CN102029613B - 一种二自由度球关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二自由度球关节，其特点是该球关节由支撑部分、驱动部分、运动复合部分和输出部分构成；支撑部分由轴承支架(4)、导轨支架(6)和防转架(19)通过螺钉与底板(2)连接构成；驱动部分由电机一(1)、电机二(23)通过螺钉与底板(2)连接构成；运动复合部分一通过联轴器一(3)与电机一(1)的输出轴连接；运动复合部分二通过联轴器二(22)与电机二(23)的输出轴连接；输出部分在驱动盘(13)处与运动复合部分连接，输出部分的防转杆(15)与防转架(19)为间隙配合，限定输出轴(14)的自转；该球关节具有结构紧凑、运动空间大、加工成本低等优点，适用于小尺寸机器人上，亦可替代两个转动关节、实现转动的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种二自由度球关节，属于机械领域。它适合替代机器人手臂二自由度转动关节。
背景技术
机器人手臂一般由移动、转动等多个关节组成，具有自由度较多的特点。由两个纯转动关节通过机械结构组合实现两个方向的转动，但结构尺寸较大，不满足微创手术机器人等小尺寸的要求。
球关节可以实现三个方向的转动，具有运动灵活、运动自由度多、结构紧凑等特点，适用于机器人手臂等需要多自由度关节的场合。一般的球关节由球和球窝组成，存在加工困难、对加工设备精度要求很高等缺点；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；一般采用间接驱动方式，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，存在控制复杂等缺点。
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，该关节具有运动灵活、传动刚度大、结构紧凑、控制简单、加工方便等特点。
本发明的目的由以下的技术措施实现：
二自由度球关节由支撑部分、驱动部分、运动复合部分和输出部分构成；支撑部分由轴承支架、导轨支架和防转架通过螺钉与底板上连接构成；驱动部分由电机一、电机二通过螺钉与底板连接构成；运动复合部分一通过联轴器一与电机一的输出轴连接；运动复合部分二通过联轴器二与电机二的输出轴连接；输出部分在驱动盘处与运动复合部分连接，输出部分的防转杆与防转架为间隙配合，限定输出轴的自转；
运动复合部分一的驱动轴通过联轴器一与电机一的输出轴连接，驱动轴通过轴承依靠轴承支架支撑，驱动轴另一端通过芯轴一与连接架连接，连接架与驱动盘为螺钉连接，连杆通过芯轴二与连接架连接，连杆另一端通过芯轴三与传动内盘连接，传动内盘与驱动轴为间隙配合，驱动盘、连接架、连杆、传动内盘和驱动轴构成曲柄滑块机构，电机一通过联轴器一驱动整个曲柄滑块机构转动；
运动复合部分二的丝杠通过联轴器二与电机二的输出轴连接，丝杠的另一端通过螺纹与传动架连接，传动架与传动内盘为间隙配合，并通过螺母进行轴向定位，传动架的另一端与导轨为间隙配合，电机二通过联轴器二驱动丝杠转动，利用螺纹传动带动传动架沿导轨做直线运动；
输出部分的输出轴与驱动盘为间隙配合，通过端盖进行轴向定位，防转杆与输出轴为销连接，防转杆的另一端与防转架为间隙配合，用以限定输出轴的自转。
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、电机一和电机二的运动同时作用到传动内盘上，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轴按要求的角度和速度偏转，且互不干涉；
3、驱动盘、连接架、连杆、传动内盘和驱动轴构成一个曲柄滑块机构，使传动机构具有很高的刚度；并且驱动盘沿驱动轴的轴线旋转调节传动内盘的方位、驱动盘充当曲柄绕芯轴一摆动，两个运动形式都是通过曲柄滑块机构传递动力，因此机构紧凑、简单。
附图说明
图1为二自由度球关节结构示意图。
图2为电机一的传动示意图。
图3为电机二的传动示意图。
图4为输出轴驱动示意图。
图5为输出轴连接剖视图。
在图1到图5中：1.电机一，2.底板，3.联轴器一，4.轴承支架，5.驱动轴，6.导轨支架，7.螺母，8.传动架，9.传动内盘，10.导轨，11.连杆，12.连接架，13.驱动盘，14.输出轴，15.防转杆，16.端盖，17.芯轴一，18.芯轴二，19.防转架，20.芯轴三，21.丝杠，22.联轴器二，23.电机二.
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，电机一1、电机二23、轴承支架4、导轨支架6和防转架19均通过螺钉与底板2连接；电机一1的输出轴通过联轴器一3与驱动轴5连接，驱动轴5通过轴承依靠轴承支架4支撑，驱动轴5的另一端通过芯轴一17与连接架12连接，连接架12通过螺钉与驱动盘13连接，连杆11通过芯轴二18与连接架12连接，连杆11的另一端通过芯轴三20与传动内盘9连接，传动内盘9与驱动轴5为间隙配合；电机二23的输出轴通过联轴器二22与丝杠21连接，丝杠21与传动架8为螺纹连接，传动架8与传动内盘9为间隙配合、通过螺母7进行轴向定位，传动架8与导轨10为间隙配合；输出轴14与驱动盘13为间隙配合，通过端盖16进行轴向定位，防转杆15通过销与输出轴14连接，防转杆15在防转架19的条形孔中移动。
电机一1的传动原理如图2所示，电机一1的输出轴通过联轴器一3与驱动轴5连接，驱动轴5的另一端通过芯轴一17与连接架12连接，连接架12通过螺钉与驱动盘13连接，连杆11通过芯轴二18与连接架12连接，连杆11的另一端通过芯轴三20与传动内盘9连接，传动内盘9与驱动轴3为间隙配合；电机一1的输出扭矩通过联轴器3传递到驱动轴5上，驱动轴5通过芯轴一17带动驱动盘13及连接架12一起旋转，连接架12通过芯轴二18带动连杆11一起转动，连杆11通过芯轴三20驱动传动内盘9一起同步转动；电机一1的旋转实现驱动盘13、连接架12、连杆11、传动内盘9等的一起转动，实现方位的调节。
电机二23的传动原理如图3所示，电机二23的输出轴通过联轴器二22与丝杠21连接，丝杠21与传动架8为螺纹连接，传动架8与传动内盘9为间隙配合，通过螺母7进行轴向定位，传动架8与导轨10为间隙配合；电机二23的扭矩通过联轴器二22传递到丝杠21上，丝杠21通过螺纹带动传动架8沿导轨10来回移动，依靠螺母7进行轴向定位，传动架8驱动传动内盘9同步的沿驱动轴5来回移动，传动内盘9通过芯轴三20带动连杆11移动，连杆11通过芯轴二18带动连接架12、驱动盘13整体沿着芯轴一17的轴线转动，实现驱动盘13的偏转。
电机一1控制驱动盘13沿驱动轴5的轴线旋转，调节方位；电机二23控制驱动盘13沿芯轴一17偏转；两个电机的综合作用实现驱动盘13在两个垂直方向上的转动。
驱动盘13与输出轴14的连接如图4、图5所示，输出轴14与驱动盘13之间为间隙配合，依靠端盖16进行轴向定位，端盖16与驱动盘13通过螺钉连接，实现同步运动，防转杆15通过销与输出轴14连接，防转杆15的另一端限位在防转架19的条形孔中；依靠防转杆15的限位，防止输出轴14绕自身轴线的转动；则依靠驱动盘13的作用，输出轴14与驱动盘13一起做同步的两个方向的转动，实现二自由度的效果。
Claims (1)
1.一种二自由度球关节，其特征在于：该关节由支撑部分、驱动部分、运动复合部分和输出部分构成；支撑部分由轴承支架(4)、导轨支架(6)和防转架(19)通过螺钉与底板(2)连接构成；驱动部分由电机一(1)、电机二(23)通过螺钉与底板(2)连接构成；运动复合部分一通过联轴器一(3)与电机一(1)的输出轴连接；运动复合部分`二通过联轴器二(22)与电机二(23)的输出轴连接；输出部分在驱动盘(13)处与运动复合部分连接，输出部分的防转杆(15)与防转架(19)为间隙配合，限定输出轴(14)的自转；
其中，运动复合部分一的驱动轴(5)通过联轴器一(3)与电机一(1)的输出轴连接，驱动轴(5)通过轴承依靠轴承支架(4)支撑，驱动轴(5)另一端通过芯轴一(17)与连接架(12)连接，连接架(12)与驱动盘(13)为螺钉连接，连杆(11)通过芯轴二(18)与连接架(12)连接，连杆(11)另一端通过芯轴三(20)与传动内盘(9)连接，传动内盘(9)与驱动轴(5)为间隙配合，驱动盘(13)、连接架(12)、连杆(11)、传动内盘(9)和驱动轴(5)构成曲柄滑块机构，电机一(1)通过联轴器一(3)驱动整个曲柄滑块机构转动；
运动复合部分二的丝杠(21)通过联轴器二(22)与电机二(23)的输出轴连接，丝杠(21)的另一端通过螺纹与传动架(8)连接，传动架(8)与传动内盘(9)为间隙配合，通过螺母(7)进行轴向定位，传动架(8)的另一端与导轨(10)为间隙配合，电机二(23)通过联轴器二(22)驱动丝杠(21)转动，利用螺纹传动带动传动架(8)沿导轨(10)做直线运动；
输出部分的输出轴(14)与驱动盘(13)为间隙配合，通过端盖(16)进行轴向定位，防转杆(15)与输出轴(14)为销连接，防转杆(15)的另一端与防转架(19)为间隙配合，以限定输出轴(14)的自转。
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