CN100560307C - 用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构 - Google Patents

Abstract

一种用于小型机械臂或蛇行机器人的二转动自由度主动手腕机构，属于机械技术领域。本发明中，置于两个电机套筒内部的电机分别与两个固定端盖固定。两个锥齿轮以及两个大齿轮同时与电机的输出轴固定连接。两个大齿轮又分别与固定在两个电位计的输出轴上的小齿轮啮合。两个扇形端面锥齿轮分别与十字形联接轴的两个轴固接，锥齿轮与扇形端面锥齿轮啮合。四个支架分别对称地固定在上下两个固定端盖上。波纹管连接两个固定端盖，形成一个完全密闭的机构。本发明整体造型小巧、外观规则且重量轻巧，传动系统简单，结构更为紧凑，姿态能力好，传动元件和驱动元件的封装性好，模块化程度极高，便于系统集成。

Description

用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构

技术领域

本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体的说，是一种用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构。

背景技术

目前，在生产和生活方面，尤其是在危险环境和极限环境作业中，机器人作为人类创造的一种特殊机器，有着极为广泛的应用前景。机器人正代替人们从事着各种各样的工作，比如对特定物体进行精确定位、检测、成像或救援等操作。机器人手腕是连接末端操作器和机械臂的部件，它的主要作用是调节或改变工件的方位，所以它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。典型的机器人手腕有两类：(1)由液压马达直接驱动构成；(2)由齿轮传动构成。现今使用较多的是3自由度手腕，它大多采用多轴差动齿轮系构成，各种机器人手腕在不同程度上都存在着传动构件复杂、可达空间区域小、姿态定位精度不高、制造困难和模块化程度不高等缺点。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为02129665.0名称为“机器人主动手腕”，该技术设计了一种二～三转动自由度机器人主动手腕。该手腕由上旋转体、下旋转体和输出端构成，所述的上旋转体与下旋转体通过轴承联接，其内部设置有双万向联轴节，而输出端套装在输出轴上并与上旋转体固连。该发明中三转动自由度机器人主动手腕虽然选用了“万向联轴节和锥齿轮-端面齿轮嵌套”的传动方式，而二转动自由度手腕去掉了锥齿轮——端面齿轮构成的啮合副及相应驱动结构，在机器人手腕内部还设置了滑移副并以轻金属合金材料制造所述的上旋转体和下旋转体，使得该机器人主动手腕运转更灵活、轻便，且结构较其它结构稍显紧凑、姿态能力好、模块化程度高、便于系统集成等优点，但是该机构整体结构复杂且不够紧凑、转动自由度的形成原理复杂、外观不规则导致封装性不好，以致上述技术的实用性还不够高而受到很大的制约。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种零部件数量少，结构简单紧凑、模块化程度较高并能实现即插即用的用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构，解决了现有技术中机器人手腕传动系统复杂、结构不够紧凑、模块化程度不高的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的。本发明包括：两个电机、两个锥齿轮、两个大齿轮、两个小齿轮、两个电位计、两个扇形端面锥齿轮、十字形联接轴、四个支架、两个固定端盖、两个电机套筒、两个联接端、一个波纹管。置于两个电机套筒内部的电机分别与两个固定端盖固定。两个锥齿轮以及两个大齿轮同时与电机的输出轴固定连接。两个大齿轮又分别与固定在两个电位计的输出轴上的小齿轮啮合以检测关节的角位移。十字形联接轴的两个轴呈90度相交。两个扇形端面锥齿轮分别与十字形联接轴的两个轴固接，锥齿轮与扇形端面锥齿轮啮合。十字形联接轴由四个完全相同的支架连接支撑，可自由旋转。四个支架分别对称地固定在上下两个固定端盖上。波纹管连接两个固定端盖，形成一个完全密闭的机构。本发明具有上下对称的两个转动自由度结构，通过电机、锥齿轮、扇形端面齿轮、十字形联接轴的传动顺序，分别驱动十字形联接轴的两个呈90度相交的轴来实现整个模块的俯仰和摆动两个转动自由度。

本发明中的机器人主动手腕不但选用了“十字形联接轴和锥齿轮一扇形端面锥齿轮嵌套”的传动方式，即把十字形联接轴和扇形断面齿轮嵌套固接并通过锥齿轮和和扇形断面齿轮的啮合来“直接”驱动十字形联接轴的转动，而且实现了手腕关节的更高程度的单元化和模块化。其突出的优点是：整体造型小巧、外观规则且重量轻巧，结构更为紧凑，姿态能力好，传动元件和驱动元件的封装性好，模块化程度极高，更便于系统集成。本发明中的有两个转动自由度结构的机构，即可作为单个模块使用，也可通过与机器人本体联接构成二自由度的末端执行器，或者串接更多的模块用于蛇形机器人中。

本发明利用十字形联接轴结构的特点将不在同一轴线或轴线折角较大或轴向偏距较大的两个轴直接进行90度相交，并且实现电机转动与关节角度的线性关系，同时可靠地传递转矩和运动。具有结构紧凑，传动效率高，维修保养方便等突出优点。尤其是“十字形联接轴和锥齿轮——扇形端面齿轮嵌套”的传动方式更是提高了整体结构的紧凑性，再加之波纹管的密封包装使得整个机构完全密封，整体外观简洁规则，大大提高了该机构的实用性，弥补了以往技术的不足。

附图说明

图1为主动手腕机构的结构示意图；

图2为主动手腕机构的结构示意图；

图3为主动手腕机构作俯仰和摆动动作的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：两个电机1和13、两个锥齿轮2和14、两个大齿轮3和15、两个小齿轮4和16、两个电位计5和17、两个扇形端面锥齿轮6和18、十字形联接轴7、四个支架8(其中两个与另外两个呈90度角分别布置于固定端盖上)、两个固定端盖9和19、两个电机套筒10和20、两个联接端11和21、波纹管12。两个电机套筒10和20的横截面为中空筒状。上面第二小齿轮16和第二电位计7在图1中不可见。

所述的主动手腕中，两个结构完全相同的关节联接在十字形联接轴7的两根呈90度相交的轴上。各部件相互连接关系为：对于下面的关节，第一电机1放置于第一电机套筒10内部并与第一固定端盖9固定。与第一锥齿轮2固接的第一大齿轮3一起固接在第一电机1的输出轴上，第一锥齿轮2又与第一扇形端面锥齿轮6啮合。而第一大齿轮3与第一小齿轮4啮合，第一小齿轮4则固接在第一电位计5的输出轴上，第一电位计5安装在第一固定端盖9上。与第一锥齿轮2啮合的第一扇形端面锥齿轮6固接在十字形联接轴7的与如图1所示的纸面垂直的一个轴上，而此轴与固定在第一固定端盖9的支架8的其中两个支架联接。对于上面的关节，第二电机13放置于第二电机套筒20内部并与第二固定端盖19固定。与第二锥齿轮14固接的第二大齿轮15一起固接在第二电机13的输出轴上，第二锥齿轮14又与第二扇形端面锥齿轮18啮合。而第二大齿轮15与第二小齿轮16啮合，第二小齿轮16又固接在第二电位计7的输出轴上，第二电位计7则安装在第二固定端盖19上。与第二锥齿轮14啮合的第二扇形端面锥齿轮18固接在十字形联接轴7的与如图1所示的轴上，而此轴与固定在第二固定端盖19的支架8联接。最后通过波纹管12将分别固接在两个电机套筒10和20上的两个固定端盖9和19密封起来，而两个联接端11和21用来连接其它的关节。

上述机构通过十字形联接轴的两个呈90度相交的轴的转动，并在联接端连接末端执行器，来实现空间二自由度转动。第一电机1的输出轴通过键与第一锥齿轮2固接一起转动。第一锥齿轮2又与第一扇形端面锥齿轮6啮合，而第一扇形端面锥齿轮6固接在十字形联接轴7的如图1所示的垂直于纸面的轴上，所述的轴与固定在第一固定端盖9上的固定支架8联接，从而实现十字形联接轴7绕垂直于如图1所示的纸面方向的转动，继而带动如图1所示的上面关节的转动来完成该手腕机构的摆动运动。固接在第一锥齿轮2上的第一大齿轮3又与固接在第一电位计5上的第一小齿轮4啮合，以便检测作摆动运动的关节的角位移。与此类似，第二电机13的输出轴通过键与第二锥齿轮14固接并一起转动，第二锥齿轮14又与第二扇形端面锥齿轮18啮合，而第二扇形端面锥齿轮18固接在十字形联接轴7的如图1所示纸面的水平方向轴上，所述的轴又与固定在第二固定端盖19上的固定支架8联接，从而实现十字形联接轴7绕如图1所示的纸面的水平方向的转动，继而带动如图1所示的下面关节的转动来完成该手腕机构的俯仰运动。固接在第二锥齿轮14上的第二大齿轮15又与固接在第二电位计7上的第二小齿轮16啮合，以便检测作俯仰运动的关节的角位移。

Claims (3)

1、一种用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构，包括：两个电机、两个锥齿轮、两个大齿轮、两个小齿轮、两个电位计、两个扇形端面锥齿轮、十字形联接轴、四个支架、两个固定端盖、两个电机套筒、两个联接端、一个波纹管，其特征在于：两个电机分别置于对应的两个电机套筒内部并分别与对应的两个固定端盖固定，一个锥齿轮和一个大齿轮一起与一个电机的输出轴固定连接，另一个锥齿轮和另一个大齿轮一起与另一个电机的输出轴固定连接，两个小齿轮分别固定在两个电位计的输出轴上，两个大齿轮分别与两个小齿轮啮合以检测关节的角位移，两个锥齿轮分别与两个对应的扇形端面锥齿轮啮合，两个扇形端面锥齿轮分别与十字形联接轴的两个轴固接，四个支架其中的两个支架与一个固定端盖固定，另外两个支架与另一个固定端盖固定，波纹管连接两个固定端盖，形成一个完全密闭的机构。

2、根据权利要求1所述的用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构，其特征是，所述十字形联接轴的两个轴呈90度相交。

3、根据权利要求1或2所述的用于机械臂或蛇形机器人的主动手腕机构，其特征是，所述十字形联接轴由四个支架连接支撑，该四个支架结构完全相同。

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