CN105397802B - 一种四自由度同轴输出机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度同轴输出机构，包括驱动部分、传动部分、随动部分和执行部分，所述驱动部分通过齿轮实现对传动部分的驱动；所述传动部分包括四组同心安装的轴，由内到外依次为轴一、第二中空轴、第三中空轴、第四中空轴，并且可独立转动；所述随动部分安装于轴一顶部，并且设置两对锥齿轮结构；所述执行部分包括四个主动臂，分别为第一主动臂、第二主动臂、第三主动臂和第四主动臂，其中第三主动臂、第四主动臂分别与第三中空轴、第四中空轴固定连接，可实现整周回转，第一主动臂和第二主动臂分别通过所述两对锥齿轮实现与轴一、第二中空轴传动连接，从而实现绕自身旋转轴线的旋转运动。本发明具有高速和高加速能力，具有轴对称性。

Description

一种四自由度同轴输出机构

技术领域

本发明涉及一种机器人机构，特别是涉及一种可实现整周回转的高速机器人机构。

背景技术

由于在食品医药、现代物流、电子信息、高危化工等领域的自动化生产线中通常需要以高速实现轻载散乱物料的分拣、搬运和摆放等作业。目前国内外对于该类型的机械手研究越来越广泛，美国专利US4392776、欧洲专利EP0169473以及中国专利CN1779936等均涉及了一种三或四自由度的SCARA机械手，该类型的机器人主要包括机架、驱动部件、主动臂、从动臂和动平台等部分，虽然此类机器人可实现在运动平面内的整周回转，但由于机构本身采用开环结构，所以主、从动臂的惯性较大，在高速和高加速度的工况下其动力学特性受到一定的限制，且整机刚度和精度较低。为此专利CN101973030提出一种可实现整周回转的并联机械手，但其第三近架杆的驱动直接依靠安装在转体上的电机和减速器驱动，运动部件的惯性较大，同样难以满足高速和高加速度工况需求。

因此，针对以上问题需要对该类型整周回转机构进行合理的设计。

发明内容

本发明针对公知技术中存在的问题，提供了一种相对尺寸较小、结构简单、可实现整周回转的四自由度同轴输出机构。

本发明所采用的技术方案为：

一种四自由度同轴输出机构，包括驱动部分、传动部分、随动部分和执行部分；

所述驱动部分通过齿轮实现对传动部分的驱动；

所述传动部分包括四组同心安装的轴，由内到外依次为轴一、第二中空轴、第三中空轴、第四中空轴，并且通过安装于各轴的轴承实现相互之间的独立转动；

所述随动部分安装于轴一顶部，并且设置两对锥齿轮结构；

所述执行部分包括四个主动臂，分别为第一主动臂、第二主动臂、第三主动臂和第四主动臂，其中第三主动臂、第四主动臂分别与第三中空轴、第四中空轴固定连接，可实现整周回转，第一主动臂和第二主动臂分别通过所述两对锥齿轮实现与轴一、第二中空轴传动连接，从而实现绕自身旋转轴线的旋转运动。

优选的，所述驱动部分包括基座、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一减速器、第二减速器、第三减速器、第四减速器、第一小齿轮、第二小齿轮、第三小齿轮、第一大齿轮、第二大齿轮、第三大齿轮、第一连接轴和第二连接轴，所述第一减速器输入端与第一电机输出轴固定连接，第一减速器输出端与基座固定连接，所述第二减速器输入端与第二电机输出轴固定连接，第二减速器输出端与基座固定连接，所述第三减速器输入端与第三电机输出轴固定连接，第三减速器输出端与基座固定连接，所述第四减速器输入端与第四电机输出轴固定连接，第四减速器输出端与基座固定连接，所述第一小齿轮与第二减速器输出轴固定连，所述第一连接轴与第三减速器输出轴固定连接，所述第二小齿轮与第一连接轴固定连接，所述第二连接轴与第四减速器输出轴固定连接，所述第三小齿轮与第二连接轴固定连接，所述第一大齿轮固定安装于传动部分的第二中空轴下端，所述第二大齿轮固定安装于传动部分的第三中空轴下端，所述第三大齿轮固定安装于传动部分的第四中空轴下端，所述小齿轮与所述大齿轮均按照一定齿轮配合要求安装。

优选的，所述传动部分包括锁紧环、抱箍、推力球轴承、加强轴、轴一、第二中空轴、第三中空轴、第四中空轴、第二中空轴底部轴承、第二中空轴顶部轴承、第三中空轴轴承底部轴承、第三中空轴顶部轴承、第四中空轴轴承、第一齿轮挡圈、第二齿轮挡圈、第三齿轮挡圈和套杯，所述轴一、第二中空轴、第三中空轴和第四中空轴均采用同轴心安装方式，所述抱箍上端与轴一底部通过锁紧环锁紧连接，所述抱箍下端与第一减速器输出轴通过锁紧环锁紧连接，所述推力球轴承安装于基座的轴承孔内，所述加强轴底部安装于推力球轴承内孔中并通过轴肩端面定位，所述第二中空轴底部与加强轴固定连接，所述第二中空轴底部轴承安装于第二中空轴底部轴承孔内，所述第二中空轴顶部轴承安装于第二中空轴顶部轴承孔内，所述第三中空轴底部轴承安装于第三中空轴底部轴承孔，所述第三中空轴顶部轴承安装于第三中空轴顶部轴承孔内，所述第四中空轴轴承安装于第四中空轴上端轴承孔内，所述第一齿轮挡圈固定安装于第二中空轴下端，其下端面与驱动部分的第一大齿轮上端面重合，所述第二齿轮挡圈固定安装于第三中空轴下端，其下端面与驱动部分的第二大齿轮上端面重合，所述第三齿轮挡圈固定安装于第四中空轴下端，其上端面与驱动部分的第三大齿轮下端面重合，所述套杯与轴一顶部同轴心固定连接。

优选的，所述随动部分包括随动座、锥齿轮基座、随动座轴承端盖、随动座轴承、锥齿轮基座轴承端盖、锥齿轮基座轴承、锥齿轮、第一主动臂转轴、第二主动臂转轴，所述随动座轴承安装于套杯上并通过套杯的阶梯轴端面定位，所述随动座通过其底部轴承孔与随动座轴承配合安装，所述随动座轴承端盖固定连接于随动座底部，所述锥齿轮基座与随动座固定连接，所述锥齿轮基座轴承分别安装于锥齿轮基座的轴承孔内，所述锥齿轮基座轴承端盖分别安装于锥齿轮基座两侧，所述第一主动臂转轴两端安装于锥齿轮基座一侧的两个锥齿轮基座轴承内圈中，所述第二主动臂转轴两端安装于锥齿轮基座另一侧的两个锥齿轮基座轴承内圈中，所述锥齿轮按照一定的齿轮配合要求分别成对安装于第一主动臂转轴和轴一顶部以及第二主动臂转轴和套杯上。

优选的，所述执行部分包括第一主动臂、第二主动臂、第三主动臂和第四主动臂，所述第一主动臂连接部分与第一主动臂转轴固定连接，所述第二主动臂连接部分与第二主动臂转轴固定连接，所述第三主动臂转体部分与第三中空轴同轴心固定连接，所述第四主动臂转体部分与第四中空轴同轴心固定连接。

本发明的优点和积极效果为：

第三主动臂和第四主动臂可实现整周回转，第一主动臂和第二主动臂可通过随动部分配合第三主动臂和第四主动臂进行运动，与此同时第一主动臂和第二主动臂可以分别通过锥齿轮的传动实现绕自身旋转轴线的旋转运动，本发明能够满足一般的运动需求，运动部分转动惯量相对较小，具有高速和高加速度能力，运动学和动力学性能具有轴对称性。

附图说明

图1为本发明的整机示意图

图2为本发明的传动部分剖视图

图3为本发明随动部分示意图

具体实施方式

为了能进一步说明本发明的发明内容、特点功效，下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～3所示，一种四自由度同轴输出机构包括驱动部分1、传动部分2、随动部分3和执行部分4。

如图1～2所示，驱动部分1包括基座5、第一减速器6、第一电机7、第二减速器8、第二电机9、第三减速器10、第三电机11、第四减速器12、第四电机13、第一小齿轮14、第一连接轴15、第二小齿轮16、第二连接轴17、第三小齿轮18、第一大齿轮19、第二大齿轮20和第三大齿轮21，第一减速器6输入端与第一电机7输出轴固定连接，第一减速器6输出端与基座5固定连接，第二减速器8输入端与第二电机9输出轴固定连接，第二减速器8输出端与基座5固定连接，第三减速器10输入端与第三电机11输出轴固定连接，第三减速器10输出端与基座5连接，第四减速器12输入端与第四电机13输出轴固定连接，第四减速器12输出端与基座5连接，第二减速器8输出轴与第一小齿轮14固定连接，第三减速器10的输出轴与第一连接轴15下端固定连接，第一连接轴15的上端与第二小齿轮16固定连接，第四减速器12的输出轴与第二连接轴17下端固定连接，第二连接轴17的上端与第三小齿轮18固定连接，第一大齿轮19与传动部分的第二中空轴34下端固定连接并通过肩端面定位，第二大齿轮20与传动部分的第三中空轴37下端固定连接并通过肩端面定位，第三大齿轮21与传动部分的第四中空轴40下端固定连接并通过肩端面定位，各个小齿轮与大齿轮分别按照一定的齿轮配合要求安装。

如图2所示，传动部分2包括锁紧环28a、锁紧环28b、抱箍29、推力球轴承30、轴一31、加强轴32、第二中空轴底部轴承33a、第二中空轴底部轴承33b、第二中空轴34、第一齿轮挡圈35、第三中空轴轴承底部轴承36a、第三中空轴轴承底部轴承36b、第三中空轴37、第二齿轮挡圈38、第三齿轮挡圈39、第四中空轴40、第四中空轴轴承41a、第四中空轴轴承41b、第三中空轴顶部轴承42a、第三中空轴顶部轴承42b、第二中空轴顶部轴承43a、第二中空轴顶部轴承43b和套杯45；

抱箍29下端与第一减速器6输出轴通过锁紧环28a锁紧连接，抱箍29上端与轴一31底部轴端通过锁紧环28b锁紧连接，推力球轴承30安装于基座5的轴承孔内，加强轴32底部安装于推力球轴承30的内孔中并通过其底部轴肩端面定位，第二中空轴34与轴一31同轴心安装，其下端与加强轴32固定连接，第二中空轴底部轴承33a和第二中空轴底部轴承33b并列安装于第二中空轴34底部轴承孔内，第一齿轮挡圈35与第二中空轴34同轴心固定连接，其下端面与驱动部分的第一大齿轮19上端面重合，第三中空轴37与第二中空轴34同轴心安装，第三中空轴底部轴承36a和第三中空轴底部轴承36b并列安装于第三中空轴37底部轴承孔内，第三中空轴底部轴承36a轴承内圈下端面与第二中空轴34下端轴肩端面重合，第二齿轮挡圈38与第三中空轴同轴心固定连接，其下端面与驱动部分的第二大齿轮20上端面重合，第四中空轴40与第三中空轴37同轴心安装，第三齿轮挡圈固定安装于第四中空轴40的下端，第四中空轴轴承41a和第四中空轴轴承41b并列安装于第四中空轴40的轴承孔内，第三中空轴顶部轴承42a和第三中空轴顶部轴承42b并列安装于第三中空轴37顶部轴承孔内，第二中空轴顶部轴承43a和第二中空轴顶部轴承43b并列安装于第二中空轴34顶部轴承孔内，套杯45与轴一31顶部同轴心固定连接。

如图1～3所示，随动部分3包括随动座26、锥齿轮基座27、随动座轴承端盖44、随动座轴承46a、随动座轴承46b、锥齿轮47、锥齿轮48、锥齿轮基座轴承端盖49a、锥齿轮基座轴承端盖49b、锥齿轮基座轴承50a、锥齿轮基座轴承50b、第一主动臂转轴51、锥齿轮52、锥齿轮53、锥齿轮基座轴承54a、锥齿轮基座轴承54b和第二主动臂转轴55；

随动座轴承46a和随动座轴承46b安装于套杯45上并通过套杯45的轴肩端面定位，随动座26通过其底部轴承孔与随动座轴承46a和随动座轴承46b配合安装，随动座轴承端盖44与随动座26底部固定连接，锥齿轮47与套杯同轴心固定连接，锥齿轮48与轴一顶部同轴心固定连接，锥齿轮基座27与随动座26固定连接，锥齿轮基座轴承端盖49a和锥齿轮基座轴承端盖49b分别安装于锥齿轮基座27的轴承孔两侧，锥齿轮基座轴承50a和锥齿轮基座轴承50b以及锥齿轮基座轴承54a和锥齿轮基座轴承54b分别成对安装于锥齿轮基座27的轴承孔内，第一主动臂转轴51两端分别安装于锥齿轮基座轴承50a和锥齿轮基座轴承50b的轴承内孔中，第二主动臂转轴55两端分别安装于锥齿轮基座轴承54a和锥齿轮基座轴承54b的轴承内孔中，锥齿轮52同轴心固定安装于第一主动臂转轴51的一端，锥齿轮53同轴心固定安装于第二主动臂转轴55的一端，锥齿轮52与锥齿轮47轴线垂直并按照一定的齿轮配合方式安装，锥齿轮53与锥齿轮48轴线垂直并按照一定的齿轮配合方式安装。

如图1～3所示，执行部分4包括第四主动臂22、第三主动臂23、第二主动臂24和第一主动臂25，第四主动臂22转体部分与第四中空轴40同轴心固定连接，第三主动臂23转体部分与第三中空轴37同轴心固定连接，第二主动臂23连接部分与第二中主动臂转轴51同轴心固定连接，第一主动臂25连接部分与第一主动臂转轴55同轴心固定连接。

工作原理

如图1～3所示，通过第三电机11的驱动，经过第二减速器10、第二小齿轮16与第二大齿轮20的齿轮传动及第三中空轴37的传动，可实现第三主动臂23绕垂直于z轴平面的整周回转；通过第四电机13的驱动，经过第二减速器12、第三小齿轮18与第三大齿轮21的齿轮传动及第四中空轴40的传动，可实现第四主动臂22绕垂直于z轴平面的整周回转；第一主动臂25和第一主动臂24可以通过随动座、锥齿轮基座、第一主动臂转轴51和第二主动臂转轴55实现与第三主动臂23和第四主动臂22的配合跟随运动；与此同时，通过第一电机7的驱动，经过减速器6、轴一31的传动及锥齿轮48和锥齿轮53的齿轮传动可实现第一主动臂25绕m轴的转动，通过第二电机9的驱动，经过第二减速器8、第一小齿轮14与第一大齿轮19、第二中空轴34以及锥齿轮47和锥齿轮52的传动，可实现第二主动臂24绕m轴的转动。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种四自由度同轴输出机构，包括驱动部分、传动部分、随动部分和执行部分，其特征在于：

所述驱动部分通过齿轮实现对传动部分的驱动；

所述传动部分包括四组同心安装的轴，由内到外依次为轴一、第二中空轴、第三中空轴、第四中空轴，并且通过安装于各轴的轴承实现相互之间的独立转动；

所述随动部分安装于轴一顶部，并且设置两对锥齿轮结构；

所述执行部分包括四个主动臂，分别为第一主动臂、第二主动臂、第三主动臂和第四主动臂，其中第三主动臂、第四主动臂分别与第三中空轴、第四中空轴固定连接，可实现整周回转，第一主动臂和第二主动臂分别通过所述两对锥齿轮实现与轴一、第二中空轴传动连接，从而实现绕自身旋转轴线的旋转运动；

所述驱动部分包括基座、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一减速器、第二减速器、第三减速器、第四减速器、第一小齿轮、第二小齿轮、第三小齿轮、第一大齿轮、第二大齿轮、第三大齿轮、第一连接轴和第二连接轴；

所述第一减速器、第二减速器、第三减速器、第四减速器的输入端分别和第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的输出轴固定连接，所述第一减速器、第二减速器、第三减速器、第四减速器的输出端均和基座固定连接；

所述第一小齿轮与第二减速器输出轴固定连接；

所述第二小齿轮与第一连接轴固定连接，所述第一连接轴与第三减速器输出轴固定连接；

所述第三小齿轮与第二连接轴固定连接，所述第二连接轴与第四减速器输出轴固定连接；

所述传动部分包括锁紧环、抱箍、推力球轴承、加强轴、轴一、第二中空轴、第三中空轴、第四中空轴、第二中空轴底部轴承、第二中空轴顶部轴承、第三中空轴轴承底部轴承、第三中空轴顶部轴承、第四中空轴轴承、第一齿轮挡圈、第二齿轮挡圈、第三齿轮挡圈和套杯；

所述轴一、第二中空轴、第三中空轴和第四中空轴均采用同轴心安装方式；

所述抱箍上端与轴一底部通过锁紧环锁紧连接，所述抱箍下端与第一减速器输出轴通过锁紧环锁紧连接；

所述推力球轴承安装于基座的轴承孔内，所述加强轴底部安装于推力球轴承内孔中并通过轴肩端面定位；

所述第二中空轴底部与加强轴固定连接，所述第二中空轴底部轴承安装于第二中空轴底部轴承孔内，所述第二中空轴顶部轴承安装于第二中空轴顶部轴承孔内；

所述第三中空轴底部轴承安装于第三中空轴底部轴承孔，所述第三中空轴顶部轴承安装于第三中空轴顶部轴承孔内；

所述第四中空轴轴承安装于第四中空轴上端轴承孔内；

所述第一齿轮挡圈固定安装于第二中空轴下端，其下端面与驱动部分的第一大齿轮上端面重合；

所述第二齿轮挡圈固定安装于第三中空轴下端，其下端面与驱动部分的第二大齿轮上端面重合；

所述第三齿轮挡圈固定安装于第四中空轴下端，其上端面与驱动部分的第三大齿轮下端面重合；

所述套杯与轴一顶部同轴心固定连接；

所述随动部分包括随动座、锥齿轮基座、随动座轴承端盖、随动座轴承、锥齿轮基座轴承端盖、锥齿轮基座轴承、锥齿轮、第一主动臂转轴、第二主动臂转轴；

所述随动座轴承安装于套杯上并通过套杯的阶梯轴端面定位，所述随动座通过其底部轴承孔与随动座轴承配合安装，所述随动座轴承端盖固定连接于随动座底部；

所述锥齿轮基座与随动座固定连接，所述锥齿轮基座轴承分别安装于锥齿轮基座的轴承孔内，所述锥齿轮基座轴承端盖分别安装于锥齿轮基座两侧；

所述第一主动臂转轴两端安装于锥齿轮基座一侧的两个锥齿轮基座轴承内圈中；

所述第二主动臂转轴两端安装于锥齿轮基座另一侧的两个锥齿轮基座轴承内圈中；

所述锥齿轮按照一定的齿轮配合要求分别成对安装于第一主动臂转轴和轴一顶部以及第二主动臂转轴和套杯上。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度同轴输出机构，其特征在于：所述执行部分包括第一主动臂、第二主动臂、第三主动臂和第四主动臂；

所述第一主动臂连接部分与第一主动臂转轴固定连接，所述第二主动臂连接部分与第二主动臂转轴固定连接；

所述第三主动臂转体部分与第三中空轴同轴心固定连接，所述第四主动臂转体部分与第四中空轴同轴心固定连接。