專利名稱：機械臂的大角度回轉式關節機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械技術領域的裝置，具體的說，是一種機械臂的大角 度回轉式關節機構。
技術背景機械臂的回轉式關節是決定機械臂空間運動能力大小的關鍵要素。機械臂的 回轉關節，通常都是使用類似銷釘方式或者轉軸方式實現一定角度的往復回轉運 動。常見的機械臂回轉式關節，有懸臂軸結構或者對稱軸結構。懸臂軸結構可以 實現超過±90°的大角度回轉，但是外觀不緊湊，必須增強結構設計以提高懸臂 軸的剛度。對稱軸結構具備更好的剛度和外觀，但由于結構空間限制，不易做到 超過±90°的大角度回轉。經對現有技術的文獻檢索發現，加滕惠輔等在國際期刊《Advanced Robotics》(先進機器人學)(Vol. 15， No. 2， PP. 191)上發表論文"Development of Quardruped Walking Robot, TITAN-IX-Mechanical Design Concept and Application for the Humanitarian Deming Robot ，'(四足步行機器人TITAN-IX 的開發，機構設計理念及面向人道排雷機器人的應用)。該文提出了使用齒輪嚙 合方式的關節機構，在關節兩側分別設置一對相互外嚙合的齒輪，通過齒輪嚙合 對轉的方法可以實現接近±180°的大回轉關節角度。其不足之處在于，齒輪必 須嚙合在一起才能實現關節的回轉，這需要消除齒隙以獲得較高的關節角度精 度，但是加工成本較高；齒輪本身體積重量較大，結構不緊湊。發明內容本發明針對現有技術的不足，提供一種機械臂的大角度回轉式關節機構，使 其解決現有機械臂的回轉式關節在結構剛度和轉動角度大小之間存在矛盾的問 題。本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明所述機械臂的大角度回轉式關節機構，包括第一臂、第二臂、第一鋼絲輪盤、第二鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤、 第四鋼絲輪盤、第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、第三鋼絲繩、第四鋼絲繩、第一關節 軸、第二關節軸、關節軸連桿。第一鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤和第一關節軸分別 固定安裝在第一臂的根部，其中第一鋼絲輪盤與第三鋼絲輪盤對稱的安裝在第一 臂的根部左右兩側，第一關節軸安裝在第一臂的根部中間，第一鋼絲輪盤、第三 鋼絲輪盤和第一關節軸保持同軸。第二鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤和第二關節軸分 別固定安裝在第二臂的根部，其中第二鋼絲輪盤與第四鋼絲輪盤對稱的安裝在第 二臂的根部左右兩側，第二關節軸安裝在第二臂的根部中間，第二鋼絲輪盤、第 四鋼絲輪盤和第二關節軸保持同軸。關節軸連桿安裝在第一關節軸和第二關節軸 上，可分別沿第一關節軸和第二關節軸的軸線自由轉動。關節軸連桿的兩個轉動 軸之間的距離不小于第一關節軸與第二關節軸之間的最小可安裝距離。第一鋼絲 繩至第四鋼絲繩的橫截面半徑相同。所述的第一鋼絲輪盤至第四鋼絲輪盤，結構完全相同，其外圓周的圓柱形狀 的部分不小于270。，有兩條截面為半圓狀的U型凹槽和兩個圓孔的結構，U型 凹槽的截面半徑和圓孔的半徑與第一鋼絲繩至第四鋼絲繩的截面半徑相同。第一 鋼絲繩和第二鋼絲繩的一端分別穿過第一鋼絲輪盤的圓孔并且固定，沿第一鋼絲 輪盤和第二鋼絲輪盤的U型凹槽分別進行纏繞，另一端分別穿過第二鋼絲輪盤的 圓孔并且固定，纏繞后呈8字形狀并且保持張緊狀態。第三鋼絲繩和第四鋼絲繩的一端分別穿過第三鋼絲輪盤的圓孔并且固定，沿第三鋼絲輪盤和第四鋼絲輪盤的U型凹槽分別進行纏繞，另一端分別穿過第四鋼絲輪盤的圓孔并且固定，纏繞 后呈8字形狀并保持張緊狀態。與現有技術相比，本發明采用左右對稱的設計結構，有效的解決了機械臂的回轉式關節結構剛度與轉動角度大小之間的矛盾，提供一種接近正負180°的大 角度回轉式關節機構，同時具有結構簡單緊湊、外觀整潔、不需精密零件加工制 造成本低等優點，應用空間大。


圖1為本發明立體結構示意圖；圖2為本發明關節軸線所在平面的剖面示意圖； 圖3為本發明A-A剖面示意圖；圖4為本發明第一鋼絲輪盤至第四鋼絲輪盤的結構示意圖； 圖5為本發明關節轉動過程中小轉動角度的示意圖； 圖6為本發明關節轉動過程中大轉動角度的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例是在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保 護范圍不限于下述的實施例。如圖l、圖2、圖3、圖5和圖6所示，本實施例包括第一臂l、第二臂2、 第一鋼絲輪盤3、第二鋼絲輪盤4、第三鋼絲輪盤5、第四鋼絲輪盤6、第一鋼絲 繩7、第二鋼絲繩8、第三鋼絲繩9、第四鋼絲繩IO、第一關節軸ll、第二關節 軸12、關節軸連桿13。第一鋼絲輪盤3、第三鋼絲輪盤5和第一關節軸11分別 固定安裝在第一臂1的根部，其中第一鋼絲輪盤3與第三鋼絲輪盤5對稱的安裝 在第一臂1的根部左右兩側，第一關節軸11安裝在第一臂1的根部中間，第一 鋼絲輪盤3、第三鋼絲輪盤5和第一關節軸11保持同軸。第二鋼絲輪盤4、第四 鋼絲輪盤6和第二關節軸12分別固定安裝在第二臂2的根部，其中第二鋼絲輪 盤4與第四鋼絲輪盤6對稱的安裝在第二臂2的根部左右兩側，第二關節軸12 安裝在第二臂2的根部中間，第二鋼絲輪盤4、第四鋼絲輪盤6和第二關節軸12 保持同軸。關節軸連桿13安裝在第一關節軸11和第二關節軸12上，可分別沿 第一關節軸11和第二關節軸12的軸線自由轉動。關節軸連桿13的兩個轉動軸 之間的距離不小于第一關節軸11與第二關節軸12之間的最小可安裝距離。第一 鋼絲繩3至第四鋼絲繩6的橫截面半徑相同。如圖4，所述的第一鋼絲輪盤3至第四鋼絲輪盤6，結構完全相同，其外圓 周的圓柱形狀的部分不小于270。，有兩條截面為半圓狀的U型凹槽21、 22，和 兩個圓孔23、 24的結構，U型凹槽21、 22的截面半徑和圓孔23、 24的半徑與 第一鋼絲繩7至第四鋼絲繩10的截面半徑相同。第一鋼絲繩7和第二鋼絲繩8 的一端分別穿過第一鋼絲輪盤的圓孔23、 24并且固定，沿第一鋼絲輪盤3和第 二鋼絲輪盤4的U型凹槽21、 22分別進行纏繞，另一端分別穿過第二鋼絲輪盤 4的圓孔23、 24并且固定，纏繞后呈8字形狀并且保持張緊狀態。第三鋼絲繩9 和第四鋼絲繩10的一端分別穿過第三鋼絲輪盤5的圓孔23、 24并且固定，沿第三鋼絲輪盤5和第四鋼絲輪盤6的U型凹槽21、 22分別進行纏繞，另一端分別 穿過第四鋼絲輪盤6的圓孔23、 24并且固定，纏繞后呈8字形狀并保持張緊狀 態。所述的第一鋼絲繩7、第二鋼絲繩8、第三鋼絲繩9、第四鋼絲繩10的橫截 面半徑相同。第一鋼絲輪盤3、第二鋼絲輪盤4、第三鋼絲輪盤5、第四鋼絲輪盤6的U 型凹槽的截面半徑和圓孔的半徑與第一鋼絲繩7、第二鋼絲繩8、第三鋼絲繩9、 第四鋼絲繩10的截面半徑相同。第一臂1和第二臂2之間發生相對轉動時，關節軸連桿13保證第一臂1和 第二臂2之間即第一關節軸11和第二關節軸12的軸線之間的距離關系不變，第 一鋼絲繩7至第四鋼絲繩10沿第一鋼絲輪盤3至第四鋼絲輪盤6的U型凹槽21 、 22繞入或者繞出相同的長度，即保證第一臂1和第二臂2之間相對轉動時具備 唯一確定的角度關系。由于第一鋼絲輪盤3至第四鋼絲輪盤6外圓周具有不小于 270°的薄圓柱形狀結構，第一臂1和第二臂2相對轉動的角度范圍可以接近360 ° (±180° )。第一臂1和第二臂2之間的相對轉動，可通過向第一關節軸11或者第二關 節軸12或者關節軸連桿13添加外部驅動元件，使得第一關節軸11與關節軸連 桿13、第二關節軸12與關節軸連桿13之間產生相對轉動的動力矩，即可實現。關節采用左右對稱的設計結構，第一鋼絲輪盤3至第四鋼絲輪盤6，第一鋼 絲繩7至第四鋼絲繩10左右對稱的布置在關節的兩側，用來增加關節的結構剛 度。本發明具有結構簡單緊湊、外觀整潔、回轉角度接近正負180° 、重量輕剛 度大、不需精密零件加工制造成本低等優點，為機械臂的關節機構提供一種有效 的解決方案，可以廣泛的應用到各種回轉式機械臂上。權利要求
1、一種機械臂的大角度回轉式關節機構，包括第一臂、第二臂、第一鋼絲輪盤、第二鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤、第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、第三鋼絲繩、第四鋼絲繩、第一關節軸、第二關節軸、關節軸連桿，其特征在于第一鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤和第一關節軸分別固定在第一臂的根部，其中第一鋼絲輪盤與第三鋼絲輪盤對稱設置在第一臂的根部左右兩側，第一關節軸設置在第一臂的根部中間，第一鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤和第一關節軸保持同軸，第二鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤和第二關節軸分別固定在第二臂的根部，其中第二鋼絲輪盤與第四鋼絲輪盤對稱設置在第二臂的根部左右兩側，第二關節軸設置在第二臂的根部中間，第二鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤和第二關節軸保持同軸，關節軸連桿設置在第一關節軸和第二關節軸上，分別沿第一關節軸和第二關節軸的軸線自由轉動；所述的第一鋼絲輪盤、第二鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤，結構相同，其外圓周為圓柱形狀的部分大于或等于270°，有兩條截面為半圓狀的U型凹槽和兩個圓孔的結構，第一鋼絲繩和第二鋼絲繩的一端分別穿過第一鋼絲輪盤的圓孔并且固定，沿第一鋼絲輪盤和第二鋼絲輪盤的U型凹槽分別進行纏繞，另一端分別穿過第二鋼絲輪盤的圓孔并且固定，纏繞后呈8字形狀并且保持張緊狀態，第三鋼絲繩和第四鋼絲繩的一端分別穿過第三鋼絲輪盤的圓孔并且固定，沿第三鋼絲輪盤和第四鋼絲輪盤的U型凹槽分別進行纏繞，另一端分別穿過第四鋼絲輪盤的圓孔并且固定，纏繞后呈8字形狀并保持張緊狀態。
2、 根據權利要求1所述的機械臂的大角度回轉式關節機構，其特征是，所 述的第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、第三鋼絲繩、第四鋼絲繩的橫截面半徑相同。
3、 根據權利要求1所述的機械臂的大角度回轉式關節機構，其特征是，所 述的第一鋼絲輪盤、第二鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤的U型凹槽的 截面半徑和圓孔的半徑與第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、第三鋼絲繩、第四鋼絲繩的 截面半徑相同。
4、 根據權利要求1所述的機械臂的大角度回轉式關節機構，其特征是，所述的關節軸連桿的兩個轉動軸之間的距離大于或等于第一關節軸與第二關節軸 之間的最小可安裝距離。
5、根據權利要求1所述的機械臂的大角度回轉式關節機構，其特征是，所 述的第一臂和第二臂相對轉動的角度范圍達360。。
全文摘要
一種機械臂的大角度回轉式關節機構，屬于機械技術領域。本發明中，第一鋼絲輪盤、第三鋼絲輪盤和第一關節軸分別固定安裝在第一臂的根部，第二鋼絲輪盤、第四鋼絲輪盤和第二關節軸分別固定安裝在第二臂的根部，關節軸連桿安裝在第一關節軸和第二關節軸上，可分別沿第一關節軸和第二關節軸的軸線自由轉動。第一鋼絲繩至第四鋼絲繩分別纏繞在第一鋼絲輪盤至第四鋼絲輪盤的U型凹槽上，纏繞后呈8字形狀并且保持張緊狀態。本發明解決了機械臂的回轉式關節結構剛度與轉動角度大小之間的矛盾，提供一種接近正負180°的大角度回轉式關節機構，同時具有結構簡單緊湊、外觀整潔、重量輕剛度大、不需精密零件加工制造成本低等優點，應用空間大。
文檔編號B25J9/06GK101323110SQ20081004045
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者張偉軍, 袁建軍 申請人:上海交通大學