CN111670095B - 并联式集成驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种并联式集成驱动装置，包括：驱动单元，其包括第一电动机、第二电动机、第三电动机和第四电动机；第一轴、第二轴和第三轴，通过中空结构彼此插入并形成同轴，各轴能够在插入状态下相对于彼此旋转，并且各轴设有延伸到驱动单元外侧的一端部；末端部，其设置在驱动单元的外部，并且其上安装有操作机构；第一连杆部、第二连杆部和第三连杆部，其使末端部沿俯仰、横摆和滚转方向旋转；以及万向连杆部，其将作为第四电动机的转子的第四转子与末端部连接。

Description

并联式集成驱动装置

技术领域

本发明涉及一种四自由度并联式集成驱动装置，其用于机器人等的关节中以实现四个自由度。

背景技术

可以根据设计方法及其分析，将应用于机器人等的关节的机械构造的旋转装置分为串联式和并联式，并且可以根据每种类型的特征来测量旋转装置的性能。串联式适用于较大的工作空间，其设计及其分析相对容易，因而得到了广泛的应用。

然而，由于串联式结构因驱动装置关节误差的累积而使精度降低，并且在该结构的末端处无法提供较大的动力，因此近来研究了具有并联式结构的装置以解决该问题。并联式结构具有高刚性，由于驱动装置能够被放置在基部上的设计而具有低惯性，具有高精度，并且使驱动装置能够在其末端产生很大的动力，从而使旋转装置具有良好的性能。然而，并联式结构具有许多难以控制的独特特征，工作空间小且难以分析。因此，为了解决该问题并提高性能，添加了冗余的连杆结构，添加了过驱动或者进行了串并联组合式设计。

这种并联式结构存在一定的问题，关注旋转运动而衍生出的结构之一是球形并联结构，其中球形并联结构中所有关节的旋转轴与其中的固定点重合，并进行纯粹的点-中心旋转运动。但是，由于基于球形并联结构远端的台式设备，无法识别机器人的特定关节运动且无法提供位置和运动感，因而对于特定的关节运动不直观。

而外骨骼类型的结构可以通过人体关节的运动直观地控制。然而，由于设计约束高，并且当关节轴不一致时可能导致运动不协调，因此旋转装置的关节轴的布置是旋转装置的重要设计考虑因素。

上述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围。

相关技术的示例可以参考韩国专利第10-1693246B1号。

发明内容

技术问题

提出本发明以解决这种问题，并且提供一种并联式集成驱动装置，其能够：减小整个结构的体积，同时最大程度地减少关节的干扰，使运动部件具有低惯性，并且直观地实现关节运动。

技术方案

为了实现本发明的目的，提供一种并联式集成驱动装置，包括：驱动单元，其由沿驱动单元的长度方向连续堆叠的第一电动机、第二电动机、第三电动机和第四电动机构成，并且各电动机均设有固定在驱动单元的外侧的定子和分别位于其内侧的转子，转子相对于彼此旋转；第一轴、第二轴和第三轴，其中各轴分别设有一端部，该一端部在各转子的内侧分别连接到作为第一电动机、第二电动机以及第三电动机的转子的第一转子、第二转子和第三转子，各轴通过中空结构彼此插入并形成同轴，各轴能够在插入状态下相对于彼此旋转，并且各轴设有朝驱动单元的外侧延伸的另一端部；末端部，其设置在驱动单元的外部，并且其上安装有操作机构；第一连杆部、第二连杆部和第三连杆部，各连杆部分别将第一轴、第二轴和第三轴连接到末端部，并将第一轴、第二轴和第三轴的旋转力传递到末端部，从而使末端部沿俯仰、横摆和滚转方向旋转；以及万向连杆部，其将作为第四电动机的转子的第四转子与末端部彼此连接。

第一电动机、第二电动机、第三电动机和第四电动机被堆叠成使得各自的转子的旋转轴重合。

第一电动机、第二电动机、第三电动机和第四电动机各自的定子和转子均具有相同的尺寸。

第一连杆部、第二连杆部和第三连杆部分别由多个连杆构成。

第二轴插入到第一轴的内侧，并且第三轴插入到第二轴的内侧。

第三电动机位于最后方，并且第二电动机和第一电动机相继布置在第三电动机的前方。

第三轴的长度最大，第二轴的长度小于第三轴的长度，第一轴的长度小于第二轴的长度。

第三轴的后端部设置在最后端，第二轴的后端部和第一轴的后端部设置在第三轴的前方，并且轴的后端部连接到对应电动机的转子。

第三轴的前端部延伸成最接近末端部，在远离末端部的方向上，设有第二轴的前端部和第一轴的前端部。

各连杆的后端部分别连接到各轴的前端部，并且各连杆的前端部沿末端部的后端部的周缘彼此间隔开并与其连接。

各连杆的前端部在相同的高度上沿末端部的周缘彼此间隔开，并且连接到末端部。

各连杆由第一连杆节和第二连杆节构成，其中第一连杆节的后端部可旋转地结合至轴，第二连杆节的后端部可旋转地连接到第一连杆节的前端部，并且第二连杆节的前端部可旋转地连接到末端部。

在第一连杆节的后端部连接到轴的状态下，第一连杆节向外侧弯曲并延伸，并且在第二连杆节的后端部连接到第一连杆节的前端部的状态下，第二连杆节在向侧面延伸之后，向内弯曲而连接到末端部。

第一转子、第二转子和第三转子中的任何一个转子是固定的，而其余的转子旋转使得末端部执行俯仰运动。

第一转子、第二转子和第三转子以相同的大小和方向旋转以使末端部执行滚转运动。

万向连杆部被形成为由末端部穿过其中心，并且由关节部和连接部构成，关节部可相对旋转地结合到末端部，连接部的一侧连接到第四转子并与第四转子一起旋转，而其另一侧可相对旋转地连接于关节部。

关节部可围绕末端部的长度方向轴相对于末端部旋转，并且围绕垂直于末端部的长度方向轴的轴线相对于连接部旋转。

连接部具有围绕关节部的外侧的环状，并且包括：环部，其被连接成围绕垂直于末端部的长度方向轴的轴线相对于关节部旋转；以及传动部，其将环部与第四转子彼此连接，以围绕与将关节部和环部彼此连接的轴线垂直的轴线与环部相对旋转。

第一转子、第二转子、第三转子和第四转子以相同的大小和方向旋转，使得末端部执行横摆运动。

第一转子、第二转子和第三转子是固定的，使得末端部不旋转，而第四转子旋转，从而使关节部相对于末端部旋转。

连接部可以从各连杆部的外侧延伸到关节部侧，并与关节部连接。

有益效果

根据本发明的并联式集成驱动装置，在实现具有四个自由度的关节时，能够再现自由运动，同时避免装置之间的碰撞。

通过实现俯仰、横摆和滚转三个基本自由度，同时增加滚动(rolling)，可以在关节末端同时实现机械手的另一种动作。

可以在实现四个自由度的同时，最大程度地减小整个关节驱动装置的体积和重量。

附图说明

图1是示出根据本发明示例性实施例的并联式集成驱动装置的截面图；

图2和图3是示出图1所示的并联式集成驱动装置的透视图；

图4至图10是示出图1所示的并联式集成驱动装置的操作过程的视图；

图11至图17是示出图1所示的并联式集成驱动装置的另一视图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明示例性实施例的并联式集成驱动装置的截面图，图2和图3是示出图1所示的并联式集成驱动装置的透视图，图4至图10是示出图1所示的并联式集成驱动装置的操作过程的视图，以及图11至图17是示出图1所示的并联式集成驱动装置的另一视图。

图1是示出根据本发明示例性实施例的并联式集成驱动装置的截面图，其中，根据本发明的并联式集成驱动装置包括：驱动单元，其包括沿驱动单元的长度方向依次堆叠的第一电动机100、第二电动机200、第三电动机300和第四电动机400，并且各电动机设有固定在驱动单元外侧的定子和分别位于其内侧的转子，转子相对于彼此旋转；第一轴160、第二轴260和第三轴360，各轴分别设有一端部，该一端部在各转子的内侧分别连接到作为第一电动机100、第二电动机200、第三电动机300的转子的第一转子140、第二转子240和第三转子340，各轴通过中空结构彼此插入并形成同轴，各轴能够在插入状态下相对于彼此旋转，并且各轴具有朝驱动单元外侧延伸的另一端部；末端部500，其布置在驱动单元的外部，并在其上安装有操作机构；第一连杆部620、第二连杆部640和第三连杆部660，各连杆部别将第一轴160、第二轴260和第三轴360连接到末端部500并将第一轴160、第二轴260和第三轴360的旋转力传递至末端部500，从而使末端部500在俯仰、横摆和滚转方向上旋转；以及万向连杆部460，其将作为第四电动机400的转子的第四转子440和末端部500彼此连接。

本发明的并联式集成驱动装置包括多个电动机，其中三个电动机负责控制并联式集成驱动装置的俯仰、横摆和滚转方向，其余的电动机用于实现单独的独立滚动(rolling)。由此，并联式集成驱动装置具有四个自由度，从而可以有效地模拟人体的关节。

另外，本发明的并联式集成驱动装置具有如下优点：通过堆叠四个电动机而使尺寸紧凑，并且通过使驱动模块中的多个连杆交叠而使尺寸更加紧凑。

特别地，第一电动机100、第二电动机200、第三电动机300和第四电动机400可以堆叠成使得各转子的旋转轴重合。此外，通过使各定子和转子的尺寸相同，可以使第一电动机100、第二电动机200、第三电动机300和第四电动机400具有紧凑的尺寸。此外，可以共用具有圆柱形的单个壳体H。

第一电动机100、第二电动机200、第三电动机300和第四电动机400沿长度方向依次堆叠，每个电动机均设有在电动机外侧固定至壳体H的定子，并且设有分别置于其内侧的转子，转子相对于彼此旋转。

对于每个转子，轴分别与其连接并随转子旋转。特别地，在第一轴160、第二轴260和第三轴360通过中空结构彼此插入并形成同轴，并且能够在插入状态下相对于彼此旋转的情况下，一端部162、262和362分别在各转子内部连接到第一转子140、第二转子240和第三转子340。此外，轴的另一端部164、264和364朝驱动单元的外侧延伸。换句话说，通过以中空结构的形式连接三个轴，使得整个轴单元的直径变得非常小，并使整体尺寸变得紧凑。

此外，通过实际驱动力而被旋转的末端部500设置在驱动单元外侧，并且必需的部件以各种方式安装于末端部500。第一连杆部620、第二连杆部640和第三连杆部660分别将第一轴160、第二轴260、第三轴360连接到末端部500，并将第一轴160、第二轴260和第三轴360的旋转力传递至末端部500，以使得末端部500在俯仰、横摆和滚转方向上旋转。最后，将第四电动机400的第四转子440和末端部500彼此连接的万向连杆部460，设置在末端部500侧，用于额外地执行单独的独立滚动。因此，当将本发明的并联式集成驱动装置应用于机器人等的关节时，实现了该关节基本的俯仰、横摆和滚转，同时还可以通过使用另外的独立滚动运动来驱动其他关节。例如，当将本发明的并联式集成驱动装置应用于机器人的肩关节时，可实现具有两个自由度的肩部的固有运动，并且通过使用另外的滚动，可以一起执行手臂的上部肌肉和下部肌肉的弯曲运动。在这种情况下，肘部不需要单独的致动机构，从而具有减小整个驱动单元的尺寸和重量的优点。

同时，第一连杆部620、第二连杆部640和第三连杆部660可以分别由多个连杆组成。特别地，各连杆的后端部可以连接到每个对应轴的前端部，并且各连杆的前端部可以沿末端部500的后端部的周缘间隔开并与其连接。在此，各连杆的前端部在相同的高度上沿末端部500的周缘彼此间隔开，并且可以连接到末端部500。因此，可以减小末端部500的长度，并且可以尽可能减小末端部500的体积。优选地，各连杆的前端部可以在末端部500的相同高度处以120度的间隔彼此间隔开，并连接到末端部500。

下面将详细说明连杆，各连杆包括第一连杆节720和第二连杆节740，其中第一连杆节720的后端部可旋转地结合至轴，第二连杆节740的后端部可旋转地连接到第一连杆节720的前端部，并且第二连杆节740的前端部可旋转地连接到末端部500。特别地，如图2所示，在第一连杆节720的后端部连接到轴的状态下，第一连杆节720沿倾斜方向向外侧弯曲并延伸，在第二连杆节740的后端部连接到第一连杆节720的前端部的状态下，第二连杆节740可以在向侧面延伸一次之后再次朝末端部500向内弯曲而连接到末端部500。连杆的这种结构可以防止在滚转、俯仰和横摆的各种运动过程中相互干扰。

同时，对于轴的相互结合方法，第二轴260可以插入第一轴160的内部，并且第三轴360可以插入第二轴260的内部。换句话说，这三个轴以中空结构的形式相互插入，从而整体上形成一个大轴。因此，第三电动机300可以位于最后侧，第二电动机200可以设置在第三电动机300的前方，并且第一电动机100可以连续地设置在第二电动机200的前方。

在轴和电动机的这种组合中，第三轴360的长度可以是最长的，并且轴的长度可以按照第二轴260和第一轴160的顺序一个接一个地缩短。此外，第三轴360的后端部可以位于最后端，第二轴260的后端部可以位于第三轴的前方，第一轴160的后端部可以位于第二轴的前方，并且每个轴的后端部可以连接到相应电动机的转子。另外，第三轴360的前端部可以延伸成最接近末端部500；并且第二轴260的前端部以及第一轴160的前端部，可以依次沿远离末端部500的方向布置在各自的位置上。通过该结构，各轴插入到中空结构中，同时，各电动机的尺寸可以相同，并且即使在连接到末端部500时，轴也以不同的角度不同的高度彼此连接，因而具有如下优点：在执行诸如滚转、俯仰和横摆之类的运动时，最大程度地减小了连杆之间的干扰，并且最终增大了由末端部500表现出的边缘角度。

在执行运动时，第一转子140、第二转子240和第三转子340中的任何一个转子可以是固定的，而其余转子可以旋转，使得末端部500可以进行俯仰运动。图4至图6示出了末端部500的俯仰运动。在这种情况下，第一转子140是固定的且不移动，因此第一连杆也不移动。在这种状态下，当第二连杆和第三连杆通过第二转子240和第三转子340的旋转而彼此分离时，末端部500向右侧倾斜，如图4和图5所示。而当第二连杆和第三连杆彼此靠近时，末端部500向左侧倾斜，如图5和图6所示。因此，第一转子140、第二转子240和第三转子340中的任何一个转子可以是固定的，而其余转子旋转，使得末端部500可以进行俯仰运动。

同时，如图6至图9所示，当不存在万向连杆部460时，第一转子140、第二转子240和第三转子340以相同的大小和方向旋转，使得末端部500可以执行横摆运动。然而，在本发明的情况下，由于存在万向连杆部460，因此万向连杆部460也应当一起旋转以用于所需的横摆运动。换句话说，如图12至图14所示，第一转子140、第二转子240、第三转子340和第四转子440以相同的大小和方向旋转，因此末端部500可以执行横摆运动。当第一连杆、第二连杆、第三连杆和万向连杆部460以相同的方式旋转时，末端部500整体上执行横摆运动。此外，当在第四转子440固定时，第一转子140、第二转子240和第三转子340同时旋转时，实现了末端部500的滚转运动，如图14至图16所示。换句话说，在不存在万向连杆部460的情况下，当第一转子140、第二转子240和第三转子340同时旋转时，则如图6至图9所示实现横摆，而在存在万向连杆部460的情况下，则如图14至图16所示，在万向连杆部460处于固定的状态下实现滚转运动。另外，在存在万向连杆部460的情况下，还需要万向连杆部460一起旋转以执行横摆运动。

同时，万向连杆部460被形成为由末端部500穿过其中心，并且万向连杆部460可以设有关节部468以及连接部462，关节部468可相对旋转地结合至末端部500，连接部462的一侧连接到第四转子440并与第四转子440一起旋转，而另一侧则连接到关节部468以相对旋转。此外，关节部468可以围绕末端部500的长度方向轴相对于末端部500旋转，并且可以围绕垂直于末端部500的长度方向轴的轴线相对于连接部462旋转。此外，连接部462具有围绕关节部468的外侧的环状，并且连接部462可被配置成包括：环部466，其被连接以围绕垂直于末端部500的长度方向轴的轴线相对于关节部468旋转；以及传动部464，该传动部464将环部466与第四转子440彼此连接并连接到环部466，以围绕与将关节部468和环部466彼此连接的轴线垂直的轴线相对于环部466旋转。通过该结构，实现了末端部500的滚转和横摆，并且如图11和图12所示，在俯仰过程中，万向连杆部460不会受到干扰，并起到万向节的作用。

同时，如图16和图17所示，第一转子140、第二转子240和第三转子340是固定的，使得末端部500不旋转，而第四转子440旋转。因此，关节部可以相对于末端部500旋转。此外，通过该过程，能够实现关节部的单独且独立的滚动，并且该滚动可以与末端部500的滚转、俯仰和横摆运动同时实现。这种单独的滚动是通过另一机构产生的，从而在一个关节中可输出具有四个自由度的运动。

根据本发明的并联式集成驱动装置，在实现具有四个自由度的关节时，能够再现自由运动，同时避免装置之间的碰撞。

通过实现俯仰、横摆和滚转的基本三个自由度，并同时增加滚动，可以在关节端部同时实现机械手的另一种动作。

在实现四个自由度的同时，可以最大程度地减小整个关节驱动装置的体积和重量。

尽管已经出于说明的目的描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书中公开的本发明的技术范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。

附图的说明：

100：第一电动机 200：第二电动机

300：第三电动机 400：第四电动机

500：末端部

Claims (21)

1.一种并联式集成驱动装置，包括：

驱动单元，其由沿所述驱动单元的长度方向连续堆叠的第一电动机、第二电动机、第三电动机和第四电动机构成，并且各电动机均设有固定在所述驱动单元的外侧的定子和分别位于其内侧的转子，所述转子相对于彼此旋转；

第一轴、第二轴和第三轴，其中各轴分别设有一端部，所述一端部在各转子的内侧分别连接到作为所述第一电动机、所述第二电动机以及所述第三电动机的转子的第一转子、第二转子和第三转子，各轴通过中空结构彼此插入并形成同轴，各轴能够在插入状态下相对于彼此旋转，并且各轴设有朝所述驱动单元的外侧延伸的另一端部；

末端部，其设置在所述驱动单元的外部，并且其上安装有操作机构；

第一连杆部、第二连杆部和第三连杆部，各连杆部分别将所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴连接到所述末端部，并将所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴的旋转力传递到所述末端部，从而使所述末端部沿俯仰、横摆和滚转方向旋转；以及

万向连杆部，其将作为所述第四电动机的转子的第四转子与所述末端部彼此连接。

2.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一电动机、所述第二电动机、所述第三电动机和所述第四电动机被堆叠成使得各自的转子的旋转轴重合。

3.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一电动机、所述第二电动机、所述第三电动机和所述第四电动机各自的定子和转子均具有相同的尺寸。

4.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一连杆部、所述第二连杆部和所述第三连杆部分别由多个连杆构成。

5.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第二轴插入到所述第一轴的内侧，并且所述第三轴插入到所述第二轴的内侧。

6.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第三电动机位于最后方，并且所述第二电动机和所述第一电动机相继布置在所述第三电动机的前方。

7.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第三轴的长度最大，所述第二轴的长度小于所述第三轴的长度，并且所述第一轴的长度小于所述第二轴的长度。

8.如权利要求7所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第三轴的后端部设置在最后端，所述第二轴的后端部和所述第一轴的后端部设置在所述第三轴的前方，并且各轴的后端部连接到对应电动机的转子。

9.如权利要求7所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第三轴的前端部延伸成最接近所述末端部，在远离所述末端部的方向上，设有所述第二轴的前端部和所述第一轴的前端部。

10.如权利要求9所述的并联式集成驱动装置，其中，各连杆的后端部分别连接到各轴的前端部，并且各连杆的前端部沿所述末端部的后端部的周缘彼此间隔开并与其连接。

11.如权利要求10所述的并联式集成驱动装置，其中，各连杆的前端部在相同的高度上沿所述末端部的周缘彼此间隔开，并且连接到所述末端部。

12.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，各连杆由第一连杆节和第二连杆节构成，其中所述第一连杆节的后端部可旋转地结合至轴，所述第二连杆节的后端部可旋转地连接到所述第一连杆节的前端部，并且所述第二连杆节的前端部可旋转地连接到所述末端部。

13.如权利要求12所述的并联式集成驱动装置，其中，在所述第一连杆节的后端部连接到轴的状态下，所述第一连杆节向外侧弯曲并延伸，并且在所述第二连杆节的后端部连接到所述第一连杆节的前端部的状态下，所述第二连杆节在向侧面延伸之后，向内弯曲而连接到所述末端部。

14.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子中的任何一个转子是固定的，而其余的转子旋转使得所述末端部执行俯仰运动。

15.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子以相同的大小和方向旋转以使所述末端部执行滚转运动。

16.如权利要求1所述的并联式集成驱动装置，其中，所述万向连杆部被形成为由所述末端部穿过其中心，并且由关节部和连接部构成，所述关节部可相对旋转地结合到所述末端部，所述连接部的一侧连接到所述第四转子并与所述第四转子一起旋转，而其另一侧可相对旋转地连接于所述关节部。

17.如权利要求16所述的并联式集成驱动装置，其中，所述关节部围绕所述末端部的长度方向轴相对于所述末端部旋转，并且围绕垂直于所述末端部的长度方向轴的轴线相对于所述连接部旋转。

18.如权利要求17所述的并联式集成驱动装置，其中，所述连接部具有围绕所述关节部的外侧的环状，并且包括：环部，其被连接成围绕垂直于所述末端部的长度方向轴的轴线相对于所述关节部旋转；以及传动部，所述传动部将所述环部与所述第四转子彼此连接，以围绕与将所述关节部和所述环部彼此连接的轴线垂直的轴线与所述环部相对旋转。

19.如权利要求16所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一转子、所述第二转子、所述第三转子和所述第四转子以相同的大小和方向旋转，使得所述末端部执行横摆运动。

20.如权利要求16所述的并联式集成驱动装置，其中，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子是固定的，使得所述末端部不旋转，而所述第四转子旋转，从而使所述关节部相对于所述末端部旋转。

21.如权利要求16所述的并联式集成驱动装置，其中，所述连接部从各连杆部的外侧延伸到所述关节部侧，并与所述关节部连接。

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