专利名称：线动单至多自由度关节的制作方法
技术领域：
本发明专利是一种线动单至多自由度关节，可用于机器人，机器动物，也可用于人工假肢中。属于机械工程类机器人技术领域。
背景技术：
单至多自由度关节广泛用于机器人，机器动物和用于人工假肢中，现有的单至多自由度关节存在如下问题一是体积庞大，结构复杂微小型化困难，二是需要使用多个电机，控制复杂，本发明专利的目的在于针对现有技术的上诉不足，设计开发一种结构紧凑，轻巧的关节，使关节可以实现单至多自由度，并用一个电机同时控制多个关节。
发明内容
为实现上诉目的，本发明专利在设计中采用了一种圆环形支撑架，并在圆环形支撑架上安装多个导向支撑滑轮，且导向支撑滑轮的轴线与圆环形支撑架所在的平面垂直，固定臂与旋转臂通过轴连接在一起，圆环形支撑架固定或通过轴连接在固定臂上，圆环形支撑架的圆心与轴心重合，圆环形支撑架所在平面与轴线垂直，并通过旋转臂上的孔，使旋转臂可以沿着圆环形支撑架绕轴旋转，动力线a的中点固定在旋转臂上，两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在圆环形支撑架上，在导向支撑滑轮的支撑导向作用下，不断改变方向，在圆环形支撑架与固定臂连接处，将动力线a的两端导入套桶，在套桶的支撑导向作用下，改变方向连接到动力分配器的卷线轮上，且动力线a的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕到卷线轮上，并拉紧固定，在动力分配器作用下，转动卷线轮，拉紧动力线a的一端同时放松动力线a的另一端，通过动力线a拉动旋转臂沿圆环形支撑架绕固定臂旋转，改变卷线轮旋转方向，即可通过动力线a改变旋转臂的旋转方向，卷线轮不动时通过动力线a使旋转臂相对于固定臂不动，圆环形支撑架使动力线a的拉力始终保持与旋转臂垂直，且力臂长度保持不变，动力分配器通过动力线a使旋转臂绕固定臂向正反两个方向运动或静止，且都是主动控制的，从而实现单自由度关节，多个单自由度关节组合在一起可实现多自由度关节，动力分配器可由一个电动机驱动，并安装多个卷线轮可连接多根动力线，从而实现单个电机控制多个关节。
为了更好的理解本发明专利的技术方案，下面结合附图详细阐述单至多自由度关节，圆环形支撑架，动力线，动力分配器的作用以及关节的运作方式图1为单自由度关节示意2为双自由度关节示意3为三自由度关节示意4为动力分配器示意图如图1所示，本发明专利的单自由度关节主要包括固定臂3和旋转臂5，固定臂3通过轴4与旋转臂5相连接在一起，在固定臂3上安装有圆环形支撑架6，圆环形支撑架6的圆心与轴4的轴心重合，圆环形支撑架6所在平面与轴4的轴线垂直，圆环形支撑架6上安装有多个导向支撑滑轮9，导向支撑滑轮9的轴线与圆环形支撑架所在平面垂直，动力线8的中点7固定在旋转臂5上，然后动力线8的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在圆环形支撑架6上，在导向支撑滑轮9的支撑导向作用下，不断改变方向最后在圆环形支撑架6与固定臂3的固定点10处导入套桶11，再在套桶11的支撑导向作用下，与动力分配器1的卷线轮2连接，动力线8的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在卷线轮2上并拉紧固定，在动力分配器1的作用下，卷线轮2旋转，拉紧动力线8的一端，同时放松动力线8的另一端，从而带动旋转臂5在动力线8的拉动下，沿轴4绕固定臂3旋转，改变卷线轮的旋转方向即可改变旋转臂5的旋转方向，卷线轮2不动时，通过动力线8使旋转臂5固定不动，圆环形支撑架6使动力线8的拉力始终与旋转臂5垂直，且力臂长度保持不变，动力分配器1通过动力线8使旋转臂5沿圆环形支撑架6绕固定臂3向正反两个方向运动，并可实现静止，且都是主动控制的，从而实现线动单自由度关节。
如图2所示，本发明专利的双自由度关节主要包括固定臂1和旋转臂2，固定臂1通过十字轴3与旋转臂2连接在一起，固定臂1上固定有圆形支撑架4，其所在平面与固定臂1垂直，其圆心与十字轴轴心重合，圆形支撑架4所在平面内两条相互垂直的交点为圆心的直线18与直线19，与圆形支撑架4的边缘交点处分别安装轴5，轴6，轴7，轴8，且轴5与轴6的轴线与直线18重合，轴7与轴8的轴线与直线19重合，半圆环形支撑架9的两端通过轴5与轴6与圆形支撑架4连接，使半圆环形支撑架9能绕直线18旋转，半圆环形支撑架9上有多个导向支撑滑轮20，且这多个导向支撑滑轮20的轴线与半圆环形支撑架9的所在平面垂直。半圆环形支撑架9穿过旋转臂2上的孔10，使得旋转臂2可以沿半圆环形支撑架9移动，且当旋转臂2向其他方向移动时可以带动半圆环形支撑架9沿轴5与轴6旋转，同时沿半圆环形支撑架9移动，以实现自由移动到其他方向的目的，动力线11的中点21固定在旋转臂2上的孔10上方，动力线11的两端分别从逆时针方向和顺时针方向缠绕在半圆环形支撑架9上，通过多个支撑导向滑轮20的作用下，不断改变方向，分别在轴5，轴6处导入套桶22，在套桶22的支撑导向作用下，与动力分配器17连接，将动力线11的两端分别按逆时针方向和顺时针方向缠绕在动力分配器17的卷线轮12上，拉紧后固定，在动力分配器17的作用下，旋转卷线轮12，拉紧(或放松)动力线11的一端，同时放松(或拉紧)动力线11的另一端，即可通过动力线11拉动旋转臂2向逆时针方向(或顺时针方向)沿着半圆环形支撑架9绕固定臂1旋转，改变动力分配器17的卷线轮12的旋转方向即可使旋转臂2改变绕固定臂1旋转的方向，动力分配器17的卷线轮12固定不动时，通过动力线11的拉动作用，即可使旋转臂2相对于固定臂1固定不动半圆环形支撑架13的两端通过轴7和轴8与圆形支撑架4连接，使半圆环形支撑架13能够绕直线19旋转，半圆环形支撑架13上装有多个支撑导向滑轮24，且多个支撑导向滑轮24的轴线与半圆环形支撑架13所在平面垂直，半圆环形支撑架13穿过旋转臂2上的孔14，使得旋转臂2可以沿着半圆环形支撑架13移动，且当旋转臂向其他方向移动时，可以带动半圆环形支撑架13沿轴7和轴8旋转，同时沿半圆环形支撑架13移动，以实现移动到其他方向的目的，动力线15的中点23固定在旋转臂2上的孔14的上方，动力线15的两端分别沿逆时针方向和顺时针方向缠绕在半圆环形支撑架13上，通过多个支撑导向滑轮24不断改变方向，分别在轴7和轴8处导入套桶25，在套桶25的支撑导向作用下，与动力分配器17连接，将动力线15的两端分别按逆时针方向和顺时针方向缠绕在动力分配器17的卷线轮16上拉紧后固定，在动力分配器的作用下，旋转卷线轮16，拉紧(或放松)动力线15的一端，同时放松(或拉紧)动力线15的另一端，即可在动力线15的拉动下使旋转臂2沿顺时针方向(或逆时针方向)沿半圆环形支撑架13绕固定臂1旋转，改变卷线轮16的旋转方向，在动力线15拉动下，即可改变旋转臂2绕固定臂1旋转的方向，当卷线轮16静止不动时，在动力线15的拉动作用下，旋转臂2相对固定臂1静止不动。
因半圆环形支撑架9和半圆环形支撑架13所在平面相互垂直，因此当旋转臂2沿半圆环形支撑架9绕固定臂1旋转时只带动半圆环形支撑架13绕直线19旋转，其在半圆环形支撑架13上的位置不变，当旋转臂2沿半圆环形支撑架13绕固定臂1旋转时，只带动半圆环形支撑架9沿直线18旋转，其在半圆环形支撑架9上的位置不变，因此当卷线轮12和卷线轮16分别旋转时，可使旋转臂2沿着半圆环形支撑架9和半圆环形支撑架13分别向两个方向移动，在卷线轮12和卷线轮16不旋转时，旋转臂2可实现相对固定臂1静止，当卷线轮12和卷线轮16一个旋转一个不旋转时，旋转臂2可向单一方向移动，且都是主动控制的，从而实现线动双自由度关节，相当于两个线动单自由度关节组合在一起。
如图3所示；一种线动三自由度关节，由一个线动单自由度关节和一个线动双自由度关节组合在一起。线动双自由度关节的固定臂1以一定的夹角29与线动单自由度关节的旋转臂26连接在一起，旋转臂26通过轴27和轴28连接在支架30上，在旋转臂26上固定有力臂31，且力臂31与旋转臂26垂直交于点32圆环形支撑架33固定在支架30的点34上，圆环形支撑架33所在面与旋转臂26的轴线垂直，圆心与旋转臂26上点32重合，圆环形支撑架33通过力臂31上的孔35，使力臂31可沿圆环形支撑架33旋转，圆环形支撑架33上有多个导向支撑滑轮36且导向支撑滑轮36的轴线与圆环形支撑架33所在平面垂直，动力线37的中点固定在孔35的上方，将动力线37的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在圆环形支撑架33上，在导向支撑滑轮36的导向支撑作用下，不断改变方向，最后将动力线37的两端分别从点34导入套桶38，在套桶38的支撑导向作用下，连接到动力分配器17上，将动力线37的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在动力分配器17的卷线轮39上，在动力分配器17的作用下，卷线轮39旋转，拉紧(或放松)动力线动力线37的一端，同时放松(或拉紧)动力线37的另一端，可使力臂31带动旋转臂26顺时针方向(或逆时针方向)旋转，同时带动线动双自由度关节旋转，改变卷线轮39的旋转方向，即可改变力臂31，旋转臂26，双自由度关节的旋转方向，这样在卷线轮12，卷线轮16，卷线轮39同时旋转时，旋转臂2同时沿着半圆环形支撑架9，半圆环形支撑架13，圆环形支撑架33，向三个方向移动，当卷线轮12，卷线轮16，卷线轮39两个旋转一个静止时，旋转臂2同时沿着半圆环形半圆环形支撑架9，半圆环形支撑架13，圆环形支撑架33中的两个向两个方向移动，当卷线轮12，卷线轮16，卷线轮39一个旋转两个静止时，旋转臂2沿着半圆环形支撑架9，半圆环形支撑架13，圆环形支撑架33中的一个向单一方向移动，当卷线轮12，卷线轮16，卷线轮39三个都静止时，旋转臂2相对于支架30静止，且都是主动控制的，从而实现线动三自由度关节，相当于三个线动单自由度关节组合在一起。
从以上对双自由度，三自由度关节的阐述可知，将本发明专利中所述单自由度关节多个组合在一起，可以组成多自由度关节。其基本结构是由固定臂1与旋转臂2通过轴3连接在一起，将圆环形或截取部分圆环形支撑架固定或通过轴连接在固定臂1上，该支撑架穿过旋转臂上的一个孔，使得旋转臂2在孔的约束下可以沿着支撑架的方向移动，在支撑架上固定安装若干个支撑导向滑轮，使支撑导向滑轮的轴线与支撑架所在的平面垂直，将一根动力线的中点固定在支撑架穿过旋转臂上的孔的上方，将动力线的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在支撑架上，在支撑架上的支撑导向滑轮的作用下动力线不断改变方向，最后在支撑架与固定臂连接处，将动力线的两端导入套桶，在套桶的支撑导向作用下，动力线与动力分配器相连接，将动力线的两端分别沿着顺时针方向和逆时针方向缠绕在动力分配器的卷线轮上，并拉紧后固定，在动力分配器在动力分配器作用下，旋转卷线轮，拉紧(或放松)动力线的一端，同时放松(或拉紧)动力线的另一端，从而通过动力线带动旋转臂沿支撑架绕固定臂顺时针(或逆时针)方向旋转，当在动力分配器作用下，卷线轮停止旋转静止时，可在动力线作用下，使旋转臂相对于支撑架静止，且都是主动控制的，从而实现单自由度，多个基本结构组合在一起可以实现多个自由度，可使旋转臂在动力分配器控制下，同时或分别向多个方向旋转，并且都是主动控制的，从而实现多自由度关节。
如图4所示本发明专利的动力分配器主要包括电动机1通过调速器2减速后与齿轮箱3连接，使齿轮10，齿轮11做等速反向旋转，矩形支架4固定在齿轮箱3上，矩形支架4内等距安装若干根连杆5，连杆5的两端分别安装齿轮12，齿轮13，并使齿轮12与齿轮10啮合，齿轮13与齿轮11啮合，这样使齿轮12与齿轮13也成为一对等速反向旋转齿轮，在每一根连杆的两端分别安装齿轮并同前一根连杆两端的齿轮分别啮合，就形成若干对等速反向旋转齿轮，从而将电动机的动力分配到若干个齿轮上，在连杆5中间安装一槽轮机构，并固定在矩形支架4上，槽轮7以连杆5为轴，两侧与齿轮12，齿轮13之间分别安装离合器6和离合器14，卷线轮9固定安装在槽轮7的从动轮8上，当离合器6和离合器14都没有啮合时，槽轮7与从动轮8在自锁作用下，使卷线轮9静止不动，当离合器6啮合时，将齿轮12与槽轮7连接，齿轮12带动槽轮7顺时针方向旋转，进而带动从动轮8逆时针方向旋转，因卷线轮9固定在从动轮8上，因此卷线轮9也作逆时针方向旋转，当离合器6断开，离合器14啮合时，将齿轮13与槽轮7连接，齿轮13带动槽轮7逆时针方向旋转，进而带动从动轮8顺时针方向旋转，因卷线轮9固定在从动轮8上，因此卷线轮9也做顺时针方向旋转，在每一根连杆上都安装槽轮7，从动轮8，卷线轮9，离合器6，离合器14，从而的到若干个可控制旋转方向，可控制静止的卷线轮，每一个卷线轮可连接一根动力线，从而实现用单一电动机控制若干根动力线的目的。
具体实施例方式
下面是本发明专利的一个实施例单至多自由度关节用于一只22自由度的仿生机器狗中。
在机器狗的脊柱中段安装一只三自由度关节，头与脊柱连接处再安装一只三自由度关节，狗嘴部位安装一只两自由度关节，四只腿与脊柱连接处各安装一只三自由度关节，两前腿膝盖处各安装一只单自由度关节，在脊柱的前半部吊装动力分配器，所有关节的动力线都接动力分配器上，在控制器作用下，发出电控信号，控制电磁离合器的启动与关闭，从而可以控制多个关节的活动方向与尺度，实现预编程序的意图，实验表明，机器狗可以按预编程序活动。
本发明专利有着明显的优点1，利用动力线径向刚性，横向柔性的特性，可使一台电动机控制多个关节，容易控制结构简单；2，关节结构紧凑，易于维护，易于微小型化，体积小，整个关节形状与动物关节类似，易于仿真。
权利要求
1，一种线动单自由度关节，固定臂3和旋转臂5通过轴4相连，其特征在于，在固定臂3上安装有圆环形支撑架6，圆环形支撑架6的圆心与轴4的轴心重合，圆环形支撑架6所在的平面与轴4的轴线垂直，并穿过旋转臂5上的孔，圆环形支撑架6上安装有多个导向支撑滑轮9，导向支撑滑轮9的轴线与圆环形支撑架6的所在平面垂直，以一定的间隔顺序排列在圆环形支撑架6上，动力线8的中点7固定在旋转臂5上的孔的上方，动力线8的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在圆环形支撑架6上在导向支撑滑轮9的支撑导向作用下，不断改变方向，最后在圆环形支撑架6与固定臂3的连接点10处，导入套桶11，在套桶11的支撑导向作用下，与动力分配器1的卷线轮2连接，动力线8的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在卷线轮2上，拉紧后固定。
2，一种线动双自由度关节，固定臂1和旋转臂2通过十字轴3相连接，其特征在于固定臂1上固定有圆形支撑架4，其所在平面与固定臂1垂直，其圆心与十字轴3的轴心重合，圆形支撑架4所在平面内两条相互垂直交点为圆心的直线18和直线19与圆形支撑架4边缘交点处分别安装轴5，轴6，轴7，轴8，且轴5与轴6的轴线与直线18重合，轴7与轴8的轴线与直线19重合，半圆环形支撑架9的两端通过轴5和轴6与圆形支撑架4相连接，半圆环形支撑架9上有多个导向支撑滑轮20，且多个导向支撑滑轮20的轴线与半圆环形支撑架9所在平面垂直，以一定间隔顺序排列在半圆环形支撑架9上，半圆环形支撑架9穿过旋转臂2上的孔10，动力线11的中点21固定在孔10的上方，动力线11的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在半圆环形支撑架9上，在多个导向支撑滑轮20的支撑导向作用下，不断改变方向，分别在轴5，轴6处导入套桶22，在套桶22的支撑导向作用下，与动力分配器17的卷线轮12连接，动力线11的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在卷线轮12上拉紧后固定，半圆环形支撑架13的两端通过轴7，轴8与圆形支撑架4相连接，半圆环形支撑架13上安装有多个支撑导向滑轮24，且多个支撑导向滑轮24的轴线与半圆环形支撑架13所在平面垂直，以一定的间隔顺序排列在半圆环形支撑架13上，半圆环形支撑架13穿过旋转臂2上的孔14，动力线15的中点23固定在孔14的上方，动力线15的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在半圆环形支撑架13上，在多个导向支撑滑轮24的支撑导向作用下，不断改变方向分别在轴7，轴8处导入套桶25，在套桶25的支撑导向作用下，与动力分配器17的卷线轮16相连接，动力线15的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在卷线轮16上，拉紧后固定。
3，一种线动三自由度关节，其特征在于将如权利要求2所诉的线动双自由度关节的固定臂1以一定的夹角29固定连接在旋转臂26的一端，旋转臂26通过轴27，轴28连接到支架30上，旋转臂26上垂直固定连接力臂31，圆环形支撑架33固定在支架30上，圆环形支撑架33的圆心与旋转臂26与力臂31的交点重合，且圆环形支撑架33所在平面与轴27，轴28的轴线垂直，圆环形支撑架33穿过力臂31上的孔35，圆环形支撑架33上固定安装有若干个导向支撑滑轮36，且多个导向支撑滑轮36的轴线与圆环形支撑架33所在的平面垂直，动力线37的中点固定在孔35的上方，将动力线37的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在圆环形支撑架33上，在导向支撑滑轮36的支撑导向作用下，不断改变方向最后在圆环形支撑架33与支架30的连接处导入套桶38，在套桶38的导向支撑作用下，与动力分配器17的卷线轮39连接，将动力线37的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在卷线轮39上，拉紧后固定。
4，一种线动多自由度关节，固定臂1与旋转臂2通过十字轴3相连接，其特征在于将多个能实现单自由度的基本组件组合在一起，基本组件是由圆环形支撑架或截取部分圆环形支撑架固定或通过轴连接在固定臂1上，该支撑架穿过旋转臂2上的孔，该支撑架的圆心与十字轴3的轴心重合，该支撑架上固定安装若干个导向支撑滑轮，该支撑架所在平面与导向支撑滑轮的轴线垂直，将一根动力线的中点固定在孔的上方，该动力线的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在支撑架上，在支撑导向滑轮的作用下，不断改变方向最后在支撑架和固定臂的连接处导入套桶，在套桶的支撑导向作用下，与动力分配器连接，将动力线的两端分别沿顺时针方向和逆时针方向缠绕在动力分配器的卷线轮上，拉紧后固定。
5，如权利要求1，2，3，4所说的动力分配器，其特征在于电动机1通过调速器2减速后，与齿轮箱3连接，使齿轮10，齿轮11作同轴等速反向旋转，矩形支架4固定在齿轮箱3上，矩形支架4内等距固定安装若干根连杆5，连杆5与轴平行，连杆5的两端以连杆为轴，分别安装齿轮12，齿轮13，并使齿轮12与齿轮10啮合，齿轮13与齿轮11啮合，在每一根连杆的两端分别安装齿轮，并同前一根连杆两端的齿轮分别啮合，在连杆5的中间以连杆为轴安装一槽轮机构，槽轮7以连杆为轴，槽轮7的两侧与齿轮12，齿轮13之间分别安装离合器6和离合器14，卷线轮9安装在槽轮7的从动轮8上，控制器15与离合器6，离合器14连接，可控制离合器6和离合器14的啮合和断开。
6，如权利要求1，2，3，4所说的动力线可以是钢丝绳，麻绳或其他材质的绳索，其径向刚性，横向柔性。
7，如权利要求1，2，3，4所说的套桶，其特征在于是由橡胶，金属制成的中间有孔可以让动力线通过的圆柱型，隔一定距离有一个由四个滑轮排列成矩形组成的四轴滑轮，隔一定距离有一个由二个滑轮排列成矩形组成的二轴滑轮。
8，如权利要求5所说的离合器可以是电磁离合器，气动离合器，液压离合器。
9，如权利要求5所说的控制器，其特征在于是由微电脑控制可以根据离合器的类型输出相应控制离合器离合的信号。
全文摘要
线动单至多自由度关节，属于机械工程类机器人技术领域。动力线8两端沿相反方向缠绕在动力分配器1的卷线轮2上，中点7固定在旋转臂5上，卷线轮2旋转带动旋转臂5沿轴4绕固定臂3旋转，改变卷线轮2旋转方向，即可改变旋转臂5旋转方向，支架6使拉力与旋转臂5垂直，且使力臂长度保持不变，从而实现单自由度关节，多个单自由度关节组合可实现多自由度关节，该关节结构简单易于小型化，一个动力分配器可以控制多根动力线，便于集中控制。
文档编号B25J17/02GK1537705SQ03146120
公开日2004年10月20日 申请日期2003年7月23日 优先权日2003年7月23日
发明者郁有华 申请人:郁有华