CN209533445U - 一种两自由度并联关节机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种两自由度并联关节机构，包括固定装置、十字铰结构、第一驱动器和第二驱动器，两个驱动器均固连于固定装置，且输出轴的轴线相垂直。第一驱动器的输出轴可带动十字铰结构连续旋转，转角大小取决于两个驱动器的转角。第二驱动器的输出轴轴线的延长线与十字铰中心相交，十字铰的输出轴为动平台。本实用新型的两自由度并联关节机构，可获得较大的转角范围，动平台在第一驱动器的驱动下可实现连续旋转(转角可无穷大)。十字铰输出轴在第二驱动器的驱动下可实现绕另一轴(与前一轴正交)±90度的摆动，转角大小仅取决于第二驱动器的转角。动平台两个方向的转动可分别进行，也可同时进行。

Description

一种两自由度并联关节机构

技术领域

本实用新型涉及多自由度关节技术领域，特别涉及一种两自由度并联关节机构。

背景技术

两自由度关节机构指具有两个转动自由度，特别是两轴线垂直相交的关节机构，这种关节机构的原型来自于人体和动物体，例如人体和其他行走类动物的颈关节、踝关节、肩关节、腰关节、髋关节等，两自由度关节机构在机器人、五轴加工中心、雷达或相机位姿调整器等领域都有大量应用，因此，提升两自由度关节的各项性能同时简化两自由度关节的结构是需要解决的技术问题之一。

相比传统的串联式关节机构，并联式关节机构具有精度高、承载能力强等优势，现有的两自由度并联关节机构均具有两支链，动平台具有绕两轴转动的自由度，如图1所示，这些已有的两自由度并联关节机构均能实现动平台具有两个旋转自由度，但转角范围都较小，难以达到±90度，且关节结构比较复杂，被动副数目较多，难以满足要求较为苛刻的应用需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种两自由度转动且转角范围大、被动副数量少、结构简单的两自由度并联关节机构。

本实用新型的技术方案是：一种两自由度并联关节机构，包括固定装置、十字铰结构、第一驱动器、第二驱动器和关节机构输出轴，第一驱动器的输出轴和第二驱动器的输出轴的相对位置通过固定装置相互固定，其特征在于：第一驱动器的输出轴通过十字铰结构带动关节机构输出轴绕第一轴线转动，第二驱动器的输出轴带动关节机构输出轴绕第二轴线转动。

进一步地、十字铰结构包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框上分别连接第一驱动器的输出轴和关节机构输出轴。

进一步地，第一驱动器的输出轴与第一转动轴相连，驱动第一U型框旋转，从而带动第二U型框和关节机构输出轴围绕第一轴线转动，实现第一自由度旋转运动。

进一步地，第二驱动器的输出轴与第二转动轴相连，第二转动轴通过连杆与关节机构输出轴连接，连杆与关节机构输出轴之间通过转动副(轴承)连接，第二驱动器输出轴的旋转带动连杆以及关节机构输出轴围绕第二轴线转动，实现第二自由度旋转运动。

进一步地，上述第一轴线与第一驱动器的输出轴的轴线重合和上述第二轴线与第二驱动器的输出轴的轴线重合。

进一步地，关节机构输出轴可绕第一轴线连续旋转。

进一步地，关节机构输出轴可绕第二轴线摆动。

进一步地，第一驱动器的输出轴与第一转动轴为一体结构，第二驱动器的输出轴与第二转动轴为一体结构。

进一步地，连杆为L型。

进一步地，第一驱动器的输出轴和第二驱动器的输出轴的交点与十字铰结构的中心重合。

进一步地，第一转动轴与关节机构输出轴同轴设置，并且其轴线通过十字铰结构的中心。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的两自由度并联关节机构结构简单，可获得较大的转角范围，尤其是其中一个转动自由度的转角可无穷大；第二转动自由度的转角范围为±90度，该摆动角度与第一转动自由度解耦，即仅取决于第二驱动器的转角。两个方向的转动可分别进行，也可同时进行。本实用新型的两自由度并联关节机构除了可以用于机器人等领域的关节驱动外，因为输出轴可跟随第一驱动器连续旋转，这一特点可使本实用新型用于多种加工设备，第一驱动器可作为主轴电机，用于控制主轴速度；第一驱动器也可以驱动车轮，整个机构可实现车轮姿态的控制，除此之外还能够用于两自由度平台的驱动，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是现有技术示意图一。

图2是本实用新型运动前结构示意图。

图3是本实用新型仅绕第一轴线旋转的机构姿态示意图。

图4是本实用新型仅绕第二轴线旋转的机构姿态示意图。

图5是本实用新型同时绕第一轴线和第二轴线旋转的机构姿态示意图。

图6是本实用新型用于机器狗大腿髋关节的应用实例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，或以特定的方位进行构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图2所示，一种两自由度并联关节机构，包括固定装置2、十字铰结构7、第一驱动器1和第二驱动器3，第一驱动器1和第二驱动器3的输出轴相交、优选正交，第一驱动器1的输出轴和第二驱动器3的输出轴通过固定装置2固定其相对位置，第一驱动器1的输出轴可带动十字铰结构7连续旋转。固定装置可以有多种形式，关节机构可通过固定装置2固定到其他零部件上，该固定装置2也可以与其他零部件一体形成。

十字铰结构7包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框上分别连接第一转动轴8和关节机构输出轴6，第一转动轴8与关节机构输出轴6优选同轴设置，并且其轴线优选通过十字结构的中心。

第一驱动器1的输出轴与第一转动轴8相连，或者第一驱动器1的输出轴直接作为第一转动轴8驱动第一U型框旋转，从而带动第二U型框和关节机构输出轴6围绕第一轴线转动，实现第一自由度旋转运动，该第一轴线可与第一驱动器1的输出轴的轴线重合，也可不重合；第二驱动器3的输出轴或者与输出轴连接的第二转动轴9通过连杆4与关节机构输出轴6连接，连杆4与关节机构输出轴6之间通过转动副，优选轴承5连接，通过第二驱动器3输出轴的旋转带动连杆4以及关节机构输出轴6围绕第二轴线转动，该第二轴线可与第二驱动器3的输出轴的轴线重合，也可不重合，实现第二自由度旋转运动。

连杆4优选为L型，也可为其它形状，如U型、S型等等。

第一自由度优选为横滚自由度，第二自由度优选为俯仰自由度。

第一驱动器1可带动关节机构输出轴6绕第一轴线连续多圈转动，同时关节机构输出轴6可被第二驱动器3驱动绕第二轴线摆动，也可以不摆动。

关节机构输出轴6的绕第二轴线的转动及其转动角度仅取决于第二驱动器3的输出，转角可达±90度。

第一驱动器1的输出轴和第二驱动器3的输出轴的交点优选与十字结构的中心重合。

上述第一驱动器和第二驱动器可为电机或气动摆动缸或液压摆动缸。

如图3-5所示，本实用新型的两自由度并联关节机构在运动前和运动后的机构姿态示意图，第一自由度和第二自由度的运动不互相干涉，两转动可以单独进行，也可以同时进行。

如图6所示，是本实用新型的两自由度并联关节机构在机器狗大腿髋关节上的一个应用实例，即两自由度并联关节机是髋关节，可实现机器狗大腿横滚和俯仰运动。

本实用新型的两自由度并联关节机构除了可以用于机器人的关节驱动外，还能够用于任何希望同时具有两旋转自由度的应用场合，通用性强，具有良好的社会效益和经济效益。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两自由度并联关节机构，包括固定装置(2)、十字铰结构(7)、第一驱动器(1)、第二驱动器(3)和关节机构输出轴(6)，第一驱动器(1)的输出轴和第二驱动器(3)的输出轴的相对位置通过固定装置(2)相互固定，其特征在于：第一驱动器(1)的输出轴通过十字铰结构(7)带动关节机构输出轴(6)绕第一轴线转动，第二驱动器(3)的输出轴带动关节机构输出轴(6)绕第二轴线转动。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：十字铰结构(7)包括两个正交设置的第一U型框和第二U型框，以及连接在两个U型框之间的十字结构，第一U型框和第二U型框分别连接第一驱动器(1)的输出轴和关节机构输出轴(6)。

3.根据权利要求2所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：第一驱动器(1)的输出轴与第一转动轴(8)相连，驱动第一U型框旋转，从而带动第二U型框和关节机构输出轴(6)围绕第一轴线转动，实现第一自由度旋转运动。

4.根据权利要求3所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：第二驱动器(3)的输出轴与第二转动轴(9)相连，第二转动轴(9)通过连杆(4)与关节机构输出轴(6)连接，连杆(4)与关节机构输出轴(6)之间通过转动副(5)连接，第二驱动器(3)输出轴的旋转带动连杆(4)、关节机构输出轴(6)围绕第二轴线转动，实现第二自由度旋转运动。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：上述第一轴线与第一驱动器(1)的输出轴的轴线重合，和/或上述第二轴线与第二驱动器(3)的输出轴的轴线重合。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：关节机构输出轴(6)可绕第一轴线连续单圈或多圈旋转。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：第一驱动器(1)的输出轴与第一转动轴(8)为一体结构，和/或第二驱动器(3)的输出轴与第二转动轴(9)为一体结构。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：连杆(4)为L型。

9.根据权利要求2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：第一驱动器(1)的输出轴和第二驱动器(3)的输出轴的交点与十字结构的中心重合。

10.根据权利要求2或3或4所述的一种两自由度并联关节机构，其特征在于：第一转动轴(8)与关节机构输出轴(6)同轴设置，并且其轴线通过十字结构的中心。