一种钢丝双向驱动变速比输出旋转关节的制作方法

本发明涉及一种变速旋转关节，具体涉及一种外骨骼机器人上使用的钢丝双向驱动变速比输出旋转关节。

背景技术：

对于外骨骼机器人来讲，关节运动控制是至关重要的一环。目前已有的关节调速设计大多是以控制电机转速为主，这种运动设计精度较低，对电机要求较高，电机负担大，从而导致电机的体积与成本增加。

技术实现要素：

本发明是为解决现有采用电机调速实现外骨骼关节运动，电机输出扭矩较大，关节运动精度较低的问题，进而提供一种钢丝双向驱动变速比输出旋转关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种钢丝双向驱动变速比输出旋转关节包括输入轴、一号钢丝绳、凸轮、二号钢丝绳和关节轴；

所述关节轴安装在支架上，所述输入轴转动安装在支架和关节轴上，所述凸轮转动安装在所述关节轴上，所述输入轴的轴向与所述关节轴的轴向垂直，所述凸轮的轮面上加工有缠绕钢丝绳的圆弧形绳槽，所述一号钢丝绳的一端与所述凸轮的远离所述关节轴的一端固接，所述一号钢丝绳铺设在所述圆弧形绳槽后缠绕在所述输入轴上，所述一号钢丝绳的另一端固定在所述输入轴上，所述二号钢丝绳的一端与所述凸轮的邻近所述关节轴的一端固接，所述二号钢丝绳铺设在所述圆弧形绳槽后缠绕在所述输入轴上，所述二号钢丝绳的另一端固定在所述输入轴上，所述一号钢丝绳和所述二号钢丝绳在输入轴的绳段为同方向缠绕。

本发明的有益效果是：一、采用凸轮结构进行变速，可降低对电机输出扭矩的需求，起到二级减速器的作用，同时传动比可变。二、该结构具有更好的动态特性，实时性较高，传动更加精确。由于人在正常行走时，凸轮的转角大约在0°～35°，此时对外骨骼膝关节的出力没有要求，但是需要高速；人在上楼梯或从下蹲到起立的过程中，凸轮的转角接近135°，角度越大，对出力的要求越大，而不需要高速，由于电机输出转矩恒定，普通的传动机构无法满足此要求。此凸轮的外轮廓半径随着转角的增大而增大，传动比随之增大，因此，能够在小转角时提供高转速、小出力，在大转角时提供低转速、大出力。利用钢丝绳及凸轮进行合理的动力分配，实现电机驱动外骨骼机器人或仿人机器人，实现膝关节、或者肢肘关节和肩关节等屈伸自由度的运动，提高了能量利用率与传动效率。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的整体结构主视图；图3为图2的A-A向视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1-图3说明，一种钢丝双向驱动变速比输出旋转关节包括输入轴1、一号钢丝绳2、凸轮3、二号钢丝绳4、关节轴5和支架6；

所述关节轴5转动安装在所述支架6上，所述输入轴1转动安装在支架6和关节轴5上，所述凸轮3固装在所述关节轴5上，所述输入轴1的轴向与所述关节轴5的轴向垂直；

所述凸轮3的轮面上加工有缠绕钢丝绳的圆弧形绳槽3-1，所述一号钢丝绳2的一端与所述凸轮3的远离所述关节轴5的一端固接，所述一号钢丝绳2铺设在所述圆弧形凹槽3-1后缠绕在所述输入轴1上，所述一号钢丝绳2的另一端固定在所述输入轴1上；

所述二号钢丝绳4的一端与所述凸轮3的邻近所述关节轴5的一端固接，所述二号钢丝绳4铺设在所述圆弧形绳槽3-1后缠绕在所述输入轴1上，所述二号钢丝绳4的另一端固定在所述输入轴1上，所述一号钢丝绳2和所述二号钢丝绳4在输入轴1的绳段为同方向缠绕。输入轴1通过轴承转动安装在支架6和关节轴5上。

在图2中电机减速器输出端通过键传动与输入轴1连接将转矩传递至输入轴1。凸轮3的轮面上有用于缠绕绳索的圆弧形绳槽3-1，圆弧形绳槽3-1为连续设计。

一号钢丝绳2的一端固定在远离所述关节轴5的一端，看作凸轮3的大半径端，经凸轮3的圆弧形绳槽3-1缠绕和输入轴1的内壁向外壁或者外壁向内壁(相对于凸轮3划分内外)上缠绕后，一号钢丝绳2末端固定在输入轴1上；同理，二号钢丝绳4的一端固定在凸轮3的邻近所述关节轴5的一端，看作凸轮3的小半径端，经凸轮3的圆弧形绳槽3-1缠绕和输入轴1的内壁向外壁或者外壁向内壁(相对于凸轮4划分内外)上缠绕后，二号钢丝绳4的末端固定在输入轴1上。整体上效果是一号钢丝绳2和二号钢丝绳4在输入轴1上以相同的方向缠绕。当电机带动输入轴1逆时针方向转动(从输入轴安装端看)时，二号钢丝绳4离开凸轮3上的圆弧形绳槽3-1同时在输入轴1上进行缠绕，而一号钢丝绳2离开输入轴1同时在凸轮3的圆弧形绳槽3-1上进行缠绕，最终通过二号钢丝绳4的拉力拉动凸轮3绕关节轴5沿逆时针方向转动(从上往下看)；当电机带动输入轴1顺时针方向转动(从输入轴安装端看)时，一号钢丝绳2离开凸轮3上的圆弧形绳槽3-1同时在输入轴1上进行缠绕，而二号钢丝绳4离开输入轴1同时在凸轮3的圆弧形绳槽3-1上进行缠绕，最终通过一号钢丝绳2的拉力拉动凸轮3绕关节轴5沿顺时针方向转动(从上往下看)。

结合图1和图2说明，一种钢丝双向驱动变速比输出旋转关节还包括两个固定块7，所述固定块7上加工有凹槽7-1，两个所述固定块7分别安装在所述凸轮3的远离所述关节轴5的一端和所述凸轮3的邻近所述关节轴5的一端，所述一号钢丝绳2的一端固装在所述凸轮3的远离所述关节轴5的一端上设置的所述固定块7的凹槽7-1内，所述二号钢丝绳4的一端固装在所述凸轮3的邻近所述关节轴5的一端上设置的所述固定块7的凹槽7-1内。如此设置，一号钢丝绳2和二号钢丝绳4连接可靠，通过顶丝8固定一号钢丝绳1和二号钢丝绳4于固定块7的凹槽7-1内。

结合图1说明，为了提高传动效率，方便使用，输入轴1为阶梯轴，所述输入轴1的小直径端转动安装在所述关节轴5上，所述输入轴1的大直径端转动安装在所述支架6上。输入轴1的小直径端和大直径端各自通过轴承安装在关节轴5和支架6上，如此设置，使用方便，结构简单。

结合图1说明，支架6包括水平板6-1和立板6-2，所述水平板6-1上垂直安装有一个立板6-2，所述输入轴1与所述水平板6-1垂直设置且转动安装在所述水平板6-1上，所述关节轴5与所述立板6-2垂直设置且转动安装在所述立板6-2上，所述凸轮3布置在所述立板6-2和所述输入轴1之间。如此设置，直角结构的支架6结构简单，使用方便可靠，能满足实际使用需求。

结合图3说明，与输入轴1相邻的所述凸轮3的侧面上设置有一条圆弧形凸起3-2，所述圆弧形凸起3-2与所述凸轮3的侧面形成圆弧形绳槽3-1，所述圆弧形凸起3-2与所述凸轮3之间具有过渡圆角。如此设置，加工方便，使用便捷，满足设计要求和实际需要。

工作原理

原理：如图2说明，当半径为r的输入轴1以ω₁匀速转动时，圆弧形绳槽3-1的曲率半径为R(θ)的凸轮3的转速为ω₂。则输入轴1与圆弧形绳槽3-1的外轮廓上的线速度相等得到：rω₁＝R(θ)ω₂，传动比：只需合理设计凸轮3的圆弧形绳槽3-1的曲率半径R(θ)，当电机以恒转速ω₁输入时，就可以得到所需的变速关节输出ω₂。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。