技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
机器人技术领域中的转动关节，特别是关于一种能在机器人和各类有旋转关节的机械系统中使用的开放式空间二维偏心转动关节。
背景技术
[0002] 随着机器人任务种类的增加和功能需求的提升，越来越多的机器人需要采用空间运动机构的协助来完成规定的任务，有些空间运动机构已成为机器人执行任务的核心和主要手段，大量空间运动机构的使用提高了机器人执行任务的灵活性、自主性和时效性。
[0003] 空间展开机构是最为常见的一种空间运动机构，其工作原理是在动
力源的驱动下完成对结构件的展开、收拢和转动等功能，并通过多个结构件之间的运动配合来实现整套空间展开机构的预定功能。典型的空间展开机构都采用了人体
仿生学中对“手臂”模拟的设计思路，主结构多是由两根或多根杆结构组成，杆结构之间多采用运动关节进行连接，通过动力源驱动运动关节实现杆结构之间的相对运动，通过杆结构组之间的运动配合实现整套空间展开机构的系统运动，进而完成空间展开机构整体规定动作的执行，实现特定的功能。因此，运动关节决定了空间展开机构的运动特性，是整套系统的关键。
[0004] 空间运动关节在设计上重点需要考虑的问题是如何提高可靠性、如何降低资源占用率以及如何提高任务执行的效率。根据目前在机器人上使用的各类运动关节的应用效果来看，普遍存在如下缺点：1、系统复杂：运动关节的功能多通过伺服
电机来实现，
伺服电机安装于两结构之间，伺服电机以及所需的安装结构复杂，同时，伺服电机需要供电、控制以及
信号采集等
电路系统，这样进一步增加了系统的复杂性。2、使用环境受限：由于电机的存在，电机转动过程中必然会产生振动、噪声以及电
磁场，一些安装于展开机构上且对振动、噪声和电磁环境敏感的设备是无法适应的；另一方面，电机一般都会对机器人所提供的安装环境(安装
精度、力学环境和热环境等)提出要求，在某些情况下要求很高，需要设计严格保证。这些特点都将使运动关节的使用环境受到限制。3、可靠性低：系统设计复杂、使用环境要求严格都将导致系统可靠性的降低，特别是对使用环境的依赖性，提高了外界环境因素对系统可靠性的影响程度，降低了系统的可靠性。4、资源占用率高：系统的复杂性必然带来重量、体积和电功耗的增加，这些资源对于任何机器人都是非常宝贵的；另一方面，对使用环境的高敏感度只能通过增加配置来克服，如增加系统冗余、结构加强等手段，进一步增加了系统资源的占用率。
发明内容
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种开放式空间二维偏心转动关节，该关节由绳系带动，结构简单，环境适应性强、可靠性高、资源占用率低。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种开放式空间二维偏心转动关节，其特征在于：它包括一个由两个圆环构成的转动基体、两个关节支座、两个转动外瓦、四个外瓦卡环、两组滚珠组和两组动作绳系，其中每组所述动作绳系由两条动作绳构成；在所述转动基体每个圆环的外壁面上，位于外壁面两侧设置有两道滚珠外沟槽，位于所述两道滚珠外沟槽的中间
位置处设置有一道绳系外沟槽；在所述转动基体每个圆环的外部还分别套设有由一个所述关节支座与一个所述转动外瓦固定连接形成的封闭圆环，在该封闭圆环内壁面上，位于内壁面两侧设置有与所述两道滚珠外沟槽对应设置的两道滚珠内沟槽，位于所述两道滚珠内沟槽的中间位置处设置有一道与所述绳系外沟槽对应设置的绳系内沟槽；所述两道滚珠内沟槽分别与所述两道滚珠外沟槽构成两道滚珠滑道，所述两组滚珠组分别嵌设在所述两道滚珠滑道内；所述绳系内沟槽与所述绳系外沟槽构成绳系滑道，每组所述动作绳系分别嵌设在所述转动基体上一个圆环的绳系滑道内，且每组所述动作绳系中的两条动作绳一端都固定在所述转动基体中间位置处，另一端呈相对设置并缠绕在所述绳系滑道上，缠绕后该端连接至外部的动力源。
[0007] 每个所述关节支座内还分别设置有两个定
滑轮，每组所述动作绳系中的每条动作绳经绳系滑道穿入所述关节支座内后，再分别通过所述定滑轮连接所述外部动力源。
[0008] 所述转动基体由一个一体成型的
转轴和两个转动内瓦构成，所述转轴由两个半圆状的第一转轴和第二转轴以及一个连接
块构成，所述第一、第二两个转轴通过所述连接块连接成
正交结构，在所述转轴每个半圆开口处分别固定连接一个所述转动内瓦，每个所述转动内瓦与所述转轴构成一个圆环，形成由两个圆环套设构成的转动基体。
[0009] 所述连接块内部开设有与所述绳系滑道对应的通孔，每组所述动作绳系中的每条动作绳一端穿过该通孔后经固定件固定在所述连接块上。
[0010] 在每个由所述关节支座与所述转动外瓦固定连接形成的封闭圆环外壁面两侧分别套设有一个外瓦卡环。
[0011] 每组所述动作绳系中的动作绳都采用Kevla细绳。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用转动基体，通过一个转动基体实现双轴转动功能，通过滚珠组实现转动基体与关节支座的转动匹配，不需要
轴承结构，减小了体积和重量，节约了安装空间，结构简单；通过定滑轮组驱动动作绳系，从而驱动转动基体，不需要内置电机进行驱动，进一步减小了体积和重量、节约安装空间。2、本发明由于采用一个转动基体实现双轴转动功能，消除了由于加工、装配等因素引起的转动传递误差，因此大大提高了双轴转动之间的匹配精度。3、本发明采用的转动基体在转动过程中承受的
载荷通过中心位置，且转动基体与关节支座之间通过滚珠组配合，受力均匀、转动平滑，因此大大提高了系统承载能力。4、本发明整体结构重量轻、体积小、内部无供电需求部件，因此使本发明的开放式空间二维偏心转动关节在重量、体积和电功耗需求方面具有明显的优势，减低了系统资源占用率。5、本发明由于在开放式空间二维偏心转动关节内部无电性能产品，无类似轴承配合的高精度装配要求，因此降低了系统对使用环境的要求，提高了环境适应性。6、本发明由于采用的单个关节支座可实现沿某个方向的单轴转动，且采用两个结构形式完全相同的关节支座实现了沿某两个方向的双轴转动，因此提高了关节的通用性和可维修性；进一步，本发明采用的关节支座对外
接口结构简单，这样可以提高本发明的适用性。7、本发明由于结构简单、环境适应性强、产品通用性和可维修性高，进而提高了本发明的可靠性。综上所述，本发明可以广泛应用于各类机器人的运动关节机构单元上。
附图说明
[0013] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0014] 图2是图1的侧视图；
[0015] 图3是图2的A-A剖视图；
[0016] 图4是图3的C处放大示意图；
[0017] 图5是图2的B-B剖视图；
[0018] 图6是本发明的关节支座结构示意图；
[0019] 图7是图6的剖视图；
[0020] 图8是本发明的转动基体结构示意图；
[0021] 图9是图8的主视图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细的描述。
[0023] 如图1～图9所示，本发明包括一个由两个圆环构成的转动基体1、两个关节支座2、两个转动外瓦3、两组滚珠组4和两组动作绳系5，其中每组动作绳系5由两条动作绳构成。在转动基体1每个圆环的外壁面上，位于外壁面两侧设置有两道滚珠外沟槽6，位于外壁面两道滚珠外沟槽6的中间位置处设置有一道绳系外沟槽7。在转动基体1每个圆环的外部还分别套设有由一个关节支座2与一个转动外瓦3固定连接形成的封闭圆环，在该封闭圆环内壁面上，位于内壁面两侧设置有与两道滚珠外沟槽6对应设置的两道滚珠内沟槽
8，位于内壁面两道滚珠内沟槽8的中间位置处设置有一道与绳系外沟槽7对应设置的绳系内沟槽9。两道滚珠内沟槽8分别与两道滚珠外沟槽6构成两道滚珠滑道，两组滚珠组4分别嵌设在两道滚珠滑道内，使得滚珠组4位于转动基体1和关节支座2与转动外瓦形成的封闭圆环之间，由滚珠组4、转动基体1和封闭圆环配合形成传动副，滚珠组4提供转动基体
1与封闭圆环之间转动所需的环境，并承载两者之间
接触产生的作用力；绳系内沟槽9与绳系外沟槽7构成绳系滑道，每组动作绳系5分别嵌设在转动基体1上一个圆环的绳系滑道内，且每组动作绳系5中的两条动作绳一端都固定在转动基体1中间位置处，另一端呈相对设置并缠绕在绳系滑道上，缠绕后该端穿过关节支座2连接至位于本发明开放式空间二维偏心转动关节外部的动力源，动力源驱动动作绳系5运动，进而实现转动基体1与关节支座
2之间的转动。
[0024] 上述实施例中，如图8、图9所示，转动基体1用于实现双轴转动功能，转动基体1由一个一体成型的转轴10和两个转动内瓦11构成，转轴10由两个半圆状的第一转轴和第二转轴以及一个连接块12构成，第一、第二两个转轴通过连接块12连接成正交结构，且呈类似x型结构。在转轴10每个半圆开口处分别固定连接一个转动内瓦11，每个转动内瓦11与转轴10构成一个圆环，进而形成由两个圆环套设构成的转动基体1。其中，转轴10的连接块内12部开设有与绳系滑道对应的通孔，每组动作绳系5中的每条动作绳一端穿过该通孔后经固定件固定在连接块12上。
[0025] 上述各实施例中，如图3、图7所示，每个关节支座2内还分别设置有两个定滑轮13，每组动作绳系5中的每条动作绳经绳系滑道穿入关节支座2内后，再分别通过定滑轮13实现导向后连接外部动力源。
[0026] 上述各实施例中，在每个由关节支座2与转动外瓦3固定连接形成的封闭圆环外壁面两侧分别套设有一个外瓦卡环14，用于起到加固作用。
[0027] 上述各实施例中，每组动作绳系5中的动作绳都采用Kevla细绳，用于为转动基体1提供其转动所需的动力。动作绳系5与转动基体1、转动内瓦11、关节支座2以及转动外瓦3进行缠绕配合，并形成闭环，动力源驱动动作绳系5进行“卷绕—直线”往复运动，动作绳系5围绕位于转动基体1表面的绳系滑道进行“卷绕—直线”往复运动，从而实现关节支座2与转动基体1之间的转动。
[0028] 综上所述，本发明开放式空间二维偏心转动关节的机构运动原理是根据动作绳系的拉拽作用，通过关节支座2与转动基体1之间配合实现转动功能，通过转动基体1正交结构的转轴10可以实现二维转动功能。
[0029] 本发明在使用时，为清楚描述使用过程，将本发明两个关节支座2分别命名为第一个关节支座2和第二个关节支座2。在初始位置时其中第一个关节支座2处于固定约束状态、第二个关节支座2处于自由状态，当拉动动作绳系5时，动作绳系5带动转动基体1围绕转轴10进行顺
时针旋转，从而使与转动基体1连接的第二个关节支座2一同绕转轴10进行顺时针旋转，使开放式空间二维偏心转动关节的机构运动具有第一个转轴单轴顺时针旋转的功能；同理，固定第一个关节支座2，第二个关节支座2处于自由状态，当拉动动作绳系5时，动作绳系5带动转动基体1围绕转轴10进行逆时针旋转，从而使与转动基体1连接的第二个关节支座2一同绕转轴10进行逆时针旋转，使开放式空间二维偏心转动关节的机构运动具有第一个转轴单轴逆时针旋转的功能。
[0030] 同样，初始位置时第二个关节支座2处于固定约束状态、第一个关节支座2处于自由状态，当拉动动作绳系5时，动作绳系5带动转动基体1围绕转轴10进行顺时针旋转，从而使与转动基体1连接的第一个关节支座2一同绕转轴10进行顺时针旋转，使开放式空间二维偏心转动关节的机构运动具有第二个转轴单轴顺时针旋转的功能；同理，固定第二个关节支座2，第一个关节支座2处于自由状态，当拉动动作绳系5时，动作绳系5带动转动基体1围绕转轴10进行逆时针旋转，从而使与转动基体1连接的第一个关节支座2一同绕转轴10进行逆时针旋转，使开放式空间二维偏心转动关节的机构运动具有第二个转轴单轴逆时针旋转的功能。
[0031] 上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的
基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
