CN107035820B - 一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，包括并联球关节上平台、固定上顶盖、至少两个外环内齿轮、装置下平台，每个外环内齿轮的外圆周边缘通过连接部和并联球关节摇臂活动连接并联球关节上平台，固定上顶盖和装置下平台之间均匀分布地转动设置有至少两个分别驱动各外环内齿轮独立转动的连轴外齿轮组，每个连轴外齿轮组均包括齿轮轴、主动外齿轮和从动外齿轮，各外环内齿轮与相啮合的主动外齿轮、从动外齿轮一侧分别设置有环形节圆结构。本发明能够实现各齿轮定位，保证了常规环型移动副优良运动特性的同时，将驱动电机下置于下平台之下，减小整个传动装置动力输出过程中的动载荷，转动惯量更小，运动性能更优良。

Description

一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置

技术领域

本发明属于球面三自由度并联机构领域，涉及一种并联球关节的传动机构，具体涉及一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置。

背景技术

现有的并联球关节传动机构为实现传动要求，通常将驱动电机置于运动的摇臂上，在电机驱动摇臂的同时，电机也与之一起运动，此种方式虽然实现起来十分简单便捷，却也带来了无法忽视的缺陷。而现今存在的一种常见解决办法是利用空心轴传动的方式来将驱动电机固定于下平台之下使之不随机构运动而运动,然而空心轴的工作特性导致其依旧存在一定的问题。

电机置于运动摇臂之上，增加了摇臂的静载荷，使得整个并联机构所具有的负载能力有所降低。

通过电机自身运动来实现动力传输的方式，在一定程度上增加了并联球关节整体的动载荷，在机构运动加速度较大的情况下，整个机构具有较大的转动惯量，导致机构的运动性能有所降低。

电机置于并联球关节下平台部分之上，对并联球关节整体负载能力造成一定的削弱。

利用空心轴传动虽能固定驱动电机，但为达到所需性能，空心轴的同轴度需要较高的加工精度来保证，为确保实现预想的功能所需的成本将更为昂贵。

利用空心轴传动的方式不具备一定的减速能力，需要额外加装减速性能更好的减速器，对传动所需的减速器的要求更为苛刻。

空心轴的传动方式在机构上相对来说不具有较高的对称性，在运动性能上不如较为对称的结构。

现有的齿轮结构为实现动力传输要求，根据相应实际需求利用渐开线绘制齿形，制作相应的齿轮结构，通过外齿轮与内齿轮啮合来实现动力传输功能，但在实际运用中因为加工精度不足、工业制造误差等原因，齿与齿之间并非完全按照预想的渐开线形式啮合，此种普通齿轮啮合方式存在一些无法忽视的缺陷。

由加工精度不足、工业制造误差导致的齿形与其预想渐开线的偏差在受到一定径向力的推动下，有可能造成部分单齿插入过深，发生径向位移，使得啮合过程并非完全按照预想的渐开线形式进行，啮合点发生移动，导致齿轮啮合不再为纯滚动形式，传动阻力增加并加速齿轮损坏。

传动装置需要使用外环内齿轮传动时往往需要一整套繁杂的轴承、定位结构来使其精确定位某处并可以自由转动实现传动功能，其定位结构与相应配套轴承在一定程度上增加了整个装置的重量。

常见的普通内啮合齿轮结构，在外齿轮与外环内齿轮啮合过程中，由于加工精度等因素，齿轮的齿形与设计图纸有所偏差，很容易发生径向位移，使齿轮啮合点发生改变，偏离预想的纯滚动啮合形式，增加传动阻力并对齿造成损坏，影响传动过程的稳定性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，本发明既具备常规并联球关节内啮合环型移动传动装置所能实现的效果，同时又解决了常规并联球关节内啮合环型移动传动装置存在的不足。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，由上至下依次包括并联球关节上平台、固定上顶盖、至少两个外环内齿轮、装置下平台，所述固定上顶盖、各外环内齿轮和装置下平台位于同一轴线上，所述装置下平台居中设置有连接固定上顶盖的支撑柱，每个外环内齿轮的外圆周边缘分别设置有一连接部，所述连接部分别通过一并联球关节摇臂活动连接并联球关节上平台，所述固定上顶盖和装置下平台之间均匀分布地转动设置有至少两个分别驱动各外环内齿轮独立转动的连轴外齿轮组，每个连轴外齿轮组均包括一齿轮轴、依次设置在所述齿轮轴上且分别与各外环内齿轮4相啮合的一个主动外齿轮和至少一个从动外齿轮，其中，用于驱动相应外环内齿轮的主动外齿轮与所述齿轮轴固定连接，位于同一齿轮轴上的从动外齿轮转动地设置在所述齿轮轴上，各外环内齿轮与相啮合的主动外齿轮、从动外齿轮一侧分别设置有啮合时始终相切使传动过程中相互啮合两齿轮不发生径向位移的环形节圆结构。

进一步地，各个齿轮轴一端分别与对应固定在装置下平台底部的谐波减速器与驱动电机相连接。

进一步地，所述的固定上顶盖通过螺钉与支撑柱固定连接。

进一步地，所述的并联球关节上平台及连接部均设置有铰座，所述并联球关节摇臂的两端分别通过销轴及轴承活动连接在并联球关节上平台及连接部的铰座上。

进一步地，所述外环内齿轮的环形节圆结构的内圆与外环内齿轮的分度圆相重合，所述主动外齿轮及从动外齿轮的环形节圆结构的外圆分别与所述主动外齿轮及从动外齿轮的分度圆相重合。

进一步地，所述外环内齿轮的数量为三个，所述固定上顶盖和装置下平台之间均匀分布地转动设置有三个分别驱动各外环内齿轮独立转动的连轴外齿轮组。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明具有若干可以独立运动的外环内齿轮，作为动力输出端的外环内齿轮具有足够大的运动范围，均可独自并互不干扰地进行整圈的运动。

2、本发明将驱动电机和谐波减速器置于并联球关节下平台之下，使其不需随并联球关节摇臂运动而运动，利用该内啮合环型移动传动装置减低了整个并联球关节运动中所产生的动载荷，提高了并联球关节机构在运动中的稳定性。

3、本发明使用从动外齿轮构成合理的虚约束，采取了相对较为对称的结构，保证了并联球关节在运动过程中具有良好的运动性能和可靠性，从而具有更高的精度。

4、本发明在普通齿轮的基础上增加了利用相应齿轮特性制造的节圆结构，在外齿轮与内齿轮啮合的同时，各自节圆结构也进行纯滚动的啮合，消除了普通齿轮啮合的径向位移问题，使齿轮啮合点位置稳定不发生偏移，保证了齿轮啮合纯滚动运动形式，既具备普通内啮合齿轮啮合传动的特性，同时又解决了普通内啮合齿轮啮合过程中存在径向位移的问题。

5、本发明中一对内外齿轮节圆结构相互配合在消除了齿轮径向位移的同时，当有三个点约束外环内齿轮也固定了外齿轮与内齿轮的相对距离，使外环内齿轮自然定位，省去了部分轴承和外环内齿轮定位结构，减轻了整个内啮合环型移动传动装置的重量，得以更好地实现轻量化。

附图说明

图1为本发明实施例的整体爆照示意图。

图2为本发明实施例的整体外观示意图。

图3为本发明实施例的外环内齿轮与连轴齿轮组爆照示意图。

图4为本发明实施例的外环内齿轮与连轴齿轮组啮合示意图。

图中所示标号为：1-并联球关节上平台；2-并联球关节摇臂；3-固定上顶盖；4-外环内齿轮；41-内齿轮节圆结构；42-普通内齿轮部分；5-连轴驱动外齿轮；6-从动外齿轮；7-装置下平台；8-普通外齿轮部分；9-外齿轮节圆结构。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图4所示，一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：由上至下依次包括并联球关节上平台1、固定上顶盖3、三个外环内齿轮4、装置下平台7，所述固定上顶盖3、各外环内齿轮4和装置下平台7位于同一轴线上，所述装置下平台7居中设置有通过螺钉连接固定上顶盖3的支撑柱，每个外环内齿轮4的外圆周边缘分别设置有一连接部10，所述连接部分别通过一并联球关节摇臂2活动连接并联球关节上平台1，所述固定上顶盖3和装置下平台7之间均匀分布地转动设置有三个分别驱动各外环内齿轮4独立转动的连轴外齿轮组，每个连轴外齿轮组均包括一齿轮轴、依次设置在所述齿轮轴上且分别与各外环内齿轮4相啮合的一个主动外齿轮5和两个从动外齿轮6，其中，用于驱动相应外环内齿轮4的主动外齿轮5与所述齿轮轴固定连接，位于同一齿轮轴上的从动外齿轮6转动地设置在所述齿轮轴上，各个齿轮轴一端分别与对应固定在装置下平台7底部的谐波减速器与驱动电机相连接。各外环内齿轮4与相啮合的主动外齿轮5、从动外齿轮6一侧分别设置有啮合时始终相切使传动过程中相互啮合两齿轮不发生径向位移的环形节圆结构，具体如图3和图4所示，各外环内齿轮4包括有内齿轮节圆结构41、普通内齿轮部分42，所述主动外齿轮5和从动外齿轮6由普通外齿轮部分8、外齿轮节圆结构9组成。

所述的并联球关节上平台1及连接部10均设置有铰座，所述并联球关节摇臂2的两端分别通过销轴及轴承活动连接在并联球关节上平台1及连接部10的铰座上。

具体而言，所述外环内齿轮4的内齿轮节圆结构41的内圆与外环内齿轮4的分度圆相重合，所述主动外齿轮5及从动外齿轮6的外齿轮节圆结构8的外圆分别与所述主动外齿轮5及从动外齿轮6的分度圆相重合。所述的环形节圆结构在齿轮传动为高变位齿轮传动时，齿轮传动的啮合角α′等于标准齿轮压力角α，即α′=α；环形节圆结构与分度圆重合，即r′=r；中心距a′等于标准齿轮传动的中心距a，即a′=a。根据此性质，本实施例的节圆结构与相应的齿轮分度圆相同，适合中心距等于标准中心距，而又需要提高小齿轮齿根弯曲强度和减小磨损的场合。

上述实施例主要使用内齿轮与外齿轮啮合的方式实现传动，驱动电机经由谐波减速器将动力分别传输到相应的连轴驱动外齿轮5上，通过其与外环内齿轮4的啮合，使外环内齿轮4做出相应的运动。

在具体需要动力输出的场合，如图1所示，将动力输出到一般并联球关节的具体实施方式：在控制器作用下，电机转动一定的角度，经过谐波减速器减速，力矩放大，根据实际情况，经由三根齿轮轴传动，带动三个不同的外环内齿轮4做出相应运动，在外环内齿轮4外连接有转动副关节，通过控制外环内齿轮转动实现控制三个转动副的运动，并将运动传递到与之相连的并联球关节摇臂2上，通过并联球关节摇臂2的运动使并联球关节上平台1达到特定的运动状态，从而使并联球关节上平台1输出整个并联球关节的运动。

上述实施例利用制造齿轮时两啮合齿轮节圆结构同时进行纯滚动啮合的特性，为普通齿轮加装环形节圆结构。在内啮合齿轮传动过程中，外齿轮与内齿轮啮合时，相应的节圆结构也相互配合并由于节圆纯滚动啮合特性而进行纯滚动运动。

节圆结构的存在使外齿轮与外环内齿轮的相对位置固定，使两者啮合过程中不发生径向位移，齿轮啮合点不发生改变，保证了啮合过程纯滚动形式，提高了传动过程的稳定性与可靠性，同时齿轮节圆结构作纯滚动运动，不增加内啮合过程中的阻力，在稳定可靠的同时又保证了传动具有高效性。

上述实施例能够实现利用内啮合齿轮的节圆面将传动中相互啮合的各齿轮定位，保证了传动装置具有常规环型移动副的优良运动特性的同时，将驱动电机下置于装置下平台7之下，从而使得驱动电机不需随着作为动力输出端的外环内齿轮4的运动而运动，减轻了整个传动装置动力输出过程中的动载荷，使其具有更小的转动惯量，因而具备更优良的运动性能。

所述的外环内齿轮4与外齿轮啮合传动过程中，采用了一个内齿轮和三各外齿轮构成一套内啮合传动机构，其中一个主动外齿轮5为连轴式，将齿轮轴的动力传输到外环内齿轮4上，另外两轴上的从动外齿轮6对外环内齿轮4构成虚约束，并且使整个传动机构具有较好的对称性，使整体传动过程更加平稳。

另外，所述的外环内齿轮4与主动外齿轮5、从动外齿轮6在相同高度处加装用于相互配合的内齿轮节圆结构41和外齿轮节圆结构9，构成内啮合点高副，从而约束齿轮径向位移。本发明能够实现通过节圆结构将啮合传动中的两齿轮相对位置固定，使齿轮啮合传动过程中相互啮合两齿轮不会发生径向位移，齿轮啮合点不会偏移，保证了齿轮传动的纯滚动运动形式，提高了齿轮传动过程的稳定性与可靠性。同时三点约束的内啮合方式可以省去固定内齿轮所需的圆槽与相应轴承，减轻整个结构的重量。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：由上至下依次包括并联球关节上平台(1)、固定上顶盖(3)、至少两个外环内齿轮(4)、装置下平台(7)，所述固定上顶盖(3)、各外环内齿轮(4)和装置下平台(7)位于同一轴线上，所述装置下平台(7)居中设置有连接固定上顶盖(3)的支撑柱，每个外环内齿轮(4)的外圆周边缘分别设置有一连接部(10)，所述连接部分别通过一并联球关节摇臂(2)活动连接并联球关节上平台(1)，所述固定上顶盖(3)和装置下平台(7)之间均匀分布地转动设置有至少两个分别驱动各外环内齿轮(4)独立转动的连轴外齿轮组，每个连轴外齿轮组均包括一齿轮轴、依次设置在所述齿轮轴上且分别与各外环内齿轮(4)相啮合的一个主动外齿轮(5)和至少一个从动外齿轮(6)，其中，用于驱动相应外环内齿轮(4)的主动外齿轮(5)与所述齿轮轴固定连接，位于同一齿轮轴上的从动外齿轮(6)转动地设置在所述齿轮轴上，各外环内齿轮(4)与相啮合的主动外齿轮(5)、从动外齿轮(6)一侧分别设置有啮合时始终相切使传动过程中相互啮合两齿轮不发生径向位移的环形节圆结构。

2.根据权利要求1所述的多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：各个齿轮轴一端分别与对应固定在装置下平台(7)底部的谐波减速器连接，每个谐波减速器与相应设置在装置下平台(7)底部的驱动电机连接。

3.根据权利要求1所述的多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：所述的固定上顶盖(3)通过螺钉与支撑柱固定连接。

4.根据权利要求1所述的多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：所述的并联球关节上平台(1)及连接部(10)均设置有铰座，所述并联球关节摇臂(2)的两端分别通过销轴及轴承活动连接在并联球关节上平台(1)及连接部(10)的铰座上。

5.根据权利要求1所述的多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：所述外环内齿轮(4)的环形节圆结构的内圆与外环内齿轮(4)的分度圆相重合，所述主动外齿轮(5)及从动外齿轮(6)的环形节圆结构的外圆分别与所述主动外齿轮(5)及从动外齿轮(6)的分度圆相重合。

6.根据权利要求1所述的多自由度节圆内啮合环型移动传动装置，其特征在于：所述外环内齿轮(4)的数量为三个，所述固定上顶盖(3)和装置下平台(7)之间均匀分布地转动设置有三个分别驱动各外环内齿轮(4)独立转动的连轴外齿轮组。

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