多自由度轻型机械关节及其传动方法与流程

1.本发明属于机械臂领域，尤其是一种多自由度轻型机械关节及其传动方法。


背景技术：

2.现有的一些机械关机机构，大部分需要把电机安装在运动关节中从而实现机构的旋转和摆动，如特斯拉的蛇形机器人，其发明需要承载多个运动关节，但机械关节的电机称重会随着电机数目和末端距离成线型增长，从根部数第二个电机既要承受相当大的重量，又要保持体积，制作难度非常大，并且在大负载增加摩擦的情况下，传动线和机器人连杆之间的摩擦会对机械人的可靠性产生很大的影响，对机器人材料也有很高的要求。


技术实现要素：

3.鉴于以上内容，有必要提供一种多自由度轻型机械关节及其传动方法，用以降低机械关节自由端的重量分布。
4.为此，本发明首先提供了一种多自由度轻型机械关节，包括：
5.连接机构，包括底座、第一转动座和第二转动座，所述第一转动座绕x轴转动地连接所述底座，所述第二转动座绕z轴转动地连接所述第一转动座；
6.第一驱动组件，用于驱动所述第一转动座相对所述底座绕x轴转动；
7.第二驱动组件，包括第一传动带、第一主动带轮和第一从动带轮，所述第一主动带轮绕x轴转动地连接所述底座，所述第一从动带轮转动地连接所述第一转动座，并且通过所述第一传动带连接所述第一主动带轮以及连接所述第二转动座以牵引所述第二转动座绕z轴转动。
8.优选地，所述第一驱动组件包括第一电机和传动轴，所述传动轴转动地连接底座，并且连接所述第一转动座；所述第一电机连接所述传动轴，用于通过所述传动轴带动所述第一转动座转动。
9.优选地，所述第二驱动组件还包括第二电机，所述第二电机连接所述底座和所述主动带轮，用于驱动所述主动带轮转动。
10.优选地，所述第二驱动组件还包括第二传动带、第二主动带轮和第二从动带轮，所述第二主动带轮绕z轴转动地连接所述第一转动座，并且连接所述第一从动带轮；所述第二从动带轮连接所述第二转动座，并且通过第二传动带连接所述第二主动带轮以牵引所述第二转动座绕z轴转动。
11.优选地，所述连接机构还包括转动件和同步带轮，所述同步带轮转动地连接所述第二转动座，所述转动件绕y轴转动地连接所述第二转动座；
12.所述第二驱动组件还包括第三传动带，所述第二从动动轮绕z轴转动地连接所述第二转动座，所述第三传动带连接所述第二从动带轮和所述同步带轮，并且与所述转动件连接，使得所述第二从动带轮带动所述第三传动带移动时，所述第三传动带带动所述转动件绕y轴转动。
13.优选地，所述第二驱动组件为一对，在一对所述第三传动带的转动方向相同时，带动所述转动件绕y轴转动；在一对所述第三传动带的转动方向相反时，所述第二传动带通过所述第二从动带轮和第三传动带驱动所述第二转动座绕z轴转动。
14.优选地，一对所述第二驱动组件的第一从动带轮连接于所述第一转动座的x轴方向的两侧，一对所述第二驱动组件的第二主动带动连接于所述第一转动座的z轴方向的两侧。
15.优选地，所述第一从动带轮通过锥齿轮连接所述第二主动带轮，以及，所述连接机构包括沿z轴方向延伸的连接轴，所述第一转动座通过所述连接轴转动地连接所述第二转动座；一对所述第二驱动组件的第二从动带轮绕z轴转动地连接所述连接轴。
16.此外，本发明还提供了一种多自由度轻型机械关节的传动方法，包括：
17.在第一驱动组件牵引第一转动座绕x轴相对底座转动时，第二驱动组件的第一从动带轮跟随所述第一转动座绕x轴沿圆周方向公转；
18.所述第二驱动组件的第一主动带轮通过第一传动带驱动所述第一从动带轮自转，所述第一从动带轮驱动第二转动座和转动件至少之一转动。
19.优选地，所述第一从动带轮驱动第二转动座和转动件至少之一转动包括：
20.一对所述第一从动带轮分别带动所述第二驱动组件的一对第三传动带转动，所述第三传动带牵引绕y轴转动连接于所述第二转动座的转动件；
21.如果一对所述第三传动带的速度相同且方向相同，则所述第三传动带带动所述转动件转动；
22.如果一对所述第三传动带的速度相同且方向相反，则一对所述第三传动带被所述转动件卡止，使得所述第三传动带牵引所述第二转动座绕z轴转动；
23.如果一对所述第三传动带速度不同，则一对所述第三传动带牵引所述第二转动座绕z轴转动，且带动所述转动件转动。
24.相较于现有技术，上述的多自由度轻型机械关节及其传动方法通过将第一转动座和第二转动座依次串联并转动地连接于底座，第一驱动组件牵引第一转动座转动过程中，第一从动带轮可以跟随第一转动座的转动轴公转，在第一转动座公转过程中不影响第一主动带轮通过第一传动带带动第一从动带轮自转，从而在第一转动座转动过程中，仍然可以实现将动力从底座传动至第一转动座，继而可以驱动第二转动座转动，实现动力源从底座输出，这样，动力源可以安装在底座的位置，从而改善机械关节的质量分布，实现机械关节在自由端的轻型化目的。
附图说明
25.为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是多自由度轻型机械关节的结构示意图。
27.图2是连接机构的结构示意图。
28.图3是底座、第一转动座和第一驱动组件的结构示意图。
29.图4是位于第一转动座上方的第二驱动组件的连接示意图。
30.图5是位于第一转动座下方的第二驱动组件的连接示意图。
31.图6是第二驱动组件的第二主动带轮和第二从动带轮的连接示意图。
32.图7是第二从动带轮、第三转动带和转动件的结构示意图。
33.图8是转动件的端面的结构示意图。
34.主要元件符号说明
35.连接机构10底座11第一转动座12连接轴121第二转动座13同步带轮131张紧轮132转动件14第一驱动组件20第一电机21第一锥形齿轮22第二锥形齿轮23传动轴24第二驱动组件30第二电机31第三锥形齿轮311第一主动带轮32第一传动带321第一从动带轮322传动齿轮3221第二主动带轮33第二传动带331第二从动带轮332第三传动带34
36.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。
具体实施方式
37.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。
39.在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
40.图1是多自由度轻型机械关节的结构示意图。如图1所示，多自由度轻型机械关节包括连接机构10、第一驱动组件20和第二驱动组件30。连接机构10作为机械关节的主体，为机械关机提供多个自由度的转动，实现机械关节的摆动和转动动作。第一驱动组件20用于驱动机械关节绕x轴转动，而第二驱动组件30用于驱动机械关节绕y轴和z轴方向转动，实现机械关节绕x轴、y轴和z轴方向的转动动作。
41.以下对多自由度轻型机械关节的各个结构详细描述。
42.图2是连接机构10的结构示意图。如图2所示，连接机构10包括底座11、第一转动座12、第二转动座13和转动件14。在实践过程中，底座11可以固定在地面或者通过螺栓、螺钉、焊接等方式连接其他设备，起到固定机械关节的作用。因此，底座11作为固定机构可以设置相对机械臂的自由端可以具有较大的质量分布，从而可以提高机械臂的稳定性，降低机械臂的驱动阻力。
43.为了便于描述机械关节中各个部件之间的连接关系，以下结合图1示出的坐标系进行描述。请参阅图1和图2，第一转动座12绕x轴转动地连接所述底座11，即在yz平面内相对底座11摆动，摆动幅度可以是180
°
，本领域技术人员还可以设置底座11或者第一转动座12之间的结构来设置第一转动座12和底座11之间的摆动幅度。
44.所述第二转动座13大体呈“t”字形结构，绕z轴转动地连接所述第一转动座12的相对底座11的端部，即第二转动座13可以相对第一转动座12在xy平面内绕z轴摆动，摆动幅度可以大于180
°
，但同样的，本领域技术人员也可以设置第一转动座12和第二转动座13的结构来设置第二转动座13相对第一转动座12之间的摆动幅度。本实施方式中，第一转动座12的端部具有一根沿沿z轴方向延伸的连接轴121，所述第二转动座13具有一与连接轴121对应的通孔，通孔内还可以设置一轴承，所述轴承套设在所述连接轴121上，使得第二转动座13可以通过轴承和连接轴121转动地连接所述第一转动座12。因此，相对第一转动座12而言，连接轴121与第一转动座12之间为固定连接，即连接轴121不能相对第一转动座12转动。
45.本实施方式中，转动件14大体呈圆盘状结构，绕y轴转动地连接所述第二转动座13的相对第一转动座12的端部，即转动件14位于机械关节的自由端(末端)，可以相对第二转动座13在xz平面内绕转动件14的中心轴(即y轴)自转。其中，转动件14与第二转动座13之间的转动副可以通过多种方式实现，例如可以在第二转动座13设置环形的滑轨滑槽，转动件14设置滑动连接滑轨的滑块或者嵌入滑槽内的滑块来实现与第二转动座13的转动连接，但本领域技术人员也可以采用其他方式，例如轴承等方式实现转动连接。
46.图3是底座11、第一转动座12和第一驱动组件20的结构示意图。第一驱动组件20用于驱动所述第一转动座12相对所述底座11绕x轴转动，即驱动底座11在yz平面内摆动。作为示例性的，第一驱动组件20包括第一电机21、第一锥形齿轮22、第二锥形齿轮23和传动轴24。第一电机21固定连接所述底座11，输出轴连接第一锥形齿轮22。传动轴24通过轴承等方
式转动地连接底座11，可以绕x轴转动。第一转动座12伸出两支连接臂固定连接该传动轴24，使得传动轴24在转动的时候可以带动第一转动座12转动。第二锥形齿轮23同轴连接该传动轴24，并且与第一锥形齿轮22啮合，使得第一电机21可以依次通过第一锥形齿轮22、第二锥形齿轮23和传动轴24驱动第一转动座12绕x轴转动。
47.第二驱动组件30用于驱动第二转动座13和/或转动件14转动，实现多个机械关节的多自由度动作。发明人在实践本技术方案过程中发现，由于第一转动座12属于可转动的部件，因此，在现有的机械关节实现过程中，要实现第一转动座12外端(靠近自由端)一侧的部件动作，只能在这些部件上设置电机，通过电机驱动这些部件相对第一转动座12动作(摆动或者自转)。但是，电机本身的重量较大，尤其是如果需要这些部件具有较大的驱动功率，电机的重量就更大了，导致机械关节的质量分布，尤其是自由端的重量分布较大，形成“头重脚轻”的情况，不利于机械关节的稳定性。
48.为了便于采用差速驱动第二转动座13和转动件14，精简机械关节的结构，本实施方式中，第二驱动组件30的数量为一对，对称地经第一转动座12传动至第二转动座13和转动件14，用于驱动第二转动座13相对第一转动座12摆动，以及驱动转动件14相对第二转动座13自转，实现机械关节的多个自由度的转动。具体的，一对所述第二驱动组件30的第一从动带轮322连接于所述第一转动座12的x轴方向的两侧，一对所述第二驱动组件30的第二主动带动连接于所述第一转动座12的z轴方向的两侧，即两个第二驱动组件30中的一个的传动路径为依次第一转动座12的一侧和上方，另一个第二驱动组件30的传动路径依次为第二转动座12的另一侧和下方。
49.图4是位于第一转动座12上方的第二驱动组件30的连接示意图。如图4所示，第二驱动组件30从第一转动座12的一侧和上方传动。具体的，第二驱动组件30包括第二电机31、一对第三锥形齿轮311、第一主动带轮32、第一传动带321、第一从动带轮322、传动齿轮3221、第二主动带轮33、第二传动带、第二从动带轮332、第三传动带34和同步带轮131。第二电机31安装在底座11上，输出轴连接一对啮合的第三锥形齿轮311中的一个，一对第三锥形齿轮311的另一个同轴连接第一主动带轮32。具体的，第一主动带轮32绕x轴方向转动地连接底座11，可以绕x轴方向自转。第一从动带轮322的直径较大，转动地安装于第一转动座12的一侧，可以跟随第一转动座12摆动。第一主动带轮32和第一从动带轮322通过第一传动带321连接，使得第一主动带轮32可以通过第一传动带321带动第一从动带轮322转动。本领域技术人员理解，第一主动带轮32和第一从动带轮322可以是普通的带轮，也可以是链轮，通过同步带或者链条传动。第一从动带轮322一侧设有轮齿，轮齿与传动齿轮3221啮合。传动齿轮3221和第二主动带轮33沿z轴方向转动地连接第一转动座12，第二主动带轮33也对应地设有轮齿，使得第一从动带轮322通过传动齿轮3221带动第二主动带轮33绕z轴自转。在第二电机31工作时，传动路径沿图4示出的虚线v2-v2所示，即第二电机31通过第三锥形齿轮311带动第一主动带轮32转动，第一主动带轮32通过第一传动带321驱动第一从动带轮322转动，第一从动带轮322通过传动齿轮3221驱动第二主动带轮33转动，第二主动带轮33通过第二传动带驱动第二从动带轮332转动，第二从动带轮332带动第三传动带34转动。
50.图5是位于第一转动座12下方的第二驱动组件30的连接示意图。如图5所示，另外一组第二驱动组件30沿第一转动座12的另外一侧和下方传动。具体的，本组第二驱动组件30的第二电机31设置在底座11的相对另一组第二驱动组件30的第二电机31的一端，第一主
动带轮32和另一组第二驱动组件30的第一主动带轮32分别设置在第一转动座12的两侧，主动齿轮、第二主动带轮33和第二从动带轮332转动地设置在第二转动座13的底面，两组第二驱动组件30的结构类似，此处不再赘述。本组第二驱动组件30的第二电机31在工作时，传动路径沿图5示出的虚线v3-v3。
51.图6是第二驱动组件30的第二主动带轮33和第二从动带轮332的连接示意图，图7是第二从动带轮332、第三转动带和转动件14的结构示意图。如图6和图7所示，第二从动带轮332通过轴承等方式转动地连接于连接轴121，第二传动带连接于第二主动带轮33和第二从动带轮332，使得第二主动带轮33可以通过第二传动带带动第二从动带轮332。同样的，本领域技术人员理解，第二主动带轮33和第二从动带轮332可以是普通的带轮，也可以是链轮，通过同步带或者链条传动。本实施方式中，第二从动带轮332具有两道环形的带槽，位于上部的带槽嵌入所述第二传动带，而下部的带槽嵌入所述第三传动带34。
52.图8是转动件14的端面的结构示意图。如图7和图8所示，第三传动带34的一端连接第二从动带轮332，另外一端绕过转动件14的同步带轮131，形成封闭的环形传动带。具体的，第二转动座13设有两组同步带轮131，每组同步带轮131包括三个呈“品”字形设置的同步带轮131，同步带轮131转动地连接于第二转动座13的端面，并且旋转面朝向转动件14。此外，第二转动座13的端部还设有一个或者多个张紧轮132，用于张紧第三传动带34。
53.如图8所示，两组第二驱动组件30中的一组第二驱动组件30的第三传动带34一端绕过上方的第二从动带轮332的下部，另外一端经张紧轮132后，绕过三个同步带轮131，然后经另外一个张紧轮132绕回到第二从动带轮332，并且第三传动带34的绕过三个同步带轮131的部分的外侧与转动件14接触，或者通过卡齿与转动件14的内壁卡接，使得第三转动带移动时，可以带动转动件14绕z轴转动。同样的，两组第二驱动组件30中的另一组第二驱动组件30的第三传动带34一端绕过下方的第二从动带轮332的下部，另外一端经张紧轮132后，绕过下方的三个同步带轮131，外侧与转动件14接触或者卡接，用于驱动转动件14绕z轴转动。
54.工作时，当一个第二电机31驱动上方的第三传动带34沿图8示出的箭头a方向转动时，向转动件14施加图8示出的转动件14外侧的箭头c方向的作用力。同样，如果另一个电机驱动下方的第三传动带34沿图8示出的箭头b方向的转动时，同样向转动件14施加箭头c方向的作用力。此时，两个第三传动件向转动件14施加的作用力的方向相同，可以驱动转动件14沿箭头c的方向转动。同样，如果控制两个第二电机31的转动方向，使得两个第三传动带34向转动件14施加相反方向的作用力，可以驱动转动件14沿箭头c相反的方向转动。
55.然而，当控制两个第二电机31的转向和转速，使得两个第三传动带34向转动件14的施加的作用力相反，即箭头a的方向与箭头b的方向相反，转动件14受到两个方向相反的作用力而无法完全转动，此时，转动件14被两个第三传动带34“卡死”而无法转动或者无法完全转动，使得两个第三传动带34也不能够完全通过同步带轮131转动，即第三传动带34也处于锁止状态。
56.请重新参阅图6和图7，如果在两个第三传动带34向转动件14施加的作用力相同但方向相反，则两跟第三传动带34均处于锁止状态下，其作用相当于固定的刚性连接杆，此时，由于第二转动座13和第一转动座12为绕z轴转动连接，第二从动带轮332通过第三传动带34驱动整个第二转动座13(包括转动件14)整体绕z轴在xy平面内摆动。
57.如果两根第三传动带34的速度不同的情况(例如可以是因为两个第二电机31的转速不同或者传动比不同等情况)，两个第三传动带34向转动件14施加的作用力的反向相反，但作用力一个大一个小，则转动件14会按照作用力较大的方向转动，而另一根第三传动带34被转动件14“卡死”而处于锁止状态，该第三传动带34可以带动第二转动座13绕z轴转动。此时，两根第三传动带34一根驱动转动件14绕y轴转动，另一根驱动第二转动座13绕z轴转动。
58.应当注意的是，本领域技术人员可以通过将第三传动带34绕过同步带轮131和张紧轮132的先后顺序和绕过方向，实现两个第二从动带轮332的转向应当相同时，两个第三传动带34施加给转动件14的作用力却处于相反的状态，即在两个第三传动带34处于锁止或者部分锁止的状态。在一些优选的实施方式中，两组第二驱动组件30的传动比相同，传动部件相同，这样可以通过控制两台第二电机31的转速和转向即可控制第二转动座13绕z轴摆动，以及转动件14绕y轴转动。
59.以下基于上述的多自由度轻型机械关节，详细描述一种机械关节的传动方法。具体的，传动方法包括以下步骤。
60.在第一驱动组件20牵引第一转动座12绕x轴相对底座11转动过程中，如图3所示，第一电机21带动第一锥形齿轮22和第二锥形齿轮23，带动传动轴24转动，通过传动轴24带动第一转动座12绕x轴转动。在第一转动座12转动过程中，第二驱动组件30的第一从动带轮322跟随所述第一转动座12绕x轴沿圆周方向公转。
61.在第二驱动组件30牵引第二转动座13和/或转动件14转动过程中，如图6所示，作为示例性的，本实施方式中，两组第二驱动组件30结构相同，根据两个第二电机31的转速和转向协作来控制第二转动座13和转动件14的转速和转向。具体的：
62.1)当两根第三传动带34的转速相同并且转向相同时，两根第三传动带34向转动件14施加的作用力方向相反(一个逆时针，一个顺时针)且大小相同，两个第三传动带34被转动件14卡死而不动，第二从动带轮332通过第三传动带34驱动第二转动座13绕z轴摆动，摆动方向对应于第二从动带轮332。
63.2)当两根第三传动带34的转速相同并且转向相反时，两根第三传动带34向转动件14施加的作用力方向相同(均为逆时针或者顺时针)且大小相同，逆时针或者顺时针的方向取决于两根第三传动带34的移动方向。
64.3)当两根第三传动带34的转速不同(转向相同或者相反)时，两根第三传动带34向转动件14时间作用力的大小或者方向不同，使得两根第三传动带34中的一根会被转动件14“卡死”而处于锁止状态，从而第二从动带轮332可以通过该被锁止的第三传动带34驱动第二转动座13绕z轴摆动。
65.具体的，如果两根第三传动带34的转向相同，则尽管两根第三传动带34向转动件14施加的作用力的方向相同，但速度较快的第三传动带34被会转动件14“卡死”而处于锁止状态，此时，转动件14的转速对应于速度较慢的第三传动带34，而第二转动座13通过被锁止的第三传动带34驱动而绕z轴摆动，摆动速度和方向对应于速度较快的第三传动带34。
66.类似的，如果两根第三传动带34的转向相反，其中速度较快的一根第三传动带34也会被“卡死”而处于锁止状态，此时，转动件14的转速对应于速度较慢的第三传动带34，而第二转动座13通过被锁止的第三传动带34驱动而绕z轴摆动，摆动速度和方向对应于速度
较快的第三传动带34。
67.第二驱动组件30的三种驱动类型，产生的效果如下表所示。
[0068][0069]
综上所述，上述的多自由度轻型机械关节及其传动方法通过将第一转动座12和第二转动座13依次串联并转动地连接于底座11，第一驱动组件20用于牵引第一转动座12相对底座11绕x轴公转，而第二驱动组件30将第一主动带轮32绕x轴转动地连接于底座11，将第一从动带轮322连接于第一转动座12，在第一转动座12转动过程中，第一从动带轮322可以跟随第一转动座12绕x轴公转，而由于第一主动带轮32和第一从动带轮322通过第一传动带321连接，在公转过程中不影响第一主动带轮32通过第一传动带321带动第一从动带轮322自转，从而可以在第一转动座12转动过程中，从底座11传动至第一转动座12，继而可以驱动第二转动座13转动。因此，上述的多自由度轻型机械关节可以实现动力源从底座11输出，通过第二驱动组件30向第二转动座13输出，使得动力源可以安装在底座11的位置，实现机械关节在自由端的轻型化目的，也消除了把电机安装在关节处使得电机与电缆本身带来的承载负担，减少了电缆反复拖拽而产生的磨损，提升了设备的使用寿命。
[0070]
另一方面，上述的多自由度轻型机械关节及其传动方法还可以通过两个第三传动带34的速度和转动方向的配合来控制第二转动座13和/或转动件14的转速和转向，这样，仅仅需要对三个电机的控制，即可实现对整个机械关机的第一转动座12、第二转动座13和转动件14的转速和转向的控制，从而实现机械关节的多轴旋转，使得机械关节具有更高的灵活性。
[0071]
在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0072]
以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。