CN111673795A - 一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构 - Google Patents

一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构 Download PDF

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贺磊盈
吴天次
陈建国
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric

Abstract

本发明涉及绳驱动机械臂领域。技术方案是：一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：该结构包括布置在基座上的三个电机轮、可转动地定位在基座上的回转基座、固定在基座内的若干滑轮、可绕水平轴线转动地定位在回转基座上的传动轴、穿套固定在回转轴上的第一绕线轮、可转动地套设在回转轴上的第二绕线轮与第三绕线轮、穿套固定在传动轴上第一输出轮和两个绕线轮、可转动地套设在传动轴上的第二输出轮、与摇杆连接的末端平台、可转动地穿套在万向节第一转轴上的两个绕线环、穿套在万向节第二转轴上的两个支杆、驱动回转基座的两根传动绳、驱动摇杆的若干传动绳、驱动末端平台的其余若干传动绳。本发明能提升机械臂的可操作空间。

Description

一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构
技术领域
本发明涉及绳驱动机械臂领域，具体涉及一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构。
背景技术
在机器人技术中，绳驱动主要应用于并联机构和机器人手爪的传动。绳驱动可以实现远距离传动，有效降低关节的重量，实现机械臂的轻量化，因此对绳驱动机械臂技术的研究越来越受到人们的重视和关注。
而在机器人技术中，关节是连接机器人的手、臂、机身、腿和脚不可缺少的部件。其中，大多数关节的运动方式是转动或作短距离平移运动。在各种关节中，又以腕关节的运动最为复杂，自由度最多。在现有绳驱机械臂技术中，腕关节基本都为二自由度，可操作空间有限；因此对于那些需要在空间曲面上进行连续作业，如：用于焊接、喷漆、隧道掘进工程中的砼喷等工作的机器人来说，至少具有三个旋转自由度的腕关节是完全有必要的。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提出一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，以提升机械臂的可操作空间。
本发明采用的技术方案为：
一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：该结构包括布置在基座上且分别由电机一一驱动的三个电机轮、通过竖直布置的回转轴可转动地定位在基座上的回转基座、通过若干安装板分别一一固定在基座内的若干滑轮、通过轴承座可绕水平轴线转动地定位在回转基座上的传动轴、穿套固定在回转轴上的第一绕线轮、可转动地套设在回转轴上的第二绕线轮与第三绕线轮、穿套固定在传动轴上第一输出轮和两个绕线轮、可转动地套设在传动轴上且与摇杆固结的第二输出轮、通过万向节与摇杆连接的末端平台、可转动地穿套在万向节第一转轴上的两个绕线环、穿套在万向节第二转轴上且与末端平台分别固定的两个支杆、缠绕在第一个电机轮上且通过滑轮导向后再与所述第一绕线轮缠绕配合以驱动回转基座的两根传动绳、由第二个电机轮带动以驱动摇杆的若干传动绳、由第三个电机轮带动以驱动末端平台的其余若干传动绳。
所述两个绕线轮分别是第四绕线轮以及第五绕线轮。
所述驱动回转基座的两根传动绳为第一传动绳与第二传动绳。
所述驱动摇杆的方式是：第九传动绳与第十传动绳分别缠绕在第二个电机轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第三绕线轮上，第十一传动绳与第十二传动绳分别缠绕在第三绕线轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第二输出轮，从而在电机带动的电机轮驱使下使摇杆发生摆动。
所述驱动末端平台的方式是：第三传动绳和第四传动绳分别缠绕在第三个电机轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第二绕线轮上，第五传动绳和第六传动绳分别缠绕在第二绕线轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第一输出轮上；缠绕在第四绕线轮上的第七传动绳，绕过第一绕线环后再缠绕在第一支杆上；缠绕在第五绕线轮上的第八传动绳，绕过第二绕线环后载缠绕在第二支杆上；从而实现末端平台的驱动。
本发明的优点是：在原有二自由度机械臂腕关节的基础上，可以再增加一个自由度，提升机械臂的可操作空间，使手腕关节能完成全部的屈、伸、展、收及一定限度的环转运动。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图之一。
图2为本发明的立体结构示意图之二(相对于图1转动了90度)。
图3为图2的俯视方向结构示意图。
图4为回转基座内部的透视结构示意图之一(移走回转基座后)。
图5为回转基座内部的透视结构示意图之二(图1中移走回转基座后)。
图6为回转基座内部的透视结构示意图之三(图1中移走回转基座后)。
图7为基座下部其中一个电机轮与传动绳的缠绕结构示意图(图中省略电机)。
图中标号：回转轴1、底板2、回转基座3、第一传动绳4、第二传动绳5、第三传动绳6、第四传动绳7、安装板8、第五传动绳9、第六传动绳10、第七传动绳11、第一绕线环12、第一支杆13、第八传动绳14、第二绕线环15、第二支杆16、第九传动绳17、第十传动绳18、第十一传动绳19、第十二传动绳20、摇杆21、传动轴22、轴承盖23、基座24、末端平台25、万向节26、轴承座27、紧固挡圈28、键29、轴承30、电机轮31、第一绕线轮I、第二绕线轮II、第三绕线轮III、第四绕线轮IV、第五绕线轮V、第一输出轮i、第二输出轮ii。
具体实施方式
下面结合附图所述实施例进一步说明本发明；但本发明并不局限于以下实施例。
如图4、图5、图6所示，底板2安装在轴承30的内圈，回转基座3安装在轴承30的外圈，底部由轴承盖23固定住，整体放置在基座24上，基座24的底部则安装有由电机驱动的电机轮(如图7所示；图中省略电机)。
如图7所示，第一传动绳4和第二传动绳5成对缠绕在基座24内的电机轮上，其中第一传动绳4正向缠绕在电机轮上，第二传动绳5反向缠绕在电机轮上(两根传动绳实际是首尾相连成圈的一根；为叙述方便而分为两根。后同)，另两对传动绳(第二传动绳6和第三传动绳7、第九传动绳17和第十传动绳18)也分别采用同样的方式缠绕在基座24内的另外两个电机轮上(故图中省略另外两个电机轮)。
如图1、图2、图3所示，回转基座1上开有通槽，以使传动绳穿过，轴承座27通过螺钉安装在回转基座3的上部，传动轴22安装在轴承座27之间；第一输出轮i、第四绕线轮IV以及第五绕线轮V固定安装在传动轴22上，第二输出轮ii与摇杆21固接并空套在传动轴22上；摇杆的上部通过万向节26分别与末端平台的第一支杆13、第二杆支16连接(第一绕线环12、第二绕线15环套设在万向节的第二转轴的两端且分别与第一支杆、第二杆支固定；摇杆的上部则与万向节26的第一转轴铰接)，进而连接末端平台25；其中，缠绕在第四绕线轮上的第七传动绳可绕过第一绕线环12后缠绕在第一支杆13上；同理，缠绕在第五绕线轮上的第八传动绳可绕过第二绕线环15后缠绕在第二支杆16上。
如图4、图5、图6所示，回转轴1的顶端端部通过键29及紧固挡圈11与回转基座3的上部固定；第一绕线轮(I)(图中省略)固定安装在回转轴2上，与回转轴同步转动；第二绕线轮(II)与第三绕线轮(III)则空套在回转轴2上，与回转轴的转动独立；所配套用的若干滑轮通过若干安装板8一一安装在回转基座的内壁上(每个安装板的底部与回转基座固定，每个安装板的顶部则安装一可转动的滑轮)。
如图6，图7所示，从第一个电机轮上引出的第一传动绳4和第二传动绳5，缠绕在第一绕线轮I上(该两绳的缠绕方向相反，用于实现第一绕线轮的正反转。一般情况下，第一传动绳4逆时针缠绕，第二传动绳5顺时针缠绕)；电机启动后，带动电机轮上的绕线轮转动，进而带动回转轴1转动，通过两根传动绳使得回转基座3转动。
如图4所示，从第二个电机轮上引出的第九传动绳17、第十传动绳18分别绕过安装在安装板8上的滑轮后，缠绕在第三绕线轮III上(第九传动绳17逆时针缠绕，第十传动绳18顺时针缠绕；如前所述，这两根绳实际是首尾相连成圈的一根)；另从第三绕线轮III上先逆时针引出的第十一传动绳19，先绕过固定在回转基座3上的滑轮，逆时针缠绕在第二输出轮ii上；接着再从第三绕线轮III上顺时针引出的第十二传动绳20(如前所述，第十一传动绳19、第十二传动绳20实际是首尾相连成圈的一根)，先后绕过固定在回转基座3上的滑轮，顺时针缠绕在第二输出轮ii上；由电机带动的电机轮驱使，带动第二输出轮转动，进而使摇杆21发生转动。
如图5、图6所示，第三传动绳6和第四传动绳7分别绕过固定在安装板8上的滑轮，缠绕在第二绕线轮II上(两绳的缠绕方向相反；如前所述，这两根绳实际也是首尾相连成圈的一根)；接着，从第二绕线轮II上引出第五传动绳9、第六传动绳10(两绳的缠绕方向相反；如前所述，这两根绳实际也是首尾相连成圈的一根)，分别绕过固定在回转基座1上的滑轮后，缠绕在第一输出轮i上。绕线轮仍由电机带动的电机轮驱使，带动第一输出轮i转动。
如图5、图6所示，从第四绕线轮IV上逆时针引出的第七传动绳11，绕过第一绕线环12后，缠绕在第一支杆13上；从第五绕线轮V上顺时针引出的第八传动绳14，绕过第二绕线环15后，缠绕在第二支杆16上；第一输出轮i转动后，同步引起第四绕线轮及第五绕线轮的转动，进而带动第一支杆13、第二支杆16转动，导致末端平台25绕万向节的第二转轴摆动。

Claims (5)

1.一种用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：该结构包括布置在基座(24)上且分别由电机一一驱动的三个电机轮(31)、通过竖直布置的回转轴(2)可转动地定位在基座上的回转基座(1)、通过若干安装板(8)分别一一固定在基座内的若干滑轮、通过轴承座(27)可绕水平轴线转动地定位在回转基座上的传动轴(22)、穿套固定在回转轴上的第一绕线轮(I)、可转动地套设在回转轴上的第二绕线轮(II)与第三绕线轮(III)、穿套固定在传动轴上第一输出轮(i)和两个绕线轮、可转动地套设在传动轴上且与摇杆(21)固结的第二输出轮(ii)、通过万向节(26)与摇杆连接的末端平台(25)、可转动地穿套在万向节第一转轴上的两个绕线环、穿套在万向节第二转轴上且与末端平台分别固定的两个支杆、缠绕在第一个电机轮上且通过滑轮导向后再与所述第一绕线轮缠绕配合以驱动回转基座的两根传动绳、由第二个电机轮带动以驱动摇杆的若干传动绳、由第三个电机轮带动以驱动末端平台的其余若干传动绳。
2.根据权利要求1所述的用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：所述两个绕线轮分别是第四绕线轮(IV)以及第五绕线轮(V)。
3.根据权利要求2所述的用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：所述驱动回转基座的两根传动绳为第一传动绳(4)与第二传动绳(5)。
4.根据权利要求3所述的用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：所述驱动摇杆的方式是：第九传动绳(17)与第十传动绳(18)分别缠绕在第二个电机轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第三绕线轮(III)上，第十一传动绳(19)与第十二传动绳(20)分别缠绕在第三绕线轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第二输出轮(ii)，从而在电机带动的电机轮驱使下使摇杆发生摆动。
5.根据权利要求4所述的用于绳驱机械臂的三自由度腕关节结构，其特征在于：所述驱动末端平台的方式是：第三传动绳(6)和第四传动绳(7)分别缠绕在第三个电机轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第二绕线轮(II)上，第五传动绳(9)和第六传动绳(10)分别缠绕在第二绕线轮上且通过滑轮后再分别缠绕在第一输出轮(i)上；缠绕在第四绕线轮(IV)上的第七传动绳(11)，绕过第一绕线环(12)后再缠绕在第一支杆(13)上；缠绕在第五绕线轮(V)上的第八传动绳(14)，绕过第二绕线环(15)后载缠绕在第二支杆(16)上；从而实现末端平台的驱动。
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