CN110561489B - 一种三自由度并联驱动关节 - Google Patents

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Abstract

一种三自由度并联驱动关节，它涉及一种驱动关节，它包括关节运动连杆架、三自由度运动机构和电机组；三自由度运动机构包括连杆固定架、扭转固定架和运动传递组件；关节运动连杆架与连杆固定架转动连接，连杆固定架和扭转固定架转动连接，运动传递组件安装在连杆固定架和扭转固定架上，扭转固定架与电机组的输出端连接并能相对电机组转动，运动传递组件由电机组带动运动实现关节运动连杆架的扭转、俯仰和偏航运动。本发明结构紧凑，可有效的减少末端执行机构的运动的惯性负载。

Description

一种三自由度并联驱动关节
技术领域
本发明涉及一种驱动关节，具体涉及一种三自由度并联驱动关节。
背景技术
目前，在各种机械臂和机器人中对机械末端的负载要求较高，并且很多机器人都要求工作在极端情况下，如狭窄空间的工况下对体积限制较大，又如在穿戴式机器人工况下对质量要求严格。这样针对大负载目标，传动的串联式布置只能通过单纯的增大电机来实现末端的负载运动，无法同时满足空间尺寸、结构质量以及负载质量三者兼顾的需求。针对于并联驱动关节的研究现状来说，目前以二自由度并联驱动为主，但是在实际情况中三自由度关节的使用是比较广泛的，所以二自由度并联的驱动方式，不可避免的使一个方向自由度无法实现并联结构布置。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种三自由度并联驱动关节，该驱动关节同时满足空间尺寸、结构质量以及负载质量三者兼顾的需求。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种三自由度并联驱动关节，它包括关节运动连杆架、三自由度运动机构和电机组；
三自由度运动机构包括连杆固定架、扭转固定架和运动传递组件；
关节运动连杆架与连杆固定架转动连接，连杆固定架和扭转固定架转动连接，运动传递组件安装在连杆固定架和扭转固定架上，扭转固定架与电机组的输出端连接并能相对电机组转动，运动传递组件由电机组带动运动实现关节运动连杆架的扭转、俯仰和偏航运动。
进一步地，所述运动传递组件包括扭转运动组件；所述扭转运动组件包括第一大锥齿轮、第二大锥齿轮、第三大锥齿轮、第一小锥齿轮、第二小锥齿轮，第三小锥齿轮、轮轴、第一交错轴传动大齿轮和第二交错轴传动大齿轮；连杆固定架和扭转固定架嵌套设置并通过轮轴连接在一起相对转动，第一大锥齿轮、第二大锥齿轮和第三大锥齿轮由外至内嵌套布置，且第一大锥齿轮、第二大锥齿轮和第三大锥齿轮端部分别设有轴套，三个轴套嵌套在一起并用轴承支撑且由电机组驱动；轮轴上套设有第一小锥齿轮、第一交错轴传动大齿轮、第二小锥齿轮和第三小锥齿轮；其中，第三小锥齿轮和轮轴相对转动，第一小锥齿轮、第一交错轴传动大齿轮、第二小锥齿轮固接在轮轴上，第二交错轴传动大齿轮插装在第三小锥齿轮上做有的连接套的外侧，第一大锥齿轮与第三小锥齿轮啮合，第二大锥齿轮与第一小锥齿轮啮合，第三大锥齿轮与第二小锥齿轮相互啮合。
进一步地，所述运动传递组件包括俯仰偏航组件，所述俯仰偏航组件包括第一交错轴传动小齿轮、第二交错轴传动小齿轮、第一连杆运动轴和第二连杆运动轴；第一连杆运动轴和第二连杆运动轴分别与连杆固定架转动连接，第一连杆运动轴的中部固装有第一交错轴传动小齿轮，关节运动连杆架固接在第一连杆运动轴的两端，第一交错轴传动小齿轮与第一交错轴传动大齿轮啮合，第二连杆运动轴的中部固装有第二交错轴传动小齿轮，第二交错轴传动小齿轮与第二交错轴传动大齿轮啮合，第一连杆运动轴和第二连杆运动轴之间还固装有传动轮系。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、并联三自由度关节的布置方式可以将单个自由度上的负载分配到两个或者三个电机上，使单个电机所承受的力矩为常规布置的1/3到1/2，并且在负载较大的俯仰偏航运动时单个电机所承受的力矩为常规布置的1/3。
2、并联结构布置可以将三个电机都安装在结构的基座位置，相较传统串联结构不可避免地将电机布置在运动结构上而言，此种并联结构可以有效的减少末端执行机构的运动的惯性负载。
3、在同等负载下，并联三自由度关节的布置方式可以降低单个电机的负担，并且电机安装位置集中，这样的结果不仅降低了电机的质量，而且也提高了紧凑性，同时保证了负载的需求。
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明。
附图说明
图1为本发明整体结构立体图；
图2为沿轴向的局部剖视图；
图3为沿径向的局部剖视图。
具体实施方式
参见图1-图3所示，一种三自由度并联驱动关节，它包括关节运动连杆架1、三自由度运动机构2和电机组3；
三自由度运动机构2包括连杆固定架18、扭转固定架19和运动传递组件2A；
关节运动连杆架1与连杆固定架18转动连接，连杆固定架18和扭转固定架19转动连接，运动传递组件安装在连杆固定架18和扭转固定架19上，扭转固定架19与电机组3的输出端连接并能相对电机组3转动，运动传递组件由电机组3带动运动实现关节运动连杆架1的扭转、俯仰和偏航运动。
进一步来说，如图2所示，所述运动传递组件2A包括扭转运动组件；所述扭转运动组件包括第一大锥齿轮4、第二大锥齿轮5、第三大锥齿轮6、第一小锥齿轮7、第二小锥齿轮8，第三小锥齿轮9、轮轴10、第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12；连杆固定架18和扭转固定架19嵌套设置并通过轮轴10连接在一起相对转动，第一大锥齿轮4、第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6由外至内嵌套布置，且第一大锥齿轮4、第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6端部分别设有轴套B，三个轴套B嵌套在一起并用轴承支撑且由电机组3驱动；轮轴10上套设有第一小锥齿轮7、第一交错轴传动大齿轮11、第二小锥齿轮8和第三小锥齿轮9；其中，第三小锥齿轮9和轮轴10相对转动，第一小锥齿轮7、第一交错轴传动大齿轮11、第二小锥齿轮8固接在轮轴10上，第二交错轴传动大齿轮12插装在第三小锥齿轮9上设有的连接套的外侧，第一大锥齿轮4与第三小锥齿轮9啮合，第二大锥齿轮5与第一小锥齿轮7啮合，第三大锥齿轮6与第二小锥齿轮8相互啮合。
上述实施方式中，轮轴10的上端和下端分别通过键固装有第二轴套14和第一轴套13；第二轴套14和第一轴套13布置在扭转固定架19上并通过轴承支撑；第一轴套13、第一小锥齿轮7、第一交错轴传动大齿轮11、第二小锥齿轮8、第一轴套13和轮轴10通过键固定连接；第三小锥齿轮9和轮轴10通过轴承装配连接，第二交错轴传动大齿轮12通过键固定在第三小锥齿轮9的外侧，当第一大锥齿轮4发生转动时，可以将转动通过第三小锥齿轮9传递到第二交错轴传动大齿轮12。当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6反向转动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8同向转动，则第一交错轴传动大齿轮11发生转动，扭转固定架19不动；当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6同向转动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8反向转动，由于齿轮都是固定在轮轴10上，所以不能发生转动而与第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6的轮齿卡住，当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6运动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8带动扭转固定架19发生转动实现扭转运动。
在进一步来说，如图3所示，所述运动传递组件2A包括俯仰偏航组件，所述俯仰偏航组件包括第一交错轴传动小齿轮20、第二交错轴传动小齿轮21、第一连杆运动轴22和第二连杆运动轴23；第一连杆运动轴22和第二连杆运动轴23分别与连杆固定架18转动连接，第一连杆运动轴22的中部固装有第一交错轴传动小齿轮20，关节运动连杆架1固接在第一连杆运动轴22的两端，第一交错轴传动小齿轮20与第一交错轴传动大齿轮11啮合，第二连杆运动轴23的中部固装有第二交错轴传动小齿轮21，第二交错轴传动小齿轮21与第二交错轴传动大齿轮12啮合，第一连杆运动轴22和第二连杆运动轴23之间还固装有传动轮系。所述传动轮系包括两个第一传动钢丝轮24和两个第二传动钢丝轮25；两个第一传动钢丝轮24固装在第一连杆运动轴22上，两个第二传动钢丝轮25固装在第二连杆运动轴23上，第一传动钢丝轮24和第二传动钢丝轮25通过钢丝绳或带传动。
上述实施方式中，每对第一传动钢丝轮24和第二传动钢丝轮25通过钢丝绳或带(如同步带)同步转动。这样布置当第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12反向运动时，第二交错轴传动大齿轮12由第一大锥齿轮4和第三小锥齿轮9啮合传动，带动第二交错轴传动大齿轮12转动，第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21同向运动，此时，第一连杆运动轴22带动关节运动连杆架1产生俯仰运动；当第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12同向运动时，第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21也反向运动，但是由于第一传动钢丝轮24和第二传动钢丝轮25通过钢丝绳(或同步带)同步转动，所以第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12分别与第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21轮齿卡死，此时发生运动时则带动连杆固定架18绕齿轮轴10转动，则关节运动连杆架1随同连杆固定架18作偏航运动。
上述方案中，所述电机组3包括第一电机15、第二电机16和第三电机17；第三电机17的输出端与第三大锥齿轮6的轴套固接，第二电机16的输出端与第二大锥齿轮5的轴套固接，第一电机15的输出端与第一大锥齿轮4的轴套固接。三个电机和轴套均通过键固定，扭转运动通过第三电机17和第二电机16并联合成运动构成，俯仰运动以及偏航运动由第一电机15、第二电机16和第三电机17的并联合成运动构成。此运动结果可以将单个自由度上的负载分配到两个或者三个电机上，使单个电机所承受的力矩为常规布置的1/3到1/2，并且在负载较大的俯仰偏航运动时单个电机所承受的力矩为常规布置的1/3。
所述关节运动连杆架1包括连杆和连接件；所述连接件为“[”形件，连杆与连接件的槽底外侧固接，连接件的两个横板分别与第一连杆运动轴22的两端固接。所述连杆固定架18为“F”形件，扭转固定架19为“[”形件，轮轴10穿设在“F”形件的两个横板和“[”形件的两个横板上并通过轴承支撑。如此设置，连杆固定架18和扭转固定架19相互嵌套在一起，结构紧凑，牢靠稳定。
工作过程
当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6同速反向转动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8同向转动，则第一交错轴传动大齿轮11发生转动，扭转固定架19不动；当第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12反向运动时，第二交错轴传动大齿轮12由第一大锥齿轮4和第三小锥齿轮9啮合传动，带动第二交错轴传动大齿轮12转动，第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21同向运动，此时，第一连杆运动轴22带动关节运动连杆架1产生俯仰运动；当第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12同向运动时，第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21反向运动，但是由于第一传动钢丝轮24和第二传动钢丝轮25通过钢丝绳(或同步带)同步转动，所以第一交错轴传动大齿轮11和第二交错轴传动大齿轮12分别与第一交错轴传动小齿轮20和第二交错轴传动小齿轮21轮齿卡死，此时发生运动时则带动连杆固定架18绕齿轮轴10转动，则关节运动连杆架1随同连杆固定架18作偏航运动。
当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6同速同向转动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8反向转动，由于齿轮都是固定在轮轴10上，所以不能发生转动而与第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6的轮齿卡住，当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6运动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8带动扭转固定架19发生转动实现扭转运动，此时第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6同速状态行下，第一大锥齿轮4不运转；当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6同速同向转动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8反向转动，由于齿轮都是固定在轮轴10上，所以不能发生转动而与第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6的轮齿卡住，当第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6运动时，第一小锥齿轮7和第二小锥齿轮8带动扭转固定架19发生转动实现扭转运动。第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6等速转动下第一大锥齿轮4不发送转动，对应电机不工作。
以上所述同向和反向均为同速状态下，所实现的效果为单自由度的分解运动，当结构同时存在三个方向的自由度运动时，只需要将三种分解状态下的各个电机的速度进行加和，即可实现三个自由度同时运动的效果。
上述中第二大锥齿轮5和第三大锥齿轮6不等速转动时，最终会实现关节连接杆架1的扭转、俯仰和偏航的协同运动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (4)

1.一种三自由度并联驱动关节，其特征在于：它包括关节运动连杆架(1)、三自由度运动机构(2)和电机组(3)；
三自由度运动机构(2)包括连杆固定架(18)、扭转固定架(19)和运动传递组件(2A)；
关节运动连杆架(1)与连杆固定架(18)转动连接，连杆固定架(18)和扭转固定架(19)转动连接，运动传递组件(2A)安装在连杆固定架(18)和扭转固定架(19)上，扭转固定架(19)与电机组(3)的输出端连接并能相对电机组(3)转动，运动传递组件(2A)由电机组(3)带动运动实现关节运动连杆架(1)的扭转、俯仰和偏航运动；
所述运动传递组件(2A)包括扭转运动组件；所述扭转运动组件包括第一大锥齿轮(4)、第二大锥齿轮(5)、第三大锥齿轮(6)、第一小锥齿轮(7)、第二小锥齿轮(8)，第三小锥齿轮(9)、轮轴(10)、第一交错轴传动大齿轮(11)和第二交错轴传动大齿轮(12)；连杆固定架(18)和扭转固定架(19)嵌套设置并通过轮轴(10)连接在一起相对转动，第一大锥齿轮(4)、第二大锥齿轮(5)和第三大锥齿轮(6)由外至内嵌套布置，且第一大锥齿轮(4)、第二大锥齿轮(5)和第三大锥齿轮(6)端部分别设有轴套(B)，三个轴套(B)嵌套在一起并用轴承支撑且由电机组(3)驱动；所述电机组(3)包括第一电机(15)、第二电机(16)和第三电机(17)；第三电机(17)的输出端与第三大锥齿轮(6)的轴套固接，第二电机(16)的输出端与第二大锥齿轮(5)的轴套固接，第一电机(15)的输出端与第一大锥齿轮(4)的轴套固接；
轮轴(10)上套设有第一小锥齿轮(7)、第一交错轴传动大齿轮(11)、第二小锥齿轮(8)和第三小锥齿轮(9)；其中，第三小锥齿轮(9)和轮轴(10)相对转动，第一小锥齿轮(7)、第一交错轴传动大齿轮(11)、第二小锥齿轮(8)固接在轮轴(10)上，第二交错轴传动大齿轮(12)插装在第三小锥齿轮(9)上设有的连接套的外侧，第一大锥齿轮(4)与第三小锥齿轮(9)啮合，第二大锥齿轮(5)与第一小锥齿轮(7)啮合，第三大锥齿轮(6)与第二小锥齿轮(8)相互啮合；
所述运动传递组件(2A)包括俯仰偏航组件，所述俯仰偏航组件包括第一交错轴传动小齿轮(20)、第二交错轴传动小齿轮(21)、第一连杆运动轴(22)和第二连杆运动轴(23)；第一连杆运动轴(22)和第二连杆运动轴(23)分别与连杆固定架(18)转动连接，第一连杆运动轴(22)的中部固装有第一交错轴传动小齿轮(20)，关节运动连杆架(1)固接在第一连杆运动轴(22)的两端，第一交错轴传动小齿轮(20)与第一交错轴传动大齿轮(11)啮合，第二连杆运动轴(23)的中部固装有第二交错轴传动小齿轮(21)，第二交错轴传动小齿轮(21)与第二交错轴传动大齿轮(12)啮合，第一连杆运动轴(22)和第二连杆运动轴(23)之间还固装有传动轮系。
2.根据权利要求1所述一种三自由度并联驱动关节，其特征在于：所述传动轮系包括两个第一传动钢丝轮(24)和两个第二传动钢丝轮(25)；两个第一传动钢丝轮(24)固装在第一连杆运动轴(22)上，两个第二传动钢丝轮(25)固装在第二连杆运动轴(23)上，第一传动钢丝轮(24)和第二传动钢丝轮(25)通过钢丝绳或带传动。
3.根据权利要求2所述一种三自由度并联驱动关节，其特征在于：所述关节运动连杆架(1)包括连杆和连接件；所述连接件为“[”形件，连杆与连接件的槽底外侧固接，连接件的两个横板分别与第一连杆运动轴(22)的两端固接。
4.根据权利要求3所述一种三自由度并联驱动关节，其特征在于：所述连杆固定架(18)为“F”形件，扭转固定架(19)为“[”形件，轮轴(10)穿设在“F”形件的两个横板和“[”形件的两个横板上并通过轴承支撑。
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