CN205734917U - 一种基于绳体拉力传动的机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及手术机器人技术领域，尤其是一种基于绳体拉力传动的机械手，包括基座、可转动地安装在基座上的腰关节组件、与腰关节组件铰接的大臂、与大臂铰接的中臂、与中臂铰接的小臂和安装在小臂外端部的抓取机构。本实用新型基于绳体拉力传动的机械手的基座内设有驱动腰关节组件旋转的驱动装置，驱动装置前置至基座内，该种布局结构可极大减小机械手各部件的质量，进而减小机械手的转动惯量，有利于提高机构的刚度。

Description

一种基于绳体拉力传动的机械手

技术领域

本实用新型涉及一种基于绳体拉力传动的机械手，属于手术机器人技术领域。

背景技术

医疗护理机器人是专门为残疾人、重病人以及手脚不方便的老年人设计的。在医疗护理机器人的研究中，欧洲和美国的起步较早。当今国际上已有日常护理机器人系统，这一系统可在残疾人处于卧床状态、身体不能自由活动的情况下，通过设置在床边的护理装置，帮助行动不便的人拾取物品，从而对人进行饮食照料。

申请号为CN201410848341.4的中国专利公开了一种“一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手”，该主操作手前三个关节为钢丝绳传动，但是该绳传动为摩擦传动，需要较大的预紧力以提供足够的摩擦力，另外在高负载下可能会造成打滑等危险。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于绳体拉力传动的机械手，采用绳体拉力传动，机构更加紧凑且可避免现有技术中钢丝绳摩擦传动造成的打滑现象。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的基于绳体拉力传动的机械手包括基座、可转动地安装在基座上的腰关节组件、与腰关节组件铰接的大臂、与大臂铰接的中臂、与中臂铰接的小臂和安装在小臂外端部的抓取机构，所述基座内设有驱动腰关节组件旋转的驱动装置，所述腰关节组件包括由所述驱动装置驱动的腰关节、固定在腰关节上方的电机仓和固定在电机仓上方的绕线轴安装架，所述大臂通过第一传动关节与所述绕线轴安装架铰接，所述中臂通过第二传动关节与所述大臂铰接，所述绕线轴安装架内盘绕有第一传动绳组和第二传动绳组，所述电机仓内设有第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器通过所述第一传动绳组驱动第一传动关节旋转，所述第一传动关节带动所述大臂旋转，所述第二驱动器通过所述第二传动绳组驱动所述第二传动关节旋转，所述第二传动关节带动所述中臂旋转。

本实用新型所述腰关节借助轴承可转动地安装在所述基座上方，所述驱动装置为偏转气缸、伺服电机或步进电机。

本实用新型所述绕线轴安装架内设有第一绕线轴、第二绕线轴和导向轮组，所述第一绕线轴通过第一联轴器与所述第一驱动器的主轴刚性连接，所述第二绕线轴通过第二联轴器与所述第二驱动器的主轴刚性连接，所述导向轮组固定在绕线轴安装架内并位于第一绕线轴和第二绕线轴之间。

本实用新型所述第一传动关节包括固定在大臂上的大臂绕线轴和可转动地安装在大臂绕线轴上的绕线套环，所述第二传动关节包括固定在中臂上的中臂绕线轴，所述第一绕线轴上设置所述第一传动绳组，所述第一传动绳组经过所述导向轮组绕接到所述大臂绕线轴上，所述第二绕线轴上设置所述第二传动绳组，所述第二传动绳组经过所述导向轮组和绕线套环绕接到所述中臂绕线轴上。

本实用新型所述导向轮组包括第一导向轮、第二导向轮、第三导向轮和第四导向轮，所述第一传动绳组包括第一绳体和第二绳体，所述第二传动绳组包括第三绳体和第四绳体。

本实用新型所述第一绳体的一端固定在第一绕线轴的下方，在第一绕线轴的一侧逆时针绕1～5匝，经过第四导向轮绕至大臂绕线轴，在大臂绕线轴的一侧逆时针绕1～5匝，最后将第一绳体的另一端张紧后固定在大臂绕线轴靠近第四导向轮的一端，所述第二绳体的一端固定在第一绕线轴的上方，在第一绕线轴上逆时针绕1～5匝，经过第一导向轮绕至大臂绕线轴，在大臂绕线轴的另一侧逆时针绕1～5匝，最后将第二绳体的另一端张紧后固定在绕线轴靠近第一导向轮的一端。

本实用新型所述第三绳体的一端固定在第二绕线轴的下方，在第二绕线轴上顺时针绕1～5匝，然后经过第二导向轮绕至绕线套环上，在绕线套环的一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴的一侧并顺时针绕1～5匝，最后将第三绳体的另一端张紧后固定在中臂靠近所述大臂一端的上部，所述第四绳体的一端固定在第二绕线轴的上方，在第二绕线轴上顺时针绕1～5匝，然后经过第三导向轮绕至绕线套环上，在绕线套环的另一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴的另一侧顺时针绕1～5匝，最后将第四绳体的另一端张紧后通过固定在中臂靠近所述大臂一端的下部。

本实用新型所述小臂的另外一端设有第二直驱关节，第二直驱关节包括固定在小臂上的抓取支撑架，所述抓取支撑架上安装第二直驱电机，所述第二直驱电机的输出轴与抓取机构的底盘固定。

本实用新型所述小臂的另外一端设有抓取支撑架，所述抓取支撑架上安装第二直驱电机，所述第二直驱电机的输出轴与抓取机构的底盘固定。

本实用新型所述第一驱动器和第二驱动器均为伺服电机或步进电机。

本实用新型基于绳体拉力传动的机械手具有以下的效果：本实用新型基于绳体拉力传动的机械手包括基座、可转动地安装在基座上的腰关节组件、与腰关节组件铰接的大臂、与大臂铰接的中臂、与中臂铰接的小臂和安装在小臂外端部的抓取机构，其中，基座内设有驱动腰关节组件旋转的驱动装置，驱动装置前置至基座内，该种布局结构可极大减小机械手各部件的质量，进而减小机械手的转动惯量，有利于提高机构的刚度。腰关节组件包括由驱动装置驱动的腰关节、固定在腰关节上方的电机仓和固定在电机仓上方的绕线轴安装架，大臂通过第一传动关节与绕线轴安装架铰接，中臂通过第二传动关节与大臂铰接，绕线轴安装架内盘绕有第一传动绳组和第二传动绳组，电机仓内设有第一驱动器和第二驱动器，第一驱动器通过第一传动绳组驱动第一传动关节旋转，第一传动关节带动大臂旋转，第二驱动器通过第二传动绳组驱动第二传动关节旋转，第二传动关节带动中臂旋转，第一传动关节和第二传动关节采用钢丝绳传动，有效减小了机构中各部件的体积，与钢丝绳摩擦传动相比，机构更加紧凑，而且可减少钢丝绳磨损，采用钢丝绳拉力传动，通过适当张紧，可有效避免回差问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的整体结构示意图；

图2是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的基座的结构示意图；

图3是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的绕线轴安装架内部结构示意图；

图4是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的第一传动关节结构示意图；

图5是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的第二传动关节结构示意图；

图6是本实用新型的基于钢丝绳拉力传动机器人操作手的抓取机构安装结构示意图。

其中：基座1，驱动装置11，轴承12；

腰关节组件2，第一驱动器21，第二驱动器22，绕线轴安装架23，第一联轴器231，第一绕线轴232，第二联轴器233，第二绕线轴234，导向轮组235，第一导向轮2351，第二导向轮2352，第三导向轮2353，第四导向轮2354；

大臂3；中臂4；小臂5；抓取机构6；

第一传动关节7，大臂绕线轴71，绕线套环72；

第二传动关节8，中臂绕线轴81；

第一直驱关节91，第一直驱电机911，小臂支撑架912，小臂连接架913，第二直驱关节92，第二直驱电机921，抓取支撑架922。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-6所示，本实施例的基于绳体拉力传动的机械手包括基座1、可转动地安装在基座1上的腰关节组件2、与腰关节组件2铰接的大臂3、与大臂3铰接的中臂4、与中臂4铰接的小臂5和安装在小臂5外端部的抓取机构6。其中，基座1内设有驱动腰关节组件2旋转的驱动装置11，腰关节组件2包括由驱动装置11驱动的腰关节、固定在腰关节上方的电机仓和固定在电机仓上方的绕线轴安装架23，大臂3通过第一传动关节7与绕线轴安装架23铰接，中臂4通过第二传动关节8与大臂3铰接，绕线轴安装架23内盘绕有第一传动绳组和第二传动绳组，电机仓内设有第一驱动器21和第二驱动器22，第一驱动器21通过第一传动绳组驱动第一传动关节7旋转，第一传动关节7带动大臂3旋转，第二驱动器22通过第二传动绳组驱动第二传动关节8旋转，第二传动关节8带动中臂4旋转。

本实施例的基于绳体拉力传动的机械手的驱动装置11前置至基座1内，该种布局结构可极大减小机械手各部件的质量，进而减小机械手的转动惯量，有利于提高机构的刚度。

本实施例的腰关节借助轴承12可转动地安装在基座1上方，驱动装置11为偏转气缸、伺服电机或步进电机，驱动装置11驱动腰关节转动，可以实现机械手整体绕Z轴转动。

绕线轴安装架23内设有第一绕线轴232、第二绕线轴234和导向轮组235，第一绕线轴232通过第一联轴器231与第一驱动器21的主轴刚性连接，第二绕线轴234通过第二联轴器233与第二驱动器22的主轴刚性连接，导向轮组235固定在绕线轴安装架23内并位于第一绕线轴232和第二绕线轴234之间。

第一传动关节7包括固定在大臂3上的大臂绕线轴71和可转动地安装在大臂绕线轴71上的绕线套环72，第二传动关节8包括固定在中臂4上的中臂绕线轴81，第一绕线轴232上设置第一传动绳组，第一传动绳组经过导向轮组235绕接到大臂绕线轴71上，第二绕线轴234上设置第二传动绳组，第二传动绳组经过导向轮组235和绕线套环72绕接到中臂绕线轴81上。

其中，导向轮组235包括第一导向轮2351、第二导向轮2352、第三导向轮2353和第四导向轮2354，第一传动绳组包括第一绳体和第二绳体，第二传动绳组包括第三绳体和第四绳体，第一传动绳组和第二传动绳组的具体绕接方式如下：第一绳体的一端固定在第一绕线轴232的下方，在第一绕线轴232的一侧逆时针绕1～5匝，经过第四导向轮2354绕至大臂绕线轴71，在大臂绕线轴71的一侧逆时针绕1～5匝，最后将第一绳体的另一端张紧后固定在大臂绕线轴71靠近第四导向轮2354的一端，第二绳体的一端固定在第一绕线轴232的上方，在第一绕线轴232上逆时针绕1～5匝，经过第一导向轮2351绕至大臂绕线轴71，在大臂绕线轴71的另一侧逆时针绕1～5匝，最后将第二绳体的另一端张紧后固定在大臂绕线轴71靠近第一导向轮2351的一端。

第三绳体的一端固定在第二绕线轴234的下方，在第二绕线轴234上顺时针绕1～5匝，然后经过第二导向轮2352绕至绕线套环72上，在绕线套环72的一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴81的一侧并顺时针绕1～5匝，最后将第三绳体的另一端张紧后固定在中臂4靠近大臂3一端的上部，第四绳体的一端固定在第二绕线轴234的上方，在第二绕线轴234上顺时针绕1～5匝，然后经过第三导向轮2353绕至绕线套环72上，在绕线套环72的另一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴81的另一侧顺时针绕1～5匝，最后将第四绳体的另一端张紧后通过固定在中臂4靠近大臂3一端的下部。

当第一驱动器21通电顺时针转动时，驱动力通过第一联轴器231传递给第一绕线轴232，再带动第一绳体在第一绕线轴232上逆时针缠绕，经过第四导向轮2354、大臂绕线轴71，最终力作用在第一绳体在大臂绕线轴71上的固定处，旋转轴线为大臂绕线轴71的轴线，力的作用点为大臂绕线轴71靠近第四导向轮2354的一端，因此产生一个力矩，驱使大臂3逆时针转动。

当第一驱动器21通电逆时针转动时，驱动力通过第一联轴器231传递给第一绕线轴232，再带动第二绳体在第一绕线轴232上顺时针缠绕，经过第一导向轮2351、大臂绕线轴71，最终力作用在第二绳体在大臂3上的固定处，旋转轴线为大臂绕线轴71的轴线，力的作用点为大臂绕线轴71靠近第一导向轮2351的一端，因此产生一个力矩，驱使大臂3顺时针转动。

当第二驱动器22通电顺时针转动时，驱动力通过第二联轴器233传递给第二绕线轴234，再带动第三绳体在第二绕线轴234上逆时针缠绕，经过第二导向轮2352、绕线套环72和中臂绕线轴81，最终力作用在第三绳体在中臂4上的固定处，旋转轴线为中臂绕线轴81的轴线，力的作用点为中臂4靠近大臂3一端的上部，因此产生一个力矩，驱使中臂4逆时针转动。

当第二驱动器22通电逆时针转动时，驱动力通过第让联轴器传递给第二绕线轴234，再带动第四绳体在第二绕线轴234上顺时针缠绕，经过第三导向轮2353、绕线套环72和中臂绕线轴81，最终力作用在第四绳体在中臂4上的固定处，旋转轴线为中臂绕线轴81的轴线，力的作用点为中臂4靠近大臂3一端的下部，因此产生一个力矩，驱使中臂4顺时针转动。

其中，第一传动绳组和第二传动绳组可采用钢丝绳制成，第一驱动器21和第二驱动器22包括但不限于伺服电机和步进电机，第一传动关节7和第二传动关节8采用钢丝绳拉力传动，有效减小了机构中各部件的体积，与钢丝绳摩擦传动相比，机构更加紧凑，而且可减少钢丝绳磨损，避免钢丝绳摩擦传动造成的打滑现象，采用钢丝绳拉力传动，通过适当张紧，可有效避免回差问题。

本实施例中的小臂5靠近中臂4的一端通过第一直驱关节91与中臂4连接，第一直驱关节91包括固定在中臂4上的小臂支撑架912、固定在小臂5上的小臂连接架913和第一直驱电机911，第一直驱电机911的输出轴与小臂支撑架912固定相连，第一直驱电机911的机体固定在小臂连接架913上。小臂5的另外一端设有第二直驱关节92，第二直驱关节92包括固定在小臂5上的抓取支撑架922，抓取支撑架922上安装第二直驱电机921，第二直驱电机921的输出轴与抓取机构6的底盘固定。

当第一直驱电机911转动时，小臂5就会沿着第一直驱电机911的输出轴转动，从而带动抓取机构6转动，当第二直驱电机921转动时，抓取机构6就会沿着第二直驱电机921的输出轴转动。

通过腰关节组件2、大臂3、中臂4和小臂5的传动机构实现了抓取机构6的万向运动，抓取机构6运动灵活多变。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。由本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于绳体拉力传动的机械手，包括基座(1)、可转动地安装在基座(1)上的腰关节组件(2)、与腰关节组件(2)铰接的大臂(3)、与大臂(3)铰接的中臂(4)、与中臂(4)铰接的小臂(5)和安装在小臂(5)外端部的抓取机构(6)，其特征在于：所述基座(1)内设有驱动腰关节组件(2)旋转的驱动装置(11)，所述腰关节组件(2)包括由所述驱动装置(11)驱动的腰关节、固定在腰关节上方的电机仓和固定在电机仓上方的绕线轴安装架(23)，所述大臂(3)通过第一传动关节(7)与所述绕线轴安装架(23)铰接，所述中臂(4)通过第二传动关节(8)与所述大臂(3)铰接，所述绕线轴安装架(23)内盘绕有第一传动绳组和第二传动绳组，所述电机仓内设有第一驱动器(21)和第二驱动器(22)，所述第一驱动器(21)通过所述第一传动绳组驱动第一传动关节(7)旋转，所述第一传动关节(7)带动所述大臂(3)旋转，所述第二驱动器(22)通过所述第二传动绳组驱动所述第二传动关节(8)旋转，所述第二传动关节(8)带动所述中臂(4)旋转。

2.根据权利要求1所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述腰关节借助轴承(12)可转动地安装在所述基座(1)上方，所述驱动装置(11)为偏转气缸、伺服电机或步进电机。

3.根据权利要求2所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述绕线轴安装架(23)内设有第一绕线轴(232)、第二绕线轴(234)和导向轮组(235)，所述第一绕线轴(232)通过第一联轴器(231)与所述第一驱动器(21)的主轴刚性连接，所述第二绕线轴(234)通过第二联轴器(233)与所述第二驱动器(22)的主轴刚性连接，所述导向轮组(235)固定在绕线轴安装架(23)内并位于第一绕线轴(232)和第二绕线轴(234)之间。

4.根据权利要求3所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述第一传动关节(7)包括固定在大臂(3)上的大臂绕线轴(71)和可转动地安装在大臂绕线轴(71)上的绕线套环(72)，所述第二传动关节(8)包括固定在中臂(4)上的中臂绕线轴(81)，所述第一绕线轴(232)上设置所述第一传动绳组，所述第一传动绳组经过所述导向轮组(235)绕接到所述大臂绕线轴(71)上，所述第二绕线轴(234)上设置所述第二传动绳组，所述第二传动绳组经过所述导向轮组(235)和绕线套环(72)绕接到所述中臂绕线轴(81)上。

5.根据权利要求4所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述导向轮组(235)包括第一导向轮(2351)、第二导向轮(2352)、第三导向轮(2353)和第四导向轮(2354)，所述第一传动绳组包括第一绳体和第二绳体，所述第二传动绳组包括第三绳体和第四绳体。

6.根据权利要求5所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述第一绳体的一端固定在第一绕线轴(232)的下方，在第一绕线轴(232)的一侧逆时针绕1～5匝，经过第四导向轮(2354)绕至大臂绕线轴(71)，在大臂绕线轴(71)的一侧逆时针绕1～5匝，最后将第一绳体的另一端张紧后固定在大臂绕线轴(71)靠近第四导向轮(2354)的一端，所述第二绳体的一端固定在第一绕线轴(232)的上方，在第一绕线轴(232)上逆时针绕1～5匝，经过第一导向轮(2351)绕至大臂绕线轴(71)，在大臂绕线轴(71)的另一侧逆时针绕1～5匝，最后将第二绳体的另一端张紧后固定在大臂绕线轴(71)靠近第一导向轮(2351)的一端。

7.根据权利要求6所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述第三绳体的一端固定在第二绕线轴(234)的下方，在第二绕线轴(234)上顺时针绕1～5匝，然后经过第二导向轮(2352)绕至绕线套环(72)上，在绕线套环(72)的一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴(81)的一侧并顺时针绕1～5匝，最后将第三绳体的另一端张紧后固定在中臂(4)靠近所述大臂(3)一端的上部，所述第四绳体的一端固定在第二绕线轴(234)的上方，在第二绕线轴(234)上顺时针绕1～5匝，然后经过第三导向轮(2353)绕至绕线套环(72)上，在绕线套环(72)的另一侧顺时针绕1匝，再绕至中臂绕线轴(81)的另一侧顺时针绕1～5匝，最后将第四绳体的另一端张紧后固定在中臂(4)靠近所述大臂(3)一端的下部。

8.根据权利要求7所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述小臂(5)靠近中臂(4)的一端通过第一直驱关节(91)与所述中臂(4)连接，所述第一直驱关节(91)包括固定在所述中臂(4)上的小臂支撑架(912)、固定在所述小臂(5)上的小臂连接架(913)和第一直驱电机(911)，所述第一直驱电机(911)的输出轴与所述小臂支撑架(912)固定相连，所述第一直驱电机(911)的机体固定在小臂连接架(913)上。

9.根据权利要求8所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述小臂(5)的另外一端设有第二直驱关节(92)，第二直驱关节(92)包括固定在小臂(5)上的抓取支撑架(922)，所述抓取支撑架(922)上安装第二直驱电机(921)，所述第二直驱电机(921)的输出轴与抓取机构(6)的底盘固定。

10.根据权利要求9所述的基于绳体拉力传动的机械手，其特征在于：所述第一驱动器(21)和第二驱动器(22)均为伺服电机或步进电机。