一种绳驱动机械臂转动关节的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种绳驱动机械臂转动关节的结构，包括同步带轮轴、同步带、角度传感器、臂关节轴承端盖、深沟球轴承、角接触球轴承、设有连接孔及钢丝绳通孔的机械臂连接夹块，所述的同步带轮轴由上至下包括带轮端和轴端，沿同步带轮轴的轴线依次设置有传感器容纳孔、传感器输出轴连接孔、十字沉头螺钉内螺纹孔，所述深沟球轴承和角接触球轴承内圈通过过渡配合分别固定在所述带轮端上、下部。本实用新型可实现关节较大范围的运动；采用可拆装结构，方便维修和搬运、简化了结构、提高了关节的运行效率、避免了关节运动耦合；解决了绳驱动过程中只能拉伸不能压缩的问题，结构简单，行程范围大，特别适于安装在轮椅，护理床等助残助老设备上。
【专利说明】
一种绳驱动机械臂转动关节的结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种绳驱动机械臂转动关节的结构。【背景技术】
[0002]绳驱动技术在近几年逐渐受到重视，它主要通过将电机和调速装置全部安装在底座驱动箱上，通过绳来驱动关节的运动，从而大幅地降低了机械臂的重量。现有的串联绳驱动转动关节机构设计的难度比较大，需要巧妙设计绳索的绕组形式和布局方式，通过多组轮组的反复缠绕，充分利用绳索传动完成减速功能。现有方式为实现调速和远距离传输动力，轮组较多，机构复杂，重量大，且无法解决关节运动耦合和驱动范围较小的缺点。本实用新型提出的绳驱动系统转动关节，能够大幅减轻机械臂自重和机构的复杂程度，提高机械臂动态性能，解决了以往绳驱动技术中关节结构复杂，运动范围小和关节运动耦合的问题； 采用可拆装结构，方便维修和搬运;采用主要零件一体化设计，简化了结构，提高了关节的运行效率。该机械臂结构适用于安装在轮椅、护理床等助残助老设备上，可有效地帮助老年人、残疾人实现生活自理。【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一机构简单、运动范围大、无耦合的绳驱动机械臂转动关节，本实用新型的目的通过如下技术方案实现:
[0004]—种绳驱动机械臂转动关节的结构，包括同步带轮轴、同步带、角度传感器、臂关节轴承端盖、深沟球轴承、角接触球轴承、设有连接孔及钢丝绳通孔的机械臂连接夹块，所述的同步带轮轴由上至下包括带轮端和轴端，沿同步带轮轴的轴线依次设置有传感器容纳孔、传感器输出轴连接孔、十字沉头螺钉内螺纹孔，所述深沟球轴承和角接触球轴承内圈通过过渡配合分别固定在所述带轮端上、下部，所述的带轮端与同步带相配合，所述的轴端与机械臂连接夹块的连接孔固定连接;所述的同步带的两端分别通过钢丝绳连接具正反转功能的绳驱动装置;所述的臂关节轴承端盖固定在机械臂上，同时与深沟球轴承的外圈相配合;所述的角度传感器设置在同步带轮轴内，其壳体与传感器容纳孔间隙配合，同时壳体顶部与臂关节轴承端盖固定连接，所述角度传感器的输出轴与传感器输出轴连接孔固定连接。
[0005]本方案所述绳驱动机械臂转动关节的结构利用连接钢丝绳的同步带带动同步带轮轴旋转，同步带轮轴的轴端固定在机械臂连接夹块上，将动力传至下一机械臂，带动下一机械臂旋转。同步带轮轴分别由两个滚珠轴承支撑在臂关节轴承端盖和机械臂底板上，实现竖直转动关节轴的轴向和径向的固定，保证了带轮轴在做旋转运动时的平稳性。当驱动电机正、反转时，带动与其相连的同步带运动，进而拉动同步带轮轴旋转，关节完成相应方向的动作。
[0006]进一步地，还包括内壁与角度传感器的壳体紧密配合、外壁与传感器容纳孔间隙配合的柱状传感器保护套，所述传感器保护套的顶部与臂关节轴承端盖固定连接，底部居中设置有与所述角度传感器的输出轴间隙配合的阶梯孔。
[0007]进一步地，所述的传感器保护套采用可拆装分体式结构，其中部设置有用于安置线路的矩形槽，方便角度传感器的拆装。
[0008]进一步地，所述的传感器保护套底部偏置地设置有通过沉头螺钉连接同步带轮轴的沉头螺钉孔，使角度传感器固定更加牢靠。
[0009]进一步地，所述的同步带轮轴上沿转动轴线垂直方向设置有第一内螺纹通孔，所述第一内螺纹通孔内配合设置有用于固定所述角度传感器的输出轴的平头紧定螺钉，进一步保证角度传感器的输出轴与同步带轮轴的固定连接。[〇〇1〇]进一步地，所述的同步带的长度至少为带轮端圆周长的1.5倍。保证水平转动关节的360°范围内转动。
[0011]进一步地，所述的轴端上设置有平槽，所述机械臂连接夹块侧面沿水平方向开有第二内螺纹通孔，所述第二内螺纹通孔内配合设置有用于固定连接所述轴端的平头紧定螺钉。该孔与其轴线方向通孔相交，紧定螺钉从内螺纹通孔中拧入，以固定同步带轮轴，实现轴端和所述机械臂连接夹块之间的动力传递，继而带动与之连接的机械臂转动。
[0012]进一步地，所述机械臂连接夹块包括机械臂上夹块和机械臂下夹块，所述的机械臂上夹块中部沿竖直方向设置有与轴端配合的带轮轴连接通孔，两侧面设置有用于连接机械臂底板的连接螺孔，所述机械臂下夹块的上部沿竖直方向开有与轴端配合的带轮轴连接沉孔，底部开有与第二十字沉头螺钉配合的第二沉头通孔，两侧面设置有用于连接机械臂底板的连接螺孔，所述机械臂上夹块和机械臂下夹块配合平面上分别设置两段相互平行的阶梯半圆槽，钢丝绳套管从外部穿入直径较大的半圆槽并由其固定，钢丝绳从套管中穿出， 通过直径较小的半圆槽驱动下一个关节运动。
[0013]进一步地，所述的阶梯半圆槽的间距与带轮端的直径相匹配。[〇〇14] 进一步地，所述钢丝绳套管由外至内包括外壁塑胶层及编织钢丝绳层。
[0015]与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和效果:
[0016]本绳驱动机械臂转动关节，驱动形式选用同步带拉动同步带轮旋转，靠同步带齿与同步带轮齿之间的啮合实现传动，两者无相对滑动，而使圆周速度同步。运行平稳，传动比恒定，结构紧凑，传动效率高。
[0017]主要部件采用模块化复合结构设计，同步带轮轴将同步带轮和关节旋转主轴结合起来，简化了关节结构，由于零件的减少提高了运行效率。同步带轮轴设计有与滚珠轴承内圈配合的台阶面，带轮端由两个滚珠轴承支撑，实现竖直转动关节轴的轴向和径向的固定。 同步带轮轴旋转时，轴颈上两个滚珠轴承内圈同步旋转，减少了摩擦阻力。
[0018]使用由拉线钢丝绳和拉线套筒构成的拉线，将套筒的端部固定，驱动电机带动拉线钢丝绳在拉线套筒中移动来达到传动目的。一个关节的运动不会对其它关节产生影响， 避免了绳驱动中关节运动耦合的问题。
[0019]在同步带轮轴旋转轴线方向加装角度传感器，角度传感器轴由紧定螺钉固定在同步带轮轴轴线通孔中。当同步带轮轴带动关节旋转时，角度传感器轴与其同步旋转，可以精准的记录关节旋转角度，便于控制系统根据角度传感器传回的数据调整关节位姿，实现精确控制。角度传感器外加装分型式的角度传感器保护套，实现对角度传感器保护的同时又便于拆装。【附图说明】
[0020]图1为实施方式中一种绳驱动机械臂转动关节的结构的整体结构示意图。
[0021]图2为图1中同步带轮轴的主视示意图。
[0022]图3为图1中同步带轮轴的左视示意图。
[0023]图4为图1中同步带轮轴的剖视示意图。
[0024]图5为图1中臂关节轴承端盖的结构示意图。
[0025]图6为图1中机械臂上/下夹块的装配结构示意图。
[0026]图7为图1中机械臂下夹块的结构示意图。
[0027]图8为图1中角度传感器保护套的结构示意图。
[0028]图9为图1中角度传感器保护套的局域结构示意图。
[0029]图中所示为:1-同步带轮轴;2-臂关节轴承端盖;3-第一十字沉头螺钉;4-传感器保护套;5-角度传感器;6-深沟球轴承;7-带轮小端垫圈;8-同步带;9-带轮大端垫圈；10-角接触球轴承；11-第一平头紧定螺钉；12-机械臂上夹块；13-第二平头紧定螺钉；14-第三平头紧定螺钉；15-机械臂下夹块；16-第二十字沉头螺钉；17-带轮端；18-平槽；19-轴端;20-第一内螺纹通孔;21-保护套容纳孔;22-传感器输出轴连接孔;23-十字沉头螺钉内螺纹孔； 24-台阶面;25-第一沉头通孔;26-带轮轴连接通孔;27-第二内螺纹通孔;28-钢丝绳;29-连接螺孔;30-阶梯半圆槽;31-带轮轴连接沉孔;32-第二沉头通孔;33-第三内螺纹通孔;34-矩形槽;35-传感器固定内腔;36-阶梯孔;37-第一机械臂;38-第二机械臂;39-沉头螺钉孔。【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本实用新型的具体实施做进一步的详细描述，但本实用新型的实施不限于此。[0031 ]如图1至图4所示，一种绳驱动机械臂转动关节的结构，包括同步带轮轴1、同步带 8、角度传感器5、臂关节轴承端盖2、深沟球轴承6、角接触球轴承10、设有连接孔及钢丝绳通孔的机械臂连接夹块，所述的同步带轮轴1由上至下包括带轮端17和轴端19，沿同步带轮轴 1的轴线依次设置有传感器容纳孔21、传感器输出轴连接孔22、十字沉头螺钉内螺纹孔23， 所述深沟球轴承6和角接触球轴承10内圈分别固定在所述带轮端17上、下部，同时，深沟球轴承6内圈端面和带轮端17轴肩之间设置有带轮小端垫圈7,所述角接触球轴承10与带轮端 17轴肩之间设置有带轮大端垫圈9,实现轴承的轴向和径向精确定位，所述的带轮端17与同步带8相配合，所述的轴端19与机械臂连接夹块的连接孔固定连接;所述的同步带8的两端分别通过钢丝绳28连接具正反转功能的绳驱动装置;所述的臂关节轴承端盖2固定在第一机械臂37上，同时与深沟球轴承6的外圈相配合，所述的臂关节轴承端盖2外圆弧面与第一机械臂37底板圆弧面配合，两侧面开有连接螺孔29,用螺钉将其固定在第一机械臂37底板上，中间开有直径与深沟球轴承6外圈过盈配合的台阶面24,其圆心与同步带轮轴1轴线在同一条线上，顶部中心位置开有四个第一沉头通孔25(见图5)，用第一十字沉头螺钉3将传感器保护套4与臂关节轴承端盖2联接，臂关节轴承端盖2外延端开槽。
[0032]为了精确测量关节实时转动角度所述的角度，传感器5设置在同步带轮轴1内，其壳体与传感器容纳孔21间隙配合，同时壳体顶部与臂关节轴承端盖2固定连接，所述角度传感器5的输出轴与传感器输出轴连接孔22通过过渡配合固定连接。
[0033]本实施例所述绳驱动机械臂转动关节的结构利用连接钢丝绳的同步带8带动同步带轮轴旋转，同步带轮轴1的轴端19固定在机械臂连接夹块上，将动力传至第二机械臂38， 带动第二机械臂38旋转。带轮端17采用标准件规格，尺寸、牙型与相应同步带8配套，同步带 8拉动同步带轮轴1旋转，将动力传递至第二机械臂38,以达到关节功能。同步带轮轴1分别由两个滚珠轴承支撑在臂关节轴承端盖2和第一机械臂37底板上，实现竖直转动关节轴的轴向和径向的固定，保证了同步带轮轴1在做旋转运动时的平稳性和灵活性。当驱动电机正、反转时，带动与其相连的同步带8运动，进而拉动同步带轮轴1旋转，关节完成相应方向的动作。
[0034]如图8、图9所示，在本实用新型一个可行的实施例中，传感器容纳孔21还包括内壁与角度传感器5的壳体紧密配合、外壁与传感器容纳孔21间隙配合的柱状传感器保护套4， 所述传感器保护套4的顶部设置有四个第三内螺纹通孔33,与臂关节轴承端盖2通过四个第一十字沉头螺钉3固定连接，底部居中设置有与所述角度传感器5的输出轴间隙配合的阶梯孔36,方便角度传感器5的安装与运转。
[0035]在本实用新型一个可行的实施例中，所述的传感器保护套4采用可拆装分体式结构，其中部设置有用于安置线路的矩形槽34,方便角度传感器的拆装。
[0036]在本实用新型一个可行的实施例中，所述的传感器保护套4底部偏置地设置有通过沉头螺钉连接同步带轮轴1的沉头螺钉孔39,使角度传感器5固定更加牢靠。
[0037]在本实用新型一个可行的实施例中，所述的同步带轮轴1上沿转动轴线垂直方向设置有第一内螺纹通孔20，所述第一内螺纹通孔20内配合设置有用于固定所述角度传感器 5的输出轴的第一平头紧定螺钉11，进一步确保角度传感器5的输出轴与同步带轮轴1的固定连接。
[0038]在本实用新型一个可行的实施例中，所述的同步带8的长度至少为带轮端17圆周长的1.5倍。保证水平转动关节的360°范围内转动，以实现较大的活动范围。
[0039]在本实用新型一个可行的实施例中，所述的轴端19上平行设置有两个平槽18,所述机械臂连接夹块侧面沿水平方向开有两个第二内螺纹通孔27，两个第二内螺纹通孔27内配合设置有用于固定连接所述轴端19的第二内螺纹通孔27。第二内螺纹通孔27与带轮轴连接通孔26轴线方向通孔垂直相交，第二平头紧定螺钉13和第三平头紧定螺钉14分别从两个第二内螺纹通孔27中拧入后与两个平槽18相配合，成为刚性连接，所述平槽18的宽度稍大于第二平头紧定螺钉13和第三平头紧定螺钉14的公称直径，以固定同步带轮轴1，实现轴端 19和所述机械臂连接夹块之间的动力传递，继而带动与之连接的第二机械臂38转动。
[0040]如图6、图7所示，在本实用新型一个可行的实施例中，所述机械臂连接夹块包括机械臂上夹块12和机械臂下夹块15,所述的机械臂上夹块12中部沿竖直方向设置有与轴端19 过渡配合的带轮轴连接通孔26,两侧面设置有用于连接第二机械臂38底板的连接螺孔29， 所述机械臂下夹块15的上部沿竖直方向开有与轴端19过渡配合的带轮轴连接沉孔31，底部开有与第二十字沉头螺钉16配合的第二沉头通孔32,两侧面设置有用于连接机械臂底板的连接螺孔29,所述机械臂上夹块12和机械臂下夹块15配合平面上分别设置两段相互平行的阶梯半圆槽30,所述的阶梯半圆槽30的间距与带轮端17的直径相匹配。钢丝绳套管从外部穿入直径较大的半圆槽并由其固定，钢丝绳28从套管中穿出，通过直径较小的半圆槽驱动下一个关节运动。所述钢丝绳套管由外至内包括外壁塑胶层及编织钢丝绳层，组成柔性传动系统。
[0041]本实用新型利用两根钢丝绳28同时驱动一个同步带轮轴1的运动，能克服一般绳驱动只能拉伸不能压缩的缺点。两根钢丝绳28只需承受拉力，不用承受压缩力，便能完成对关节正反方向运动的驱动。当驱动电机向某个方向转动时，带动同步带8运动，从而带动钢丝绳28,钢丝绳28带动位于关节上的同步带8,从而带动第一机械臂37的同步带轮轴1旋转， 同步带轮轴1又带动与其固联的机械臂上夹块12和机械臂下夹块15,从而带动第二机械臂 38转动，实现关节功能。由于被动同步带套在被动带轮上，因同步带8的长度至少为带轮端 17圆周长的1.5倍，所以能保证转动关节在360°范围内转动，满足较大的活动范围。
[0042]由上述可知，本实用新型提出的绳驱动机械臂转动关节的结构，与其它绳驱动机械臂关节相比，具有结构紧凑，可拆装性能好，误差小，可实现精确控制，运动空间大，无关节运动耦合等优点，关节处无动力构件，能够有效地减轻机械臂的重量，提高机械手承载能力和和动态性能。将同步带轮和关节主轴结合，简化了结构，减少了因机构连接带来的动力损耗。关节中加装角度传感器，实时向控制系统反馈角度数据，以控制电机修正偏差，提高了整套系统的运动精度和可操作性。本实用新型中每个驱动电机驱动一个转动关节，驱动电机的旋转时，主动同步带拉动一根钢丝绳，另一根钢丝绳被转动关节拉动，整个驱动过程中钢丝绳始终保持拉紧状态，解决了绳驱动只能拉伸不能压缩的单向性问题。
[0043]本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于，包括同步带轮轴(1)、同步带(8)、 角度传感器(5)、臂关节轴承端盖(2)、深沟球轴承(6)、角接触球轴承(10)、设有连接孔及钢 丝绳通孔的机械臂连接夹块，所述的同步带轮轴(1)由上至下包括带轮端(17)和轴端(19)， 沿同步带轮轴(1)的轴线依次设置有传感器容纳孔(21)、传感器输出轴连接孔(22)、十字沉 头螺钉内螺纹孔(23)，所述深沟球轴承(6)和角接触球轴承(10)内圈分别固定在所述带轮 端(17)上、下部，所述的带轮端(17)与同步带(8)相配合，所述的轴端(19)与机械臂连接夹 块的连接孔固定连接;所述的同步带(8)的两端分别通过钢丝绳(28)连接具正反转功能的 绳驱动装置;所述的臂关节轴承端盖(2)固定在机械臂上，同时与深沟球轴承(6)的外圈相 配合;所述的角度传感器(5)设置在同步带轮轴(1)内，其壳体与传感器容纳孔(21)间隙配 合，同时壳体顶部与臂关节轴承端盖(2)固定连接，所述角度传感器(5)的输出轴与传感器 输出轴连接孔(22)固定连接。2.根据权利要求1所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:还包括内壁与角 度传感器(5)的壳体紧密配合、外壁与传感器容纳孔(21)间隙配合的柱状传感器保护套 (4)，所述传感器保护套(4)的顶部与臂关节轴承端盖(2)固定连接，底部居中设置有与所述 角度传感器(5)的输出轴间隙配合的阶梯孔(36)。3.根据权利要求2所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的传感器保 护套(4)采用一体式或可拆装分体式结构，其中部设置有用于安置线路的矩形槽(34)。4.根据权利要求2所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的传感器保 护套(4)底部偏置地设置有通过沉头螺钉连接同步带轮轴(1)的沉头螺钉孔(39)。5.根据权利要求1所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的同步带轮 轴(1)上沿转动轴线垂直方向设置有第一内螺纹通孔(20)，所述第一内螺纹通孔(20)内配 合设置有用于固定所述角度传感器(5)的输出轴的平头紧定螺钉。6.根据权利要求1所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的同步带的 长度至少为带轮端(17)圆周长的1.5倍。7.根据权利要求1所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的轴端(19) 上设置有平槽(18)，所述机械臂连接夹块侧面沿水平方向开有第二内螺纹通孔(27)，所述 第二内螺纹通孔(27)内配合设置有用于固定连接所述轴端(19)的平头紧定螺钉。8.根据权利要求1所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述机械臂连接 夹块包括机械臂上夹块(12)和机械臂下夹块(15)，所述的机械臂上夹块(12)中部沿竖直方 向设置有与轴端(19)配合的带轮轴连接通孔(26)，两侧面设置有用于连接机械臂底板的连 接螺孔(29)，所述机械臂下夹块(15)的上部沿竖直方向开有与轴端(19)配合的带轮轴连接 沉孔(31)，底部开有与第二十字沉头螺钉(16)配合的第二沉头通孔(32)，两侧面设置有用 于连接机械臂底板的连接螺孔(29)，所述机械臂上夹块(12)和机械臂下夹块(15)配合平面 上分别设置两段相互平行的阶梯半圆槽(30)，钢丝绳套管从外部穿入直径较大的半圆槽并 由其固定，钢丝绳从套管中穿出，通过直径较小的半圆槽驱动下一个关节运动。9.根据权利要求8所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述的阶梯半圆 槽(30)的间距与带轮端(17)的直径相匹配。10.根据权利要求8所述的绳驱动机械臂转动关节的结构，其特征在于:所述钢丝绳套 管由外至内包括外壁塑胶层及编织钢丝绳层。
【文档编号】B25J17/02GK205614700SQ201620390945
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张勤, 郑昕亮, 范长湘
【申请人】华南理工大学