有支撑轴28，锥齿轮传动7包括第一锥齿轮29和第二锥齿轮30，第二锥齿轮30与第一锥齿轮29相互啮合，第二锥齿轮30通过轴承31与支撑轴28相连。输出传动轴12内部设置有空腔32。腕部3上设置有末端法兰33，末端法兰33上设置有通用连接孔34。

如图3、图5所述，该机械臂的腕关节的动作方法，包括以下步骤：

步骤1：摆动驱动装置将动力依次传递到一级摆动同步带、二级摆动同步带、三级摆动同步带；

三级摆动同步带将动力传到三级带轮，三级带轮带动输出传动轴一起转动，输出传动轴带动其上的支架一起往复摆动从而实现腕部的摆动；

步骤2：旋转驱动装置将动力依次传递到一级旋转同步带、二级旋转同步带和三级旋转同步带；

三级旋转同步带的带轮绕输出传动轴转动并带动与带轮固定连接的第一锥齿轮一起绕输出传动轴转动，第一锥齿轮带动第二锥齿轮啮合运动，第二锥齿轮带动其上的末端法兰实现转动；

步骤3：步骤1和步骤2动作时可实现腕部单独的摆动或转动，也可以实现腕部同时摆动和转动。

该机械臂的腕关节，包括前臂1、腕部3、末端法兰33。

前臂1内部包含安装座2，安装座2用于安装腕关节所需要的驱动装置和传动组件。

摆动驱动装置为一电机，电机将动力传到一级摆动同步带，再通过传动轴传到二级摆动同步带，再通过传到轴传到三级摆动同步带。一级摆动同步带上装有编码器，二级摆动同步带上设有张紧轮，三级摆动同步带上设有张紧轮。

旋转驱动装置为一电机，电机将动力传到一级旋转同步带，再通过传动轴传到二级旋转同步带，再通过传到轴传到三级旋转同步带，最后通过传动轴传到锥齿轮传动上。一级旋转同步带上装有编码器，二级旋转同步带上设有张紧轮，三级旋转同步带上设有张紧轮。

三级摆动同步带将动力传到三级带轮，三级带轮通过键与输出传动轴12相连，带轮26通过轴承支撑在输出传动轴12上，支架通过螺钉与输出传动轴12固连。

三级旋转同步带将动力传到带轮26，带轮26有轴承支撑，带轮与第一锥齿轮通过螺钉固连。支撑轴通过螺钉与支架固连，第二锥齿轮通过轴承与支撑轴相连，第二锥齿轮通过螺钉与末端法兰相连。

该机械臂腕关节，实现了腕部摆动、末端旋转两个自由度，结构设计巧妙，布局紧凑，制造方面，安装简单。

Claims (10)

1.一种机械臂的腕关节，其特征在于包括：

前臂（1），实现腕关节动作的支撑部件；

腕部（3），实现腕部动作的执行部件，所述的腕部（3）与前臂（1）呈两个自由度旋转、摆动连接；

驱动装置（4），集成在前臂（1）内部用于实现腕关节动作的驱动部件；

传动组件（5），集成在前臂（1）内部将驱动装置（4）的驱动力传递给腕部的传递部件；

所述的传动组件（5）包括多级带传动（6）和锥齿轮传动（7），所述的多级带传动（6）与驱动装置（4）连接，所述的锥齿轮传动（7）连接在多级带传动（6）末级与腕部（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的前臂（1）内部设置有安装座（2）；所述的驱动装置（4）和传动装置（5）集成在安装座（2）内部。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的驱动装置（4）包括摆动驱动装置（8）和旋转驱动装置（9）。

4.根据权利要求1所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的多级带传动（6）设置有两组包括旋转带传动（10）和摆动带传动（11），所述的旋转带传动（10）和摆动带传动（11）的传动末级设置有输出传动轴（12），所述的锥齿轮传动（7）设置在输出传动轴（12）上，并且所述的旋转带传动（10）的末级与输出传动轴（12）转动连接；所述的摆动带传动（11）的末级与输出传动轴（12）固定连接并带动输出传动轴（12）往复摆动。

5.根据权利要求4所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的摆动带传动（11）包括一级摆动同步带（13）、二级摆动同步带（14）和三级摆动同步带（15）；所述的一级摆动同步带（13）上设有编码器（16），所述的二级摆动同步带（14）上设有张紧轮（17），三级摆动同步带（15）上设有张紧轮（18）；所述的三级摆动同步带（15）通过一个三级带轮（19）与输出传动轴（12）固定连接。

6.根据权利要求4所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的旋转带传动（10）包括一级旋转同步带（20）、二级旋转同步带（21）和三级旋转同步带（22），所述的一级旋转同步带（20）上设有带传动编码器（23），所述的二级旋转同步带（21）上设有带传动张紧轮（24），三级旋转同步带（22）上设有带传动张紧轮（25）；所述的三级旋转同步带（22）通过一带轮（26）与输出传动轴（12）转动连接，所述的带轮（26）与锥齿轮传动（7）通过螺栓固定连接。

7.根据权利要求4所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：所述的输出传动轴（12）靠近锥齿轮传动（7）的一端的端部固定有支架（27），所述的支架（27）上固定有支撑轴（28），所述的锥齿轮传动（7）包括第一锥齿轮（29）和第二锥齿轮（30），所述的第二锥齿轮（30）与第一锥齿轮（29）相互啮合，第二锥齿轮（30）通过轴承（31）与支撑轴（28）相连。

8.根据权利要求4至7任意一项所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：输出传动轴（12）内部设置有空腔（32）。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的一种机械臂的腕关节，其特征在于：腕部（3）上设置有末端法兰（33），所述的末端法兰（33）上设置有通用连接孔（34）。

10.一种机械臂的腕关节的动作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：摆动驱动装置将动力依次传递到一级摆动同步带、二级摆动同步带、三级摆动同步带；

三级摆动同步带将动力传到三级带轮，三级带轮带动输出传动轴一起转动，输出传动轴带动其上的支架一起往复摆动从而实现腕部的摆动；

步骤2：旋转驱动装置将动力依次传递到一级旋转同步带、二级旋转同步带和三级旋转同步带；

三级旋转同步带的带轮绕输出传动轴转动并带动与带轮固定连接的第一锥齿轮一起绕输出传动轴转动，第一锥齿轮带动第二锥齿轮啮合运动，第二锥齿轮带动其上的末端法兰实现转动；

步骤3：步骤1和步骤2动作时可实现腕部单独的摆动或转动，也可以实现腕部同时摆动和转动。