基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的制作方法

本发明涉及一种基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节。

背景技术：

串联多关节机械臂由于其具有多关节、多自由度、多冗余自由度等特点，可以形成多种运动模式，非常适用于复杂环境中，如空间环境、辐射环境等。机械臂关节根据其布局可以分为共线和偏置两种。共线机械臂关节结构紧凑、灵活度高，在特种环境中可以取代人完成各项工作。

关节是机械臂各筒段间的结合部分，是实现机械臂各种运动的运动副，是影响机械臂性能的最重要的结构部件之一。由于作业环境的不同，机械臂关节的配置和传动形式都不同。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节，能够在有限的空间尺寸限制内，实现关节机构的模块化，关节机构小型化，高精度传动和机电一体化。

为解决上述问题，本发明提供一种基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节，包括：

设置于第一机械臂筒段内的驱动装置和两个小导轮，其中，所述两个小导轮活动设置于驱动装置上靠近第二机械臂筒段的一端，第一机械臂筒段和第二机械臂筒段相对设置；

俯仰轴，分别活动设置于所述俯仰轴两端的两个大导轮，所述俯仰轴的两端与所述第一机械臂筒段活动连接，所述两个小导轮分别靠近所述俯仰轴的其中端；

偏航轴和套接杆，所述偏航轴通过所述套接杆与所述俯仰轴成正交套接连接，分别活动设置于所述偏航轴的两端的偏航上盘和偏航下盘，偏航上盘的直径大于偏航下盘的直径，所述偏航轴的两端与所述第二机械臂筒段活动连接，所述偏航上盘与所述第二机械臂筒段固定连接；

第一驱动绳索，所述第一驱动绳索从所述驱动装置中分两端伸出，所述第一驱动绳索的每一端通过所述俯仰轴一端的同一个小导轮、同一个大导轮导向缠绕并固定在所述偏航上盘和偏航下盘上；

第二驱动绳索，所述第二驱动绳索从所述驱动装置中分两端伸出，所述第二驱动绳索每一端分别通过所述俯仰轴另一端的同一个小导轮、同一个大导轮导向缠绕并固定在所述偏航上盘和偏航下盘上，其中，所述驱动装置用于带动第一驱动绳索和第二驱动绳索做同向、反向或差速伸、缩运动。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，当所述驱动装置带动第一驱动绳索和第二驱动绳索做同向伸、缩运动时，偏航轴带动第二机械臂筒段绕俯仰轴做俯仰运动。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，当驱动装置带动第一驱动绳索和第二驱动绳索做反向伸、缩运动时，第一驱动绳索和第二驱动绳索拉动偏航上盘转动，偏航上盘带动第二机械臂筒段绕偏航轴做偏航运动。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，当驱动装置带动第一驱动绳索和第二驱动绳索做差速运动时，偏航上盘带动第二机械臂筒段既做俯仰运动，又做偏航运动。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，第一驱动绳索和第二驱动绳索的材质为钢丝绳。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，所述驱动装置分别带动第一驱动绳索或第二驱动绳索的两端中的其中一端伸长，另一端收缩，并保证伸长量与收缩量相等。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，，所述驱动装置包括两组电机减速器、平行设置的三根直线导轨、两根丝杠及四个螺母，其中，每组电机减速器带动一根丝杠转动，每根丝杠分为两段，每段分别加工左旋、右旋螺纹，每段旋螺纹上分别套一个螺母，每个螺母的一端套在其中一根直线导轨上，两根丝杠上分别有一个螺母套在三根直线导轨中的中间同一根直线导轨上，第一驱动绳索的两端分别连接一根丝杠上的两个螺母，第二驱动绳索的两端分别连接另一根丝杠上的两个螺母。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，所述丝杠选用普通螺旋丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠或再循环滚柱丝杠。

进一步的，在上述基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节中，每个小导轮与其中一个大导轮相靠近。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）关节模块化程度较高，易于扩展为多关节串联机械臂；

（2）驱动装置可以置于机械臂前端，减小力臂，减轻负载；

（3）关节结构简单，制造成本低，易于更换和维修；

（4）关节结构紧凑、体积小、重量轻，相比同等体积的齿轮传动关节，能够提供更高的负载能力；

（5）由于传动系统中不含齿轮部件，仅采用第一驱动绳索和第二驱动绳索进行传动，传动平稳性和精度较高；

（6）受重力作用，机械臂在做俯仰动作时所需动力最大，本发明在做俯仰动作时，两组电机同时运转作为俯仰动作的动力输入，充分利用了每个电机的动力，增大了俯仰动作时的等效力臂，减小了单个电机负载；

（7）大、小导轮间间距较小，交叉缠绕的钢丝绳在两个导轮圆心连线方向上产生的合力较小，使得传动系统对轴系的径向力非常小，有利于提高传动平稳性、减少偏心，延长轴寿命。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的结构图；

图2是本发明一实施例的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的内部结构图；

图3是本发明一实施例的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的偏航轴与俯仰轴图；

图4是本发明一实施例的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的驱动装置内部结构图；

图5a、5b和5c是本发明一实施例的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的做俯仰运动的示意图；

图6是本发明一实施例的基差动锥齿轮原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至3所示，其中，图2为隐去第一机械臂筒段和第二机械臂筒段后的关节内部结构，参考图1至3，本发明提供一种基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节，包括：

设置于第一机械臂筒段10内的驱动装置1和两个小导轮2，其中，所述两个小导轮2活动设置于驱动装置1上靠近第二机械臂筒段11的一端，第一机械臂筒段10和第二机械臂筒段11相对设置；

俯仰轴4，分别活动设置于所述俯仰轴4两端的两个大导轮5，所述俯仰轴4的两端与所述第一机械臂筒段10活动连接，所述两个小导轮2分别靠近所述俯仰轴4的其中端；

偏航轴8和套接杆13，所述偏航轴8通过所述套接杆12与所述俯仰轴4成正交套接连接，分别活动设置于所述偏航轴8的两端的偏航上盘7和偏航下盘6，偏航上盘7的直径大于偏航下盘6的直径，所述偏航轴8的两端与第二机械臂筒段11活动连接，所述偏航上盘7与所述第二机械臂筒段11固定连接；在此，如图3所示，所述的偏航轴8与俯仰轴4分别与两侧机械臂筒段相连接，如图3所示，偏航轴8可带动第二机械臂筒段11绕俯仰轴4做俯仰运动，运动范围约为+/- 40°；第二机械臂筒段11可绕偏航轴8做偏航动作，运动范围约为+/- 90°，所述偏航轴8通过所述套接杆12与所述俯仰轴4成正交套接连接，保证两轴间存在一定间距，保证偏航上盘7、偏航下盘6与大导轮5不产生干涉；

第一驱动绳索3，所述第一驱动绳索3从驱动装置1中分两端伸出，所述第一驱动绳索3的每一端通过所述俯仰轴4一端的同一个小导轮2、同一个大导轮5导向缠绕并固定在所述偏航上盘7和偏航下盘6上；

第二驱动绳索9，所述第二驱动绳索9从驱动装置1中分两端伸出，所述第二驱动绳索9每一端分别通过所述俯仰轴4另一端的同一个小导轮2、同一个大导轮5导向缠绕并固定在所述偏航上盘7和偏航下盘6上，其中，所述驱动装置1用于带动第一驱动绳索3和驱动绳索9做同向、反向或差速伸、缩运动。在此，所述小导轮2、大导轮5用于调整驱动绳索方向，在偏航轴8绕俯仰轴4做俯仰运动时，偏航轴8与驱动装置1相对位置关系发生变化，第一驱动绳索3、第二驱动绳索9通过小导轮2、大导轮5调整绳索方向，以适应不同俯仰角度下的第二机械臂筒段11的姿态。当所述驱动装置1带动第一驱动绳索3和第二驱动绳索9做同向伸、缩运动时，偏航轴8带动第二机械臂筒段11绕俯仰轴4做俯仰运动，如图5a、5b和5c所示，依次为俯仰角度为+40°、0°、-40°时的关节姿态；当驱动装置1带动第一驱动绳索3和第二驱动绳索9做反向伸、缩运动时，第一驱动绳索3和第二驱动绳索9拉动偏航上盘7转动，偏航上盘7带动第二机械臂筒段11绕偏航轴8做偏航运动; 当驱动装置1带动第一驱动绳索3和第二驱动绳索9做差速运动时，偏航上盘7带动第二机械臂筒段11既做俯仰运动（公转），又做偏航运动（自转），即差动绳传动。常见的转动关节传动形式有齿轮传动、带传动、链传动、绳传动和连杆机构，本发明即采用钢丝绳传动。随着机械向高效、高速、精密、多功能方向发展，对传动机构的功能和性能的要求也越来越高，机械的工作性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程度上取决于传动系统的性能。早期的绳传动主要应用于工程中动力传递，如牵引、起重、拉拽等。随着伺服系统对传动系统的精度、刚度、效率的要求，绳传动以其简洁、轻质、高效等诸多优点成为高精度伺服系统的一种理想的传动形式，在某些应用场合完全超越齿轮传动性能，使之发展成为一种新型的传动体系。本实施例可在较小空间内实现机械臂俯仰、偏航两个自由度的转动，俯仰角度范围约为+/-40°，偏航角度范围约为+/-90°，并且具有较大的承载能力和良好的运动精度。

优选的，第一驱动绳索和第二驱动绳索的材质为钢丝绳。

详细的，本发明基于差动锥齿轮的传动原理，如图6所示。当齿轮一61、齿轮二62同向、同速转动时，齿轮三63、齿轮四64绕齿轮一61、齿轮二62的轴公转，对应机械臂关节的俯仰动作；当齿轮一61、齿轮二62反向、同速转动时，齿轮三63、齿轮四64绕自身轴自转且转动方向相反，齿轮三转动对应关节偏航动作。当齿轮一61、齿轮二62差速转动时，齿轮三63、齿轮四64会同时进行公转、自转，即关节同时进行俯仰、偏航动作。

差动锥齿轮机构原理简单、结构紧凑。但是，由于齿轮制造精度所限和啮合时齿隙的影响，该机构的传动精度较难保证；且因为关节尺寸所限，齿轮无法做得太大，其承载能力也较难满足设计要求。本发明采用钢丝绳传动模拟差动锥齿轮机构，如图1所示，大导轮5对应图6中齿轮一61和齿轮二62，偏航上盘7对应齿轮三63，下盘对应齿轮四64。大导轮5差速转动时，偏航上盘7带动第二机械臂筒段11既做俯仰运动（公转），又做偏航运动（自转）。

本发明的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的一优选的实施例中，驱动装置1分别带动第一驱动绳索3和第二驱动绳索9运动，使第一驱动绳索3或第二驱动绳索9的两端中的一端伸长，另一端收缩，并保证伸长量与收缩量相等，即第一驱动绳索3或第二驱动绳索9的总长不变。所述第二驱动绳索9与第一驱动绳索3的功能一样。

本发明的基于差动绳传动的两自由度共线机械臂关节的一优选的实施例中，驱动装置1内部结构如图4所示，包括两组电机减速器101，平行设置的三根直线导轨102，两根丝杠103及四个螺母104，其中，每组电机减速器101带动一根丝杠103转动，每根丝杠103分为两段，每段分别加工左旋、右旋螺纹，每段旋螺纹上分别套一个螺母104，为平衡螺母104对丝杠103产生的弯矩，每个螺母104的一端套在其中一根直线导轨102上，两根丝杠103上分别有一个螺母104套在三根直线导轨102中的中间同一根直线导轨102上，第一驱动绳索3的两端分别连接一根丝杠103上的两个螺母104，第二驱动绳索9的两端分别连接另一根丝杠103上的两个螺母104。当丝杠转动时，丝杠103上的两个螺母104在其中二根直线导轨102做反向运动，即拉动第一驱动绳索3或第二驱动绳索9进行伸缩。驱动装置1内部的两个电机减速器分别带动第一驱动绳索3或第二驱动绳索9伸、缩。通过调节两组电机减速器转速和转向，实现偏航轴8绕俯仰轴4转动（俯仰运动）、偏航上盘7绕偏航轴8转动（偏航运动），即差动绳传动。

优选的，所述丝杠可选用普通螺旋丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠、再循环滚柱丝杠等。

优选的，每个小导轮与其中一个大导轮相靠近，以保证大、小导轮间间距较小，交叉缠绕的钢丝绳在两个导轮圆心连线方向上产生的合力较小，使得传动系统对轴系的径向力非常小，有利于提高传动平稳性、减少偏心，延长轴寿命。

本发明的优越性体现在：

（1）关节模块化程度较高，易于扩展为多关节串联机械臂；

（2）驱动装置可以置于机械臂前端，减小力臂，减轻负载；

（3）关节结构简单，制造成本低，易于更换和维修；

（4）关节结构紧凑、体积小、重量轻，相比同等体积的齿轮传动关节，能够提供更高的负载能力；

（5）由于传动系统中不含齿轮部件，仅采用第一驱动绳索和第二驱动绳索进行传动，传动平稳性和精度较高；

（6）受重力作用，机械臂在做俯仰动作时所需动力最大，本发明在做俯仰动作时，两组电机同时运转作为俯仰动作的动力输入，充分利用了每个电机的动力，增大了俯仰动作时的等效力臂，减小了单个电机负载；

（7）大、小导轮间间距较小，交叉缠绕的钢丝绳在两个导轮圆心连线方向上产生的合力较小，使得传动系统对轴系的径向力非常小，有利于提高传动平稳性、减少偏心，延长轴寿命。

综上所述，本发明可实现机械臂俯仰、偏航两个自由度的转动，俯仰角度范围约为+/-40°，偏航角度范围约为+/-90°，本发明的关节结构简单，集成度高，负载能力大，传动精度高、平稳性良好，主要面向航空航天、核工业、特种环境作业等领域，可在有限空间限制内，提供较大的关节灵活度和承载能力，并且该关节设计模块化程度高，易于扩展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。