CN110666832A - 一种绳驱动摆转关节模块 - Google Patents

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管贻生
宋耀威
姜浩
张涛
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Abstract

本发明公开绳驱动摆转关节模块，包括前后和两侧对称设置的多个关节基架，关节基架之间设有前后对称设置的关节传动机构，关节传动机构内部还设有滑轮组与绕过的绳索配合滑动，关节传动机构与保距装置相连以保证前后对称结构保持稳定的动作间距，关节传动机构的固定端通过关节基架与电机舱壳体一端固定相连，预紧装置调整绳索松紧度，电机舱壳体内部设有电机驱动绳索并使关节传动机构的固定端和摆动端相对摆动。相对现有技术，本发明技术方案具有结构简单且工作可靠等优点，可有效提高机器人关节模块设计的灵活性、扩展性和伸缩性以及提高机器人关节模块的工作效率。

Description

一种绳驱动摆转关节模块
技术领域
本发明涉及机器人关节模块技术领域，特别涉及一种绳驱动摆转关节模块。
背景技术
目前，传统方法设计的机器人在构型、尺寸和自由度等方面上都是固定不变，这样存在容错性差、维护不便等缺陷，针对不同的尺寸和负载等具体要求都需要不同设计，最终缺乏系统构建的灵活性、扩展性和伸缩性。
现有技术采用模块化方法可克服传统技术中的不足，从而有利于规模化和标准化生产、降低生产和维护成本。在模块化设计中，国内外已开发了一系列机器人关节模块，例如专利ZL201010242196.7和ZL201010242208.6分别公开了一种摆动关节和回转关节模块，这些专利方案中的关节模块性能不错，但由于采用了传统谐波减速器和齿轮传动，最终导致成本较高、噪音较大、系统柔性不足、质量和转动惯量偏大、负载自重比低等问题，并在生产和生活服务等方面应用受到了一定限制。
为克服传统驱动方式存在的缺点以提升系统的安全性能，现有技术还采用绳驱动方式开发机器人并成为备受关注新尝试，例如专利CN106514703A公开了一种基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂，该机械臂采用三根绳索贯穿整体机构，并且每根绳索分别由电机驱动，但是该专利技术方案存在驱动装置过大，绳索连接过于复杂以及应用场所有限等缺陷，又如CN200710063781.9公开了一种绳驱动冗余度机械臂，摆转关节用单滑轮驱动，但机构构型尺寸不接近人臂且自由度也不相同，专利US12328792公开的绳驱动操作臂采用串联关节将整个机械臂串联在一起，但其前几个关节的结构很松散而走线复杂，末端负载能力低且负载自重比小，既难用于工业也不能用于仿人机器人。目前的绳驱动机器人都没有实现模块化。虽然驱动方式和结构上带来一些优势，但传统设计制造上的存在的系统构建的灵活性、扩展性和伸缩性还没有解决。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种结构简单且工作可靠的绳驱动摆转关节模块，旨在提高机器人关节模块设计的灵活性、扩展性和伸缩性以及提高机器人关节模块的工作效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种绳驱动摆转关节模块，包括前后和两侧对称设置的多个关节基架，关节基架之间设有前后对称设置的关节传动机构，关节传动机构内部还设有滑轮组与绕过的绳索配合滑动，关节传动机构与保距装置相连以保证前后对称结构保持稳定的动作间距，关节传动机构的固定端通过关节基架与电机舱壳体一端固定相连，预紧装置调整绳索松紧度，电机舱壳体内部设有电机驱动绳索并使关节传动机构的固定端和摆动端相对摆动。
优选地，所述关节传动机构包括前后对称设置的两个齿轮片，两个齿轮片相对端部分别设有外轮齿以啮合传动，两个齿轮片的转动中心分别穿过一中心轴，中心轴两端分别与左右对称设置的所述关节基架相连，关节传动机构摆动端在齿轮片端角位置分别设有两组动滑轮，关节传动机构固定端在齿轮片端角分别设有两组定滑轮，动滑轮和定滑轮同侧设置，绳索从上部的定滑轮出发并绕过上部的动滑轮再进入至所述预紧装置，再绕过下部的动滑轮，再绕过下部的定滑轮。
优选地，所述保距装置包括分别设置于所述齿轮片两侧的保距板，保距板两端分别与中心轴接相连。
优选地，所述预紧装置包括穿过所述电机舱壳体且上下设置的两个万向轮，万向轮还与径向穿过电机舱壳体壁板的螺纹预紧件相连，安装腔内还设有滑轮保持架约束万向轮，螺旋转动螺纹预紧件以使万向轮与滑轮保持架调整绳索的张紧度；电机舱壳体一侧的安装腔内还设有绕线轮与进入预紧装置内部的绳索绕紧相连，绕线轮与轴端穿过电机舱壳体的电机相连并被电机驱动旋转。
优选地，所述两个齿轮片的啮合传动比为1：1。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案采用绳索驱动和齿轮片传动，使得结构简单、重量轻小，绳索驱动具备一定柔性，因此使用比较安全；本发明技术方案以绳索驱动和和齿轮片传动取代了传统的昂贵的谐波减速器和RV减速器，关节成本较低；
本发明技术方案应用范围广，由于构型与人臂肘关节相似，可用作仿人机械臂的肘关节；由于可做双向摆动，也可用作一般操作臂的摆动关节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的绳驱动摆转关节模块的立体结构示意图；
图2为本发明的关节传动机构的立体结构示意图；
图3为本发明的预紧装置的立体结构示意图；
图4为本发明的绳驱动摆转关节模块的绕线方式示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 关节基架 10 保距板
2 关节传动机构 11 定滑轮
3 保距装置 12 电机轴
4 绳索 13 绕线轮
5 预紧装置 14 滑轮保持架
6 模块化接口 15 万向轮
7 齿轮片 16 螺纹预紧件
8 动滑轮 M 电机舱壳体
9 中心轴 R 绳索绕线方式
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种绳驱动摆转关节模块。
请参见图1，本发明实施例的绳驱动摆转关节模块包括前后对称设置且两侧对称设置的四个关节基架1，关节基架1之间设有前后对称设置的关节传动机构2，其中本实施例的关节传动机构2内部还设有滑轮组与绕过的绳索4配合滑动，关节传动机构2与保距装置3相连以保证前后对称结构保持稳定的动作间距，关节传动机构2的固定端通过关节基架1与电机舱壳体M一端固定相连，电机舱壳体M内部设有电机驱动调整绳索4并使关节传动机构2的固定端和摆动端发生啮合的相对摆动。因此关节基架1、关节传动机构2、保距装置3和预紧装置5共同组成本实施例的绳驱动摆转关节模块，具备超越人体手臂的工作范围以及灵活性能。
请参见图2至图4，具体地，本实施例的关节传动机构2包括前后对称设置的两个齿轮片7，两个齿轮片7相对的端部分别设有外轮齿以啮合传动，优选地，本实施例两个齿轮片7的啮合传动比为1：1。两个齿轮片7的转动中心分别穿过一中心轴9，中心轴9两端分别与左右对称设置的关节基架1相连，关节传动机构2摆动端在齿轮片7端角位置分别设有两组动滑轮，关节传动机构2固定端在齿轮片7端角分别设有两组定滑轮，动滑轮8和定滑轮11同侧设置，并且绳索4从上部的定滑轮11出发并绕过上部的动滑轮8，然后伸入至预紧装置5内部，再绕过下部的动滑轮8，再绕过下部的定滑轮11与该定滑轮11固定相连，具体绳索的走线方式请参见图4的的绳索绕线方式R。因此通过绳索4的驱动，使得两个相对的齿轮片7实现相对摆动。
本实施例的保距装置包括分别设置于齿轮片7两侧的保距板10，保距板10两端分别与中心轴9相连，因此通过两个保距板10能够使得前后设置的两根中心轴9具有相对恒定的轴线间距，并且还通过轴套9定位，保证齿轮片7不会发生轴向偏移，齿轮片7上的约束齿保证其不会发生径向偏移。
本实施例的预紧装置5包括设置于电机舱壳体M内部且上下设置的两个万向轮15，万向轮15还与径向穿过电机舱壳体M壁板的螺纹预紧件16相连，安装腔内还设有滑轮保持架14约束万向轮15，螺旋转动螺纹预紧件16以使万向轮15与滑轮保持架14调整绳索4的张紧度。电机舱壳体M一侧的安装腔内还设有绕线轮13与进入预紧装置5内部的绳索4相连，部分绳索4会绕于绕线轮13外周面，并且绕线轮13与轴向穿过电机舱壳体M的电机相连，通过电机的电机轴12对绕线轮13产生旋转作用力，本实施例的电机与电机舱壳体M固定相连。
本实施例的四个关节基架1在端面位置设有模块化接口6以方便与后续的模块进行快速相连。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种绳驱动摆转关节模块，其特征在于，包括前后和两侧对称设置的多个关节基架，关节基架之间设有前后对称设置的关节传动机构，关节传动机构内部还设有滑轮组与绕过的绳索配合滑动，关节传动机构与保距装置相连以保证前后对称结构保持稳定的动作间距，关节传动机构的固定端通过关节基架与电机舱壳体一端固定相连，预紧装置调整绳索松紧度，电机舱壳体内部设有电机驱动绳索并使关节传动机构的固定端和摆动端相对摆动。
2.如权利要求1所述的绳驱动摆转关节模块，其特征在于，所述关节传动机构包括前后对称设置的两个齿轮片，两个齿轮片相对端部分别设有外轮齿以啮合传动，两个齿轮片的转动中心分别穿过一中心轴，中心轴两端分别与左右对称设置的所述关节基架相连，关节传动机构摆动端在齿轮片端角位置分别设有两组动滑轮，关节传动机构固定端在齿轮片端角分别设有两组定滑轮，动滑轮和定滑轮同侧设置，绳索从上部的定滑轮出发并绕过上部的动滑轮再进入至所述预紧装置，再绕过下部的动滑轮，再绕过下部的定滑轮。
3.如权利要求2所述的绳驱动摆转关节模块，其特征在于，所述保距装置包括分别设置于所述齿轮片两侧的保距板，保距板两端分别与中心轴接相连。
4.如权利要求3所述的绳驱动摆转关节模块，其特征在于，所述预紧装置包括穿过所述电机舱壳体且上下设置的两个万向轮，万向轮还与径向穿过电机舱壳体壁板的螺纹预紧件相连，安装腔内还设有滑轮保持架约束万向轮，螺旋转动螺纹预紧件以使万向轮与滑轮保持架调整绳索的张紧度；电机舱壳体一侧的安装腔内还设有绕线轮与进入预紧装置内部的绳索绕紧相连，绕线轮与轴端穿过电机舱壳体的电机相连并被电机驱动旋转。
5.如权利要求4所述的绳驱动摆转关节模块，其特征在于，所述两个齿轮片的啮合传动比为1：1。
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