CN101486193A - 一种二自由度球关节驱动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二自由度球关节驱动机构，该驱动机构由驱动部分、运动复合机构、传动机构和运动输出臂四大部分构成，驱动部分包括两个电机，电机一(18)和电机二(24)固定在同一电机支架(17)上；运动复合机构连接在电机一(18)和电机二(24)的输出轴上；传动机构通过三根刚性的传动杆(22)将运动复合机构的拉动盘(1)与运动输出臂(21)连接，运动输出臂(21)安装在球关节支架(20)上，运动输出臂(21)的端面设有大球窝，球关节支架(20)上的球形端放在大球窝内。本发明实现了上下、左右两个自由度方向的关节运动，具有运动灵活、传动刚度大、控制简单、加工方便等特点。

Description

一种二自由度球关节驱动机构
技术领域
本发明涉及一种二自由度球关节驱动机构，属于机械领域。它是一种适用于机器人“手臂”二自由度关节的机构。
背景技术
球关节可以实现三个方向的转动，具有运动灵活、运动自由度大的特点，适用于机器人“手臂”等需要多自由度关节的场合。球关节由球和球窝组成，在通常情况下要使球关节能够承受各个方向的力，球窝的包角必须大于球半径，这就限制了上下、左右两个方向上的偏转角度；并且球关节没有用来传递电机转矩的固定轴，不能使用电机直接驱动。
为解决球关节存在的这些弊端，现在采用的方式主要有：
1、使用类似的关节结构代替球关节，如用气动控制的可伸缩橡胶构成的球关节，这种结构可使球关节驱动简单，但由于采用气动控制，球关节运动精度低、可控性差，使用范围受到限制；
2、采用间接驱动方式，如用钢丝绳驱动，可以远距离的传递运动，钢丝有很大的柔性可以将驱动电机等安装在远离关节的位置，但钢丝驱动球关节时需增加冗余自由度，驱动自由度为n+1，完成二自由度的驱动需要三根钢丝和三个电机，三个电机需要同时运动，控制复杂；
3、采用其它滑动关节代替球关节，如采用圆弧形导轨，可以达到球关节的运动效果，但圆弧形导轨设计复杂，加工设备的精度要求很高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种二自由度球关节驱动机构，该机构具有运动灵活、传动刚度大、控制简单、加工方便等特点。
本发明的目的由以下技术实现：
二自由度球关节驱动机构
二自由度球关节驱动机构由驱动部分、运动复合机构、传动机构和运动输出臂构成，驱动部分包括两个电机，电机一和电机二固定在同一电机支架上；运动复合机构连接在电机一和电机二的输出轴上；传动机构通过三根刚性连杆将运动复合机构的拉动盘和运动输出臂连接；运动输出臂安装在球关节支架上；运动输出臂的端面设有大球窝，球关节支架上的球形端放在大球窝内。
运动复合机构中将电机一的输出轴用联轴器一与驱动轴连接，驱动轴的末端用芯轴二与驱动盘连接；将电机二的输出轴用联轴器二与丝杠连接，丝杠末端用丝杠顶尖和丝杠支架支撑，丝杠带动传动架作直线运动，传动架与传动盘连接，传动盘安装在驱动轴上，传动盘通过连杆与驱动盘连接；拉动盘安装在驱动盘上，并用防转架限制拉动盘不随驱动盘转动。
运动复合机构的传动盘通过连杆和驱动盘连接构成曲柄滑块机构，运动复合机构的传动盘沿驱动轴轴向滑动，并随驱动轴转动。
运动复合机构的拉动盘和运动输出臂分别对应设有三个小球窝，三根刚性连杆的两端安装的有支撑球放入小球窝内。
运动复合机构的传动架一侧由丝杠支撑并传递动力；另一侧由圆形导轨支撑，导轨安装在导轨支架上，导轨支架、电机支架、丝杠支架和球关节支架均安装在底板上，传动架与传动盘连接，传动盘在传动架的安装孔内自由转动，传动盘一端为台阶，另一端为挡圈，传递传动架的直线运动。
本发明具有如下的优点：
1、电机一和电机二同时安装在一个电机支架上，远离运动关节处，实现远距离的传动，并且运动输出臂上不会有电机重量造成的负载；
2、运动复合机构将电机一和电机二的转动同时作用到驱动盘上，在控制过程中只需控制两个电机的转动角度和速度就可以使运动输出臂按要求角度和速度偏转，且互不干涉；
3、拉动盘与运动输出臂有三根刚性杆连接，互成120°，在传动过程中只受拉力，使传动机构具有很高的刚度；
4、运动输出臂采用球关节支撑，靠三根刚性杆的拉力紧紧贴合在球面上，采用较小的球窝包角，增大球关节偏转角度。
附图说明
图1为二自由度驱动机构结构示意图
图2为运动复合机构示意图
图3为运动复合机构前视图
图4为运动复合机构A-A剖面图
图5为传动机构和运动输出臂仰视图
图6为传动机构和运动输出臂B-B剖面图
其中：1.拉动盘，2.驱动盘，3.驱动轴，4.芯轴一，5.连杆头，6.连杆，7.传动盘，8.传动架，9.防转架，10.连轴器一，11.导轨支架，12.丝杠支架，13.导轨，14.丝杠顶尖，15.丝杠，16联轴器二，17.电机支架，18.电机，19.底板，20球关节支架，21.运动输出臂，22.刚性连杆，23.支撑球，24.电机二，25.芯轴二，26.挡圈。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是：本实施例只用于对发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例
本发明的结构如图1所示，包括驱动部分、运动复合机构、传动机构和运动输出臂四大部分。驱动部分包括两个电机，电机一18和电机二24固定在同一电机支架17上，电机可以采用伺服电机，也可以采用步进电机；运动复合机构连接在电机一18和电机二24的输出轴上；传动机构通过三根刚性连杆22将运动复合机构的拉动盘1和运动输出臂21连接；运动输出臂21安装在球关节支架20上；运动输出臂21的端面设有大球窝，球关节支架20上的球形端放在大球窝内。
运动复合机构如图2、3、4所示，运动复合机构的电机一18的输出轴用联轴器一10与驱动轴3连接，驱动轴3的末端用芯轴二25与驱动盘2连接；电机二24的输出轴用联轴器二16与丝杠15连接，丝杠15末端用丝杠顶尖14和丝杠支架12支撑，丝杠15带动传动架8作直线运动，传动架8与传动盘7连接，传动盘7安装在驱动轴3上，传动盘7可沿驱动轴3轴向滑动，并随驱动轴3转动，传动盘7通过连杆6与驱动盘2连接；拉动盘1安装在驱动盘2上，并用防转架9限制拉动盘1不随驱动盘2转动。传动架8一侧由丝杠15支撑并传递动力；另一侧由圆形导轨13支撑，导轨13安装在导轨支架11上，导轨支架11、电机支架17、丝杠支架12和球关节支架20均安装在底板19上，传动架8与传动盘7连接，传动盘7在传动架8的安装孔内自由转动；传动盘7一端为台阶，另一端为挡圈26，传递传动架8的直线运动。
传动机构和运动输出臂如图5、6所示，传动机构由拉动盘1和运动输出臂21通过三根刚性连杆22连接构成，拉动盘1和运动输出臂21上分别对应设有三个小球窝，三根刚性连杆22的两端有支撑球23，支撑球则安装在小球窝内。运动输出臂21安装在球关节支架20上，运动输出臂21的端面设有大球窝，球关节支架20上的球形端放在大球窝内。二自由度驱动机构是这样实现的：电机一18通过联轴器一10和驱动轴3带动驱动盘2转动。电机二24通过联轴器二16带动丝杠15转动，丝杠15带动传动架8作直线运动；传动架8再将直线运动传递到传动盘7上，传动盘7通过连杆6拉动驱动盘2，实现驱动盘2绕芯轴二25的转动。拉动盘1随驱动盘2同时偏转，并通过三根刚性连杆22将偏转传递到运动输出臂21上。电机一18带动驱动盘2转动0°，电机二24带动驱动盘2转动时，运动输出臂21向上偏转；电机一18带动驱动盘2转动90°，电机二24带动驱动盘2转动时，运动输出臂21向左偏转；电机一18带动驱动盘2转动180°，电机二24带动驱动盘2转动时，运动输出臂21向下偏转；电机一18带动驱动盘2转动270°，电机二24带动驱动盘2转动时，运动输出臂21向左偏转；电机一18带动驱动盘2转动到其它角度，电机二24带动驱动盘转动时，运动输出臂21的偏转角度为该上下、左右两个自由度方向上的复合转动。

Claims (5)

1、一种二自由度球关节驱动机构，其特征在于：该驱动机构由驱动部分、运动复合机构、传动机构和运动输出臂四大部分构成，驱动部分包括两个电机，电机一(18)和电机二(24)固定在同一电机支架(17)上；运动复合机构连接在电机一(18)和电机二(24)的输出轴上；传动机构通过三根刚性连杆(22)将运动复合机构的拉动盘(1)和运动输出臂(21)连接；运动输出臂(21)安装在球关节支架(20)上；运动输出臂(21)的端面设有大球窝，球关节支架(20)上的球形端放在大球窝内。
2、根据权利要求1所述二自由度球关节驱动机构，其特征在于：运动复合机构中将电机一(18)的输出轴用联轴器一(10)与驱动轴(3)连接，驱动轴(3)的末端用芯轴二(25)与驱动盘(2)连接；将电机二(24)的输出轴用联轴器二(16)与丝杠(15)连接，丝杠(15)末端用丝杠顶尖(14)和丝杠支架(12)支撑，丝杠(15)带动传动架(8)作直线运动，传动架(8)与传动盘(7)连接，传动盘(7)安装在驱动轴(3)上，传动盘(7)通过连杆(6)与驱动盘(2)连接；拉动盘(1)安装在驱动盘(2)上，并用防转架(9)限制拉动盘(1)不随驱动盘(2)转动。
3、根据权利要求1或2所述二自由度球关节驱动机构，其特征在于：运动复合机构的传动盘(7)通过连杆(6)和驱动盘(2)连接构成曲柄滑块机构，运动复合机构的传动盘(7)沿驱动轴(3)轴向滑动，并随驱动轴(3)转动。
4、根据权利要求1所述二自由度球关节驱动机构，其特征在于：运动复合机构的拉动盘(1)和运动输出臂(21)分别对应设有三个小球窝，三根刚性连杆(22)的两端安装的支撑球(23)放入小球窝内。
5、根据权利要求1所述二自由度球关节驱动机构，其特征在于：运动复合机构的传动架(8)一侧由丝杠(15)支撑并传递动力；另一侧由圆形导轨(13)支撑，导轨(13)安装在导轨支架(11)上，导轨支架(11)、电机支架(17)、防转架(9)、丝杠支架(12)和球关节支架(20)均安装在底板(19)上，传动架(8)与传动盘(7)连接，传动盘(7)在传动架(8)的安装孔内自由转动；传动盘(7)一端为台阶，另一端为挡圈(26)，传递传动架(8)的直线运动。
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