本發(fā)明涉及一種變速旋轉關節(jié)，具體涉及一種外骨骼機器人上使用的鋼絲雙向驅動變速比輸出旋轉關節(jié)。

背景技術：

對于外骨骼機器人來講，關節(jié)運動控制是至關重要的一環(huán)。目前已有的關節(jié)調速設計大多是以控制電機轉速為主，這種運動設計精度較低，對電機要求較高，電機負擔大，從而導致電機的體積與成本增加。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有采用電機調速實現(xiàn)外骨骼關節(jié)運動，電機輸出扭矩較大，關節(jié)運動精度較低的問題，進而提供一種鋼絲雙向驅動變速比輸出旋轉關節(jié)。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是：一種鋼絲雙向驅動變速比輸出旋轉關節(jié)包括輸入軸、一號鋼絲繩、凸輪、二號鋼絲繩和關節(jié)軸；

所述關節(jié)軸安裝在支架上，所述輸入軸轉動安裝在支架和關節(jié)軸上，所述凸輪轉動安裝在所述關節(jié)軸上，所述輸入軸的軸向與所述關節(jié)軸的軸向垂直，所述凸輪的輪面上加工有纏繞鋼絲繩的圓弧形繩槽，所述一號鋼絲繩的一端與所述凸輪的遠離所述關節(jié)軸的一端固接，所述一號鋼絲繩鋪設在所述圓弧形繩槽后纏繞在所述輸入軸上，所述一號鋼絲繩的另一端固定在所述輸入軸上，所述二號鋼絲繩的一端與所述凸輪的鄰近所述關節(jié)軸的一端固接，所述二號鋼絲繩鋪設在所述圓弧形繩槽后纏繞在所述輸入軸上，所述二號鋼絲繩的另一端固定在所述輸入軸上，所述一號鋼絲繩和所述二號鋼絲繩在輸入軸的繩段為同方向纏繞。

本發(fā)明的有益效果是：一、采用凸輪結構進行變速，可降低對電機輸出扭矩的需求，起到二級減速器的作用，同時傳動比可變。二、該結構具有更好的動態(tài)特性，實時性較高，傳動更加精確。由于人在正常行走時，凸輪的轉角大約在0°～35°，此時對外骨骼膝關節(jié)的出力沒有要求，但是需要高速；人在上樓梯或從下蹲到起立的過程中，凸輪的轉角接近135°，角度越大，對出力的要求越大，而不需要高速，由于電機輸出轉矩恒定，普通的傳動機構無法滿足此要求。此凸輪的外輪廓半徑隨著轉角的增大而增大，傳動比隨之增大，因此，能夠在小轉角時提供高轉速、小出力，在大轉角時提供低轉速、大出力。利用鋼絲繩及凸輪進行合理的動力分配，實現(xiàn)電機驅動外骨骼機器人或仿人機器人，實現(xiàn)膝關節(jié)、或者肢肘關節(jié)和肩關節(jié)等屈伸自由度的運動，提高了能量利用率與傳動效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結構示意圖；圖2為本發(fā)明的整體結構主視圖；圖3為圖2的A-A向視圖。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術方案。

結合圖1-圖3說明，一種鋼絲雙向驅動變速比輸出旋轉關節(jié)包括輸入軸1、一號鋼絲繩2、凸輪3、二號鋼絲繩4、關節(jié)軸5和支架6；

所述關節(jié)軸5轉動安裝在所述支架6上，所述輸入軸1轉動安裝在支架6和關節(jié)軸5上，所述凸輪3固裝在所述關節(jié)軸5上，所述輸入軸1的軸向與所述關節(jié)軸5的軸向垂直；

所述凸輪3的輪面上加工有纏繞鋼絲繩的圓弧形繩槽3-1，所述一號鋼絲繩2的一端與所述凸輪3的遠離所述關節(jié)軸5的一端固接，所述一號鋼絲繩2鋪設在所述圓弧形凹槽3-1后纏繞在所述輸入軸1上，所述一號鋼絲繩2的另一端固定在所述輸入軸1上；

所述二號鋼絲繩4的一端與所述凸輪3的鄰近所述關節(jié)軸5的一端固接，所述二號鋼絲繩4鋪設在所述圓弧形繩槽3-1后纏繞在所述輸入軸1上，所述二號鋼絲繩4的另一端固定在所述輸入軸1上，所述一號鋼絲繩2和所述二號鋼絲繩4在輸入軸1的繩段為同方向纏繞。輸入軸1通過軸承轉動安裝在支架6和關節(jié)軸5上。

在圖2中電機減速器輸出端通過鍵傳動與輸入軸1連接將轉矩傳遞至輸入軸1。凸輪3的輪面上有用于纏繞繩索的圓弧形繩槽3-1，圓弧形繩槽3-1為連續(xù)設計。

一號鋼絲繩2的一端固定在遠離所述關節(jié)軸5的一端，看作凸輪3的大半徑端，經(jīng)凸輪3的圓弧形繩槽3-1纏繞和輸入軸1的內壁向外壁或者外壁向內壁(相對于凸輪3劃分內外)上纏繞后，一號鋼絲繩2末端固定在輸入軸1上；同理，二號鋼絲繩4的一端固定在凸輪3的鄰近所述關節(jié)軸5的一端，看作凸輪3的小半徑端，經(jīng)凸輪3的圓弧形繩槽3-1纏繞和輸入軸1的內壁向外壁或者外壁向內壁(相對于凸輪4劃分內外)上纏繞后，二號鋼絲繩4的末端固定在輸入軸1上。整體上效果是一號鋼絲繩2和二號鋼絲繩4在輸入軸1上以相同的方向纏繞。當電機帶動輸入軸1逆時針方向轉動(從輸入軸安裝端看)時，二號鋼絲繩4離開凸輪3上的圓弧形繩槽3-1同時在輸入軸1上進行纏繞，而一號鋼絲繩2離開輸入軸1同時在凸輪3的圓弧形繩槽3-1上進行纏繞，最終通過二號鋼絲繩4的拉力拉動凸輪3繞關節(jié)軸5沿逆時針方向轉動(從上往下看)；當電機帶動輸入軸1順時針方向轉動(從輸入軸安裝端看)時，一號鋼絲繩2離開凸輪3上的圓弧形繩槽3-1同時在輸入軸1上進行纏繞，而二號鋼絲繩4離開輸入軸1同時在凸輪3的圓弧形繩槽3-1上進行纏繞，最終通過一號鋼絲繩2的拉力拉動凸輪3繞關節(jié)軸5沿順時針方向轉動(從上往下看)。

結合圖1和圖2說明，一種鋼絲雙向驅動變速比輸出旋轉關節(jié)還包括兩個固定塊7，所述固定塊7上加工有凹槽7-1，兩個所述固定塊7分別安裝在所述凸輪3的遠離所述關節(jié)軸5的一端和所述凸輪3的鄰近所述關節(jié)軸5的一端，所述一號鋼絲繩2的一端固裝在所述凸輪3的遠離所述關節(jié)軸5的一端上設置的所述固定塊7的凹槽7-1內，所述二號鋼絲繩4的一端固裝在所述凸輪3的鄰近所述關節(jié)軸5的一端上設置的所述固定塊7的凹槽7-1內。如此設置，一號鋼絲繩2和二號鋼絲繩4連接可靠，通過頂絲8固定一號鋼絲繩1和二號鋼絲繩4于固定塊7的凹槽7-1內。

結合圖1說明，為了提高傳動效率，方便使用，輸入軸1為階梯軸，所述輸入軸1的小直徑端轉動安裝在所述關節(jié)軸5上，所述輸入軸1的大直徑端轉動安裝在所述支架6上。輸入軸1的小直徑端和大直徑端各自通過軸承安裝在關節(jié)軸5和支架6上，如此設置，使用方便，結構簡單。

結合圖1說明，支架6包括水平板6-1和立板6-2，所述水平板6-1上垂直安裝有一個立板6-2，所述輸入軸1與所述水平板6-1垂直設置且轉動安裝在所述水平板6-1上，所述關節(jié)軸5與所述立板6-2垂直設置且轉動安裝在所述立板6-2上，所述凸輪3布置在所述立板6-2和所述輸入軸1之間。如此設置，直角結構的支架6結構簡單，使用方便可靠，能滿足實際使用需求。

結合圖3說明，與輸入軸1相鄰的所述凸輪3的側面上設置有一條圓弧形凸起3-2，所述圓弧形凸起3-2與所述凸輪3的側面形成圓弧形繩槽3-1，所述圓弧形凸起3-2與所述凸輪3之間具有過渡圓角。如此設置，加工方便，使用便捷，滿足設計要求和實際需要。

工作原理

原理：如圖2說明，當半徑為r的輸入軸1以ω₁勻速轉動時，圓弧形繩槽3-1的曲率半徑為R(θ)的凸輪3的轉速為ω₂。則輸入軸1與圓弧形繩槽3-1的外輪廓上的線速度相等得到：rω₁＝R(θ)ω₂，傳動比：只需合理設計凸輪3的圓弧形繩槽3-1的曲率半徑R(θ)，當電機以恒轉速ω₁輸入時，就可以得到所需的變速關節(jié)輸出ω₂。

本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可以利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術方案范圍。