CN104440938B - 欠驱动三自由度复合关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动三自由度复合关节，包括关节壳体、主驱动电机、主驱动齿轮传动副、侧摆运动传动组件、俯仰运动传动组件和周转运动传动组件，主驱动电机为双向同轴输出电机，主驱动齿轮传动传动副的主动齿轮与主驱动电机的一侧输出轴传动连接，俯仰运动传动组件以可离合的方式与主驱动电机的另一侧输出轴传动配合，侧摆运动传动组件和周转运动传动组件的动力输入端均分别以可离合的方式与主驱动齿轮传动副的从动齿轮同轴传动配合；能够在单驱动源的前提下就可实现俯仰、侧摆和转动三个自由度运动动力的输出，且通过离方式控制和实现均较简单，改变现有多驱动源的驱动形式，大大降低现有机械关节的自由度控制难度。

Description

欠驱动三自由度复合关节

技术领域

本发明涉及机械手领域，特别涉及一种欠驱动三自由度复合关节。

背景技术

在当前机器人关节领域，大部分的关节为单自由度单驱动，如果想要实现多自由度，普遍采用多驱动形式，使得关节的自由度控制难度和体积尺寸大大增加；难以满足现代机器人对关节的需求，因此我们需要一种可以实现多自由度运动并且驱动源少的欠驱动多自由度复合关节，来满足现代机器人对复合关节的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种欠驱动三自由度复合关节，可实现三自由度运动，运动灵活多变，且可改变现有多驱动源的驱动形式，大大降低现有机械关节的自由度控制难度和传动结构安装尺寸。

本发明的欠驱动三自由度复合关节，包括关节壳体、运动驱动系统和控制系统，运动驱动系统包括主驱动装置、侧摆运动传动组件、俯仰运动传动组件和周转运动传动组件，主驱动装置包括主驱动电机和主驱动齿轮传动副，主驱动电机为双向同轴输出电机，主驱动齿轮传动副的主动齿轮与主驱动电机的一侧输出轴传动连接，俯仰运动传动组件以可离合的方式与主驱动电机的另一侧输出轴传动配合，侧摆运动传动组件和周转运动传动组件的动力输入端均分别以可离合的方式与主驱动齿轮传动副的从动齿轮同轴传动配合。

进一步，侧摆运动传动组件包括电磁离合器Ⅰ、侧摆动力输入齿轮、侧摆动力锥齿轮传动副和侧摆动力输出齿轮，侧摆动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮以轴线在竖直平面内垂直相交的方式啮合，主动锥齿轮与侧摆动力输入齿轮传动配合，从动锥齿轮与侧摆动力输出齿轮同轴固定，电磁离合器Ⅰ动力输入端与主驱动齿轮传动副的从动齿轮传动，动力输出端与侧摆动力输入齿轮同轴固定。

进一步，俯仰运动传动组件包括电磁离合器Ⅱ、与电磁离合器Ⅱ动力输出端传动配合的俯仰动力锥齿轮传动副和俯仰动力输出齿轮，俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮以轴线在横向水平面内垂直相交的方式啮合，电磁离合器Ⅱ动力输入端与所述主驱动电机的输出轴传动连接，俯仰动力输出齿轮与俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮同轴固定且与侧摆动力输出齿轮的齿轮轴线相垂直。

进一步，周转运动传动组件包括电磁离合器Ⅲ、与电磁离合器Ⅲ的动力输出端同轴固定的周转动力输入齿轮和用于周转动力输出的行星轮系，行星轮系的太阳轮与周转动力输入齿轮同轴固定，行星轮系的齿圈外圆周设置有外齿，壳体内侧圆周设置有用于与行星轮系齿圈的外齿啮合的内齿。

进一步，侧摆运动传动组件还包括侧摆动力齿轮传动副，侧摆动力输入齿轮与侧摆动力齿轮传动副的主动齿轮同轴固定，侧摆动力输出齿轮与侧摆动力齿轮传动副的从动齿轮同轴固定。

进一步，俯仰运动传动组件还包括俯仰动力直齿轮传动副，电磁离合器Ⅱ的动力输入端与主驱动电机对应动力输出轴传动连接，动力输出端与俯仰动力直齿轮传动副的主动齿轮传动连接，俯仰动力直齿轮传动副的从动齿轮与俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮同轴固定，俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮与俯仰动力输出齿轮同轴固定。

进一步，控制系统包括对应三个电磁离合器分别设置的控制器。

本发明的有益效果：本发明的欠驱动三自由度复合关节，由于侧摆运动输出、俯仰运动输出和周转运动输出均通过离合的方式由单一驱动源控制，能够在单驱动源的前提下就可实现俯仰、侧摆和转动三个自由度运动动力的输出，且通过离方式控制和实现均较简单，改变现有多驱动源的驱动形式，大大降低现有机械关节的自由度控制难度，且采用双向同轴输出电机作为单一的驱动源，双向输出的结构可使传动结构安装紧凑，且控制易于实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

如图所示：本实施例的欠驱动三自由度复合关节，包括关节壳体1、运动驱动系统和控制系统，运动驱动系统包括主驱动装置、侧摆运动传动组件、俯仰运动传动组件和周转运动传动组件，主驱动装置包括主驱动电机2和主驱动齿轮传动副，主驱动电机2为双向同轴输出电机，主驱动齿轮传动副的主动齿轮3与主驱动电机2的一侧输出轴4传动连接，俯仰运动传动组件以可离合的方式与主驱动电机2的另一侧输出轴5传动配合，侧摆运动传动组件和周转运动传动组件的动力输入端均分别以可离合的方式与主驱动齿轮传动副的从动齿轮6同轴传动配合；本发明的复合关节在使用时，关节壳体1前后两端分臂与机械手的前后两臂铰接，其中，两铰接轴的轴线要保持垂直，以便关节壳体1内的驱动系统实现侧摆驱动和俯仰驱动，即关节壳体1内的驱动系统在与前臂和后臂的铰接端各设置一个动力输出端，且两动力输出端的输出齿轮的轴线与对应铰接端的铰接轴的轴线平行，对应铰接端的铰接轴上设置有被动驱动的齿轮，与动力输出端齿轮外啮合，以达到侧摆运动或俯仰运动的实现，举例说明，当关节壳体1以在后臂固定不动时关节壳体1可做侧摆运动的方式与后臂铰接，则前臂就只能在关节壳体1和后臂同时保持不动时，以可做俯仰运动的方式与关节壳体1铰接；另外，主驱动电机2为双向同轴输出，可以从两端输出扭矩至传动系，主驱动电机2的控制技术为现有技术，在此不再赘述，主驱动齿轮副可以将主驱动电机2的转速降低，以达到减速的目的，且可通过离合的方式实现分路传动，实现不同自由度的运动。

本实施例中，侧摆运动传动组件包括电磁离合器Ⅰ7、侧摆动力输入齿轮8、侧摆动力锥齿轮传动副和侧摆动力输出齿轮9，侧摆动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮10和从动锥齿轮11以轴线在竖直平面内垂直相交的方式啮合，主动锥齿轮10与侧摆动力输入齿轮8传动配合，从动锥齿轮11与侧摆动力输出齿轮9同轴固定，电磁离合器Ⅰ7动力输入端与主驱动齿轮传动副的从动齿轮6传动，动力输出端与侧摆动力输入齿轮8同轴固定；本实施例中所指的竖直平面和下述的横向平面均通过本发明的关节安装到机械臂上使用时所定位的平面，当该复合关节安装到机械臂时，主驱动电机2的电机轴轴向位于横向平面且横向布置，侧摆动力输入齿轮8和侧摆动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮10均与电机轴平行，则侧摆动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮与电机轴在竖直平面内垂直，即侧摆动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮10和从动锥齿轮以轴线在竖直平面内垂直相交的方式啮合，侧摆动力锥齿轮传动副实现转向的作用，则使得侧摆动力输出齿轮9的轴线在竖直平面内，侧摆动力输出齿轮9的齿轮平面就为横向设置并在其自身横向平面内保持动力输出，此时机械臂的后臂与关节壳体1铰接且铰接轴轴线为竖向设置，铰接轴上设置有与侧摆动力输出齿轮9在横向平面上啮合的侧摆被动齿轮，由于侧摆被动齿轮在铰接轴上固定不动，铰接轴与后臂固定不动，从而使得侧摆动力输出齿轮9在侧摆被动齿轮上啮合运动时带动整个关节壳体1和与关节壳体1铰接的前臂做侧摆运动。

本实施例中，俯仰运动传动组件包括电磁离合器Ⅱ12、与电磁离合器Ⅱ12动力输出端传动配合的俯仰动力锥齿轮传动副和俯仰动力输出齿轮13，俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮14和从动锥齿轮15以轴线在横向水平面内垂直相交的方式啮合，电磁离合器Ⅱ12动力输入端与所述主驱动电机2的输出轴5传动连接，俯仰动力输出齿轮13与俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮15同轴固定且与侧摆动力输出齿轮9的齿轮轴线相垂直；当该复合关节安装到机械臂时，主驱动电机2的电机轴轴向位于横向平面且横向布置，俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮与电机轴平行设置，则俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮与电机轴在横向平面内垂直，即俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮以轴线在横向平面内垂直相交的方式啮合，俯仰动力锥齿轮传动副实现转向的作用，则使得俯仰动力输出齿轮13的轴线在横向平面内并与电机轴垂直，且与侧摆动力输出齿轮9的齿轮轴线垂直，即，设电机轴轴线为X轴，则侧摆动力输出齿轮9的轴线为Y轴，俯仰动力输出齿轮13的轴线就为Z轴，俯仰动力输出齿轮13的齿轮平面就在横向平面内并在竖直平面内保持动力输出，此时机械臂的前臂与关节壳体1铰接且铰接轴轴线为横向设置，铰接轴上设置有与俯仰动力输出齿轮13在竖向上啮合的俯仰被动齿轮，由于俯仰被动齿轮在铰接轴上固定不动，铰接轴与前臂固定不动，从而使得俯仰动力输出齿轮13在俯仰被动齿轮上啮合运动时驱动前臂做俯仰运动。

另外，图1中的俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮15和俯仰动力输出齿轮13的齿轮轴27及从动锥齿轮15与俯仰动力输出齿轮13的布置均为更好的理解部件间的连接关系的示意结构，并不代表真实布置位置，齿轮轴27应为垂直图面的方向，以在上段中文字叙述的布置结构关节为准。

本实施例中，周转运动传动组件包括电磁离合器Ⅲ16、与电磁离合器Ⅲ16的动力输出端同轴固定的周转动力输入齿轮17和用于周转动力输出的行星轮系，行星轮系的太阳轮18与周转动力输入齿轮17同轴固定，行星轮系的齿圈19外圆周设置有外齿，壳体内侧圆周设置有用于与行星轮系齿圈的外齿啮合的内齿；当然，行星轮系包括行星轮20和行星架21，行星轮与太阳轮和齿圈啮合配合，行星架与行星轮配合，行星架可自身转动，均为现有技术，在此不再赘述；另外，当周转运动传动组件工作时，可带动整个关节壳体转动，为避免与关节壳体与臂体(即前述后臂)产生侧摆运动的连接结构发生干涉，可将与侧摆输出端连接的臂体设置为两部分结构，一部分为固定部，另一部分为转动部，转动部以可转动配合的方式与固定部连接设置，并且，侧摆输出端与后臂的转动部铰接，当发生周转运动时，关节壳体带动后臂转动部以及与俯仰输出端铰接的臂体一通转动，从而实现整体手臂的周转。

本实施例中，侧摆运动传动组件还包括侧摆动力齿轮传动副，侧摆动力输入齿轮8与侧摆动力齿轮传动副的主动齿轮22同轴固定，侧摆动力输出齿轮9与侧摆动力齿轮传动副的从动齿轮23同轴固定；侧摆动力齿轮传动副在传递动力的同时可实现减速的功能，代替了减速器的功能，在节约空间的同时，简化了控制系统。

本实施例中，俯仰运动传动组件还包括俯仰动力直齿轮传动副，电磁离合器Ⅱ12的动力输入端与主驱动电机2对应动力输出轴传动连接，动力输出端与俯仰动力直齿轮传动副的主动齿轮24传动连接，俯仰动力直齿轮传动副的从动齿轮25与俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮14同轴固定，俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮与俯仰动力输出齿轮13同轴固定；俯仰动力直齿轮传动副同样在传递动力的同时可实现减速的功能，代替了减速器的功能，在节约空间的同时，简化了控制系统。

本实施例中，控制系统包括对应三个电磁离合器分别设置的控制器26；三个控制器分别对应对三个电磁离合器实行控制，操作人员可通过外部中央控制器对三个控制器发出命名信号，从而实现不同工作状态的操作实现，控制技术为现有技术，在此不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：包括关节壳体、运动驱动系统和控制系统，所述运动驱动系统包括主驱动装置、侧摆运动传动组件、俯仰运动传动组件和周转运动传动组件，所述主驱动装置包括主驱动电机和主驱动齿轮传动副，所述主驱动电机为双向同轴输出电机，所述主驱动齿轮传动副的主动齿轮与主驱动电机的一侧输出轴传动连接，所述俯仰运动传动组件以可离合的方式与所述主驱动电机的另一侧输出轴传动配合，所述侧摆运动传动组件和所述周转运动传动组件的动力输入端均分别以可离合的方式与所述主驱动齿轮传动副的从动齿轮同轴传动配合。

2.根据权利要求1所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述侧摆运动传动组件包括电磁离合器Ⅰ、侧摆动力输入齿轮、侧摆动力锥齿轮传动副和侧摆动力输出齿轮，所述侧摆动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮以轴线在竖直平面内垂直相交的方式啮合，主动锥齿轮与侧摆动力输入齿轮传动配合，从动锥齿轮与侧摆动力输出齿轮同轴固定，所述电磁离合器Ⅰ动力输入端与主驱动齿轮传动副的从动齿轮传动，动力输出端与侧摆动力输入齿轮同轴固定。

3.根据权利要求2所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述俯仰运动传动组件包括电磁离合器Ⅱ、与电磁离合器Ⅱ动力输出端传动配合的俯仰动力锥齿轮传动副和俯仰动力输出齿轮，所述俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮以轴线在横向水平面内垂直相交的方式啮合，所述电磁离合器Ⅱ动力输入端与所述主驱动电机的输出轴传动连接，所述俯仰动力输出齿轮与俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮同轴固定且与所述侧摆动力输出齿轮的齿轮轴线相垂直。

4.根据权利要求3所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述周转运动传动组件包括电磁离合器Ⅲ、与电磁离合器Ⅲ的动力输出端同轴固定的周转动力输入齿轮和用于周转动力输出的行星轮系，所述行星轮系的太阳轮与周转动力输入齿轮同轴固定，所述行星轮系的齿圈外圆周设置有外齿，所述壳体内侧圆周设置有用于与行星轮系齿圈的外齿啮合的内齿。

5.根据权利要求4所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述侧摆运动传动组件还包括侧摆动力齿轮传动副，所述侧摆动力输入齿轮与所述侧摆动力齿轮传动副的主动齿轮同轴固定，所述侧摆动力输出齿轮与所述侧摆动力齿轮传动副的从动齿轮同轴固定。

6.根据权利要求5所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述俯仰运动传动组件还包括俯仰动力直齿轮传动副，所述电磁离合器Ⅱ的动力输入端与所述主驱动电机对应动力输出轴传动连接，动力输出端与俯仰动力直齿轮传动副的主动齿轮传动连接，所述俯仰动力直齿轮传动副的从动齿轮与所述俯仰动力锥齿轮传动副的主动锥齿轮同轴固定，所述俯仰动力锥齿轮传动副的从动锥齿轮与所述俯仰动力输出齿轮同轴固定。

7.根据权利要求6所述的欠驱动三自由度复合关节，其特征在于：所述控制系统包括对应三个电磁离合器分别设置的控制器。