一種基於繩體拉力傳動的機械手的製作方法

2023-12-09 07:44:21 1

本實用新型涉及一種基於繩體拉力傳動的機械手，屬於手術機器人技術領域。

背景技術：

醫療護理機器人是專門為殘疾人、重病人以及手腳不方便的老年人設計的。在醫療護理機器人的研究中，歐洲和美國的起步較早。當今國際上已有日常護理機器人系統，這一系統可在殘疾人處於臥床狀態、身體不能自由活動的情況下，通過設置在床邊的護理裝置，幫助行動不便的人拾取物品，從而對人進行飲食照料。

申請號為CN201410848341.4的中國專利公開了一種「一種基於鋼絲繩傳動的微創手術機器人用主操作手」，該主操作手前三個關節為鋼絲繩傳動，但是該繩傳動為摩擦傳動，需要較大的預緊力以提供足夠的摩擦力，另外在高負載下可能會造成打滑等危險。

技術實現要素：

本實用新型的目的是克服現有技術存在的缺陷，提供一種基於繩體拉力傳動的機械手，採用繩體拉力傳動，機構更加緊湊且可避免現有技術中鋼絲繩摩擦傳動造成的打滑現象。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：

本實用新型的基於繩體拉力傳動的機械手包括基座、可轉動地安裝在 基座上的腰關節組件、與腰關節組件鉸接的大臂、與大臂鉸接的中臂、與中臂鉸接的小臂和安裝在小臂外端部的抓取機構，所述基座內設有驅動腰關節組件旋轉的驅動裝置，所述腰關節組件包括由所述驅動裝置驅動的腰關節、固定在腰關節上方的電機倉和固定在電機倉上方的繞線軸安裝架，所述大臂通過第一傳動關節與所述繞線軸安裝架鉸接，所述中臂通過第二傳動關節與所述大臂鉸接，所述繞線軸安裝架內盤繞有第一傳動繩組和第二傳動繩組，所述電機倉內設有第一驅動器和第二驅動器，所述第一驅動器通過所述第一傳動繩組驅動第一傳動關節旋轉，所述第一傳動關節帶動所述大臂旋轉，所述第二驅動器通過所述第二傳動繩組驅動所述第二傳動關節旋轉，所述第二傳動關節帶動所述中臂旋轉。

本實用新型所述腰關節藉助軸承可轉動地安裝在所述基座上方，所述驅動裝置為偏轉氣缸、伺服電機或步進電機。

本實用新型所述繞線軸安裝架內設有第一繞線軸、第二繞線軸和導向輪組，所述第一繞線軸通過第一聯軸器與所述第一驅動器的主軸剛性連接，所述第二繞線軸通過第二聯軸器與所述第二驅動器的主軸剛性連接，所述導向輪組固定在繞線軸安裝架內並位於第一繞線軸和第二繞線軸之間。

本實用新型所述第一傳動關節包括固定在大臂上的大臂繞線軸和可轉動地安裝在大臂繞線軸上的繞線套環，所述第二傳動關節包括固定在中臂上的中臂繞線軸，所述第一繞線軸上設置所述第一傳動繩組，所述第一傳動繩組經過所述導向輪組繞接到所述大臂繞線軸上，所述第二繞線軸上設置所述第二傳動繩組，所述第二傳動繩組經過所述導向輪組和繞線套環繞接到所述中臂繞線軸上。

本實用新型所述導向輪組包括第一導向輪、第二導向輪、第三導向輪和第四導向輪，所述第一傳動繩組包括第一繩體和第二繩體，所述第二傳動繩組包括第三繩體和第四繩體。

本實用新型所述第一繩體的一端固定在第一繞線軸的下方，在第一繞線軸的一側逆時針繞1～5匝，經過第四導向輪繞至大臂繞線軸，在大臂繞線軸的一側逆時針繞1～5匝，最後將第一繩體的另一端張緊後固定在大臂繞線軸靠近第四導向輪的一端，所述第二繩體的一端固定在第一繞線軸的上方，在第一繞線軸上逆時針繞1～5匝，經過第一導向輪繞至大臂繞線軸，在大臂繞線軸的另一側逆時針繞1～5匝，最後將第二繩體的另一端張緊後固定在繞線軸靠近第一導向輪的一端。

本實用新型所述第三繩體的一端固定在第二繞線軸的下方，在第二繞線軸上順時針繞1～5匝，然後經過第二導向輪繞至繞線套環上，在繞線套環的一側順時針繞1匝，再繞至中臂繞線軸的一側並順時針繞1～5匝，最後將第三繩體的另一端張緊後固定在中臂靠近所述大臂一端的上部，所述第四繩體的一端固定在第二繞線軸的上方，在第二繞線軸上順時針繞1～5匝，然後經過第三導向輪繞至繞線套環上，在繞線套環的另一側順時針繞1匝，再繞至中臂繞線軸的另一側順時針繞1～5匝，最後將第四繩體的另一端張緊後通過固定在中臂靠近所述大臂一端的下部。

本實用新型所述小臂的另外一端設有第二直驅關節，第二直驅關節包括固定在小臂上的抓取支撐架，所述抓取支撐架上安裝第二直驅電機，所述第二直驅電機的輸出軸與抓取機構的底盤固定。

本實用新型所述小臂的另外一端設有抓取支撐架，所述抓取支撐架上安裝第二直驅電機，所述第二直驅電機的輸出軸與抓取機構的底盤固定。

本實用新型所述第一驅動器和第二驅動器均為伺服電機或步進電機。

本實用新型基於繩體拉力傳動的機械手具有以下的效果：本實用新型基於繩體拉力傳動的機械手包括基座、可轉動地安裝在基座上的腰關節組件、與腰關節組件鉸接的大臂、與大臂鉸接的中臂、與中臂鉸接的小臂和安裝在小臂外端部的抓取機構，其中，基座內設有驅動腰關節組件旋轉的驅動裝置，驅動裝置前置至基座內，該種布局結構可極大減小機械手各部件的質量，進而減小機械手的轉動慣量，有利於提高機構的剛度。腰關節組件包括由驅動裝置驅動的腰關節、固定在腰關節上方的電機倉和固定在電機倉上方的繞線軸安裝架，大臂通過第一傳動關節與繞線軸安裝架鉸接，中臂通過第二傳動關節與大臂鉸接，繞線軸安裝架內盤繞有第一傳動繩組和第二傳動繩組，電機倉內設有第一驅動器和第二驅動器，第一驅動器通過第一傳動繩組驅動第一傳動關節旋轉，第一傳動關節帶動大臂旋轉，第二驅動器通過第二傳動繩組驅動第二傳動關節旋轉，第二傳動關節帶動中臂旋轉，第一傳動關節和第二傳動關節採用鋼絲繩傳動，有效減小了機構中各部件的體積，與鋼絲繩摩擦傳動相比，機構更加緊湊，而且可減少鋼絲繩磨損，採用鋼絲繩拉力傳動，通過適當張緊，可有效避免回差問題。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。

圖1是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的整體結構示意圖；

圖2是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的基座的結構示意圖；

圖3是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的繞線軸安裝架內部結構示意圖；

圖4是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的第一傳動關節結構示意圖；

圖5是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的第二傳動關節結構示意圖；

圖6是本實用新型的基於鋼絲繩拉力傳動機器人操作手的抓取機構安裝結構示意圖。

其中：基座1，驅動裝置11，軸承12；

腰關節組件2，第一驅動器21，第二驅動器22，繞線軸安裝架23，第一聯軸器231，第一繞線軸232，第二聯軸器233，第二繞線軸234，導向輪組235，第一導向輪2351，第二導向輪2352，第三導向輪2353，第四導向輪2354；

大臂3；中臂4；小臂5；抓取機構6；

第一傳動關節7，大臂繞線軸71，繞線套環72；

第二傳動關節8，中臂繞線軸81；

第一直驅關節91，第一直驅電機911，小臂支撐架912，小臂連接架913，第二直驅關節92，第二直驅電機921，抓取支撐架922。

具體實施方式

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「徑向」、「軸向」、「上」、「下」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和 操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「設置」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

如圖1-6所示，本實施例的基於繩體拉力傳動的機械手包括基座1、可轉動地安裝在基座1上的腰關節組件2、與腰關節組件2鉸接的大臂3、與大臂3鉸接的中臂4、與中臂4鉸接的小臂5和安裝在小臂5外端部的抓取機構6。其中，基座1內設有驅動腰關節組件2旋轉的驅動裝置11，腰關節組件2包括由驅動裝置11驅動的腰關節、固定在腰關節上方的電機倉和固定在電機倉上方的繞線軸安裝架23，大臂3通過第一傳動關節7與繞線軸安裝架23鉸接，中臂4通過第二傳動關節8與大臂3鉸接，繞線軸安裝架23內盤繞有第一傳動繩組和第二傳動繩組，電機倉內設有第一驅動器21和第二驅動器22，第一驅動器21通過第一傳動繩組驅動第一傳動關節7旋轉，第一傳動關節7帶動大臂3旋轉，第二驅動器22通過第二傳動繩組驅動第二傳動關節8旋轉，第二傳動關節8帶動中臂4旋轉。

本實施例的基於繩體拉力傳動的機械手的驅動裝置11前置至基座1內，該種布局結構可極大減小機械手各部件的質量，進而減小機械手的轉動慣量，有利於提高機構的剛度。

本實施例的腰關節藉助軸承12可轉動地安裝在基座1上方，驅動裝 置11為偏轉氣缸、伺服電機或步進電機，驅動裝置11驅動腰關節轉動，可以實現機械手整體繞Z軸轉動。

繞線軸安裝架23內設有第一繞線軸232、第二繞線軸234和導向輪組235，第一繞線軸232通過第一聯軸器231與第一驅動器21的主軸剛性連接，第二繞線軸234通過第二聯軸器233與第二驅動器22的主軸剛性連接，導向輪組235固定在繞線軸安裝架23內並位於第一繞線軸232和第二繞線軸234之間。

第一傳動關節7包括固定在大臂3上的大臂繞線軸71和可轉動地安裝在大臂繞線軸71上的繞線套環72，第二傳動關節8包括固定在中臂4上的中臂繞線軸81，第一繞線軸232上設置第一傳動繩組，第一傳動繩組經過導向輪組235繞接到大臂繞線軸71上，第二繞線軸234上設置第二傳動繩組，第二傳動繩組經過導向輪組235和繞線套環72繞接到中臂繞線軸81上。

其中，導向輪組235包括第一導向輪2351、第二導向輪2352、第三導向輪2353和第四導向輪2354，第一傳動繩組包括第一繩體和第二繩體，第二傳動繩組包括第三繩體和第四繩體，第一傳動繩組和第二傳動繩組的具體繞接方式如下：第一繩體的一端固定在第一繞線軸232的下方，在第一繞線軸232的一側逆時針繞1～5匝，經過第四導向輪2354繞至大臂繞線軸71，在大臂繞線軸71的一側逆時針繞1～5匝，最後將第一繩體的另一端張緊後固定在大臂繞線軸71靠近第四導向輪2354的一端，第二繩體的一端固定在第一繞線軸232的上方，在第一繞線軸232上逆時針繞1～5匝，經過第一導向輪2351繞至大臂繞線軸71，在大臂繞線軸71的另一側逆時針繞1～5匝，最後將第二繩體的另一端張緊後固定在大臂繞線軸 71靠近第一導向輪2351的一端。

第三繩體的一端固定在第二繞線軸234的下方，在第二繞線軸234上順時針繞1～5匝，然後經過第二導向輪2352繞至繞線套環72上，在繞線套環72的一側順時針繞1匝，再繞至中臂繞線軸81的一側並順時針繞1～5匝，最後將第三繩體的另一端張緊後固定在中臂4靠近大臂3一端的上部，第四繩體的一端固定在第二繞線軸234的上方，在第二繞線軸234上順時針繞1～5匝，然後經過第三導向輪2353繞至繞線套環72上，在繞線套環72的另一側順時針繞1匝，再繞至中臂繞線軸81的另一側順時針繞1～5匝，最後將第四繩體的另一端張緊後通過固定在中臂4靠近大臂3一端的下部。

當第一驅動器21通電順時針轉動時，驅動力通過第一聯軸器231傳遞給第一繞線軸232，再帶動第一繩體在第一繞線軸232上逆時針纏繞，經過第四導向輪2354、大臂繞線軸71，最終力作用在第一繩體在大臂繞線軸71上的固定處，旋轉軸線為大臂繞線軸71的軸線，力的作用點為大臂繞線軸71靠近第四導向輪2354的一端，因此產生一個力矩，驅使大臂3逆時針轉動。

當第一驅動器21通電逆時針轉動時，驅動力通過第一聯軸器231傳遞給第一繞線軸232，再帶動第二繩體在第一繞線軸232上順時針纏繞，經過第一導向輪2351、大臂繞線軸71，最終力作用在第二繩體在大臂3上的固定處，旋轉軸線為大臂繞線軸71的軸線，力的作用點為大臂繞線軸71靠近第一導向輪2351的一端，因此產生一個力矩，驅使大臂3順時針轉動。

當第二驅動器22通電順時針轉動時，驅動力通過第二聯軸器233傳 遞給第二繞線軸234，再帶動第三繩體在第二繞線軸234上逆時針纏繞，經過第二導向輪2352、繞線套環72和中臂繞線軸81，最終力作用在第三繩體在中臂4上的固定處，旋轉軸線為中臂繞線軸81的軸線，力的作用點為中臂4靠近大臂3一端的上部，因此產生一個力矩，驅使中臂4逆時針轉動。

當第二驅動器22通電逆時針轉動時，驅動力通過第讓聯軸器傳遞給第二繞線軸234，再帶動第四繩體在第二繞線軸234上順時針纏繞，經過第三導向輪2353、繞線套環72和中臂繞線軸81，最終力作用在第四繩體在中臂4上的固定處，旋轉軸線為中臂繞線軸81的軸線，力的作用點為中臂4靠近大臂3一端的下部，因此產生一個力矩，驅使中臂4順時針轉動。

其中，第一傳動繩組和第二傳動繩組可採用鋼絲繩製成，第一驅動器21和第二驅動器22包括但不限於伺服電機和步進電機，第一傳動關節7和第二傳動關節8採用鋼絲繩拉力傳動，有效減小了機構中各部件的體積，與鋼絲繩摩擦傳動相比，機構更加緊湊，而且可減少鋼絲繩磨損，避免鋼絲繩摩擦傳動造成的打滑現象，採用鋼絲繩拉力傳動，通過適當張緊，可有效避免回差問題。

本實施例中的小臂5靠近中臂4的一端通過第一直驅關節91與中臂4連接，第一直驅關節91包括固定在中臂4上的小臂支撐架912、固定在小臂5上的小臂連接架913和第一直驅電機911，第一直驅電機911的輸出軸與小臂支撐架912固定相連，第一直驅電機911的機體固定在小臂連接架913上。小臂5的另外一端設有第二直驅關節92，第二直驅關節92包括固定在小臂5上的抓取支撐架922，抓取支撐架922上安裝第二直驅 電機921，第二直驅電機921的輸出軸與抓取機構6的底盤固定。

當第一直驅電機911轉動時，小臂5就會沿著第一直驅電機911的輸出軸轉動，從而帶動抓取機構6轉動，當第二直驅電機921轉動時，抓取機構6就會沿著第二直驅電機921的輸出軸轉動。

通過腰關節組件2、大臂3、中臂4和小臂5的傳動機構實現了抓取機構6的萬向運動，抓取機構6運動靈活多變。

應當理解，以上所描述的具體實施例僅用於解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。由本實用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之中。