CN116638545B - 一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，包括输出轮组、支架组、动力组件、滑轮组和传动绳索；输出轮组、动力组件和滑轮组安装在支架组上，动力组件的输出端为凹槽导线绕线轮，传动绳索的两端固定在输出轮组的输入端，传动绳索与凹槽导线绕线轮和滑轮组相配合，在动力组件的驱动下通过传动绳索的传动将动力传递至输出轮组的输入端，输出轮组的输入端将动力传递至输出轮组的输出端，输出轮组的输出端作为机器人腕关节的输出侧。与现有技术相比，本发明动力组件与滑轮组相配合，可实现小体积下的柔性双自由度运动功能，作为康复机器人相对靠近末端的部分，极大地降低了对于后部驱动机构的要求。

Description

一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节。

背景技术

康复机器人是一个相对年轻且快速发展的领域，越来越深入临床环境。功能康复和辅助机器人已逐渐成为世界上临床康复治疗的重要技术手段。康复机器人起源于工程学研究领域，是康复医学与机器人技术的完美结合，弥补了传统康复治疗方法在确保高强度康复训练、持久耐力和训练效果标准化方面的不足。功能康复机器人主要应用于中风、脑瘫、脊髓损伤、截瘫、创伤性脑损伤和肢体损伤的慢性患者。由于传统康复训练方法对慢性损伤的功能恢复效果有限，康复机器人辅助训练正被越来越多地研究和应用。

目前，康复机器人已广泛应用于康复护理、假体和康复治疗，同时，康复机器人的发展仍面临许多挑战，康复机器人研究仍存在争议，如安全问题、操作复杂、体积庞大等。因此，体积小巧、质量轻便的机器人腕关节研究极有应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，包括输出轮组、支架组、动力组件、滑轮组和传动绳索；

所述输出轮组、动力组件和滑轮组安装在支架组上，所述动力组件的输出端为凹槽导线绕线轮，传动绳索的两端固定在输出轮组的输入端，所述传动绳索与凹槽导线绕线轮和滑轮组相配合，在动力组件的驱动下通过所述传动绳索的传动将动力传递至输出轮组的输入端，所述输出轮组的输入端将动力传递至输出轮组的输出端，所述输出轮组的输出端作为机器人腕关节的输出侧。

进一步地，所述输出轮组包括中心轮组和两个侧轮组；

所述侧轮组包括侧轮中轴、侧锥齿轮、压线导轮、输出轮支撑架和侧轮支撑架，所述侧轮中轴与侧锥齿轮相连，所述压线导轮与侧锥齿轮相连，侧轮中轴、侧锥齿轮和压线导轮同步转动，所述输出轮支撑架通过内轴承安装在侧轮中轴上，所述侧轮支撑架通过外轴承安装在侧轮中轴上，所述侧轮支撑架安装在支架组上，所述压线导轮为输出轮组的输入端；

所述中心轮组包括中心法兰轴、中心锥齿轮、固定衬套和中心支撑架，所述中心法兰轴与中心锥齿轮相连，所述固定衬套与中心锥齿轮相连，所述中心法兰轴为输出轮组的输出端；

两个侧轮组设置在中心轮组的两侧，所述中心锥齿轮与两个侧轮组的侧锥齿轮啮合，所述中心支撑架通过输出轴承与固定衬套相连，所述中心支撑架的两端与两个侧轮组的输出轮支撑架相连；

当两个侧轮组的侧锥齿轮同向转动时，所述中心锥齿轮相对两个侧锥齿轮的轴线做周向转动，当两个侧轮组的侧锥齿轮反向转动时，所述中心锥齿轮绕自身轴线旋转。

进一步地，所述支架组包括外壳、贯通支架、前支架、中支架、后支架和双光轴；

以中心锥齿轮的轴线为上下方向，以2个侧锥齿轮的连线为左右方向，所述前支架、中支架、后支架自前向后依次安装在贯通支架上，所述贯通支架、前支架、中支架、后支架和双光轴均设置在外壳内；

所述前支架的数量为2个，2个前支架对应两个侧轮组的位置左右对称设置，所述侧轮支撑架与前支架相连；

所述中支架的数量为2个，2个中支架对应两个侧轮组的位置左右对称设置；

所述后支架的数量为1个，所述双光轴设有2组，每组包括2个双光轴，每个双光轴的两端分别连接中支架和后支架，2组双光轴对应两个侧轮组的位置左右对称设置，同组的2个双光轴上下对称设置。

进一步地，所述滑轮组包括定滑轮、动滑轮、滑块、弹簧组件和直线位移传感器，所述定滑轮安装在前支架上，所述动滑轮安装在滑块上，所述滑块滑动安装在双光轴上，所述弹簧组件套设在中支架和滑块之间的双光轴上，所述直线位移传感器的探头为伸缩探头，所述直线位移传感器的探头与滑块相接触，用于探测滑块的位置；

所述滑轮组的数量为4个，4个滑轮组对应4个双光轴的位置设置，对应同一个侧轮组的2个滑轮组上下镜像设置。

进一步地，所述动力组件包括电机、减速箱、输出轴套和凹槽导线绕线轮，所述电机和减速箱安装在前支架上且设置在前支架与中支架之间的空间内，所述电机与减速箱相连，所述前支架上留有适配电机和减速箱的通孔，所述输出轴套与减速箱输出轴相连，所述凹槽导线绕线轮安装在输出轴套上；

所述动力组件的数量为2个，2个动力组件对应两个侧轮组的位置左右对称设置。

进一步地，所述传动绳索的数量为2根，2根传动绳索对应两个侧轮组，传动绳索的第一端和第二端均固定在侧轮组的压线导轮上，对应一个侧轮组的传动绳索的绕线路径如下：

所述传动绳索的第一端固定在压线导轮上，所述传动绳索的第二端穿过前支架和中支架后自下而上绕经上方动滑轮，回穿中支架后自上而下绕经上方定滑轮后缠绕至凹槽导线绕线轮，经凹槽导线绕线轮绕线后所述传动绳索自上而下绕经下方定滑轮，穿过中支架后自下而上绕经下方动滑轮，回穿中支架和前支架后所述传动绳索的第二端固定至压线导轮。

进一步地，所述前支架和中支架上开设有供传动绳索通过的切口。

进一步地，所述内轴承通过卡簧固定在侧轮中轴上，所述外轴承通过卡簧固定于侧轮中轴上，所述输出轴承通过卡簧安装于固定衬套上。

进一步地，所述传动绳索在同一个滑轮组的动滑轮与定滑轮之间的走线与所述减速箱输出轴在同一平面内。

进一步地，所述直线位移传感器通过贯通支架和前支架固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)动力组件与滑轮组相配合，可实现小体积下的柔性双自由度运动功能，作为康复机器人相对靠近末端的部分，极大地降低了对于后部驱动机构的要求。

(2)两电机联合输出，冗余驱动的方案使本发明体积减小的同时，保证了其优秀的输出能力。

(3)传动系统中引入柔性机构，保障了机器人在操作和人机交互中的安全性，提高了交互体验。

(4)输出轮组侧轮处使用双层轴承结构，使得中心锥齿轮，侧锥齿轮，以及固定它们的侧轮支撑架之间的运动互不干扰，各自独立运动。

附图说明

图1为本发明去除外壳后的结构示意图；

图2为本发明去除部分外壳后的结构示意图；

图3为输出轮组的结构示意图；

图4为输出轮组的截面图；

图5为侧轮组的结构示意图及其剖视图；

图6为中心轮组的结构示意图；

图7为中心轮组的剖视图；

图8为本发明去除外壳和部分组件后的剖视图；

图9为支架组、动力组件、滑轮组件部分结构示意图；

图10为本发明去除外壳和部分组件后的结构示意图；

图11为滑块及动滑轮示意图；

图12为前支架结构示意图；

图13为中支架结构示意图；

图14为后支架结构示意图；

图15为贯通支架结构示意图；

图16为本发明整体结构示意图；

图17为输出轮组与前支架的装配示意图；

附图标记：1、输出轮组，2、支架组，3、动力组件，4、滑轮组；

1-1、侧轮中轴，1-2、侧锥齿轮，1-3、压轮导线，1-4、内轴承，1-5、输出轮支撑架，1-6、外轴承，1-7、侧轮支撑架，1-8、中心法兰轴，1-9、中心锥齿轮，1-10、固定衬套，1-11、输出轴承，1-12、中心支撑架，1-13、卡簧；

2-1、前支架，2-2、中支架，2-3、后支架，2-4、光轴，2-5、贯通支架，2-6、外壳；

2-1-1、前支架上用于安装外螺纹轴承的孔，2-1-2、前支架上规范直线位移传感器安装位置的切口，2-1-3、前支架上用于连接贯通支架的螺纹孔，2-1-4、前支架上用于安装电机及减速器的通孔，2-1-5、前支架上供绳索穿过的凹槽；

2-2-1、中支架上供绳索穿过的切口，2-2-2、中支架上规范直线位移传感器安装位置的方槽，2-2-4、中支架上用于通过电机及减速器的通孔，2-2-3、中支架上用于连接贯通支架的螺纹孔，2-2-5、中支架上供绳索穿过的切口，2-2-6、中支架供探头穿过的通孔，2-2-7、中支架上用于规范光轴位置的盲孔；

2-3-2、后支架上容纳传感器的通孔，2-3-2、后支架上用于规范光轴位置的盲孔，2-3-3、后支架上用于连接贯通支架的螺纹孔；

3-1、电机及减速箱，3-2、传感器，3-3、输出轴套，3-4、凹槽导线绕线轮，3-5、传动绳索，3-6、电机驱动器；

4-1、外螺纹轴承，4-2、外螺纹轴承上的绕线槽环，4-3、滑块，4-4、滚珠衬套，4-5、动滑轮轴承，4-6、动滑轮轴承上的绕线槽环，4-7、矩形弹簧，4-8、直线位移传感器，4-9、探头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，如图1、图2所示，包括输出轮组1、支架组2、动力组件3、滑轮组4和传动绳索3-5；输出轮组1、动力组件3和滑轮组4安装在支架组2上，动力组件3的输出端为凹槽导线绕线轮3-4，传动绳索3-5的两端固定在输出轮组1的输入端，传动绳索3-5与凹槽导线绕线轮3-4和滑轮组4相配合，在动力组件3的驱动下通过传动绳索3-5的传动将动力传递至输出轮组1的输入端，输出轮组1的输入端将动力传递至输出轮组1的输出端，输出轮组1的输出端作为机器人腕关节的输出侧。

为便于进行结构连接和位置说明，下面以中心锥齿轮1-9的轴线为上下方向，以2个侧锥齿轮1-2的连线为左右方向，对各部分介绍如下：

(1)输出轮组1

如图3、图4所示，输出轮组1包括中心轮组和两个侧轮组；两个侧轮组结构相同，两个侧轮组设置在中心轮组的两侧。

其中，如图3、图4和图5所示，侧轮组包括侧轮中轴1-1、侧锥齿轮1-2、压线导轮1-3、输出轮支撑架1-5和侧轮支撑架1-7，侧轮中轴1-1与侧锥齿轮1-2相连，压线导轮1-3与侧锥齿轮1-2相连，侧轮中轴1-1、侧锥齿轮1-2和压线导轮1-3同步转动，输出轮支撑架1-5通过内轴承1-4安装在侧轮中轴1-1上，侧轮支撑架1-7通过外轴承1-6安装在侧轮中轴1-1上，侧轮支撑架1-7安装在支架组2上，压线导轮1-3为输出轮组1的输入端；

如图3、图4、图6、图7所示，中心轮组包括中心法兰轴1-8、中心锥齿轮1-9、固定衬套1-10和中心支撑架1-12，中心法兰轴1-8与中心锥齿轮1-9相连，固定衬套1-10与中心锥齿轮1-9相连，中心法兰轴1-8为输出轮组1的输出端；中心锥齿轮1-9与两个侧轮组的侧锥齿轮1-2啮合，中心支撑架1-12通过输出轴承1-11与固定衬套1-10相连，中心支撑架1-12的两端与两个侧轮组的输出轮支撑架1-5相连；

侧轮组使用双轴承结构，通过外轴承1-6与侧轮支撑架1-7，将整个输出轮组1固定。外轴承1-6、内轴承1-4和侧锥齿轮1-2的运动相互独立。

传动绳索3-5的数量有2根，每根传动绳索3-5对应一个侧轮组，且传动绳索3-5的两端均固定在压线导轮1-3上。动力组件3通过滑轮组4带动传动绳索3-5一侧收紧另一侧放开，从而带动侧锥齿轮1-2转动。当两个侧轮组的侧锥齿轮1-2同向转动时，中心锥齿轮1-9相对两个侧锥齿轮1-2的轴线做周向转动，即此时中心法兰轴1-8为输出轮组1的输出端而绕2个侧锥齿轮1-2的连线旋转，可模拟腕关节的前屈和后伸；当两个侧轮组的侧锥齿轮1-2反向转动时，中心锥齿轮1-9绕自身轴线旋转，可模拟腕关节的外展和内收。

具体的，内轴承1-4通过卡簧固定在侧轮中轴1-1上，从而输出轮支撑架1-5可与侧轮中轴1-1相对转动，外轴承1-6通过卡簧固定于侧轮中轴1-1上，从而侧轮支撑架1-7可与侧轮中轴1-1相对转动，输出轴承1-11通过卡簧1-13安装于固定衬套1-10上，从而中心支撑架1-12可与中心法兰轴1-8相对转动。当两个侧轮组的侧锥齿轮1-2反向转动时，输出轮支撑架1-5位置不动，当两个侧轮组的侧锥齿轮1-2同向转动时，输出轮支撑架1-5随中心支撑架1-12一起运动。

(2)支架组2

如图8所示，支架组2包括外壳2-6、贯通支架2-5、前支架2-1、中支架2-2、后支架2-3和双光轴，贯通支架2-5的数量为两个，一上一下设置，前支架2-1、中支架2-2、后支架2-3自前向后依次安装在贯通支架2-5上，贯通支架2-5、前支架2-1、中支架2-2、后支架2-3和双光轴均设置在外壳2-6内，外壳2-6起到保护作用；

前支架2-1的数量为2个，2个前支架2-1对应两个侧轮组的位置左右对称设置，侧轮支撑架1-7与前支架2-1相连；中支架2-2的数量为2个，2个中支架2-2对应两个侧轮组的位置左右对称设置；后支架2-3的数量为1个，双光轴设有2组，每组包括2个双光轴，每个双光轴的两端分别连接中支架2-2和后支架2-3，中支架2-2与后支架2-3配合，使双光轴处于特定的位置，2组双光轴对应两个侧轮组的位置左右对称设置，同组的2个双光轴上下对称设置。

此外，在前支架2-1上，开设有螺纹孔2-1-3，通过螺丝可以将前支架2-1与贯通支架2-5连接在一起。在中支架2-2上，开设有盲2-2-7，用于确定光轴2-4位置；还开设有螺纹孔2-2-3，通过螺丝可以将中支架2-2与贯通支架2-5连接在一起。在后支架2-3上，开设有盲孔2-3-2，用于确定光轴2-4位置；还开设有螺纹孔2-3-3，通过螺丝可以将后支架2-3与贯通支架2-5连接在一起。此外，本实施例中，外壳2-6与后支架2-3相连，用于保护除输出轮组1外的部件，如图16所示。在后支架2-3上还设计有安装法兰，用于和其后部位的输出轴相连接。

前支架2-1、中支架2-2、后支架2-3和贯通支架2-5如图12、图13、图14、图15所示。

前支架2-1、中支架2-2可由一饼状回转件分开并在其上打孔得来，便于加工和生产。

(3)滑轮组4

滑轮组4包括定滑轮、动滑轮、滑块4-3、弹簧组件和直线位移传感器4-8，定滑轮安装在前支架2-1上，动滑轮安装在滑块4-3上，滑块4-3滑动安装在双光轴上，弹簧组件套设在中支架2-2和滑块4-3之间的双光轴上，直线位移传感器4-8的探头4-9为伸缩探头4-9，直线位移传感器4-8的探头4-9与滑块4-3相接触，用于探测滑块4-3的位置；

而滑轮组4的数量为4个，4个滑轮组4对应4个双光轴的位置设置，对应同一个侧轮组的2个滑轮组4上下镜像设置。

其中，双光轴即两根光轴2-4，本申请实施例中，弹簧组件为矩形弹簧4-7，由于空间有限，为安装直线位移传感器4-8，矩形弹簧4-7只设置在双光轴的一根光轴2-4上。在滑块4-3内部安装有滚珠衬套4-4，用以将滑块4-3滑动安装在两根光轴2-4上。定滑轮由外螺纹轴承4-1及其上的绕线槽环4-2组成，外螺纹轴承4-1安装在前支架2-1上，绕线槽环4-2安装在外螺纹轴承4-1上，同样，动滑轮由动滑轮轴承4-5和安装在动滑轮轴承4-5外部的绕线槽环4-6组成，动滑轮轴承4-5安装在滑块4-3上。

直线位移传感器4-8包括本体和探头4-9，本体设置在中支架2-2前方，通过贯通支架2-5和中支架2-2固定，传感器探头4-9穿过中支架2-2，与滑块4-3相接触，用于探测滑块4-3的位置，探头4-9为伸缩探头4-9，在滑块4-3移动时探测滑块4-3的位置，以便反馈进行动力组件3的输出控制。前支架2-1上设有规范直线位移传感器4-8安装位置的切口2-1-2，中支架2-2上设有规范直线位移传感器4-8安装位置的方槽2-2-2和供直线位移传感器4-8探头4-9穿过的通孔2-2-6，中支架2-2允许直线位移传感器4-8的探头4-9通过。

为配合滑轮组4，在每个前支架2-1上开设有2个用于安装外螺纹轴承4-1的孔2-1-1，且这两个孔2-1-1镜像设置，2个前支架2-1对称设置，4个滑轮组4的定滑轮分别安装在前支架2-1上，如图17所示。贯通支架2-5通过螺丝连接并固定后支架2-3、中支架2-2、前支架2-1与直线位移传感器4-8。

(4)动力组件3

如图9所示，动力组件3包括电机、减速箱、输出轴套3-3和凹槽导线绕线轮3-4，电机和减速箱3-1安装在前支架2-1上且设置在前支架2-1与中支架2-2之间的空间内，电机与减速箱相连，前支架2-1上留有适配电机和减速箱的通孔，输出轴套3-3与减速箱输出轴相连，凹槽导线绕线轮3-4安装在输出轴套3-3上；

整个装置中，动力组件3的数量为2个，2个动力组件3对应两个侧轮组的位置左右对称设置，从而通过传动绳索3-5分别将动力传递至每个侧轮组。

上述结构中，输出轴套3-3为D形轴套，安装在减速箱输出轴上，电机的输出经过减速箱，减速箱输出轴的转动通过输出轴套3-3带动凹槽导线绕线轮3-4转动。在电机尾端还设有传感器3-2(如编码器)，用于检测电机转速，在后支架2-3上开设有容纳编码器3-2的通孔2-3-1。此外，通过电机驱动控制器3-6与电机电连接，从而对电机的输出动力进行控制，电机驱动控制器3-6可以连接外部机器人的整体控制中心。

为配合动力组件3，在前支架2-1上设有用于安装电机和减速箱的通孔2-1-4，中支架2-2上开设有用于通过电机和减速箱的通孔2-2-4，中支架2-2允许电机及减速箱通过。

前支架2-1用于固定侧轮支撑架1-7、电机与减速箱、滑轮组4中的定滑轮，同时也用于规范直线位移传感器4-8的安装位置。

(5)绕线路径

如图8、图9、图10所示，传动绳索3-5的数量为2根，2根传动绳索3-5对应两个侧轮组，传动绳索3-5的第一端和第二端均固定在侧轮组的压线导轮1-3上，对应一个侧轮组的传动绳索3-5的绕线路径如下：

传动绳索3-5的第一端固定在压线导轮1-3上，传动绳索3-5的第二端穿过前支架2-1和中支架2-2后自下而上绕经上方动滑轮，回穿中支架2-2后自上而下绕经上方定滑轮后缠绕至凹槽导线绕线轮3-4，经凹槽导线绕线轮3-4绕线后传动绳索3-5自上而下绕经下方定滑轮，穿过中支架2-2后自下而上绕经下方动滑轮，回穿中支架2-2和前支架2-1后传动绳索3-5的第二端固定至压线导轮1-3。

本发明将输出轮组1件、动力组件3和滑轮组4件之间通过传动绳索3-5连接，组成特殊走线路径，使一条传动绳索3-5同时连接上下两个滑轮组4，同时传动绳索3-5两端又连接在一个压线导轮1-3上。且传动绳索3-5中部从凹槽导线绕线轮3-4的切线方向引出，在经过滑轮组4后，两端分别从电机及减速器的上下两侧、与电机及减速器的轴线在一个平面上的位置引出，至压线导轮1-3上。而且，用以确定动滑轮位置的双光轴处于特定的位置，从而使其上的动滑轮具有特殊角度的侧偏，进而改变传动绳索3-5的走线路径，使得其引出位置处于电机及减速箱安装位置的正中，则从两组动滑轮引出的传动绳索3-5的末端走线位置与电机及减速箱的轴线在同一平面上。

前支架2-1上开设有供传动绳索3-5通过的凹槽2-1-5，中支架2-2上开设有供传动绳索3-5通过的切口(2-2-1、2-2-5)，凹槽2-1-5的开设位置与动滑轮中绕线槽环4-6上的凹型回转结构的圆弧部分同轴。传动绳索3-5在同一个滑轮组4的动滑轮与定滑轮之间的走线与减速箱输出轴在同一平面内。

在电机收到运动指令后，凹槽导线绕线轮3-4向指定方向旋转，牵动此方向上的传动绳索3-5，传动绳索3-5收缩与末端的载荷共同作用，致使光轴2-4上的矩形弹簧4-7受力压缩，其运动信息由直线位移传感器4-8测得。根据其运动信息，由软件控制电机的输出，使输出轮组1末端的中心法兰轴1-8处于指定位置并提供指定的输出扭矩。

(6)设计说明

在一个腕关节中，动力组件3共两个，相互镜像放置，两个动力组件3各自缠绕一条传动绳索3-5，滑轮组4共四组，每个动力组件3上下各自镜像放置一对滑轮组4，支架组2配合进行动力组件3和滑轮组4的安装固定。一个侧轮组对应一个动力组件3和2个滑轮组4，传动绳索3-5一端固定于压线导轮1-3，绕过其中一侧滑轮组4，缠绕在动力组件3的凹槽导线绕线轮3-4上，之后绕过另一侧滑轮组4，将传动绳索3-5另一端固定于压线导轮1-3同一位置。

本申请的技术方案中，动力组件3通过与滑轮组4相配合，可实现小体积下的柔性双自由度运动功能。相较于类似机构，经测试，本发明可以将机构体积控制在直径65mm、长度90mm，把重量控制在500g以下，作为康复机器人相对靠近末端的部分，极大地降低了对于后部驱动机构的要求。

传动绳索3-5的中部缠绕在凹槽导线绕线轮3-4上，电机及减速器运行时，传动绳索3-5一侧收紧则传动绳索3-5另一侧放开，可以实现将电机及减速器的转动转化为所在对应侧锥齿轮1-2的转动。

本申请在电机及减速箱与侧锥齿轮1-2的传动中引入了柔性机构，保障了安全性，同时在保证合理的输出能力的同时兼顾了轻便，体积小巧的特点。在两个侧锥齿轮1-2的共四个自由度的驱动中都采用了柔性机构，并配备了直线位移传感器4-8对其运动状态进行监控和反馈控制。一个电机及减速器上下两侧的滑轮组4的柔性部件具有预张力，且在电机及减速器进行其中一个方向的输出时，对应方向上的矩形弹簧4-7会同时压缩，而与之相对的另一个矩形弹簧4-7会相应舒张，保证传动绳索3-5始终处于张紧状态。

而且，用于对每一个柔性机构进行监控和反馈控制的直线位移传感器4-8，通过前支架2-1、中支架2-2上的切口、方槽进行位置确定和规范，并通过贯通支架2-5固定于滑块4-3移动路径前端的固定位置，减小了关节占用的体积，最终本发明将机构体积控制在直径65mm、长度90mm以下。

本发明两电机联合输出，冗余驱动的方案使本发明体积减小的同时，保证了其优秀的输出能力，最终的中心法兰轴在两个自由度上的输出扭矩可达到1.2Nm；

在传动系统中引入柔性机构，保障了机器人在操作和人机交互中的安全性，提高了交互体验；

输出轮组侧轮处使用双层轴承结构，使得中心锥齿轮，侧锥齿轮，以及固定它们的侧轮支撑架之间的运动互不干扰，各自独立运动；

设计了具有弹簧和动滑轮参与的绕线结构，传动绳索从压线导轮牵出，在滑轮组和电机上缠绕后又返回固定到牵出处，使电机的转动对应了侧锥齿轮的旋转。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，其特征在于，包括输出轮组、支架组、动力组件、滑轮组和传动绳索；

所述输出轮组、动力组件和滑轮组安装在支架组上，所述动力组件的输出端为凹槽导线绕线轮，传动绳索的两端固定在输出轮组的输入端，所述传动绳索与凹槽导线绕线轮和滑轮组相配合，在动力组件的驱动下通过所述传动绳索的传动将动力传递至输出轮组的输入端，所述输出轮组的输入端将动力传递至输出轮组的输出端，所述输出轮组的输出端作为机器人腕关节的输出侧；

所述输出轮组包括中心轮组和两个侧轮组；

所述侧轮组包括侧轮中轴、侧锥齿轮、压线导轮、输出轮支撑架和侧轮支撑架，所述侧轮中轴与侧锥齿轮相连，所述压线导轮与侧锥齿轮相连，侧轮中轴、侧锥齿轮和压线导轮同步转动，所述输出轮支撑架通过内轴承安装在侧轮中轴上，所述侧轮支撑架通过外轴承安装在侧轮中轴上，所述侧轮支撑架安装在支架组上，所述压线导轮为输出轮组的输入端；

所述中心轮组包括中心法兰轴、中心锥齿轮、固定衬套和中心支撑架，所述中心法兰轴与中心锥齿轮相连，所述固定衬套与中心锥齿轮相连，所述中心法兰轴为输出轮组的输出端；

两个侧轮组设置在中心轮组的两侧，所述中心锥齿轮与两个侧轮组的侧锥齿轮啮合，所述中心支撑架通过输出轴承与固定衬套相连，所述中心支撑架的两端与两个侧轮组的输出轮支撑架相连；

当两个侧轮组的侧锥齿轮同向转动时，所述中心锥齿轮相对两个侧锥齿轮的轴线做周向转动，当两个侧轮组的侧锥齿轮反向转动时，所述中心锥齿轮绕自身轴线旋转；

所述支架组包括外壳、贯通支架、前支架、中支架、后支架和双光轴；

以中心锥齿轮的轴线为上下方向，以2个侧锥齿轮的连线为左右方向，所述前支架、中支架、后支架自前向后依次安装在贯通支架上，所述贯通支架、前支架、中支架、后支架和双光轴均设置在外壳内；

所述前支架的数量为2个，2个前支架对应两个侧轮组的位置左右对称设置，所述侧轮支撑架与前支架相连；

所述中支架的数量为2个，2个中支架对应两个侧轮组的位置左右对称设置；

所述后支架的数量为1个，所述双光轴设有2组，每组包括2个双光轴，每个双光轴的两端分别连接中支架和后支架，2组双光轴对应两个侧轮组的位置左右对称设置，同组的2个双光轴上下对称设置；

所述滑轮组包括定滑轮、动滑轮、滑块、弹簧组件和直线位移传感器，所述定滑轮安装在前支架上，所述动滑轮安装在滑块上，所述滑块滑动安装在双光轴上，所述弹簧组件套设在中支架和滑块之间的双光轴上，所述直线位移传感器的探头为伸缩探头，所述直线位移传感器的探头与滑块相接触，用于探测滑块的位置；

所述滑轮组的数量为4个，4个滑轮组对应4个双光轴的位置设置，对应同一个侧轮组的2个滑轮组上下镜像设置；

所述动力组件包括电机、减速箱、输出轴套和凹槽导线绕线轮，所述电机和减速箱安装在前支架上且设置在前支架与中支架之间的空间内，所述电机与减速箱相连，所述前支架上留有适配电机和减速箱的通孔，所述输出轴套与减速箱输出轴相连，所述凹槽导线绕线轮安装在输出轴套上；

所述动力组件的数量为2个，2个动力组件对应两个侧轮组的位置左右对称设置；

所述传动绳索的数量为2根，2根传动绳索对应两个侧轮组，传动绳索的第一端和第二端均固定在侧轮组的压线导轮上，对应一个侧轮组的传动绳索的绕线路径如下：

所述传动绳索的第一端固定在压线导轮上，所述传动绳索的第二端穿过前支架和中支架后自下而上绕经上方动滑轮，回穿中支架后自上而下绕经上方定滑轮后缠绕至凹槽导线绕线轮，经凹槽导线绕线轮绕线后所述传动绳索自上而下绕经下方定滑轮，穿过中支架后自下而上绕经下方动滑轮，回穿中支架和前支架后所述传动绳索的第二端固定至压线导轮。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，其特征在于，所述前支架和中支架上开设有供传动绳索通过的切口。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，其特征在于，所述内轴承通过卡簧固定在侧轮中轴上，所述外轴承通过卡簧固定于侧轮中轴上，所述输出轴承通过卡簧安装于固定衬套上。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，其特征在于，所述传动绳索在同一个滑轮组的动滑轮与定滑轮之间的走线与所述减速箱输出轴在同一平面内。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型柔性两自由度机器人腕关节，其特征在于，所述直线位移传感器通过贯通支架和前支架固定。