传动带接头结构及相关设备

技术领域

本发明涉及机械传动领域，更具体涉及手术机器人的机械臂的传动结构。

背景技术

在手术机器人领域一般用钢带连接机器人手臂杆件两端的带轮，实现动力的传输和机械结构的配合关系，钢带接头是将钢带耦合到带轮上的关键结构，其作用形式关系到钢带的寿命和结构的紧凑程度。

现有的钢带接头结构，一般是将钢带通过螺栓等形式与带轮连接。如可将钢带焊接到一个钢块制作的钢带接头上，并将该钢带接头塞入带轮上设置的容纳槽内，通过钢带受力张紧时，钢带接头卡在槽中无法移动，或者继续加入螺栓连接压紧，保证其无法移动。

上述方案的缺点是，1)带与接头之间的焊缝以受剪切力为主，而焊缝受剪切力的屈服极限远小于受拉力或受压力，故而用剪切受力的方式比拉的形式更容易发生断裂的情况；2)钢带与钢带接头经过焊接，其焊缝处的屈服应力极限下降，一般下降到80～90％之间，这会使得接头处容易断裂；3)为了解决由于焊接引起的局部应力下降及剪切应力极限的问题，通常将带在带轮上多绕一些角度，通过钢带和带轮之间的摩擦力，降低对钢带接头焊缝的剪切拉力，确保钢带安全，但此种方式会过多占用带轮的空间；4)为了确保焊接可靠，一般需要保证焊缝长度和多条焊缝共同分担剪切力，这样就导致钢带接头的长度较长，占用了一定的空间，而在一些应用场合，留给钢带接头的空间很有限；5)钢带接头与钢带焊接的工艺比较复杂，一般的医疗应用领域为了提高钢带的疲劳寿命，多层钢带非常常见，多层钢带焊接时需要对钢带进行均匀的预紧，并缠绕在带轮焊接治具上，整体的焊接工艺较为复杂。

针对上述现状，有必要提出一种新的带接头结构及相关设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传动带接头结构、利用传动带与带轮传动的机械臂及机器人，具有传动带接头结构简单合理，能减少传动带接头焊缝并改善焊缝处受力，传动带不易断裂，传动带与带轮连接占用空间小，且加工工艺简单等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种传动带接头结构，包括：

型芯，所述型芯包括端部和较所述端部小的颈部；传动带，所述传动带连接在所述型芯上；以及，

带轮，所述带轮包括型芯槽，所述型芯槽包括腹部和较所述腹部小的口部，所述型芯容置在所述型芯槽内，所述端部置于所述腹部，所述颈部置于所述口部，所述端部截面尺寸大于所述口部截面尺寸，所述传动带从所述口部伸出所述型芯槽。

优选地，所述端部和所述腹部后段呈圆弧形。

优选地，所述颈部和所述口部前段呈尖角形。

优选地，所述颈部两侧面形成10-60°夹角α。

优选地，所述传动带包裹所述型芯，所述型芯截面尺寸比所述型芯槽小，所述传动带与所述型芯一起容置在所述型芯槽内。

优选地，所述传动带为钢带，所述型芯与所述钢带固定连接，所述固定连接的工艺为焊接、胶接、通过挤压模具对钢带进行一次性挤压中的一种或多种。

优选地，所述型芯的颈部中间设置传动带槽，所述传动带连接在所述传动带槽内。

本发明还提供一种利用传动带与带轮连接传动的机械臂，所述传动带与所述带轮之间通过本发明提供的上述传动带接头结构连接。

优选地，所述带轮为两侧奇对称结构，两侧分别具有一个所述型芯槽，所述型芯槽内均分别设置所述型芯及所述传动带。

优选地，所述传动带数量为一根，所述传动带的一端连接所述型芯后容置在所述带轮一侧的型芯槽内，所述传动带的另一端连接所述型芯后容置在所述带轮另一侧的型芯槽内，所述传动带的中部连接在所述机械臂的另一端；或者所述传动带数量为至少两根，两根所述传动带各至少有一端连接所述型芯后分别容置在所述带轮两侧的所述型芯槽内，两根所述传动带的另一端连接在所述机械臂的另一端。

此外，为了增加强度，传动带可多根叠加使用，如2根传动带缠绕到型芯上后得到层叠的四层结构的厚度；或在型芯的颈部中间同时连接2-4根传动带。

本发明还提供一种机器人，所述机器人具有本发明提供的上述传动带接头结构，或者具有本发明提供的上述利用传动带与带轮连接传动的机械臂。

与相关技术相比，本发明的传动带接头结构及相关设备中，设置一个端部膨大的型芯，对应地，在带轮上设置一个腹大口小的型芯槽，型芯槽与型芯形状相匹配，在传动带连接到型芯上后，直接将型芯塞到型芯槽内，即可实现传动带卡接在带轮上的目的，转动传动带时，即会带动带轮跟随转动，从而实现传动。通过型芯槽两侧的挤压力挤压传动带，从而产生较大的摩擦力，可避免传动带接头结构受到过大的拉力，从而可使传动带接头结构小型化，节省更多空间；上述结构使得传动带接头结构免于焊接或者少量焊接，从而避免或者减少了焊接引起的应力或者变形，提了高可靠性，而且传动带的受力为拉应力为主，而拉应力极限远高于剪切应力极限，从而提高了传动带的承载力和使用寿命。传动带可有小范围的滑移，从而充分释放传动带的内应力，进一步提高传动带的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1型芯结构示意图；

图2是本发明实施例1型芯与一根传动带连接结构示意图；

图3是本发明实施例1型芯与多根传动带连接结构示意图；

图4是本发明带轮结构示意图；

图5是本发明实施例1接头连接结构方式1平面图；

图6是本发明实施例1接头连接结构方式2立体图；

图7是本发明实施例1接头I处受力结构示意图；

图8是本发明实施例2型芯结构示意图；

图9是本发明实施例2型芯与传动带连接结构示意图；

图10应用本发明实施例1连接被驱动单元的结构示意图；

图11应用本发明实施例1连接的一种机械臂的结构示意图。

附图标记说明：

型芯1、端部11、颈部12、传动带2、第一传动带21、第二传动带22、带轮3、型芯槽31、腹部311、口部312、传动带槽121、被驱动单元4、驱动单元5。

具体实施方式

在下面的说明书中，参考示出本发明的几个实施例。应当理解，可以利用其它实施例，并且在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以进行机械成分、结构、电气以及操作的改变。下面的详细说明书不应被视为是限制意义的，并且本发明的实施例的范围仅由授予专利权的权利要求限定。

本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。例如，“耦接”可以被广义地理解为其中两个或更多物体以一种方式被连接的任何事件，该方式允许耦接的物体彼此在一起进行操作，使得物体之间没有过大的移动，应当指出的是，耦接不需要直接连接，而是许多物体或部件可以用来耦接两个或更多物体，本说明书和权利要求书，术语“耦接”、“连接”或“接合”可以互换地使用。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

结合参照附图1-7，本发明提供一种传动带接头结构，包括型芯1、传动带2以及带轮3。

如附图1所示，型芯1包括一个较大的端部11和一个相对端部11较小的颈部12，需要注意的是，型芯1是针对本发明传动带接头结构设计的专属部件或部位，型芯1、端部11和颈部12等术语，均可不限定具体形状，只要满足对应的大小关系即可。

如附图2所示，传动带2连接在型芯1上，在本实施例中，传动带2优选钢带，也可以采用其他带或绳，例如皮带是常见的传动带形式之一，可以替代钢带，在本实施例中，传动带2采用的一种具体连接方式为，使用一根传动带2绕过型芯1的端部11，传动带2的中部将型芯1包裹，传动带2的两端同步沿颈部12贴合后继续向外延伸，但不限于此，本发明不限定传动带2与型芯1的具体连接方式，例如可以是，传动带2耦接在型芯1上，或者型芯1与传动带2一体成型等。

此外，如附图3所示，为了增加强度，传动带2可多根叠加使用，如2根传动带2缠绕到型芯1上后得到层叠的四层结构的厚度，具体使用传动带2叠加的根数根据强度要求设计即可，在此不做限制。

如附图4所示，带轮3上设置型芯槽31，型芯槽31的形状与型芯1的形状匹配，具体是包括较大的腹部311和相对腹部311较小的口部312，带轮3上的型芯槽31是针对本发明传动带接头结构特定设计的，在形状结构上只需满足作为与型芯1或型芯1和传动带2组成的接头实现对应连接接口的功能要求即可，对型芯槽31、腹部311和颈部312等均可不限定具体形状，带轮3的其他部位和结构设计既可与现有技术相同，亦可与现有技术不同，其他部位和结构设计并不影响本发明目的的实现和技术方案的实施，所以在本发明中不做限定。

如附图5和6所示，型芯1和所述传动带2组成的接头与带轮3的连接方式为，型芯1容置在型芯槽31内，端部11置于腹部311，颈部12置于口部312，端部11截面尺寸大于口部312截面尺寸，传动带2从口部312伸出型芯槽31。

本实施例的核心技术方案是，设置一个端部11膨大的型芯1，对应地，在带轮3上设置一个腹大口小的型芯槽31，型芯槽31与型芯1形状相匹配，在传动带2连接到型芯1上后，直接将型芯1塞到型芯槽31内，即可实现传动带2接头卡接在带轮3上的目的，转动传动带2时，即会带动带轮3跟随转动，从而实现传动。

具体在本实施方式中，型芯1和型芯槽31均总体呈水滴形，具体是端部11和腹部311后段呈圆弧形，颈部12和口部312前段呈尖角形，端部11与颈部12连接处光滑过渡，腹部311与口部312连接处光滑过渡，且此处所述的尖角形不应狭义地理解为前端相交的三角形，也可以是向前方逐渐缩小的梯形或类似结构，只要其自身或其延长线在前方可以相交于一个点，即可实现本发明的技术目的，在该具体实施例中，型芯1整体呈水滴形，型芯槽31亦对应地呈水滴形容置槽，通过水滴形的尖端伸出传动带2，而水滴形后段圆弧形在拉紧后卡紧在水滴形尖端后，从而其连接结构简单合理、安装便捷、且卡接效果好。

具体在本实施方式中，如附图7所示，为附图5中I处放大图(附图7中简化了线条，以使表示更清楚明确)，该处的受力情况是，颈部12两侧面形成10-60°夹角α。通过夹角α设计，传动带2受到拉力时，型芯1的端部11卡紧在型芯槽31的口部312之内，在传动带2实现预紧以后，型芯1的颈部12两侧面与带轮3型芯槽31的口部312内侧面形成挤压效应，带轮3与型芯1的挤压力产生的摩擦将传动带2紧紧压住不动，从而减少传动带2接头段受到的拉力，通过颈部12的尖角形结构设计夹角α即可实现该功能，夹角α是指沿型芯1的颈部12两侧面所成的夹角，口部312对颈部12的挤压力方向也与夹角α对应，从而可对传动带接头进行小型化设计，节省更多空间，传动带2与带轮3连接占用空间小，进而便于相应传动系统或者对应结构的小型化。

具体在本实施方式中，传动带2包裹型芯1，型芯1截面尺寸比型芯槽31小，传动带2与型芯1一起容置在型芯槽31内。通过直接将传动带2包裹在型芯1外，型芯1上下表面均被传动带2包裹覆盖，将其置于所述型芯槽31内时，传动带2一起被置入，传动带2的受力以拉应力为主，而拉应力极限远高于剪切应力极限，从而提高了传动带2的承载能力，该传动带接头结构能改善接头处受力，传动带2不易断裂，且传动带2可在型芯槽31内有小范围的滑移，从而充分释放传动带2的内应力，进一步提高传动带2的使用寿命。

具体在本实施方式中，传动带2为钢带，型芯1与钢带固定连接，固定连接的工艺为焊接、胶接、通过挤压模具对钢带进行一次性挤压中的一种或多种。该方式可以使钢带顺畅无缝隙地贴在型芯侧表面，使钢带接头免于焊接或者少量焊接，从而避免或者减少了焊接引起的应力或者变形，且加工工艺简单。

实施例2

如附图8-9所示，实施例2是在实施例1基础上的改进，与实施例1的不同，首先是改变型芯1的结构，将型芯1的颈部12中间挖空形成传动带槽121，将传动带2固定连接在传动带槽121内，仍然将其塞入实施例1所述的带轮3中，所述传动带2受到拉力时，型芯1的端部11卡紧在型芯槽31的口部312之内，所述型芯1的颈部12两侧面形成一定的夹角α(附图8-9中未示出，与实施例1相似，是颈部12外侧面之间的夹角)，如10-60°的夹角，在传动带2实现预紧以后，型芯1两侧面与带轮3型芯槽31的内侧面形成挤压效应，与带轮3的挤压力将传动带2两侧的颈部1压紧，产生的摩擦将钢带2紧紧压住不动，从而减少传动带2接头段受到的拉力，本实施例的型芯1端部11与颈部12满足对应的大小关系，颈部12也呈向外逐渐收缩的形状，满足这两个条件就可以实现本发明的技术目的，另外，在型芯1的颈部12中间连接1根传动带2就可实现本发明目的，为了增加强度，传动带2可多根叠加使用，例如在型芯1的颈部12中间可以同时连接2-4根传动带2，在此不做限制，本实施例其他技术实现方案及效果均可与实施例1相同或相似，在此不再赘述。

如附图10和11所示，本发明还提供一种利用传动带2与带轮3连接传动的机械臂，传动带1与带轮3之间通过本发明提供的上述传动带接头结构连接。

更进一步而言，如附图5和6所示的结构，在应用于医疗器械手术机器人的机械臂时，带轮3沿其自身的竖向中心轴线L为两侧奇对称结构，两侧分别具有一个型芯槽31，型芯槽31内均分别设置型芯1及传动带2，两侧连接传动带接头的结构和方式相同，均采用型芯1与型芯槽31相匹配的结构，传动带2在完成接头处的连接后，分别从带轮3的左右两侧沿带轮3的型芯槽31外的圆弧型轮部延伸至带轮3之外，从而提供一种机械臂的一端完整的带轮3与传动带2连接结构，通过在带轮3两侧奇对称设置型芯槽31，在两侧的型芯槽31内均各自连接型芯1与传动带2的组合，从而实现传动带2带动带轮3正反转动，当将该结构连接附图10所示的被驱动单元4时，带轮3进而带动被驱动单元4动作，关于带轮3的圆弧形轮部及其他结构特征，均可以采用现有带轮3的结构实现，例如连接驱动现有手术机器人的末端组件的带轮结构，也可以在现有结构的基础上有所变化，只要能满足带轮3的功能要求，并不影响本发明的实施。

更进一步而言，传动带2的设置方式至少可以包括两种，其一是如附图5标记所示，传动带2数量为一根，传动带2的一端连接型芯1后容置在带轮3一侧的型芯槽31内，传动带2的另一端连接型芯1后容置在带轮3另一侧的型芯槽31内，传动带2的中部连接在机械臂的另一端(如附图11中驱动单元5与带轮3连接的臂的另一端)，传动带2的中部可以绕在另外结构的带轮上，也可以是其他的方式，在此不做限定；其二是传动带2可以为多根，如附图6标记所示，传动带2数量为两根，分别为第一传动带21和第二传动带22，两根传动带2各至少有一端连接型芯1后分别容置在带轮3两侧的型芯槽31内，两根传动带2的另一端连接在机械臂的另一端(如附图11中驱动单元5与带轮3连接的臂的另一端)，另一端的连接结构可以相同，也可以不同，对本发明亦不构成限制。

本发明还提供一种机器人，该机器人具有本发明提供的上述传动带接头结构，或者具有本发明提供的上述利用传动带与带轮连接传动的机械臂。具体地，该机器人通过所述传动带2与带轮3的接头结构实现对手术机器人的机械臂末端组件的传动控制(参见附图10和11所示)，以实现操作该机械臂末端组件进行手术的目的。

由于上述机械臂和机器人采用了上述传动带接头结构实施例的全部技术方案，因此至少具有上述传动带接头结构实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

另外，本发明的实施例虽然以应用于医疗器械手术机器人的机械臂为说明对象，但本领域技术人员应该明了，这并不是本发明的唯一应用场景，本发明可广泛地应用于机械传动领域。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。