专利名称：机械臂的大角度回转式关节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体的说，是一种机械臂的大角 度回转式关节机构。
技术背景机械臂的回转式关节是决定机械臂空间运动能力大小的关键要素。机械臂的 回转关节，通常都是使用类似销钉方式或者转轴方式实现一定角度的往复回转运 动。常见的机械臂回转式关节，有悬臂轴结构或者对称轴结构。悬臂轴结构可以 实现超过±90°的大角度回转，但是外观不紧凑，必须增强结构设计以提高悬臂 轴的刚度。对称轴结构具备更好的刚度和外观，但由于结构空间限制，不易做到 超过±90°的大角度回转。经对现有技术的文献检索发现，加滕惠辅等在国际期刊《Advanced Robotics》(先进机器人学)(Vol. 15， No. 2， PP. 191)上发表论文"Development of Quardruped Walking Robot, TITAN-IX-Mechanical Design Concept and Application for the Humanitarian Deming Robot ，'(四足步行机器人TITAN-IX 的开发，机构设计理念及面向人道排雷机器人的应用)。该文提出了使用齿轮啮 合方式的关节机构，在关节两侧分别设置一对相互外啮合的齿轮，通过齿轮啮合 对转的方法可以实现接近±180°的大回转关节角度。其不足之处在于，齿轮必 须啮合在一起才能实现关节的回转，这需要消除齿隙以获得较高的关节角度精 度，但是加工成本较高；齿轮本身体积重量较大，结构不紧凑。发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种机械臂的大角度回转式关节机构，使 其解决现有机械臂的回转式关节在结构刚度和转动角度大小之间存在矛盾的问 题。本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明所述机械臂的大角度回转式关节机构，包括第一臂、第二臂、第一钢丝轮盘、第二钢丝轮盘、第三钢丝轮盘、 第四钢丝轮盘、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳、第一关节 轴、第二关节轴、关节轴连杆。第一钢丝轮盘、第三钢丝轮盘和第一关节轴分别 固定安装在第一臂的根部，其中第一钢丝轮盘与第三钢丝轮盘对称的安装在第一 臂的根部左右两侧，第一关节轴安装在第一臂的根部中间，第一钢丝轮盘、第三 钢丝轮盘和第一关节轴保持同轴。第二钢丝轮盘、第四钢丝轮盘和第二关节轴分 别固定安装在第二臂的根部，其中第二钢丝轮盘与第四钢丝轮盘对称的安装在第 二臂的根部左右两侧，第二关节轴安装在第二臂的根部中间，第二钢丝轮盘、第 四钢丝轮盘和第二关节轴保持同轴。关节轴连杆安装在第一关节轴和第二关节轴 上，可分别沿第一关节轴和第二关节轴的轴线自由转动。关节轴连杆的两个转动 轴之间的距离不小于第一关节轴与第二关节轴之间的最小可安装距离。第一钢丝 绳至第四钢丝绳的横截面半径相同。所述的第一钢丝轮盘至第四钢丝轮盘，结构完全相同，其外圆周的圆柱形状 的部分不小于270。，有两条截面为半圆状的U型凹槽和两个圆孔的结构，U型 凹槽的截面半径和圆孔的半径与第一钢丝绳至第四钢丝绳的截面半径相同。第一 钢丝绳和第二钢丝绳的一端分别穿过第一钢丝轮盘的圆孔并且固定，沿第一钢丝 轮盘和第二钢丝轮盘的U型凹槽分别进行缠绕，另一端分别穿过第二钢丝轮盘的 圆孔并且固定，缠绕后呈8字形状并且保持张紧状态。第三钢丝绳和第四钢丝绳的一端分别穿过第三钢丝轮盘的圆孔并且固定，沿第三钢丝轮盘和第四钢丝轮盘的U型凹槽分别进行缠绕，另一端分别穿过第四钢丝轮盘的圆孔并且固定，缠绕 后呈8字形状并保持张紧状态。与现有技术相比，本发明采用左右对称的设计结构，有效的解决了机械臂的回转式关节结构刚度与转动角度大小之间的矛盾，提供一种接近正负180°的大 角度回转式关节机构，同时具有结构简单紧凑、外观整洁、不需精密零件加工制 造成本低等优点，应用空间大。
图1为本发明立体结构示意图；图2为本发明关节轴线所在平面的剖面示意图； 图3为本发明A-A剖面示意图；图4为本发明第一钢丝轮盘至第四钢丝轮盘的结构示意图； 图5为本发明关节转动过程中小转动角度的示意图； 图6为本发明关节转动过程中大转动角度的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。如图l、图2、图3、图5和图6所示，本实施例包括第一臂l、第二臂2、 第一钢丝轮盘3、第二钢丝轮盘4、第三钢丝轮盘5、第四钢丝轮盘6、第一钢丝 绳7、第二钢丝绳8、第三钢丝绳9、第四钢丝绳IO、第一关节轴ll、第二关节 轴12、关节轴连杆13。第一钢丝轮盘3、第三钢丝轮盘5和第一关节轴11分别 固定安装在第一臂1的根部，其中第一钢丝轮盘3与第三钢丝轮盘5对称的安装 在第一臂1的根部左右两侧，第一关节轴11安装在第一臂1的根部中间，第一 钢丝轮盘3、第三钢丝轮盘5和第一关节轴11保持同轴。第二钢丝轮盘4、第四 钢丝轮盘6和第二关节轴12分别固定安装在第二臂2的根部，其中第二钢丝轮 盘4与第四钢丝轮盘6对称的安装在第二臂2的根部左右两侧，第二关节轴12 安装在第二臂2的根部中间，第二钢丝轮盘4、第四钢丝轮盘6和第二关节轴12 保持同轴。关节轴连杆13安装在第一关节轴11和第二关节轴12上，可分别沿 第一关节轴11和第二关节轴12的轴线自由转动。关节轴连杆13的两个转动轴 之间的距离不小于第一关节轴11与第二关节轴12之间的最小可安装距离。第一 钢丝绳3至第四钢丝绳6的横截面半径相同。如图4，所述的第一钢丝轮盘3至第四钢丝轮盘6，结构完全相同，其外圆 周的圆柱形状的部分不小于270。，有两条截面为半圆状的U型凹槽21、 22，和 两个圆孔23、 24的结构，U型凹槽21、 22的截面半径和圆孔23、 24的半径与 第一钢丝绳7至第四钢丝绳10的截面半径相同。第一钢丝绳7和第二钢丝绳8 的一端分别穿过第一钢丝轮盘的圆孔23、 24并且固定，沿第一钢丝轮盘3和第 二钢丝轮盘4的U型凹槽21、 22分别进行缠绕，另一端分别穿过第二钢丝轮盘 4的圆孔23、 24并且固定，缠绕后呈8字形状并且保持张紧状态。第三钢丝绳9 和第四钢丝绳10的一端分别穿过第三钢丝轮盘5的圆孔23、 24并且固定，沿第三钢丝轮盘5和第四钢丝轮盘6的U型凹槽21、 22分别进行缠绕，另一端分别 穿过第四钢丝轮盘6的圆孔23、 24并且固定，缠绕后呈8字形状并保持张紧状 态。所述的第一钢丝绳7、第二钢丝绳8、第三钢丝绳9、第四钢丝绳10的横截 面半径相同。第一钢丝轮盘3、第二钢丝轮盘4、第三钢丝轮盘5、第四钢丝轮盘6的U 型凹槽的截面半径和圆孔的半径与第一钢丝绳7、第二钢丝绳8、第三钢丝绳9、 第四钢丝绳10的截面半径相同。第一臂1和第二臂2之间发生相对转动时，关节轴连杆13保证第一臂1和 第二臂2之间即第一关节轴11和第二关节轴12的轴线之间的距离关系不变，第 一钢丝绳7至第四钢丝绳10沿第一钢丝轮盘3至第四钢丝轮盘6的U型凹槽21 、 22绕入或者绕出相同的长度，即保证第一臂1和第二臂2之间相对转动时具备 唯一确定的角度关系。由于第一钢丝轮盘3至第四钢丝轮盘6外圆周具有不小于 270°的薄圆柱形状结构，第一臂1和第二臂2相对转动的角度范围可以接近360 ° (±180° )。第一臂1和第二臂2之间的相对转动，可通过向第一关节轴11或者第二关 节轴12或者关节轴连杆13添加外部驱动元件，使得第一关节轴11与关节轴连 杆13、第二关节轴12与关节轴连杆13之间产生相对转动的动力矩，即可实现。关节采用左右对称的设计结构，第一钢丝轮盘3至第四钢丝轮盘6，第一钢 丝绳7至第四钢丝绳10左右对称的布置在关节的两侧，用来增加关节的结构刚 度。本发明具有结构简单紧凑、外观整洁、回转角度接近正负180° 、重量轻刚 度大、不需精密零件加工制造成本低等优点，为机械臂的关节机构提供一种有效 的解决方案，可以广泛的应用到各种回转式机械臂上。权利要求
1、一种机械臂的大角度回转式关节机构，包括第一臂、第二臂、第一钢丝轮盘、第二钢丝轮盘、第三钢丝轮盘、第四钢丝轮盘、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳、第一关节轴、第二关节轴、关节轴连杆，其特征在于第一钢丝轮盘、第三钢丝轮盘和第一关节轴分别固定在第一臂的根部，其中第一钢丝轮盘与第三钢丝轮盘对称设置在第一臂的根部左右两侧，第一关节轴设置在第一臂的根部中间，第一钢丝轮盘、第三钢丝轮盘和第一关节轴保持同轴，第二钢丝轮盘、第四钢丝轮盘和第二关节轴分别固定在第二臂的根部，其中第二钢丝轮盘与第四钢丝轮盘对称设置在第二臂的根部左右两侧，第二关节轴设置在第二臂的根部中间，第二钢丝轮盘、第四钢丝轮盘和第二关节轴保持同轴，关节轴连杆设置在第一关节轴和第二关节轴上，分别沿第一关节轴和第二关节轴的轴线自由转动；所述的第一钢丝轮盘、第二钢丝轮盘、第三钢丝轮盘、第四钢丝轮盘，结构相同，其外圆周为圆柱形状的部分大于或等于270°，有两条截面为半圆状的U型凹槽和两个圆孔的结构，第一钢丝绳和第二钢丝绳的一端分别穿过第一钢丝轮盘的圆孔并且固定，沿第一钢丝轮盘和第二钢丝轮盘的U型凹槽分别进行缠绕，另一端分别穿过第二钢丝轮盘的圆孔并且固定，缠绕后呈8字形状并且保持张紧状态，第三钢丝绳和第四钢丝绳的一端分别穿过第三钢丝轮盘的圆孔并且固定，沿第三钢丝轮盘和第四钢丝轮盘的U型凹槽分别进行缠绕，另一端分别穿过第四钢丝轮盘的圆孔并且固定，缠绕后呈8字形状并保持张紧状态。
2、 根据权利要求1所述的机械臂的大角度回转式关节机构，其特征是，所 述的第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳的横截面半径相同。
3、 根据权利要求1所述的机械臂的大角度回转式关节机构，其特征是，所 述的第一钢丝轮盘、第二钢丝轮盘、第三钢丝轮盘、第四钢丝轮盘的U型凹槽的 截面半径和圆孔的半径与第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳、第四钢丝绳的 截面半径相同。
4、 根据权利要求1所述的机械臂的大角度回转式关节机构，其特征是，所述的关节轴连杆的两个转动轴之间的距离大于或等于第一关节轴与第二关节轴 之间的最小可安装距离。
5、根据权利要求1所述的机械臂的大角度回转式关节机构，其特征是，所 述的第一臂和第二臂相对转动的角度范围达360。。
全文摘要
一种机械臂的大角度回转式关节机构，属于机械技术领域。本发明中，第一钢丝轮盘、第三钢丝轮盘和第一关节轴分别固定安装在第一臂的根部，第二钢丝轮盘、第四钢丝轮盘和第二关节轴分别固定安装在第二臂的根部，关节轴连杆安装在第一关节轴和第二关节轴上，可分别沿第一关节轴和第二关节轴的轴线自由转动。第一钢丝绳至第四钢丝绳分别缠绕在第一钢丝轮盘至第四钢丝轮盘的U型凹槽上，缠绕后呈8字形状并且保持张紧状态。本发明解决了机械臂的回转式关节结构刚度与转动角度大小之间的矛盾，提供一种接近正负180°的大角度回转式关节机构，同时具有结构简单紧凑、外观整洁、重量轻刚度大、不需精密零件加工制造成本低等优点，应用空间大。
文档编号B25J9/06GK101323110SQ20081004045
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月10日 优先权日2008年7月10日
发明者张伟军, 袁建军 申请人:上海交通大学