CN111015722A - 一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，包括腕部顶盖组件，万向节，腕部底盘组件，锥齿轮组成，腕部顶盖组件由输出轴，腕部顶盖，腕部顶盖滑轮组件和推力轴承组成，腕部底盘组件由输入轴，腕部底盘滑轮组件和推力轴承组成，腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件都由滑轮组件构成，包括钢索固定支架、一滑轮支架、三滑轮支架、一滑轮支架顶盖和滑轮。本发明整体结构紧凑，不需要在腕部安装驱动电机和减速器等装置，质量和惯量小，灵活性好，非常适合低负载高速响应的应用场合。

Description

一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体提供一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构。
背景技术
机器人的腕部是机器人安装末端执行器的部位，通常安装在机器人末端，所以腕部的质量和大小是需要考虑的关键问题，往往采用紧凑的结构和合理的自由度，机器人腕部一般具有三个自由度：横滚，俯仰和偏航。
一些机器人腕部是通过电机加减速器来驱动，电机和减速器重量全部加在机器人的腕部，导致机器人的腕部质量和转动惯量很大，体积通常也很大，灵活性不高。也有一些机器人腕部通过齿轮来传递动力，齿轮的质量也很重，同样导致整个腕部的重量和转动惯量很大。
因此，本领域需要一种低质量低惯量的灵巧腕部结构。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即机器人的腕部体积、质量和惯量较大，灵活性不高。
本发明提供了一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，包括腕部顶盖组件、万向节、腕部底盘组件和锥齿轮组成；腕部顶盖组件包括输出轴、腕部顶盖、腕部顶盖滑轮组件和推力轴承，腕部底盘组件包括输入轴、腕部底盘滑轮组件和推力轴承；腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件均由滑轮组件构成，包括钢索固定支架、一滑轮支架、三滑轮支架、一滑轮支架顶盖和滑轮。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部顶盖组件和腕部底盘组件通过万向节连接，可以实现一个三自由度球形轴关节。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部顶盖组件中输出轴和腕部顶盖之间、腕部底盘组件中输入轴和腕部底盘之间安装有推力轴承。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部顶盖组件和腕部底盘组件中输入轴和输出轴开有键槽和销孔。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件为镜像对称结构。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件中滑轮组件通过螺栓固定在腕部顶盖和腕部底盘上。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，滑腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件中滑轮组件在腕部顶盖和腕部底盘上成圆周阵列排列。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，滑轮组件中滑轮通过螺栓或销钉固定在三滑轮支架和一滑轮支架上。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，滑轮组件中通过螺栓和螺母钢索固定支架固定在三滑轮支架上。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，滑轮组件中三滑轮支架凸台与一滑轮支架的凹槽产生同轴配合，并通过一滑轮支架顶盖固定。
在上述一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构的优选技术方案中，腕部底盘上开有圆周阵列分布的固定孔，可以通过楔片和方孔的形式固定。
与现有技术相比较，本发明具有哪些技术优势，请补充完善下吧。
现在市场上常用的机械臂腕部结构大多是采用电机带动减速器驱动的方案，该方结构简单，组装方便，可以快速开发出三自由度的腕部结构，但是此方案中电机和减速器的质量全部集中在腕部，导致腕部的质量和惯量很大，而且电机和减速器也需要占用很大的空间。本发明设计的腕部结构通过将驱动电机放在腕部以外的外置，合理的减轻了腕部的质量和惯量，同时使腕部结构更加紧凑，更适合机器人的应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的整体结构爆炸图。
图3是本发明的滑轮组件爆炸图。
图4是本发明的腕部顶盖示意图。
图5是本发明的腕部底盘示意图。
图6是本发明的输入轴和输出轴示意图。
图7是本发明的钢索安装示意图。
图8是本发明的腕部底盘安装示意图。
图中：1-腕部顶盖组件，2-联轴器，3-腕部底盘组件，4-锥齿轮，5-滑轮；1-1-输出轴，1-2-腕部顶盖，1-3-腕部顶盖滑轮组件；3-1-输入轴，3-2-腕部底盘滑轮组件，3-3-推力轴承3-4-腕部底盘；1-3-1-钢索固定支架，1-3-2-三滑轮支架，1-3-3-一滑轮支架，1-3-4-一滑轮支架顶盖。
具体实施方式
首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“中”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基于背景技术指出的现有机器人腕部结构不理想，机器人的腕部质量和惯量较大，灵活性不高，本发明提供了一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，旨在减少机器人腕部的质量和转动惯量，使机器人的末端更加灵活。
具体地，一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构由腕部顶盖组件1、万向节2、腕部底盘组件3、锥齿轮4和滑轮5组成。具体地，如图1所示，腕部顶盖组件1和腕部底盘组件3之间通过万向节2连接。
优选地，万向节2和输入轴1-1、输出轴3-1通过销钉连接，万向节2的外圈通过弹簧圈固定。
优选地，伞齿轮4通过键槽和顶丝固定在输出轴3-1上，输出轴3-1上也开有键槽，用以安装机器人的末端执行器。
优选地，为了加工简单，腕部顶盖组件1和腕部底盘组件3为镜像对称结构，但不是必须做成对称结构。
优选地，如图2所示，腕部顶盖组件1由输入轴1-1、腕部顶盖1-2、腕部顶盖滑轮组件1-3和推力轴承3-3组成。
更进一步地，腕部顶盖滑轮组件1-3通过螺栓固定在腕部顶盖1-2上，为滑轮5提供支撑，腕部底盘滑轮组件3安装方式类似。
优选地，如图2所示，腕部底盘组件3由输出轴3-1、腕部底盘滑轮组件3-2、推力轴承3-3和腕部底盘3-4组成。
更进一步地，推力轴承3-3安装在腕部底盘3-4的凹槽内，输入轴3-1的轴肩顶在推力轴承3-3的另一端，输出轴3-1跟随推力轴承3-3进行转动，腕部顶盖组件1的推力轴承3-3安装方式相同。
优选地，腕部顶盖滑轮组件1-3和腕部底盘滑轮组件3-2都是由滑轮组件构成，是成镜像对称结构，并非完全相同。
更进一步地，为说明原理，如图3所示，滑轮组件由钢索固定支架1-3-1、三滑轮支架1-3-2、滑轮支架1-3-3、滑轮支架顶盖1-3-4和滑轮5组成。
更进一步地，三滑轮支架1-3-2和一滑轮支架1-3-3通过螺栓或销钉将滑轮固定。
更进一步地，三滑轮支架1-3-2两端的凸台与一滑轮支架1-3-3的凹槽产生同轴配合，并通过滑轮支架顶盖1-3-4固定，使三滑轮支架1-3-2在凹槽内转动。
优选地，如图7所示，钢索从腕部底盘3-4上的方孔传入，先后通过底盘一滑轮支架-底盘三滑轮支架-顶盖三滑轮支架-顶盖-滑轮支架，最后固定到顶盖-滑轮支架的滑轮上，组成滑轮组。腕部顶盖滑轮组件1-3中的滑轮作为动滑轮，腕部底盘滑轮组件2-1中的滑轮作为定滑轮，通过钢索的拉伸，实现顶盖滑轮带动腕部顶盖组件绕万向节2的转动，从而实现机器人腕部在两个方向上的旋转运动。
优选地，通过驱动伞齿轮5带动输入轴3-1旋转，通过万向节2旋转传送到输出轴，实现机器人腕部在一个方向上的旋转运动。整体机器人腕部共有三个自由度。

Claims (8)

1.一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：
由腕部顶盖组件、万向节、腕部底盘组件、锥齿轮和滑轮组成；腕部顶盖组件和腕部底盘组件之间通过万向节连接；通过驱动伞齿轮带动输入轴旋转，通过万向节旋转传送到输出轴，实现机器人腕部在一个方向上的旋转运动；整体机器人腕部共有三个自由度；伞齿轮通过键槽和顶丝固定在输出轴上，输出轴上也开有键槽，用以安装机器人的末端执行器。
2.根据权利要求1所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：万向节和输入轴、输出轴通过销钉连接，万向节的外圈通过弹簧圈固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：腕部顶盖组件和腕部底盘组件为镜像对称结构。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：腕部顶盖组件由输入轴、腕部顶盖、腕部顶盖滑轮组件和推力轴承组成；腕部顶盖滑轮组件通过螺栓固定在腕部顶盖上，为滑轮提供支撑；腕部底盘组件由输出轴、腕部底盘滑轮组件、推力轴承和腕部底盘组成。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：推力轴承安装在腕部底盘的凹槽内，输入轴的轴肩顶在推力轴承的另一端，输出轴跟随推力轴承进行转动，腕部顶盖组件的推力轴承安装方式相同。
6.根据权利要求5所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：腕部顶盖滑轮组件和腕部底盘滑轮组件都是由滑轮组件构成，是成镜像对称结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：滑轮组件由钢索固定支架、三滑轮支架、滑轮支架、滑轮支架顶盖和滑轮组成；三滑轮支架和一滑轮支架通过螺栓或销钉将滑轮固定；三滑轮支架两端的凸台与一滑轮支架的凹槽产生同轴配合，并通过滑轮支架顶盖固定，使三滑轮支架在凹槽内转动。
8.根据权利要求7所述的一种基于线驱动的三自由度的灵巧腕部结构，其特征在于：钢索从腕部底盘上的方孔传入，先后通过底盘一滑轮支架底盘三滑轮支架顶盖三滑轮支架顶盖滑轮支架，最后固定到顶盖滑轮支架的滑轮上，组成滑轮组；腕部顶盖滑轮组件中的滑轮作为动滑轮，腕部底盘滑轮组件中的滑轮作为定滑轮，通过钢索的拉伸，实现顶盖滑轮带动腕部顶盖组件绕万向节的转动，从而实现机器人腕部在两个方向上的旋转运动。
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