Кинематическая цепь для передачи механических крутящих моментов

Группа изобретений относится к области машиностроения. Кинематическая цепь (100) содержит первый шкив (110) и второй шкив (120). Кинематическая цепь (100) содержит по меньшей мере один соединительный элемент (130), содержащий по меньшей мере один канал (131), содержащий по меньшей мере один вращающийся элемент (132), указанный или каждый соединительный элемент (130) также содержит по меньшей мере один элемент (135, 136) сопряжения, выполненный с возможностью соединения соединительного элемента (130) со смежным соединительным элементом (130) или со шкивом (110, 120) с образованием ограничения вращения вокруг оси z вращения. Кинематическая цепь (100) также содержит элемент (140) передачи, выполненный с возможностью развертывания вдоль определенного пути для передачи вращательного движения между первым шкивом (110) и вторым шкивом (120). При эксплуатации элемент (140) передачи выполнен с возможностью нахождения в неподвижном контакте с указанным или каждым вращающимся элементом (132) посредством ограничения трения качения с обеспечением возможности моделирования определенного пути в соответствии с заданной геометрией. Также заявлена система для передачи крутящего момента, содержащая две вышеописанные кинематические цепи. Обеспечивается расширение арсенала технических средств. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области кинематических цепей.

В частности, изобретение относится к области передачи крутящих моментов между двумя вращающимися элементами, которые вращаются с осями вращения, имеющими любую относительную ориентацию.

Уровень техники

В области кинематической передачи движения одна из наиболее важных технических задач связана с передачей крутящего момента между вращающимися элементами, которые вращаются на расстоянии друг от друга и имеют оси вращения, не параллельные друг другу.

В этой ситуации по существу невозможно использовать ни традиционные ремни, требующие параллельных друг относительно друга осей вращения, ни шестеренки или ограничения вращения, которые требуют близкого расположения между вращающимися элементами.

Следовательно, для обеспечения такой передачи движения, обычно используют два типа решений.

Первое решение заключается в совместном использовании шкивов, расположенных последовательно вдоль пути между активным вращательным элементом и пассивным вращательным элементом. Движение передают посредством кабелей, обеспечивающих вращение шкивов вследствие трения качения в точках контакта. Таким образом работает, например, канатная дорога. Такая система имеет хорошую эффективность передачи движения и обеспечивает большой диапазон вращения, но является очень жесткой и не адаптируемой к системам, в которых требуется изменение вращающимися элементами ориентации своей собственной оси вращения для адаптации к различным применениям или различным этапам движения.

Второе решение заключается в использовании "троса Боудена", который позволяет передавать как поступательные движения, так и вращательные, и который особенно легко может быть адаптирован для любого пути передачи движения и при любом изменении направления осей вращения. По сравнению с последовательно расположенными шкивами, такое решение, напротив, не допускает большого диапазона вращения, поскольку внутренний кабель выполнен без возможности скольжения за определенные пределы относительно наружной оболочки. Кроме того, пугающее трение между кабелем и оболочкой снижает эффективность передачи движения по сравнению с предыдущим решением.

Следовательно, в известном уровне техники используют один или другой тип решения в зависимости от конкретной потребности, причем оба имеют значительные недостатки.

Например, в области робототехники была бы чрезвычайно полезной система передачи движения, характеризующаяся хорошей эффективностью передачи, хорошей адаптацией к не заданному пути передачи и к не заданной ориентации осей вращения.

В документе US 5447403 описан антропоморфный роботизированный манипулятор, выполненный с возможностью управления оператором в удаленном режиме. В частности, работа пальцев манипулятора обеспечивается посредством множества кабелей и шкивов, которые обеспечивают относительное вращение между фалангами в плоскости сгибания/разгибания, имитируя функцию анатомических сухожилий. Следовательно, в этой системе передача движения между консольными шкивами не является самоцелью, а направлена на изменение положения промежуточных элементов, т.е. фаланг. Кроме того, вращение шкивов, которое обеспечивает возможность передачи движения, происходит вокруг осей, параллельных друг другу и параллельных осям вращения консольных шкивов. Поэтому эта система не позволяет моделировать или закрепить путь, вдоль которого осуществляется передача крутящего момента.

Раскрытие сущности изобретения

Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении кинематической цепи, которая обеспечивает возможность передачи вращательного движения между активным вращающимся элементом и пассивным вращающимся элементом, которые расположены на расстоянии друг от друга и имеют оси с любой относительной ориентацией.

Также задача настоящего изобретения заключается в обеспечении такой кинематической цепи, которая обеспечивает возможность передачи вращательного движения между активным вращающимся элементом и пассивным вращающимся элементом, которые имеют оси вращения с регулируемой ориентацией.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении такой кинематической цепи, которая обеспечивает возможность передачи вращательного движения через элемент передачи, путь которого не является прямым.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении такой кинематической цепи, которая обеспечивает возможность передачи вращательного движения главным образом посредством трения качения.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении такой кинематической цепочки, которая является модульной, универсальной и легковесной, для адаптации к различным применениям.

Эти и другие задачи достигнуты кинематической цепью, содержащей:

- первый шкив, выполненный с возможностью вращения вокруг оси x вращения;

- второй шкив, выполненный с возможностью вращения вокруг оси y вращения;

- по меньшей мере один соединительный элемент, содержащий по меньшей мере один канал, содержащий по меньшей мере один вращающийся элемент, причем указанный или каждый соединительный элемент также содержит по меньшей мере один элемент сопряжения, выполненный с возможностью соединения соединительного элемента со смежным соединительным элементом или со шкивом с образованием ограничения вращения вокруг оси z вращения;

- элемент передачи, выполненный с возможностью развертывания вдоль определенного пути для передачи вращательного движения между первым шкивом и вторым шкивом;

отличающийся тем, что он выполнен с возможностью прохождения между регулирующей конфигурацией, в которой указанный или каждый соединительный элемент выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси z вращения для регулирования своего собственного углового положения относительно смежного соединительного элемента или шкива, и конфигурацией передачи, в которой при вращении первого шкива вокруг его оси x вращения обеспечено пропорциональное вращение второго шкива вокруг его оси у вращения,

и тем, что в конфигурации передачи указанный или каждый соединительный элемент выполнен без возможности вращения вокруг своей оси z вращения.

Предпочтительно в указанной конфигурации передачи элемент передачи выполнен с возможностью нахождения в неподвижном контакте с указанным или каждым вращающимся элементом посредством трения качения для обеспечения возможности моделирования определенного пути в соответствии с заданной геометрией.

В частности, каждая ось z вращения может быть соответствующим образом ориентирована таким образом, чтобы обеспечивать желаемую относительную ориентацию между осью x вращения и осью у вращения.

Настоящее изобретение также обеспечивает передачу механического крутящего момента между двумя шкивами, имеющими любую относительную ориентацию, посредством пути, имеющего заданную геометрию, и с высокой эффективностью, благодаря передаче движения главным образом посредством трения качения.

Предпочтительно положение шкивов может быть слегка смещено для обеспечения предварительного нагружения элемента передачи и его поддержания в постоянном напряжении.

В частности, указанный или каждый соединительный элемент содержит первый элемент сопряжения и второй элемент сопряжения, причем указанный элемент сопряжения содержит в альтернативных вариантах:

- первый выступ;

- первый выступ и второй выступ;

- первый выступ, второй выступ и третий выступ;

- сочетание вышеуказанного;

причем указанные выступы выполнены с возможностью создания ограничений шарнира между соединительным элементом и смежным соединительным элементом или между соединительным элементом и шкивом.

В частности, оси z вращения двух элементов сопряжения не могут быть параллельны друг другу, т.е. находятся под углом или не находятся в одной плоскости для обеспечения большей свободы в геометрии пути, по которому проходит кинематическая цепь.

Предпочтительно элемент передачи представляет собой кабель с круглым поперечным сечением. Кабель может быть либо сплошного сечения (например, нейлоновый провод), либо многожильным (например, совокупность многих кабелей из стали, нейлона и/или в целом каждого типа волокна). Таким образом, обеспечивается хорошая гибкость элемента передачи даже при обеспечении достаточной прочности на растяжение.

В альтернативных вариантах реализации элемент передачи представляет собой плоский ремень или зубчатый ремень.

Зубчатый ремень работает во взаимодействии с входным и выходным шкивами, а плоский ремень работает посредством трения с впускным и выпускным шкивами. По сравнению с кабелем пояс намного прочнее и не проявляет относительного скольжения волокон внутри многожильного кабеля, вызванного тягой.

Предпочтительно канал содержит 3 вращающихся элемента для любой относительной ориентации между двумя смежными соединительными элементами, поддерживающими кабель в постоянном сцеплении с вращающимся элементами.

В частности, указанный или каждый соединительный элемент содержит два канала. Таким образом, элемент передачи выполнен с возможностью скольжения в одном и другом направлении, способствуя передаче крутящего момента при превышении угловыми отклонениями окружности приводного шкива.

Предпочтительно для блокирования относительного положения между двумя смежными соединительными элементами или между соединительным элементом и шкивом предусмотрены блокировочные средства.

В частности, блокировочное средство приводят в действие посредством привода. Такой привод может, например, быть расположен на вращательном соединении между двумя смежными соединительными элементами.

Предпочтительно блокировочное средство содержит соединительные стержни и/или распорки, расположенные с обеспечением предотвращения изменения расстояния между двумя каналами двух смежных соединительных элементов или между соединительным элементом и шкивом.

Согласно другому аспекту изобретения, система содержит по меньшей мере две кинематические цепи в соответствии с настоящим изобретением, в которых первый шкив первой кинематической цепи расположен во вращательном соединении по меньшей мере с одним вторым шкивом второй кинематической цепи.

Таким образом, обеспечивается возможность образования кинематической цепи, которая представляет собой сумму большего количества цепей, расположенных последовательно и/или параллельно друг другу, выполненных с обеспечением передачи вращательного движения от шкива к шкиву и от цепи к цепи.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие характеристики и/или преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны из следующего иллюстративного, но не ограничивающего, описания приведенного в качестве примера варианта его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг. 1А и 1В с разных сторон изображен первый вариант реализации кинематической цепи в соответствии с настоящим изобретением, в котором элемент передачи представляет собой кабель;

На фиг. 2А и 2В с разных сторон изображен второй вариант реализации кинематической цепи в соответствии с настоящим изобретением, в котором элемент передачи представляет собой ремень;

На фиг. 3А и 3В с разных сторон изображен первый вариант реализации соединительного элемента;

На фиг. 4А и 4В с разных сторон изображен второй вариант реализации соединительного элемента;

На фиг. 5А, 5В и 5С изображены три варианта реализации элемента сопряжения соединительного элемента;

На фиг. 6А и 6В изображены два варианта реализации соединительного элемента;

На фиг. 7А и 7В изображены варианты реализации по фиг. 6А и 6В, дополнительно содержащие вращающиеся элементы;

На фиг. 8А и 8В изображен возможный вариант реализации блокировочного средства.

Осуществление изобретения

Со ссылкой на фиг. 1А, 1В, 2А и 2В кинематическая цепь 100 в соответствии с настоящим изобретением содержит первый шкив 110, выполненный с возможностью вращения вокруг оси x вращения, и второй шкив 120, выполненный с возможностью вращения вокруг оси у вращения.

Цепь 100 также содержит множество соединительных элементов 130 и элемент 140 передачи, выполненный с возможностью передачи вращательного движения между первым шкивом 110 и вторым шкивом 120.

Со ссылкой на фиг. 3А и 3В, соединительный элемент 130 содержит два канала 131, каждый из которых содержит вращающийся элемент 132. В частности, при эксплуатации элемент 140 передачи приспособлен для нахождения в неподвижном контакте с вращающимися элементами 132 посредством ограничения трения качения для того, чтобы максимально эффективно передавать вращательное движение.

Кроме того, со ссылкой на фиг. 3А вращающиеся элементы 132 имеют 3 степени свободы относительно элемента 135 и 136 сопряжения соединительного элемента 130. В частности, вращающийся элемент 132, помимо вращения вокруг своей оси u, также выполнен с возможностью вращения вокруг осей ν и w. Это обеспечивает возможность свободного перемещения вращающегося элемента 132 и, следовательно, канала 131 для обеспечения возможности прохождения элемента 140 передачи по определенному пути в соответствии с заданной геометрией без его выведения из контакта с вращающимся элементом 132.

Более конкретно, каждый соединительный элемент 130 содержит два элемента 135 и 136 сопряжения, выполненных с возможностью соединения соседних соединительных элементов 130 друг с другом посредством ограничений вращения, имеющих ось z вращения, которая не обязательно параллельна с указанной осью x вращения или с указанной осью у вращения, В частности, в этом варианте реализации оси z ортогональны осям x и у.

Таким образом, обеспечивается возможность передачи вращательного движения между двумя вращающимися элементами с осями вращения, имеющими любую относительную ориентацию, и по траектории, которая легко адаптируется к различным обременительными требованиям.

Такое решение является особенно преимущественным в области робототехники и, в частности, в применении к носимым экзоскелетам, для которых передача моментов посредством легкого средства передачи, не громоздкого и адаптируемого к сложным траекториям, является первостепенной.

Кроме того, в этом приведенном в качестве примера варианте реализации предусмотрен паз 125 предварительной нагрузки для перемещения шкива 120 для обеспечения предварительной нагрузки элемента передачи и постоянного поддержания его в напряжении.

В частности, на фиг. 1А и 1В изображен первый приведенный в качестве примера вариант реализации кинематической цепи 100, в которой элемент 140 передачи содержит кабель с круглым поперечным сечением. Такое решение обеспечивает большую возможность адаптации траектории элемента 140 передачи, так как он выполнен с возможностью сгибания и закручивания.

Альтернативно, на фиг. 2А и 2В показан второй приведенный в качестве примера вариант реализации, в котором элемент 140 передачи содержит плоской или зубчатый ремень, который имеет большую прочность на растяжение, чем кабель, но обеспечивает меньшую свободу движения кинематической цепи. В этом случае вариант реализации соединительного элемента 130, показанный на фиг. 3А и 3В, является особенно эффективным, так как ремень, имеющий прямоугольное поперечное сечение, является особенно приспособленным к форме вращающегося элемента 132.

Альтернативно, на фиг. 4А и 4В изображен вариант реализации соединительного элемента 130, который особенно подходит для использования кабеля с круглым поперечным сечением в качестве элемента 140 передачи. В этом приведенном в качестве примера варианте реализации предусмотрено по существу 3 вращающихся элемента 132, расположенных под углом 120°, для образования канала 131 между ними, ограничивающего прохождение кабеля 140. Эта конкретная конфигурация обеспечивает значительную свободу движения кабеля 140 относительно соединительного элемента 130, оставаясь при этом в контакте со всеми тремя вращающимися элементами 132. Это позволяет варьировать геометрию пути прохождения кабеля 140, что обеспечивает большую адаптивность кинематической цепи 100.

На фиг. 5А, 5В и 5С изображены три приведенных в качестве примера варианта реализации элементов 135 и 136 сопряжения соединительных элементов 130.

В частности, вариант осуществления на фиг. 5А предусматривает, что элемент 136 сопряжения имеет выступ 136', а элемент 135 сопряжения имеет выступы 135' и 135''. Таким образом, соединение соединительных элементов 130 происходит по траектории, находящейся в плоскости, ортогональной осям z вращения.

Приведенный в качестве примера вариант реализации, показанный на фиг. 5В, предусматривает, что оба элемента 135 и 136 сопряжения имеют два выступа 135', 135'' и 136', 136'', соответственно. Таким образом, соединение соединительных элементов 130 происходит в шахматном порядке, образуя трехмерную кривую, которая может быть адаптирована к желаемому профилю, например, винтовому или спиральному. Такая конфигурация полезна в случае, если, например, цепь 100 должна следовать траектории вокруг роботизированной или человеческой конечности.

В заключение, приведенный в качестве примера вариант реализации, показанный на фиг. 5С, на одной стороне имеет 2 выступа 136' и 136'', а с другой стороны - 3 выступа 135', 135'' и 135''', что в зависимости от необходимости обеспечивает возможность использования конфигураций вариантов реализации, показанных на фиг. 5А и 5В.

На фигурах 6А и 6В изображены два дополнительных приведенных в качестве примера варианта реализации элемента 135 и 136 сопряжения соединительных элементов 130, в которых оси z вращения, соответственно, расположены под углом и не находятся на одной плоскости, в отличие от параллельного расположения, как показано на фиг. 5А, 5В и 5С. Это позволяет дополнительно изменять геометрию кинематической цепи 100 по желанию.

На фиг. 7А и 7В показаны варианты реализации по фиг. 6А и 6В, дополнительно содержащие вращающиеся элементы 132.

Благодаря модульности и универсальности соединительных элементов 130, следовательно, настоящее изобретение обеспечивает кинематическую цепь, выполненную с возможностью передачи крутящего момента таким образом, чтобы обеспечивать высокую возможность адаптации к самым различным условиям затруднений, массы, препятствий и геометрии опоры.

На фиг. 8А и 8В изображен возможный приведенный в качестве примера вариант реализации блокировочного средства 150. В частности, в этом варианте реализации соединительные элементы 130 содержат соединительные стержни и/или распорки 150, доступные до определенной длины вручную или посредством приведения в действие. Такие соединительные стержни и/или распорки приспособлены для удержания этого расстояния неизменным таким образом, чтобы исключать возможность вращения соединительных элементов 130 относительно друг друга в конфигурации передачи и обеспечивать их нахождение в траектории, установленной в регулировочной конфигурации.

Альтернативно, блокировочное средство 150 может содержать болты, выполненные с возможностью блокирования относительного положения между выступами первого соединительного элемента 130 и выступами смежного элемента 130 посредством трения.

Следующее описание некоторых приведенных в качестве примера конкретных вариантов реализации полностью раскрывает настоящее изобретение с принципиальной точки зрения, так что другие специалисты на основе известного уровня техники могут модифицировать и/или адаптировать указанные конкретные приведенные в качестве примера варианты реализации для различных применений без дополнительных исследований и без отклонения от настоящего изобретения и, соответственно, предполагается, что такие адаптации и модификации следует считать эквивалентными конкретным вариантам реализации. Средства и материалы для реализации различных функций, описанных в настоящем документе, могут иметь другую сущность без отклонения от объема изобретения из-за этого. Следует понимать, что формулировка или терминология, используемая в настоящем документе, предназначена для описания, а не ограничения.

1. Кинематическая цепь (100), содержащая:

- первый шкив (110), выполненный с возможностью вращения вокруг оси x вращения;

- второй шкив (120), выполненный с возможностью вращения вокруг оси y вращения;

- по меньшей мере один соединительный элемент (130), содержащий по меньшей мере один канал (131), содержащий по меньшей мере один вращающийся элемент (132), имеющий ось u вращения, указанный или каждый соединительный элемент (130) дополнительно содержит по меньшей мере один элемент (135, 136) сопряжения, выполненный с возможностью соединения указанного или каждого соединительного элемента (130) со смежным соединительным элементом (130) или со шкивом (110, 120) с образованием ограничения вращения вокруг оси z вращения;

- элемент (140) передачи, выполненный с возможностью развертывания вдоль определенного пути для передачи вращательного движения между указанным первым шкивом (110) и указанным вторым шкивом (120), причем указанный элемент (140) передачи выполнен с возможностью прохождения через указанный или каждый канал (131), обуславливая вращение указанного или каждого вращающегося элемента (132) вокруг указанной оси u вращения;

отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью прохождения между регулировочной конфигурацией, в которой указанный или каждый соединительный элемент (130) выполнен с возможностью вращения вокруг указанной оси z вращения для регулирования своего собственного углового положения относительно смежного соединительного элемента (130) или шкива (110, 120), и конфигурации передачи, в которой при вращении указанного первого шкива (110) вокруг указанной оси x вращения обеспечено пропорциональное вращение указанного второго шкива (120) вокруг указанной оси y вращения, и тем, что в указанной конфигурации передачи указанный или каждый соединительный элемент (130) выполнен без возможности вращения вокруг указанной оси z вращения.

2. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой указанная ось u вращения выполнена с возможностью вращения относительно указанной оси z вращения с обеспечением возможности моделирования указанного определенного пути в соответствии с заданной геометрией.

3. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой указанный или каждый соединительный элемент (130) содержит первый элемент (135) сопряжения и второй элемент (136) сопряжения, причем указанный первый и указанный второй элементы (135, 136) сопряжения содержат:

- первый выступ (135', 136'); или

- первый выступ (135', 136') и второй выступ (135'', 136''); или

- первый выступ (135', 136'), второй выступ (135'', 136'') и третий выступ (135''', 136'''); или

- сочетание вышеуказанного;

причем указанные выступы выполнены с возможностью создания ограничений шарнира между указанным соединительным элементом (130) и смежным соединительным элементом (130) или между указанным соединительным элементом (130) и шкивом (110, 120).

4. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой указанный элемент (140) передачи представляет собой кабель с круглым поперечным сечением.

5. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой указанный элемент (140) передачи представляет собой плоский ремень или зубчатый ремень.

6. Кинематическая цепь (100) по п. 3, в которой указанный канал (131) содержит 3 вращающихся элемента (132), выполненных с обеспечением возможности любой относительной ориентации между двумя смежными соединительными элементами (130), поддерживающими указанный кабель (140) в постоянном контакте с указанными вращающимися элементами (132).

7. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой указанный или каждый соединительный элемент (130) содержит два канала (131).

8. Кинематическая цепь (100) по п. 1, в которой предусмотрены блокировочные средства (150), предназначенные для блокировки относительного положения между двумя смежными соединительными элементами (130) или между соединительным элементом (130) и шкивом (110, 120).

9. Кинематическая цепь (100) по п. 7, в которой указанное блокировочное средство (150) приводят в действие посредством привода.

10. Кинематическая цепь (100) по п. 7, в которой указанное блокировочное средство (150) содержит соединительные стержни и/или распорки, выполненные с обеспечением предотвращения изменения расстояния между двумя каналами (131) двух смежных соединительных элементов (130) или между соединительным элементом (130) и шкивом (110, 120).

11. Система для передачи крутящего момента, содержащая по меньшей мере две кинематические цепи (100) по п. 1, в которой первый шкив (110) первой кинематической цепи (100) находится во вращательном соединении по меньшей мере с одним вторым шкивом (120) второй кинематической цепи (100).