CN104440869A - 三自由度并联差分式机器人关节 - Google Patents

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Abstract

三自由度并联差分式机器人关节，它涉及一种三自由度机器人关节，以解决现有三自由度机器人关节运动精度差的问题。法兰盘设置在壳体的底部，内圈电机、中圈电机和外圈电机沿同一圆周均布设置在法兰盘的上端面上，内圈直齿轮与内圈传动齿轮啮合，中圈直齿轮与中圈传动齿轮啮合，外圈直齿轮与外圈传动齿轮啮合，后连接架固装在外圈齿轮轴筒上，前连接架与后连接架通过中心轴连接，轴上小锥齿轮与内圈锥齿轮啮合，轴上大锥齿轮与中圈锥齿轮啮合，前小锥齿轮与轴上小锥齿轮啮合，前大锥齿轮与轴上大锥齿轮啮合，外套垂直前大锥齿轮的上端面设置，且外套与前大锥齿轮焊接在一起，连接套通过滚针轴承套装在外套上。本发明用于机器人上。

Description

三自由度并联差分式机器人关节
技术领域
本发明涉及一种三自由度机器人关节，具体涉及一种三自由度并联差分式机器人关节。
背景技术
目前，对于仿人机械人来讲，关节的设计是至关重要的，像肩关节、腕关节都是三自由度的关节。目前的已有的三自由度关节设计大多是以串联结构设计为主，这种结构运动精度差，而且每个自由度都由单独电机驱动，使得电机负担大，从而机器人的尺寸增加。而现有的并联结构，多为连杆铰链形式，运动范围也受到了很大限制。
发明内容
本发明的为解决现有三自由度机器人关节运动精度差、体积大、运动范围小的问题，而提出一种三自由度并联差分式机器人关节。
本发明的三自由度并联差分式机器人关节包括内圈电机、中圈电机、外圈电机、法兰盘、内圈减速器、中圈减速器、外圈减速器、中圈主轴、外圈主轴、内圈传动齿轮、中圈传动齿轮、外圈传动齿轮、内圈直齿轮、内圈齿轮轴、内圈锥齿轮、中圈齿轮轴筒、中圈直齿轮、中圈锥齿轮、第二滚动轴承、外圈齿轮轴筒、外圈直齿轮、后连接架、前连接架、中心轴、连接套、轴上小锥齿轮、轴上大锥齿轮、前小锥齿轮、前大锥齿轮、连接元件、外套、滚针轴承、壳体、第三滚动轴承、两个第一滚动轴承、两个第四滚动轴承和两个第五滚动轴承，法兰盘设置在壳体的底部，内圈电机、中圈电机和外圈电机沿同一圆周均布设置在法兰盘的上端面上，内圈减速器输入端与内圈电机的输出端连接，中圈减速器的输入端与中圈电机的输出端连接，外圈减速器的输入端与外圈电机的输出端连接，内圈传动齿轮固装在内圈减速器的输出轴上，中圈主轴的输入端与中圈减速器的输出轴连接，中圈传动齿轮固装在中圈主轴的输出端上，外圈主轴的输入端与外圈减速器的输出轴连接，外圈传动齿轮固装在外圈主轴的输出端上，内圈直齿轮与内圈传动齿轮啮合，内圈直齿轮固装在内圈齿轮轴的输入端上，内圈锥齿轮固装在内圈齿轮轴的输出端上，中圈齿轮轴筒位于内圈直齿轮与内圈锥齿轮之间，且中圈齿轮轴筒通过两个第一滚动轴承套装在内圈齿轮轴上，中圈直齿轮与中圈传动齿轮啮合，中圈直齿轮固装在中圈齿轮轴筒的输入端上，中圈锥齿轮固装在中圈齿轮轴筒的输出端上，外圈齿轮轴筒位于中圈传动齿轮与中圈锥齿轮之间，且外圈齿轮轴筒通过两个第二滚动轴承套装在中圈齿轮轴筒上，外圈齿轮轴筒的外表面通过第三滚动轴承与壳体连接，外圈直齿轮与外圈传动齿轮啮合，外圈直齿轮固装在外圈齿轮轴筒的输入端上，后连接架固装在外圈齿轮轴筒的输出端上，前连接架设置在后连接架的上方，前连接架与后连接架通过中心轴连接，中心轴的两端分别通过第四滚动轴承安装在后连接架上，轴上小锥齿轮与内圈锥齿轮啮合，轴上大锥齿轮与中圈锥齿轮啮合，轴上小锥齿轮和轴上大锥齿轮均通过第五滚动轴承安装在中心轴上，前小锥齿轮与轴上小锥齿轮啮合，前大锥齿轮与轴上大锥齿轮啮合，前小锥齿轮与前大锥齿轮通过连接元件连接，外套垂直前大锥齿轮的上端面设置，且外套与前大锥齿轮焊接在一起，连接套通过滚针轴承套装在外套上，连接套与前连接架固定连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明利用了轮系结构，增加了运动的精确性、运动范围。由于本发明采用了并联驱动的方式，使得其中两个自由度中每个自由度运动时都有两个电机承担，分担了电机的负担，且电机并联设置，从而减小电机的体积，增加了结构的紧凑性。运动精度相比现有技术提高了一倍以上。
附图说明
图1是本发明的外部结构立体图；
图2是内圈电机1、中圈电机2、外圈电机3、法兰盘4、内圈减速器5、中圈减速器6、外圈减速器7、中圈主轴8、外圈主轴9、内圈传动齿轮11、中圈传动齿轮12、外圈传动齿轮13、内圈直齿轮14、内圈齿轮轴15和内圈锥齿轮16的位置关系立体图；
图3是图2的左视图；
图4是本发明的内部结构立体图；
图5是本发明的主剖视图(去掉外套33)；
图6是内圈锥齿轮16、中圈锥齿轮19、后连接架23、前连接架24和连接套26的位置关系立体图；
图7是第一轴上小锥齿轮27与第一内圈锥齿轮16啮合、第一前小锥齿轮29与第一轴上小锥齿轮27啮合，第一轴上大锥齿轮28与第一中圈锥齿轮19啮合，第一前大锥齿轮30与第一轴上大锥齿轮28啮合的立体图；
图8是图1的A-A旋转截面图；
图9是图2的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图9说明本实施方式，本实施方式包括内圈电机1、中圈电机2、外圈电机3、法兰盘4、内圈减速器5、中圈减速器6、外圈减速器7、中圈主轴8、外圈主轴9、内圈传动齿轮11、中圈传动齿轮12、外圈传动齿轮13、内圈直齿轮14、内圈齿轮轴15、内圈锥齿轮16、中圈齿轮轴筒17、中圈直齿轮18、中圈锥齿轮19、第二滚动轴承20、外圈齿轮轴筒21、外圈直齿轮22、后连接架23、前连接架24、中心轴25、连接套26、轴上小锥齿轮27、轴上大锥齿轮28、前小锥齿轮29、前大锥齿轮30、连接元件32、外套33、滚针轴承34、壳体35、第三滚动轴承36、两个第一滚动轴承10、两个第四滚动轴承31和两个第五滚动轴承37，法兰盘4设置在壳体35的底部，内圈电机1、中圈电机2和外圈电机3沿同一圆周均布设置在法兰盘4的上端面上，内圈减速器5的输入端与内圈电机1的输出端连接，中圈减速器6的输入端与中圈电机2的输出端连接，外圈减速器7的输入端与外圈电机3的输出端连接，内圈传动齿轮11固装在内圈减速器5的输出轴上，中圈主轴8的输入端与中圈减速器6的输出轴连接，中圈传动齿轮12固装在中圈主轴8的输出端上，外圈主轴9的输入端与外圈减速器7的输出轴连接，外圈传动齿轮13固装在外圈主轴9的输出端上，内圈直齿轮14与内圈传动齿轮11啮合，内圈直齿轮14固装在内圈齿轮轴15的输入端上，内圈锥齿轮16固装在内圈齿轮轴15的输出端上，中圈齿轮轴筒17位于内圈直齿轮14与内圈锥齿轮16之间，且中圈齿轮轴筒17通过两个第一滚动轴承10套装在内圈齿轮轴15上，中圈直齿轮18与中圈传动齿轮12啮合，中圈直齿轮18固装在中圈齿轮轴筒17的输入端上，中圈锥齿轮19固装在中圈齿轮轴筒17的输出端上，外圈齿轮轴筒21位于中圈传动齿轮12与中圈锥齿轮19之间，且外圈齿轮轴筒21通过两个第二滚动轴承20套装在中圈齿轮轴筒17上，外圈齿轮轴筒21的外表面通过第三滚动轴承36与壳体35连接，外圈直齿轮22与外圈传动齿轮13啮合，外圈直齿轮22固装在外圈齿轮轴筒21的输入端上，后连接架23固装在外圈齿轮轴筒21的输出端上，前连接架24设置在后连接架23的上方，前连接架24与后连接架23通过中心轴25连接，中心轴25的两端分别通过第四滚动轴承31安装在后连接架23上，轴上小锥齿轮27与内圈锥齿轮16啮合，轴上大锥齿轮28与中圈锥齿轮19啮合，轴上小锥齿轮27和轴上大锥齿轮28均通过第五滚动轴承37安装在中心轴25上，前小锥齿轮29与轴上小锥齿轮27啮合，前大锥齿轮30与轴上大锥齿轮28啮合，前小锥齿轮29与前大锥齿轮30通过连接元件32连接，外套33垂直前大锥齿轮30的上端面设置，且外套33与前大锥齿轮30焊接在一起，连接套26通过滚针轴承34套装在外套33上，连接套26与前连接架24固定连接。后连接架23与前连接架24都能独立的绕中心轴25转动。
工作原理：
第一个自由度的运动：外圈电机3转动时，运动依次通过外圈减速器7、外圈主轴9、外圈传动齿轮13传递给外圈直齿轮22，外圈直齿轮22带动外圈齿轮轴筒21转动，外圈齿轮轴筒21带动后连接架23绕X轴转动。
第二个自由度的运动：内圈电机1转动，通过内圈减速器5、内圈传动齿轮11带动内圈直齿轮14转动，通过内圈齿轮轴15带动内圈锥齿轮16转动，见图5，内圈锥齿轮16带动轴上小锥齿轮27转动，见图7，中圈电机2转动，通过中圈减速器6、中圈主轴8、中圈传动齿轮12带动中圈直齿轮18转动，通过中圈齿轮轴筒17带动中圈锥齿轮19转动，见图5，中圈锥齿轮19带动轴上大锥齿轮28转动，见图7，当轴上大锥齿轮28与轴上小锥齿轮27同向转动时，前小锥齿轮29与前大锥齿轮30有相反的转动趋势，由于前小锥齿轮29与前大锥齿轮30是固定连接的，因此，前小锥齿轮29与前大锥齿轮30绕Y轴转动速度为0，致使前连接架24、前大锥齿轮30与前小锥齿轮29一起绕Z轴做圆周运动。
第三个自由度的运动：当轴上大锥齿轮28与轴上小锥齿轮27反向转动时，前小锥齿轮29与前大锥齿轮30转动方向相同，由于前小锥齿轮29与前大锥齿轮30是固定连接的，因此，致使前小锥齿轮29与前大锥齿轮30一起绕Y轴做圆周运动。
具体实施方式二：结合图4～图7说明本实施方式，本实施方式的外圈齿轮轴筒21与后连接架23制成一体。这样设计使得后连接架23的稳定性得到提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：具体实施方式四：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的连接套26与前连接架24制成一体。这样设计使得前连接架24的稳定性得到提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的内圈传动齿轮11、中圈传动齿轮12和外圈传动齿轮13的齿数相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的所述内圈传动齿轮11、中圈传动齿轮12和外圈传动齿轮13的外径相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的内圈直齿轮14、中圈直齿轮18和外圈直齿轮22的齿数相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的内圈直齿轮14、中圈直齿轮18和外圈直齿轮22的外径相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式的所述内圈锥齿轮16、轴上小锥齿轮27和前小锥齿轮29的齿数相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图7说明本实施方式，本实施方式的内圈锥齿轮16、轴上小锥齿轮27和前小锥齿轮29的齿数、大端直径、分度圆锥角、圆锥面均相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图7说明本实施方式，本实施方式的中圈锥齿轮19、轴上大锥齿轮28和前大锥齿轮30的齿数、大端直径、分度圆锥角、圆锥面均相同。这样设计使得结构更加合理。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

Claims (10)

1.一种三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述三自由度并联差分式机器人关节包括内圈电机(1)、中圈电机(2)、外圈电机(3)、法兰盘(4)、内圈减速器(5)、中圈减速器(6)、外圈减速器(7)、中圈主轴(8)、外圈主轴(9)、内圈传动齿轮(11)、中圈传动齿轮(12)、外圈传动齿轮(13)、内圈直齿轮(14)、内圈齿轮轴(15)、内圈锥齿轮(16)、中圈齿轮轴筒(17)、中圈直齿轮(18)、中圈锥齿轮(19)、第二滚动轴承(20)、外圈齿轮轴筒(21)、外圈直齿轮(22)、后连接架(23)、前连接架(24)、中心轴(25)、连接套(26)、轴上小锥齿轮(27)、轴上大锥齿轮(28)、前小锥齿轮(29)、前大锥齿轮(30)、连接元件(32)、外套(33)、滚针轴承(34)、壳体(35)、第三滚动轴承(36)、两个第一滚动轴承(10)、两个第四滚动轴承(31)和两个第五滚动轴承(37)，法兰盘(4)设置在壳体(35)的底部，内圈电机(1)、中圈电机(2)和外圈电机(3)沿同一圆周均布设置在法兰盘(4)的上端面上，内圈减速器(5)的输入端与内圈电机(1)的输出端连接，中圈减速器(6)的输入端与中圈电机(2)的输出端连接，外圈减速器(7)的输入端与外圈电机(3)的输出端连接，内圈传动齿轮(11)固装在内圈减速器(5)的输出轴上，中圈主轴(8)的输入端与中圈减速器(6)的输出轴连接，中圈传动齿轮(12)固装在中圈主轴(8)的输出端上，外圈主轴(9)的输入端与外圈减速器(7)的输出轴连接，外圈传动齿轮(13)固装在外圈主轴(9)的输出端上，内圈直齿轮(14)与内圈传动齿轮(11)啮合，内圈直齿轮(14)固装在内圈齿轮轴(15)的输入端上，内圈锥齿轮(16)固装在内圈齿轮轴(15)的输出端上，中圈齿轮轴筒(17)位于内圈直齿轮(14)与内圈锥齿轮(16)之间，且中圈齿轮轴筒(17)通过两个第一滚动轴承(10)套装在内圈齿轮轴(15)上，中圈直齿轮(18)与中圈传动齿轮(12)啮合，中圈直齿轮(18)固装在中圈齿轮轴筒(17)的输入端上，中圈锥齿轮(19)固装在中圈齿轮轴筒(17)的输出端上，外圈齿轮轴筒(21)位于中圈传动齿轮(12)与中圈锥齿轮(19)之间，且外圈齿轮轴筒(21)通过两个第二滚动轴承(20)套装在中圈齿轮轴筒(17)上，外圈齿轮轴筒(21)的外表面通过第三滚动轴承(36)与壳体(35)连接，外圈直齿轮(22)与外圈传动齿轮(13)啮合，外圈直齿轮(22)固装在外圈齿轮轴筒(21)的输入端上，后连接架(23)固装在外圈齿轮轴筒(21)的输出端上，前连接架(24)设置在后连接架(23)的上方，前连接架(24)与后连接架(23)通过中心轴(25)连接，中心轴(25)的两端分别通过第四滚动轴承(31)安装在后连接架(23)上，轴上小锥齿轮(27)与内圈锥齿轮(16)啮合，轴上大锥齿轮(28)与中圈锥齿轮(19)啮合，轴上小锥齿轮(27)和轴上大锥齿轮(28)均通过第五滚动轴承(37)安装在中心轴(25)上，前小锥齿轮(29)与轴上小锥齿轮(27)啮合，前大锥齿轮(30)与轴上大锥齿轮(28)啮合，前小锥齿轮(29)与前大锥齿轮(30)通过连接元件(32)连接，外套(33)垂直前大锥齿轮(30)的上端面设置，且外套(33)与前大锥齿轮(30)焊接在一起，连接套(26)通过滚针轴承(34)套装在外套(33)上，连接套(26)与前连接架(24)固定连接。
2.根据权利要求1所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述外圈齿轮轴筒(21)与后连接架(23)制成一体。
3.根据权利要求1或2所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述连接套(26)与前连接架(24)制成一体。
4.根据权利要求3所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈传动齿轮(11)、中圈传动齿轮(12)和外圈传动齿轮(13)的齿数相同。
5.根据权利要求4所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈传动齿轮(11)、中圈传动齿轮(12)和外圈传动齿轮(13)的外径相同。
6.根据权利要求5所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈直齿轮(14)、中圈直齿轮(18)和外圈直齿轮(22)的齿数相同。
7.根据权利要求6所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈直齿轮(14)、中圈直齿轮(18)和外圈直齿轮(22)的外径相同。
8.根据权利要求7所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈锥齿轮(16)、轴上小锥齿轮(27)和前小锥齿轮(29)的齿数相同。
9.根据权利要求3所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述内圈锥齿轮(16)、轴上小锥齿轮(27)和前小锥齿轮(29)的齿数、大端直径、分度圆锥角、圆锥面均相同。
10.根据权利要求3所述三自由度并联差分式机器人关节，其特征在于：所述中圈锥齿轮(19)、轴上大锥齿轮(28)和前大锥齿轮(30)的齿数、大端直径、分度圆锥角、圆锥面均相同。
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