CN109048990B - 一种三电机驱动的二自由度关节结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三电机驱动的二自由度关节结构，包括第一电机减速机、第二电机减速机、第三电机减速机、第一传动系统、第二传动系统、第三传动系统、输出系统、中间连接件、机架和外壳，机架和外壳通过中间连接件连接，第一电机减速机、第二电机减速机和第三电机减速机安装在机架上，输出系统包括第三支撑架和输出锥齿轮，输出锥齿轮套接在第三支撑架，第一电机减速机通过第一传动系统的传动带动输出锥齿轮转动；第二电机减速机通过第二传动系统的传动带动输出锥齿轮转动，第三电机减速机通过第三传动系统的传动带动第三支撑架动作。本发明可实现自转俯仰运动，同时消除反向运动的传动回差，最终大大提高传动精度。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种三电机驱动的二自由度关节结构。
背景技术
机器人技术被誉为20世纪最伟大的发明之一，经过数十年的发展，工业机器人已经成为制造业中不可或缺的核心设备，能够面向多种作业领域，利用多关节多自由度实现和完成特定的功能。关节结构是工业机器人的核心功能部位，该部位结构的不同直接关系到本体机器人的工作空间范围、传动精度等。目前常见的工业机器人关节结构一般为单自由度或二自由度。
现有技术的一种关节结构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮同时与第三锥齿轮啮合。当第一锥齿轮和第二锥齿轮同向转动的时候，驱使第三锥齿轮实现一个自由度，当第一锥齿轮和第二锥齿轮反向转动的时候，驱使第三锥齿轮实现另一个自由度。
申请号为CN201710571402.0的一种关节结构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、消隙锥齿轮和输出锥齿轮。输出锥齿轮与第一锥齿轮、第二锥齿轮均啮合，消隙锥齿轮与第一锥齿轮、第二锥齿轮均啮合，通过三个电机的协同控制可使得第一输入锥齿轮与第二输入锥齿轮输出的转矩大小相等。
上述关节结构存在的不足为：同直齿圆柱齿轮传动类似，当第一锥齿轮和第二锥齿轮同向正转时，第三锥齿轮实现正向俯仰自由度，此时第三锥齿轮分别与第一锥齿轮和第二锥齿轮的一侧紧密接触，另一侧则存在传动间隙，从而使得反转时形成空行程，出现冲击并影响传动精度；当第一锥齿轮和第二锥齿轮反向正转时，第三锥齿轮实现正向自转自由度，此时第三锥齿轮分别于第一锥齿轮和第二锥齿轮的一侧紧密接触，另一侧则存在传动间隙，从而使得反转时形成空行程，出现冲击并影响传动精度。
上述专利存在的不足：现有技术对一个方向运动产生的传动间隙可以达到很好的消除效果，一旦出现反向运动，此时的传动间隙很难由仅提供自转补偿力矩的消隙锥齿轮消除。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种能够集自转运动、俯仰运动及俯仰自转复合运动于一体，并且能够消除齿轮传动间隙从而使传动精度更高的二自由度关节结构。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供一种三电机驱动的二自由度关节结构，
包括第一电机减速机、第二电机减速机、第三电机减速机、第一传动系统、第二传动系统、第三传动系统、输出系统、中间连接件、机架和外壳，
机架和外壳通过中间连接件连接，
第一电机减速机、第二电机减速机和第三电机减速机安装在机架上，
输出系统包括第三支撑架和输出锥齿轮，输出锥齿轮套接在第三支撑架，
第一电机减速机通过第一传动系统带动输出锥齿轮转动；
第二电机减速机通过第二传动系统带动输出锥齿轮转动；
第三电机减速机通过第三传动系统带动第三支撑架动作。
进一步地，第一传动系统包括第一输入锥齿轮、第一传动小锥齿轮、第一传动大锥齿轮、第一小带轮、第一同步带和第一大带轮，第一电机减速机驱动第一传动小锥齿轮转动，第一传动大锥齿轮与第一传动小锥齿轮啮合，第一传动大锥齿轮的末端与第一小带轮固定连接，第一大带轮通过第一同步带与第一小带轮传动连接，第一大带轮与第一输入锥齿轮末端固定连接；
第二传动系统包括第二输入锥齿轮、第二传动小锥齿轮、第二传动大锥齿轮、第二小带轮、第二同步带和第二大带轮，第二电机减速机驱动第二传动小锥齿轮转动，第二传动大锥齿轮与第二传动小锥齿轮啮合，第二传动大锥齿轮的末端与第二小带轮固定连接，第二大带轮通过第二同步带与第二小带轮传动连接，第二大带轮与第二输入锥齿轮末端固定连接；
第三传动系统包括第一支撑架、第二支撑架、支撑轴、第一消隙直齿轮、第二消隙直齿轮、消隙蜗轮、中间轴、消隙蜗杆，第三电机减速机驱动消隙蜗杆转动，消隙蜗轮与消隙蜗杆啮合，消隙蜗轮套接在中间轴上，中间轴两端安装在机架内壁上，第一消隙直齿轮与消隙蜗轮啮合，第一消隙直齿轮套接在支撑轴上，第一支撑架和第二支撑架套接在支撑轴，第三支撑架与第一支撑架和第二支撑架固定连接，输出锥齿轮与第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮啮合。
进一步地，第一传动大锥齿轮末端穿过机架并通过第五支撑轴承与机架转动连接，第五支撑轴承套杯套接在第五支撑轴承上，第五支撑轴承一侧内圈紧靠第一传动大锥齿轮的轴肩，同侧外圈紧靠第五支撑轴承套杯的阶梯边沿；另一侧内圈用第五支撑轴承挡圈固定，同侧外圈被第五支撑轴承端盖固定，第五支撑轴承套杯通过螺栓固定在机架上；
第二传动大锥齿轮末端穿过机架并通过第六支撑轴承与机架转动连接，第六支撑轴承套杯套接在第六支撑轴承上，第六支撑轴承一侧内圈紧靠第二传动大锥齿轮的轴肩，同侧外圈紧靠第六支撑轴承套杯的阶梯边沿；另一侧内圈用第六支撑轴承挡圈固定，同侧外圈被第六支撑轴承端盖固定，第六支撑轴承套杯通过螺栓连接固定到机架上。
进一步地，第一输入锥齿轮通过第一支撑轴承与机架转动连接，第一支撑轴承套杯套接在第一支撑轴承上，第一支撑轴承一侧内圈紧靠第一输入锥齿轮的轴肩，同侧外圈紧靠第一支撑轴承套杯的阶梯边沿；另一侧内圈用第一支撑轴承锁紧螺母固定，第一支撑轴承套杯通过螺栓连接固定到机架上，
第二输入锥齿轮通过第二支撑轴承与机架转动连接，第二支撑轴承套杯套接在第二支撑轴承上，第二支撑轴承一侧内圈紧靠第二输入锥齿轮的轴肩，同侧外圈紧靠第二支撑轴承套杯的阶梯边沿；另一侧内圈用第二支撑轴承锁紧螺母固定，第二支撑轴承套杯通过螺栓连接固定到机架上。
进一步地，输出锥齿轮与第三支撑架之间布置有第七支撑轴承，第七支撑轴承为一对背对背设置的角接触球轴承，第七支撑轴承一侧内圈紧靠第三支撑架轴段部分的轴肩，同侧外圈紧靠输出锥齿轮阶梯孔的台阶；另一侧内圈用输出轴承锁紧螺母固定。
进一步地，中间轴通过一对第四支撑轴承与机架转动连接，每一第四支撑轴承上套接有一个第四支撑轴承套杯，第四支撑轴承一侧内圈紧靠中间轴末端轴肩；另一侧内圈用第四支撑轴承挡圈固定，同侧外圈紧靠第四支撑轴承套杯的阶梯孔台阶，第四支撑轴承套杯通过螺栓连接固定到机架上。
进一步地，支撑轴通过一对第三支撑轴承分别与第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮转动连接，使得两个锥齿轮空套在支撑轴上，第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮均设置有阶梯通孔，第三支撑轴承一侧外圈紧靠第一输入锥齿轮或者第二输入锥齿轮的阶梯孔台阶；另一侧内圈由第三支撑轴承定位端盖固定，第三支撑轴承定位端盖通过螺钉与支撑轴固定连接，
进一步地，第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮同轴。
(三)有益效果
本发明提供了一种三电机驱动的二自由度关节结构。第一传动系统和第二传动系统分别驱动第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮转动，当两个输入锥齿轮同向等速旋转时，输出锥齿轮只俯仰不自转；当两个输入锥齿轮反向等速旋转时，输出锥齿轮只自转不俯仰；当两个输入锥齿轮转速不相等时，输出锥齿轮可实现自转俯仰的复合运动。本发明充分利用三个啮合锥齿轮之间的空间，将第一消隙直齿轮与第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮同轴设置，第三驱动装置驱动第一消隙直齿轮运动，可在自转与俯仰运动各自平衡的前提下消除三个啮合锥齿轮之间的传动间隙，同时可消除反向运动的传动回差，最终大大提高自转运动、俯仰运动及自转俯仰复合运动的传动精度。
支撑轴通过第三支撑轴承分别与第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮转动连接，使得两个锥齿轮空套在支撑轴上，大大提高了整体布局的紧凑程度。
第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮、第一传动大锥齿轮、第二传动大锥齿轮均利用轴承套杯与机架转动连接，使得安装间隙的调整更为方便简单。
附图说明
图1为一种三电机驱动的二自由度关节结构示意图；
图2为一种三电机驱动的二自由度关节结构去除外壳、电机固定架、消隙蜗杆和第三电机减速机的剖视图；
图3为一种三电机驱动的二自由度关节结构去除外壳局部示意图；
图4为具体实施方式中一种三电机驱动的二自由度关节结构去除外壳示意图；
图5为一种三电机驱动的二自由度关节结构自转工作原理图；
图6为一种三电机驱动的二自由度关节结构俯仰工作原理图。
【附图标记说明】
1、第一电机减速机；2、第二电机减速机；3、第三电机减速机；4、中间连接件；5、机架；6、外壳；7、第一输入锥齿轮；8、第二输入锥齿轮；9、输出锥齿轮；10、第一支撑轴承；11、第二支撑轴承；12、第七支撑轴承；13、第一支撑轴承套杯；14、第二支撑轴承套杯；15、第一支撑轴承锁紧螺母；16、第二支撑轴承锁紧螺母；17、第一支撑架；18、第二支撑架；19、第三支撑架；20、输出轴承锁紧螺母；21、支撑轴；22、第三支撑轴承；23、第三支撑轴承定位端盖；24、第一消隙直齿轮；25、第二消隙直齿轮；26、消隙蜗轮；27、中间轴；28、第四支撑轴承；29、第四支撑轴承套杯；30、第四支撑轴承挡圈；31、中间轴第一定位轴套；32、中间轴第二定位轴套；33、消隙蜗杆；34、第一传动小锥齿轮；35、第一传动大锥齿轮；36、第五支撑轴承；37、第五支撑轴承挡圈；38、第五支撑轴承套杯；39、第五支撑轴承端盖；40、第二传动小锥齿轮；41、第二传动大锥齿轮；42、第六支撑轴承；43、第六支撑轴承挡圈；44、第六支撑轴承套杯；45、第六支撑轴承端盖；46、第一小带轮；47、第一同步带；48、第一大带轮；49、第二小带轮；50、第二同步带；51、第二大带轮；52、电机固定架。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
参照图1～图4，本发明提供的一种三电机驱动的二自由度关节结构包括：第一传动系统、第二传动系统、输出系统、第三传动系统、中间连接件4、机架5和外壳6。
第一传动系统
在第一传动系统中，第一电机减速机1通过螺钉固定连接于中间连接件4上，第一电机减速机1的输出轴与第一传动小锥齿轮34固定连接，固定连接方式为通过联轴器连接、通过紧定螺钉连接等。第一传动大锥齿轮35与第一传动小锥齿轮34啮合，前者通过第五支撑轴承36与机架5转动连接。其中，第五支撑轴承36为角接触球轴承，也可为其他类型轴承，其一侧内圈紧靠第一传动大锥齿轮35的轴肩，同侧外圈紧靠第五支撑轴承套杯38的阶梯边沿；另一侧内圈用第五支撑轴承挡圈37固定，同侧外圈被第五支撑轴承端盖39挡住，以此来对第五支撑轴承进行定位。同时，第五支撑轴承套杯38通过螺栓连接固定到机架5上，以此固定第一传动大锥齿轮35的轴向位置，采用该定位方式便于调整安装间隙。
具体地，第一电机减速机1集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。减速机构可以选择行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构等。
本实施例中，第一小带轮46与第一传动大锥齿轮35末端固定连接，固定连接方式为通过平键连接、紧定螺钉连接等。第一小带轮46通过第一同步带47与第一大带轮48连接。
本实施例中，第一输入锥齿轮7通过第一支撑轴承10与机架5转动连接。其中第一支撑轴承10为深沟球轴承，也可为其他类型轴承，其一侧内圈紧靠第一输入锥齿轮7的轴肩，同侧外圈紧靠第一支撑轴承套杯13的阶梯边沿；另一侧内圈用第一支撑轴承锁紧螺母15固定，以此来对第一支撑轴承10进行定位。同时，第一支撑轴承套杯13通过螺栓连接固定到机架5上，以此固定第一输入锥齿轮7的轴向位置，采用该定位方式便于调整安装间隙。第一大带轮48与第一输入锥齿轮7末端固定连接，固定连接方式为通过平键连接、紧定螺钉连接等。
本实施例中，第一电机减速机1驱动第一传动小锥齿轮34同速转动，第一传动大锥齿轮35与第一传动小锥齿轮34啮合转动，从而使得固定连接于第一传动大锥齿轮35末端的第一小带轮46同速转动。第一小带轮46通过第一同步带47带动第一大带轮48转动，从而使得第一输入锥齿轮7随第一大带轮48同速转动。
第二传动系统
在第二传动系统中，第二电机减速机2通过螺钉固定连接于中间连接件4，第二电机减速机2的输出轴与第二传动小锥齿轮40固定连接，固定连接方式为通过联轴器连接、通过紧定螺钉连接等。第二传动大锥齿轮41与第二传动小锥齿轮40啮合，前者通过第六支撑轴承42与机架5转动连接。其中，第六支撑轴承42为角接触球轴承，也可为其他类型轴承，其一侧内圈紧靠第二传动大锥齿轮41的轴肩，同侧外圈紧靠第六支撑轴承套杯44的阶梯边沿；另一侧内圈用第六支撑轴承挡圈43固定，同侧外圈被第六支撑轴承端盖45挡住，以此来对第六支撑轴承进行定位。同时，第六支撑轴承套杯44通过螺栓连接固定到机架5上，以此固定第二传动大锥齿轮41的轴向位置，采用该定位方式便于调整安装间隙。
具体地，第二电机减速机2集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。减速机构可以选择行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构等。
本实施例中，第二小带轮49与第二传动大锥齿轮41末端固定连接，固定连接方式为通过平键连接、紧定螺钉连接等。第二小带轮49通过第二同步带50与第二大带轮51连接。
本实施例中，第二输入锥齿轮8通过第二支撑轴承11与机架5转动连接。其中第二支撑轴承11为深沟球轴承，也可为其他类型轴承，其一侧内圈紧靠第二输入锥齿轮8的轴肩，同侧外圈紧靠第二支撑轴承套杯14的阶梯边沿；另一侧内圈用第二支撑轴承锁紧螺母16固定，以此来对第二支撑轴承11进行定位。同时，第二支撑轴承套杯14通过螺栓连接固定到机架5上，以此固定第二输入锥齿轮8的轴向位置，采用该定位方式便于调整安装间隙。第二大带轮51与第二输入锥齿轮8末端固定连接，固定连接方式为通过平键连接、紧定螺钉连接等。
本实施例中，第二电机减速机2驱动第二传动小锥齿轮40同速转动，第二传动大锥齿轮41与第二传动小锥齿轮40啮合转动，从而使得固定连接于第二传动大锥齿轮41末端的第二小带轮49同速转动。第二小带轮49通过第二同步带50带动第二大带轮51转动，从而使得第二输入锥齿轮8随第二大带轮51同速转动。
输出系统
在输出系统中，输出锥齿轮9通过第七支撑轴承12与第三支撑架19转动连接。其中，第七支撑轴承12为一对角接触球轴承，背对背设置，也可为其他类型轴承，其一边内圈紧靠第三支撑架19轴段部分的轴肩，同侧外圈紧靠输出锥齿轮9阶梯孔的台阶；另一侧内圈用输出轴承锁紧螺母20固定，以此来对第七支撑轴承12进行定位。
第三传动系统
在第三传动系统中，第三电机减速机3通过螺钉与电机固定架52固定连接，电机固定架52通过螺栓连接与机架5固定连接，从而将第三电机减速机3与机架5固定连接。第三电机减速机3的输出轴与消隙蜗杆33固定连接，固定连接方式为通过联轴器连接、通过紧定螺钉连接等。消隙蜗杆33与消隙蜗轮26啮合，不仅可实现大传动比，而且体积较小。本实例中使用的消隙蜗杆33和消隙蜗轮26之间不发生自锁，且可以实现正转和反转传动。
具体地，第三电机减速机3集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。减速机构可以选择行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构等。
本实施例中，消隙蜗轮26和第二消隙直齿轮25的周向通过平键连接进行定位，二者的轴向位置通过中间轴27的轴环、中间轴第一定位轴套31和中间轴第二定位轴套32进行定位。中间轴27通过第四支撑轴承28与机架5转动连接。其中，第四支撑轴承28为深沟球轴承，也可为其他类型轴承，其一边内圈紧靠中间轴27末端轴肩；另一侧内圈用第四支撑轴承挡圈30固定，同侧外圈紧靠第四支撑轴承套杯29的阶梯孔台阶，以此来对第四支撑轴承28进行定位。同时，第四支撑轴承套杯29通过螺栓连接固定到机架5上，以此固定中间轴27的轴向位置。
本实施例中，支撑轴21通过第三支撑轴承22分别与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8转动连接，使得两个锥齿轮空套在支撑轴21上。具体地，第一输入锥齿轮7和第二输入锥齿轮8均设置有阶梯通孔。第三支撑轴承22为深沟球轴承，也可为其他类型轴承，其一边外圈紧靠第一输入锥齿轮7或者第二输入锥齿轮8的阶梯孔台阶；另一侧内圈由第三支撑轴承定位端盖23固定，而第三支撑轴承定位端盖23通过螺钉固定连接于支撑轴21，从而实现第三支撑轴承22的轴向定位，同时实现支撑轴21的轴向定位。
本实施例中，第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8、第一支撑架17、第二支撑架18、第一消隙直齿轮24均同轴布置，且第一消隙直齿轮24的分度圆圆心与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8和输出锥齿轮9三者啮合的锥顶重合。第一消隙直齿轮24通过紧定螺钉固定连接于支撑轴21上，并与第二消隙直齿轮25啮合。第一支撑架17和第二支撑架18通过紧定螺钉固定连接于支撑轴21上，第一消隙直齿轮24置于第一支撑架17和第二支撑架18之间，且两支撑架一侧分别紧靠第一消隙直齿轮24两侧，以此加强第一消隙直齿轮24的轴向定位。第三支撑架19通过螺栓连接与第一支撑架17、第二支撑架18的连接板部分固定连接，保证三者连接板侧面平行。第三支撑架19与支撑轴21间接固定连接，输出锥齿轮9通过第七支撑轴承12与第三支撑架19转动连接，同时轴向固定，且同时与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8啮合。本实施例中的自转运动、俯仰运动及自转俯仰复合运动的消隙运动均通过第三支撑架19传递。
其中，第一支撑架17、第二支撑架18、第三支撑架19及第一消隙直齿轮24的本体一体运动，第二消隙直齿轮25、消隙蜗轮26、中间轴第一定位轴套31、中间轴第二定位轴套32及中间轴27的本体一体运动。
本实施例中，第三电机减速机3驱动消隙蜗杆33同速转动。消隙蜗杆33与消隙蜗轮26啮合减速转动，不仅可实现大传动比，而且体积较小。本发明中使用的消隙蜗杆33和消隙蜗轮26之间不发生自锁，且可以实现正转和反转传动。消隙蜗轮26带动第二消隙直齿轮25同速转动，而第二消隙直齿轮25与第一消隙直齿轮实现啮合转动，并通过第一支撑架17、第二支撑架18和第三支撑架19，将运动传递给输出锥齿轮9，配合自转运动、俯仰运动及自转俯仰复合运动实现消隙。
本发明提供的一种三电机驱动的二自由度关节结构还包括控制器，控制器与第一电机减速机1、第二电机减速机2及第三电机减速机3连接。控制器用于控制第一电机减速机1、第二电机减速机2及第三电机减速机3的输出转矩。
工作原理
1、输出锥齿轮9只自转不俯仰
当第一输入锥齿轮7和第二输入锥齿轮8旋转方向相反且输出转矩相等，输出锥齿轮9只自转不俯仰。
静止
如图5(a)所示，通过控制器控制第一电机减速机1的输出转矩，第一电机减速机1通过第一传动小锥齿轮34、第一传动大锥齿轮35、第一小带轮46、第一同步带47、第一大带轮48传递到第一输入锥齿轮7的转矩为T1；通过控制器控制第二电机减速机2的输出转矩，第二电机减速机2通过第二传动小锥齿轮40、第二传动大锥齿轮41、第二小带轮49、第二同步带50、第二大带轮51传递到第二输入锥齿轮8的转矩为T2。第一输入锥齿轮7的转矩T1与第二输入锥齿轮8的转矩T2方向相同、大小相等且|T1|＝|T2|＝T0，其中T0为预先设定的偏置力矩。通过控制器控制第三电机减速机3的输出转矩，第三电机减速机3通过消隙蜗杆33、消隙蜗轮26、第二消隙直齿轮25、第一消隙直齿轮24、第一支撑架17、第二支撑架18、第三支撑架19传递到输出锥齿轮9的转矩为T3。输出锥齿轮9的转矩T3与T1、T2的方向相反且满足|T3|＝|T1|+|T2|。此时输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的自转力矩|Tr|＝0，输出的俯仰力矩|Tb|＝0，整个差动装置呈现静止状态，传动间隙被消除，提高了传动精度。
顺时针自转启动
如图5(b)所示，第一输入锥齿轮7作为主动齿轮，第二输入锥齿轮8作为从动齿轮。第一输入锥齿轮7的转矩T1和第二输入锥齿轮8的转矩T2方向相同，且|T1|>|T2|，自转力矩Tr的方向为顺时针，且|Tr|＝|T1|-|T2|。输出锥齿轮9的转矩T3与T1、T2的方向相反且满足|T3|＝|T1|+|T2|。全程中，输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的自转力矩|Tr|＝|T1|-|T2|，方向为顺时针，输出的俯仰力矩|Tb|＝0，整个差动装置呈现顺时针自转运动状态。
顺时针自转稳定
如图5(c)所示，第一输入锥齿轮7的转矩T1方向不变，其数值增大到一定值后不变。第二输入锥齿轮8的转矩T2逐渐减小为零并反向增大直至|T1|＝|T2|。在该过程中，T3方向不变且其数值逐渐减小为零。全程中，输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的自转力矩|Tr|＝|T1|+|T2|，方向为顺时针，输出的俯仰力矩|Tb|＝0，整个差动装置呈现顺时针自转运动状态。
顺时针自转减速制动
如图5(d)所示，第一输入锥齿轮7的转矩T1方向不变，其数值逐渐减小为T0。第二输入锥齿轮8的转矩T2逐渐减小为零并反向增大为T0。在该过程中，T3沿着与T1的方向相反的方向逐渐增大，直至|T3|＝|T1|+|T2|。全程中，输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的自转力矩|Tr|＝0，输出的俯仰力矩|Tb|＝0，整个差动装置呈现静止状态，完成减速制动，如图5(e)所示。
逆时针自转启动
当输出锥齿轮9需要逆时针自转时，只需将第二输入锥齿轮8作为主动齿轮，第一输入锥齿轮7作为从动齿轮，转矩变化过程与上述类似。
2、输出锥齿轮9只俯仰不自转
当第一输入锥齿轮7和第二输入锥齿轮8旋转方向相同且输出转矩相等，输出锥齿轮9只俯仰不自转。
静止
如图6(a)所示，通过控制器控制第一电机减速机1的输出转矩，第一电机减速机1通过第一传动小锥齿轮34、第一传动大锥齿轮35、第一小带轮46、第一同步带47、第一大带轮48传递到第一输入锥齿轮7的转矩为T1；通过控制器控制第二电机减速机2的输出转矩，第二电机减速机2通过第二传动小锥齿轮40、第二传动大锥齿轮41、第二小带轮49、第二同步带50、第二大带轮51传递到第二输入锥齿轮8的转矩为T2。第一输入锥齿轮7的转矩T1与第二输入锥齿轮8的转矩T2方向相同、大小相等且T1＝T2＝T0，其中T0为预先设定的偏置力矩。通过控制器控制第三电机减速机3的输出转矩，第三电机减速机3通过消隙蜗杆33、消隙蜗轮26、第二消隙直齿轮25、第一消隙直齿轮24、第一支撑架17、第二支撑架18、第三支撑架19传递到输出锥齿轮9的转矩为T3。输出锥齿轮9的转矩T3与T1、T2的方向相反且满足|T3|＝|T1|+|T2|。此时输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的自转力矩|Tr|＝0，输出的俯仰力矩|Tb|＝0，整个差动装置呈现静止状态，传动间隙被消除，提高了传动精度。
正俯仰启动
如图6(b)所示，第一输入锥齿轮7和第二输入锥齿轮8共同作为主动齿轮，输出锥齿轮9作为从动齿轮。第一输入锥齿轮7的转矩T1和第二输入锥齿轮8的转矩T2方向相同且两者转矩值均逐渐增大，始终满足|T1|＝|T2|。输出锥齿轮9的转矩T3方向大小均不变。全程中，输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8均是紧密啮合，输出锥齿轮9输出的俯仰力矩|Tb|＝|T1|+|T2|+|T3|，方向为正，输出的自转力矩|Tr|＝0，整个装置呈现正俯仰启动状态，传动间隙被消除，提高了传动精度。
正俯仰稳定
如图6(b)所示，与正俯仰启动状态类似，第一输入锥齿轮7的转矩T1和第二输入锥齿轮8的转矩T2方向相同且始终满足|T1|＝|T2|。输出锥齿轮9的转矩T3逐渐减小为零后反向增加。输出锥齿轮9与第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8始终紧密啮合，输出锥齿轮9输出的俯仰力矩|Tb|＝|T1|+|T2|+|T3|，方向为正，输出的自转力矩|Tr|＝0，整个装置呈现正俯仰稳定状态。
正俯仰减速制动
如图6(c)所示，T1＝T2且逐渐减小，T3也逐渐减小至|T3|＝T0。此时，T1＝T2继续减小为零并反向增加，直至|T1|＝|T2|＝T0。此时输出锥齿轮9输出的俯仰力矩|Tb|＝0，输出的自转力矩|Tr|＝0，整个装置完成正俯仰减速制动。
反俯仰启动
如图6(d)所示，在正俯仰减速制动的基础之上，第一输入锥齿轮7的转矩T1和第二输入锥齿轮8的转矩T2方向与正俯仰状态相反且两者转矩值均逐渐增大，始终满足|T1|＝|T2|。转矩变化过程与上述正俯仰运动过程类似。
3、输出锥齿轮9自转俯仰复合运动
以上述任何单一运动过程为例，打破第一输入锥齿轮7、第二输入锥齿轮8和输出锥齿轮9之间的转矩平衡，即可实现自转俯仰复合运动，且能消除传动间隙，提高传动精度。
综上，本发明提供的一种三电机驱动的二自由度关节结构不仅能够实现自转运动、俯仰运动及自转俯仰复合运动，而且传动精度更高。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，包括第一电机减速机(1)、第二电机减速机(2)、第三电机减速机(3)、第一传动系统、第二传动系统、第三传动系统、输出系统、中间连接件(4)、机架(5)和外壳(6)，
所述机架(5)和外壳(6)通过中间连接件(4)连接，
所述第一电机减速机(1)、第二电机减速机(2)和第三电机减速机(3)安装在机架(5)上，
所述输出系统包括第三支撑架(19)和输出锥齿轮(9)，输出锥齿轮(9)套接在第三支撑架(19)，
所述第一电机减速机(1)通过第一传动系统带动输出锥齿轮(9)转动；
所述第二电机减速机(2)通过第二传动系统带动输出锥齿轮(9)转动；
所述第三电机减速机(3)通过第三传动系统带动第三支撑架(19)动作；
所述第一传动系统包括第一输入锥齿轮(7)、第一传动小锥齿轮(34)、第一传动大锥齿轮(35)、第一小带轮(46)、第一同步带(47)和第一大带轮(48)，第一电机减速机(1)驱动第一传动小锥齿轮(34)转动，第一传动大锥齿轮(35)与第一传动小锥齿轮(34)啮合，第一传动大锥齿轮(35)的末端与第一小带轮(46)固定连接，第一大带轮(48)通过第一同步带(47)与第一小带轮(46)传动连接，第一大带轮(48)与第一输入锥齿轮(7)末端固定连接；
所述第二传动系统包括第二输入锥齿轮(8)、第二传动小锥齿轮(40)、第二传动大锥齿轮(41)、第二小带轮(49)、第二同步带(50)和第二大带轮(51)，第二电机减速机(2)驱动第二传动小锥齿轮(40)转动，第二传动大锥齿轮(41)与第二传动小锥齿轮(40)啮合，第二传动大锥齿轮(41)的末端与第二小带轮(49)固定连接，第二大带轮(51) 通过第二同步带(50)与第二小带轮(49)传动连接，第二大带轮(51)与第二输入锥齿轮(8)末端固定连接；
所述第三传动系统包括第一支撑架(17)、第二支撑架(18)、支撑轴(21)、第一消隙直齿轮(24)、第二消隙直齿轮(25)、消隙蜗轮(26)、中间轴(27)、消隙蜗杆(33)，第三电机减速机(3)驱动消隙蜗杆(33)转动，消隙蜗轮(26)与消隙蜗杆(33)啮合，消隙蜗轮(26)套接在中间轴(27)上，中间轴(27)两端安装在机架(5)内壁上，第一消隙直齿轮(24)与消隙蜗轮(26)啮合，第一消隙直齿轮(24)套接在支撑轴(21)上，第一支撑架(17)和第二支撑架(18)套接在支撑轴(21)，第三支撑架(19)与第一支撑架(17)和第二支撑架(18)固定连接，输出锥齿轮(9)与第一输入锥齿轮(7)和第二输入锥齿轮(8)啮合。
2.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，
所述第一传动大锥齿轮(35)末端穿过机架(5)并通过第五支撑轴承(36)与机架(5)转动连接，第五支撑轴承套杯(38)套接在第五支撑轴承(36)上，第五支撑轴承(36)一侧内圈紧靠第一传动大锥齿轮(35)的轴肩，同侧外圈紧靠第五支撑轴承套杯(38)的阶梯边沿；另一侧内圈用第五支撑轴承挡圈(37)固定，同侧外圈被第五支撑轴承端盖(39)固定，第五支撑轴承套杯(38)通过螺栓固定在机架(5)上；
所述第二传动大锥齿轮(41)末端穿过机架(5)并通过第六支撑轴承(42)与机架(5)转动连接，第六支撑轴承套杯(44)套接在第六支撑轴承(42)上，第六支撑轴承(42)一侧内圈紧靠第二传动大锥齿轮(41)的轴肩，同侧外圈紧靠第六支撑轴承套杯(44)的阶梯边沿；另一侧内圈用第六支撑轴承挡圈(43)固定，同侧外圈被第六支撑轴承端盖( 45) 固定，第六支撑轴承套杯(44)通过螺栓连接固定到机架(5)上。
3.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，
所述第一输入锥齿轮(7)通过第一支撑轴承(10)与机架(5)转动连接，第一支撑轴承套杯(13)套接在第一支撑轴承(10)上，第一支撑轴承(10)一侧内圈紧靠第一输入锥齿轮(7)的轴肩，同侧外圈紧靠第一支撑轴承套杯(13)的阶梯边沿；另一侧内圈用第一支撑轴承锁紧螺母(15)固定，第一支撑轴承套杯(13)通过螺栓连接固定到机架(5)上；
所述第二输入锥齿轮(8)通过第二支撑轴承(11)与机架(5)转动连接，第二支撑轴承套杯(14)套接在第二支撑轴承(11)上，第二支撑轴承(11)一侧内圈紧靠第二输入锥齿轮(8)的轴肩，同侧外圈紧靠第二支撑轴承套杯(14)的阶梯边沿；另一侧内圈用第二支撑轴承锁紧螺母(16)固定，第二支撑轴承套杯(14)通过螺栓连接固定到机架(5)上。
4.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，
所述输出锥齿轮(9)与第三支撑架(19)之间布置有第七支撑轴承(12)，第七支撑轴承(12)为一对背对背设置的角接触球轴承，第七支撑轴承(12)一侧内圈紧靠第三支撑架(19)轴段部分的轴肩，同侧外圈紧靠输出锥齿轮(9)阶梯孔的台阶；另一侧内圈用输出轴承锁紧螺母(20)固定。
5.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，
所述中间轴(27)通过一对第四支撑轴承(28)与机架(5)转动连接，每一第四支撑轴承(28)上套接有一个第四支撑轴承套杯(29)，第四支撑轴承(28)一侧内圈紧靠中间轴(27)末端轴肩；另一侧内圈用第四支撑轴承挡圈(30)固定，同侧外圈紧靠第四支撑轴承套杯(29)的阶梯孔台阶，第四支撑轴承套杯(29)通过螺栓连接固定到机架(5) 上。
6.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，
所述支撑轴(21)通过一对第三支撑轴承(22)分别与第一输入锥齿轮(7)、第二输入锥齿轮(8)转动连接，使得两个锥齿轮空套在支撑轴(21)上，第一输入锥齿轮(7)和第二输入锥齿轮(8)均设置有阶梯通孔，第三支撑轴承(22)一侧外圈紧靠第一输入锥齿轮(7)或者第二输入锥齿轮(8)的阶梯孔台阶；另一侧内圈由第三支撑轴承定位端盖(23)固定，第三支撑轴承定位端盖(23)通过螺钉与支撑轴(21)固定连接。
7.根据权利要求1所述的三电机驱动的二自由度关节结构，其特征在于，所述第一输入锥齿轮(7)和所述第二输入锥齿轮(8)同轴设置。
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