CN109154365B - 用于传递机械扭矩的运动链 - Google Patents

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Abstract

运动链(100)包括被布置成围绕旋转轴线x旋转的第一滑轮(110)和被布置成围绕旋转轴线y旋转的第二滑轮(120)。所述运动链(100)接着包括至少一个连接元件(130)，所述至少一个连接元件(130)包括具有至少一个旋转元件(132)的至少一个通道(131)，所述或各个连接元件(130)还包括至少一个接合部(135、136)，所述至少一个接合部(135、136)被布置成将所述连接元件(130)连接到邻近连接元件(130)或滑轮(110、120)，从而形成围绕旋转轴线z的旋转约束。所述运动链(100)还包括传动元件(140)，所述传动元件(140)被布置成沿着确定的路径扩展以用于在所述第一滑轮(110)与所述第二滑轮(120)之间传递旋转运动。所述传动元件(140)适于在使用时借助滚动摩擦的约束与所述或各个旋转元件(132)固定地接触，以便允许根据预定几何形状对所述确定的路径进行建模。

Description

用于传递机械扭矩的运动链
技术领域
本发明涉及运动链的领域。
具体地说，本发明涉及在两个旋转元件之间传递扭矩的领域，所述两个旋转元件具有含任何相对定向的旋转轴线。
背景技术
在运动传递的范围中，最重要的技术问题中的一个涉及在旋转元件之间传递扭矩，所述旋转元件彼此间隔开旋转且具有彼此不平行的旋转轴线。
实际上，在此情形下，既不可能使用要求彼此平行的旋转轴线的传统带，也不可能使用要求旋转元件之间的接近度的齿轮或旋转约束。
因此，为了产生此运动传递，通常使用两种类型的方案。
第一种方案在于组合使用沿着主动旋转元件与被动旋转元件之间的路径串联布置的滑轮。运动借助于缆索传递，所述运动由于接触点处的滚动摩擦而引起滑轮旋转。这例如是索道的工作方式。此类系统在传递运动方面具有良好的效率且允许大范围的旋转，但非常坚硬且不可适用于其中旋转元件必须改变其自身的旋转轴线的定向以适应不同应用或不同运动阶段的系统。
第二种方案在于使用“鲍登缆索”，所述“鲍登缆索”允许传递平移运动和旋转运动两者，且尤其可容易适应任何运动传递路径和旋转轴线的任何方向变化。相比之下，相对于串联定位的滑轮，此类方案不允许大范围的旋转，原因是内部缆索无法相对于外部护套滑动超出一定量。此外，缆索与护套之间的骇人的摩擦降低了运动传递相对于前一方案的效率。
因此，在现有技术中，取决于具体需要使用一种类型或另一类型的方案，但两者都包含相当大的缺点。
在机器人领域中例如将对运动传递系统非常有用，所述运动传递系统既具有良好传动效率，又良好地适应非预定传动路径且良好地适应旋转轴线的非预定定向。
US5447403描述一种可由操作者远程控制的人形机器人臂。具体地说，通过多个缆索和滑轮确保手的手指的操作，所述多个缆索和滑轮在挠曲/延伸平面中允许指骨之间的相对旋转，从而模拟解剖肌腱的功能。因此，在此系统中，末端滑轮之间的运动传递自身不能解决问题，但目的是产生中间元件的位置改变，所述中间元件即指骨。此外，允许传递运动的滑轮的旋转围绕彼此平行且平行于末端滑轮的旋转轴线的轴线执行。因此，此系统既不会允许紧固沿着执行扭矩传递的路径也不会对所述路径进行建模。
发明内容
因此，本发明的特征是提供一种运动链，所述运动链允许在主动旋转元件与远程定位且具有含任何相对定向的轴线的被动旋转元件之间传递旋转运动。
本发明的另一特征是提供这种运动链，所述运动链允许在主动旋转元件与具有含可调节定向的旋转轴线的被动旋转元件之间传递旋转运动。
本发明的又一特征是提供这种运动链，所述运动链允许通过路径并不直的传动元件传递旋转运动。
本发明的另一特征是提供这种运动链，所述运动链允许主要借助于滚动摩擦传递旋转运动。
本发明的另一个特征是提供这种运动链，所述运动链是模块化的、多功能的和轻型的以便适应不同用途。
这些和其它目标通过运动链来实现，所述运动链包括：
-第一滑轮，其被布置成围绕旋转轴线x旋转；
-第二滑轮，其被布置成围绕旋转轴线y旋转；
-至少一个连接元件，其包括具有至少一个旋转元件的至少一个通道，所述或各个连接元件还包括至少一个接合部，所述至少一个接合部被布置成将连接元件连接到邻近连接元件或滑轮，从而生成围绕旋转轴线z的旋转约束；
-传动元件，其适于沿着确定的路径发展以用于在第一滑轮与第二滑轮之间传递旋转运动；
所述运动链的特征在于其被布置成在调节配置与传动配置之间穿过，在所述调节配置中，所述或各个连接元件适于围绕其旋转轴线z旋转以用于相对于邻近连接元件或相对于滑轮调节其自身的角度位置，在所述传动配置中，当第一滑轮围绕其旋转轴线x旋转时，第二滑轮围绕其旋转轴线y成比例地旋转，
且在所述传动配置中，所述或各个连接元件适于不围绕其旋转轴线z旋转。
有利地，传动元件适于在所述传动配置中借助于滚动摩擦与所述或各个旋转元件固定地接触，以便允许根据预定几何形状对确定的路径进行建模。
具体地说，各个旋转轴线z可适合地定向，其方式为使得在旋转轴线x与旋转轴线y之间具有所要相对定向。
由于主要借助于滚动摩擦的运动传递，因此本发明因而实现通过具有预定几何形状的路径且高效地在具有任何相对定向的两个滑轮之间传递机械扭矩。
有利地，滑轮的位置可稍微移位，以便预负载传动元件且使其始终处于张力下。
具体地说，所述或各个连接元件包括第一接合部和第二接合部，所述接合部替代地包括：
-第一突起；
-第一突起和第二突起；
-第一突起和第二突起和第三突起；
-前述组合；
所述突起被布置成在连接元件与邻近连接元件之间或在连接元件与滑轮之间形成铰链约束。
具体地说，两个接合部的旋转轴线z不能彼此平行，即，入射到相同平面或不具有相同平面，以便允许路径几何形状继而允许运动链的更高自由度。
有利地，传动元件是具有圆形横截面的缆索。缆索可为完整的(例如，尼龙丝)或扭绞的(例如，一块多缆索钢、尼龙和/或大体上各个类型的纤维)。因此，甚至在提供足够抗张强度的同时允许传动元件的良好弯曲。
替代地，传动元件是扁平带或齿状带。
齿状带接合入口和出口滑轮起作用，而扁平带借助于与入口和出口滑轮的摩擦起作用。相对于缆索，带坚固得多且不会呈现出牵引所致的长丝在股线内部的相对滑动现象。
有利地，通道包括3个旋转元件以用于两个邻近连接元件之间的任何相对定向，从而使缆索始终粘附到旋转元件。
具体地说，所述或各个连接元件包括两个通道。因此，传动元件可在一方向和在其它方向两者上滑动，从而便于当角度行程高于驱动滑轮的圆周时传递扭矩。
有利地，提供锁定装置，其被布置成阻挡两个邻近连接元件之间或连接元件与滑轮之间的相对位置。
具体地说，锁定装置由致动器致动。此类致动器可例如定位在两个邻近连接元件之间的旋转接头处。
有利地，锁定装置包括拉杆和/或支柱，所述拉杆和/或支柱被布置成避免两个邻近连接元件的两个通道之间或连接元件与滑轮之间的距离变化。
根据本发明的另一方面，一种系统包括根据本发明的至少两个运动链，其中第一运动链的第一滑轮定位成与第二运动链的至少一个第二滑轮旋转连接。
因此，可形成彼此串联和/或平行布置的更多链的总和的运动链，从而将旋转运动从滑轮传递到滑轮和从链传递到链。
附图说明
参考附图，本发明的其它特性和/或优势将通过其示范性实施例的以下描述变得更清楚，所述示范性实施例为示例性而非限制性的，在附图中：
-图1A和1B从不同视角示出根据本发明的运动链的第一实施例，其中传动元件是缆索；
-图2A和2B从不同视角示出根据本发明的运动链的第二实施例，其中传动元件是带；
-图3A和3B从不同视角示出连接元件的第一实施例；
-图4A和4B从不同视角示出连接元件的第二实施例；
-图5A、5B和5C示出连接元件的接合部的三个实施例；
-图6A和6B示出连接元件的两个实施例；
-图7A和7B示出图6A和6B的实施例，其还包括旋转元件；
-图8A和8B示出锁定装置的可能实施例。
具体实施方式
参考图1A、1B、2A和2B，根据本发明的运动链100包括被布置成围绕旋转轴线x旋转的第一滑轮110和被布置成围绕旋转轴线y旋转的第二滑轮120。
链100还包括多个连接元件130和传动元件140，所述传动元件140被布置成在第一滑轮110与第二滑轮120之间传递旋转运动。
甚至参考图3A和3B，连接元件130包括两个通道131，所述两个通道131各自具有旋转元件132。具体地说，传动元件140适于在使用时借助滚动摩擦的约束与旋转元件132固定地接触，以便尽可能高效地传递旋转运动。
此外，参考图3A，旋转元件132相对于连接元件130的接合部135和136具有3个自由度。具体地说，旋转元件132除围绕其自身的轴线u旋转之外还可围绕轴线v和w旋转。这允许旋转元件132且因此允许通道131自由移动，以便允许传动元件140根据预定几何形状遵循确定的路径，而无需与旋转元件132自身失去接触。
更具体地说，各个连接元件130包括两个接合部135和136，所述两个接合部135和136被布置成借助于旋转约束邻近连接元件130彼此连接，所述旋转约束具有未必平行于所述旋转轴线x或所述旋转轴线y的旋转轴线z。具体地说，在此实施例中，轴线z与轴线x和y两者正交。
因此，有可能在具有含任何相对定向的旋转轴线的两个旋转元件之间且通过可容易适用于不同累赘需求的轨迹传送旋转运动。
此类方案特别有利于机器人领域，且具体地说特别有利于应用到可穿戴外骨骼，其中必需通过体积不大且可适用于复杂轨迹的光传输装置传递扭矩。
此外，在此示范性实施例中，提供预负载狭槽125用于使滑轮120平移，以便预负载传动元件且使其始终处于张力下。
具体地说，在图1A和1B中，示出运动链100的第一示范性实施例，其中传动元件140由具有圆形横截面的缆索组成。此类方案允许传动元件140的轨迹具有更大适应性，原因是其被允许屈折和弯曲。
在图2A和2B中，实际上示出了第二示范性实施例，其中传动元件140在于平坦或齿状带，所述平坦或齿状带比缆索具有更大抗张强度，但允许运动链的更少移动自由度。在此情况下，图3A和3B中所示出的连接元件130的实施例特别有效，原因是具有矩形横截面的带特别适于旋转元件132的形状。
在图4A和4B中，实际上示出了连接元件130的实施例，其特别适合于使用具有圆形横截面的缆索作为传动元件140。实际上，在此示范性实施例中，3个旋转元件132被设置成以120°布置，以便在它们之间形成通道131，缆索140被约束为在所述通道131中穿过。此特定配置允许缆索140相对于连接元件130具有大量移动自由，同时与所有三个旋转元件132保持接触。这允许使路径继而使缆索140的几何形状变化，从而允许运动链100的极大适应性。
在图5A、5B和5C中，示出了连接元件130的接合部135和136的三个示范性实施例。
具体地说，图5A中的实施例提供接合部136具有突起136'且接合部135具有突起135'和135"。因此，连接元件130的级联沿着属于与旋转轴线z正交的平面的轨迹发生。
图5B的示范性实施例实际上提供接合部135和136两者分别具有两个突起135'、135"和136'、136"。因此，连接元件130的级联以交错方式发生，从而生成可适于所要轮廓的三维曲线，例如螺旋形或螺旋线。此类配置在例如链100必须遵循围绕机器人或人的肢体的轨迹的情况下有用。
最后，图5C的示范性实施例在一侧上具有2个突起136'和136"且在另一侧上具有3个突起135'、135"和135"'，从而允许取决于需要产生图5A和5B的实施例的配置。
在图6A和6B中，示出了连接元件130的接合部135和136的两个其它示范性实施例，其中旋转轴线z分别入射到相同平面且不属于相同平面，而非如在图5A、5B和5C中是平行的。这允许令人满意地进一步使运动链100的几何形状变化。
在图7A和7B中示出还包括旋转元件132的图6A和6B的实施例。
由于连接元件130的模块性和通用性，因此，本发明提供一种能够以非常可适用的方式将扭矩传递到支撑件的累赘、重量、障碍和几何形状的大多数各种状况。
图8A和8B示出锁定装置150的可能的示范性实施例。具体地说，在此实施例中，连接元件130包括拉杆和/或支柱150，所述拉杆和/或支柱150可手动地或以致动方式达到确定长度。此类拉杆和/或支柱适于使此距离保持固定，其方式为使得在传动配置中，连接元件130不会相对于彼此旋转且保持在以调节配置建立的轨迹上。
替代地，锁定装置150可包括螺栓，所述螺栓通过摩擦布置成阻挡第一连接元件130的突起与邻近元件130的突起之间的相对位置。
一些示范性具体实施例的前述描述根据概念性观点如此充分地公开了本发明，从而使得其他人通过应用当前的知识将能够在不进一步研究且不偏离本发明的情况下修改和/或适应具体示范性实施例的各种应用，且因此意味着此类适应和修改将必须被视为等效于具体实施例。实现本文中所描述的不同功能的装置和材料可在出于此原因不偏离发明领域的情况下具有不同性质。应理解，本文中所采用的措词或术语是出于描述而不是限制的目的。

Claims (11)

1.一种运动链(100)，其包括：
第一滑轮(110)，其被布置成围绕旋转轴线x旋转；
第二滑轮(120)，其被布置成围绕旋转轴线y旋转；
至少一个连接元件(130)，其包括具有含旋转轴线u的至少一个旋转元件(132)的至少一个通道(131)，所述连接元件(130)还包括至少一个接合部(135、136)，所述至少一个接合部(135、136)被布置成将所述连接元件(130)连接到邻近连接元件(130)或滑轮(110、120)，从而形成围绕旋转轴线z的旋转约束；
传动元件(140)，其被布置成沿着确定的路径扩展以用于在所述第一滑轮(110)与所述第二滑轮(120)之间传递旋转运动，所述传动元件(140)被布置成穿过所述通道(131)，从而形成所述旋转元件(132)围绕所述旋转轴线u的旋转；
所述运动链(100)的特征在于其被布置成在调节配置与传动配置之间穿过，在所述调节配置中，所述连接元件(130)适于围绕所述旋转轴线z旋转以用于相对于邻近连接元件(130)或相对于滑轮(110、120)调节其自身的角度位置，在所述传动配置中，当所述第一滑轮(110)围绕所述旋转轴线x旋转时，所述第二滑轮(120)围绕所述旋转轴线y成比例地旋转，
且其特征在于在所述传动配置中，所述连接元件(130)适于不围绕所述旋转轴线z旋转。
2.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中所述旋转轴线u适于相对于所述旋转轴线z旋转，以便允许根据预定几何形状对所述确定的路径进行建模。
3.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中所述连接元件(130)包括第一接合部(135)和第二接合部(136)，所述第一和所述第二接合部(135、136)分别包括第一突起(135′、136′)、第二突起(135″、136″)和第三突起(135″′、136″′)中的一个或多个，
所述突起被布置成在所述连接元件(130)与邻近连接元件(130)之间或在所述连接元件(130)与滑轮(110、120)之间形成铰链约束。
4.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中所述传动元件(140)是具有圆形横截面的缆索。
5.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中所述传动元件(140)是扁平带。
6.根据权利要求4所述的运动链(100)，其中所述通道(131)包括3个旋转元件(132)，所述3个旋转元件(132)被布置成允许两个邻近连接元件(130)之间的任何相对定向，从而使所述缆索(140)始终与所述旋转元件(132)保持接触。
7.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中所述连接元件(130)包括两个通道(131)。
8.根据权利要求1所述的运动链(100)，其中提供锁定装置(150)，所述锁定装置被布置成阻挡两个邻近连接元件(130)之间或连接元件(130)与滑轮(110、120)之间的相对位置。
9.根据权利要求8所述的运动链(100)，其中所述锁定装置(150)由致动器致动。
10.根据权利要求8所述的运动链(100)，其中所述锁定装置(150)包括拉杆和/或支柱，所述拉杆和/或支柱被布置成避免两个邻近连接元件(130)的两个通道(131)之间或连接元件(130)与滑轮(110、120)之间的距离变化。
11.一种包括至少两个根据权利要求1所述的运动链(100)的系统，其中第一运动链(100)的第一滑轮(110)定位成与第二运动链(100)的至少一个第二滑轮(120)旋转连接。
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