利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节的制作方法

本发明涉及一种变速关节，具体涉及一种机器人上使用的利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节。

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，关节运动精度较低和成本较高的问题，进而提供一种利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节包括输入轴、支撑架、关节轴、下凸轮、上凸轮、一号钢丝绳和二号钢丝绳；

所述下凸轮和所述上凸轮结构相同且连接为一体；所述关节轴转动安装在支撑架上，所述输入轴转动安装在支撑架和关节轴上，所述输入轴的轴向与所述关节轴的轴向垂直，所述下凸轮和所述上凸轮布置在所述输入轴的两侧并分别固装在所述关节轴上，所述下凸轮和所述上凸轮构成一个封闭的偏心圆，所述上凸轮的侧面上加工有上圆弧形绳槽，所述下凸轮的侧面上加工有下圆弧形绳槽；

所述一号钢丝绳的一端与所述上凸轮的邻近所述关节轴的一端固接，所述一号钢丝绳铺设在所述上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的上端；所述二号钢丝绳的一端与所述下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下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的下端；所述一号钢丝绳和所述二号钢丝绳在输入轴上的绳段为同方向缠绕。

本发明的有益效果是：一、采用双凸轮进行变速，可降低对电机输出扭矩的需求，并起到二级减速器的作用。二、该结构具有更好的动态特性，可使传动比按照要求不断改变，实时性较高，能够更好的模拟关节的运动情况，成本较低。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。利用绳索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、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为本发明立体结构示意图；

图2为图2的主视图；

图3为图2的A-A向视图；

图4为图2的B-B向视图；

图5为图2的左视图；

图6为图2的右视图。

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6说明，利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节包括输入轴1、支撑架2、关节轴3、下凸轮4、上凸轮5、一号钢丝绳6和二号钢丝绳7；

所述下凸轮4和所述上凸轮5结构相同且连接为一体；所述关节轴3转动安装在支撑架2上，所述输入轴1转动安装在支撑架2和关节轴3上，所述输入轴1的轴向与所述关节轴3的轴向垂直，所述下凸轮4和所述上凸轮5布置在所述输入轴1的两侧并分别固装在所述关节轴3上，所述下凸轮4和所述上凸轮5构成一个封闭的偏心圆，所述上凸轮5的侧面上加工有上圆弧形绳槽5-1，所述下凸轮4的侧面上加工有下圆弧形绳槽4-1；

所述一号钢丝绳6的一端与所述上凸轮5的邻近所述关节轴3的一端固接，所述一号钢丝绳6铺设在所述上圆弧形绳槽5-1后缠绕在所述输入轴1上，所述一号钢丝绳6的另一端固定在所述输入轴1的上端；所述二号钢丝绳7的一端与所述下凸轮4的邻近所述关节轴3的一端固接，所述二号钢丝绳7铺设在所述下圆弧形绳槽4-1后缠绕在所述输入轴1上，所述二号钢丝绳7的另一端固定在所述输入轴1的下端；所述一号钢丝绳6和所述二号钢丝绳7在输入轴1上的绳段为同方向缠绕。

在图1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。上圆弧形绳槽5-1在轮面上连续弧形设计，下圆弧形绳槽4-1在轮面上连续弧形设计。

如图2说明，输入轴1逆时针转动(从下往上看)，二号绳索7在输入轴1的下段上缠绕的同时离开下圆弧形绳槽4-1，拉动下凸轮4随动关节轴3顺时针转动，与此同时，一号钢丝绳6在上圆弧形绳槽5-1上缠绕同时离开输入轴1的上端，在运动过程中上凸轮5和下凸轮4保持相对静止，最终带动双凸轮结构顺时针转动。当输入轴1顺时针转动时，一号绳索6在上圆弧形绳槽5-1上离开的同时缠绕在输入轴1的上端，拉动上凸轮5随动关节轴3逆时针转动，与此同时，二号绳索7在输入轴1的下段上离开的同时铺设在下圆弧形绳槽4-1上，在运动过程中上凸轮5和下凸轮4保持相对静止，最终带动双凸轮结构逆时针转动。钢丝绳柔性好，强度大，提高了伸缩的柔性和使用强度。

结合图3和图4说明，为了提高传动效率，方便使用，所述输入轴1为阶梯轴，所述输入轴1的小直径段的一端转动安装在所述关节轴3上，所述输入轴1的小直径段的另一端转动安装在所述支撑架2上。如此设置，使用方便，结构简单。

结合图2说明，支撑架2包括水平板2-1和两个立板2-2，所述水平板2-1的两侧各安装有一个立板2-2，两个所述立板2-2正对设置，所述输入轴1与所述水平板2-1垂直设置且转动安装在所述水平板2-1上，所述关节轴3与两个所述立板2-2垂直设置且转动安装在两个所述立板2-2上，所述下凸轮4和所述上凸轮5均布置在所述水平板2-1和两个所述立板2-2围成的凹槽内。如此设置，带有凹槽的支撑架2结构简单，使用方便可靠，能满足实际使用需求。

结合图1、图5和图6说明，利用钢丝传动的双凸轮盘输出变速关节还包括U形连接件8，所述下凸轮4和上凸轮5通过U形连接件8连接为一体。如此设置，结构简单，使用方便，下凸轮4和上凸轮5固定在一起作为大部件，便于固定关节两端的杆件，同时保证下凸轮4和上凸轮5同步转动。

结合图1和图4说明，所述上凸轮5的侧面上设置有上圆弧形凸台5-2，所述上圆弧形凸台5-2与所述上凸轮5的侧面形成圆弧形绳槽5-1，所述上圆弧形凸台5-2与所述上凸轮5之间具有过渡圆角；所述下凸轮4的侧面上设置有下圆弧形凸台4-2，所述下圆弧形凸台4-2与所述下凸轮4的侧面形成圆弧形绳槽4-1，所述下圆弧形凸台4-2与所述下凸轮4之间具有过渡圆角。

工作原理

如图6说明，当半径为r的输入轴1以ω₁匀速转动时，圆弧形绳槽的曲率半径为R(θ)的下凸轮4(或上凸轮5)的转速为ω₂。则电机输入轴1与圆弧形绳槽的外轮廓上的线速度相等得：rω₁＝R(θ)ω₂，传动比：只需合理设计上凸轮5或下凸轮4的圆弧形绳槽的曲率半径R(θ)，当电机恒转速ω₁输入时，就可以得到所需的变速关节输出ω₂。

当输入轴1按顺时针方向(从下往上看)以w₁匀速转动时，一号钢丝绳6张紧，线速度其中d为输入轴1的直径，α为一号钢丝绳6与输入轴1的中心线的夹角。一号钢丝绳6在产生拉力使上凸轮5旋转，上凸轮5的转速随着回转曲率半径ρ的变化，w₂会相应的改变；同理，当输入轴1反向转动时，二号钢丝绳7张紧，带动下凸轮4旋转。因此可以通过设计凸轮形状，即各位置曲率半径ρ的大小来得到期望的转速变化规律。

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。