兩自由度關節結構的製作方法

2023-12-04 23:35:11

本發明涉及工業機器人技術領域，尤其涉及兩自由度關節結構。

背景技術：

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。關節結構是工業機器人的重要功能元件。關節結構的傳動精度直接決定工業機器人的傳動精度。

現有技術的一種關節結構包括第一錐齒輪、第二錐齒輪和第三錐齒輪，第一錐齒輪和第二錐齒輪同時與第三錐齒輪嚙合。當第一錐齒輪和第二錐齒輪同向轉動的時候，驅使第三錐齒輪實現一個自由度，當第一錐齒輪和第二錐齒輪反向轉動的時候，驅使第三錐齒輪實現另一個自由度。

上述關節結構存在的不足為，由於誤差的存在，不可避免的使得第三錐齒輪與第一錐齒輪、第二錐齒輪二者之一作用，當第三錐齒輪和第一錐齒輪緊密接觸時，第三錐齒輪和第二錐齒輪之間存在傳動間隙，從而使得傳動精度降低；當第三錐齒輪和第二錐齒輪緊密接觸時，第三錐齒輪和第一錐齒輪之間存在傳動間隙，從而制動傳動精度降低。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在於提供一種不僅能夠實現俯仰運動、自轉運動及俯仰自轉複合運動，而且傳動精度更高的兩自由度關節結構。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明採用的主要技術方案包括：

本發明提供一種兩自由度關節結構。具體地，該兩自由度關節結構包括：第一驅動單元、第二驅動單元、輸出單元及消隙單元；

第一驅動單元包括第一機架和設置在第一機架上的第一驅動裝置、設置在第一機架上的第一齒輪軸及第一錐齒輪，第一錐齒輪設置在第一齒輪軸上，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動；

第二驅動單元包括第二機架和設置在第二機架上的第二驅動裝置、設置在第二機架上的第二齒輪軸及第二錐齒輪，第二錐齒輪設置在第二齒輪軸上，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動；

輸出單元包括第三機架和設置在第三機架上的輸出齒輪軸、輸出錐齒輪，輸出錐齒輪設置在輸出齒輪軸上；

消隙單元包括本體與輸出齒輪軸連接的消隙驅動裝置、設置在第三機架上的消隙齒輪軸及消隙錐齒輪，消隙錐齒輪設置在消隙齒輪軸上，消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸轉動；

第一機架和第二機架固定連接，第三機架與第一機架、第二機架轉動連接；

第一錐齒輪和第二錐齒輪同軸設置，消隙錐齒輪和輸出錐齒輪同軸設置，輸出錐齒輪與第一錐齒輪、第二錐齒輪均嚙合，消隙錐齒輪與第一錐齒輪、第二錐齒輪均嚙合。

進一步地，消隙驅動裝置包括消隙電機減速機，消隙電機減速機的輸出軸與消隙齒輪軸固連。

進一步地，第一驅動裝置包括第一電機減速機，第一電機減速機的輸出軸與第一齒輪軸固連。

進一步地，第二驅動裝置包括第二電機減速機，第二電機減速機的輸出軸與第二齒輪軸固連。

進一步地，第一驅動裝置還包括第一減速機構，第一電機減速機的輸出軸通過第一減速機構與第一齒輪軸固連。

進一步地，第二驅動裝置還包括第二減速機構，第二電機減速機的輸出軸通過第二減速機構與第二齒輪軸固連。

進一步地，第一減速機構包括第一蝸輪和第一蝸杆，第一蝸杆與第一電機減速機的輸出軸固連，第一蝸輪固連在第一齒輪軸上。

進一步地，第二減速機構包括第二蝸輪和第二蝸杆，第二蝸杆與第二電機減速機的輸出軸固連，第二蝸輪固連在第二齒輪軸上。

進一步地，第三機架通過第一軸承與第一機架轉動連接；

第三機架通過第二軸承與第二機架轉動連接。

進一步地，本發明的兩自由度關節結構還包括：

控制器，控制器與所述第一電機減速機、第二電機減速機及消隙電機減速機連接。

(三)有益效果

本發明的有益效果是：

本發明的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動，且第一齒輪軸和第二齒輪軸同向等速旋轉時，輸出齒輪軸只俯仰不自轉；

本發明的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動，且第一齒輪軸和第二齒輪軸反向等速旋轉時，輸出齒輪軸只自轉不俯仰；

本發明的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動，且第一齒輪軸和第二齒輪軸轉速不相等時，輸出齒輪軸作自轉俯仰複合運動；

本發明的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動，且第一驅動裝置輸出的轉矩和第二驅動裝置輸出的轉矩方向相同，大小不等，消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸轉動，且消隙驅動裝置的輸出轉矩使得第一齒輪軸和第二齒輪軸同向等速旋轉，輸出齒輪軸只俯仰不自轉，且消除了傳動間隙，傳動精度更高；

本發明的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸轉動，且第一驅動裝置輸出的轉矩和第二驅動裝置輸出的轉矩方向相反，大小不等，消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸轉動，且消隙驅動裝置的輸出轉矩使得第一齒輪軸和第二齒輪軸反向等速旋轉，輸出齒輪軸只自轉不俯仰，且消除了傳動間隙，傳動精度更高。

綜上，本發明的兩自由度關節結構不僅能夠實現俯仰運動、自轉運動及俯仰自轉複合運動，而且傳動精度更高。

附圖說明

圖1為具體實施方式中兩自由度關節結構的結構示意圖；

圖2為具體實施方式中兩自由度關節結構去除第一機架、第二機架及第三機架後的結構示意圖；

圖3為具體實施方式中兩自由度關節結構的輸出單元和消隙單元的結構示意圖。

【附圖標記說明】

圖中：

1：第一驅動單元；11：第一機架；12：第一電機減速機；13：第一蝸輪；14：第一蝸杆；15：第一齒輪軸；16：第一錐齒輪；17：第一支撐軸承；18：第一聯軸器；

2：第二驅動單元；21：第二機架；22：第二電機減速機；23：第二蝸輪；24：第二蝸杆；25：第二齒輪軸；26：第二錐齒輪；27：第二支撐軸承；28：第二聯軸器；

3：輸出單元；31：第三機架；32：輸出齒輪軸；33：輸出錐齒輪；34：第三支撐軸承；35：第四支撐軸承；36：連盤；37：軸襯；38：連杆；

4：消隙單元；41：消隙電機減速機；42：消隙齒輪軸；43：消隙錐齒輪；44：第五支撐軸承；45：第六支撐軸承；46：消隙聯軸器；

5：第一軸承；

6：第二軸承。

具體實施方式

為了更好的解釋本發明，以便於理解，下面結合附圖，通過具體實施方式，對本發明作詳細描述。

參照圖1-圖3，本實施例的兩自由度關節結構至少包括：第一驅動單元1、第二驅動單元2、輸出單元3及消隙單元4。

第一驅動單元1

第一驅動單元1包括第一機架11和設置在第一機架11上的第一驅動裝置、設置在第一機架11上的第一齒輪軸15及第一錐齒輪16。

第一齒輪軸15通過第一支撐軸承17設置在第一機架11上，第一支撐軸承17對第一齒輪軸15起定位支撐作用。

第一錐齒輪16設置在第一齒輪軸15上。第一機架11上設置有第一空心軸，第一齒輪軸15穿過第一空心軸，第一錐齒輪16設置在第一齒輪軸15位於第一機架11外部的部分。

第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動。

第一驅動裝置包括第一電機減速機12。第一電機減速機12通過法蘭架固定在第一機架11上。第一電機減速機12集電機和減速機構於一體，不僅能夠提供較大轉矩，而且體積較小。第一電機減速機12的輸出軸與第一齒輪軸15固連，第一電機減速機12和第一齒輪軸15直接或者間接固連。

具體地，第一驅動裝置還包括第一減速機構，第一電機減速機12的輸出軸通過第一減速機構與第一齒輪軸15固連。第一減速機構可以選擇行星減速機構、蝸輪蝸杆減速機構等。

本實施例中，第一減速機構包括第一蝸輪13和第一蝸杆14，第一蝸輪13與第一蝸杆14嚙合，不僅實現大的傳動比，而且體積較小。本實施例中使用的第一蝸輪13和第一蝸杆14之間不發生自鎖，且可以實現正轉和反轉傳動。第一蝸杆14與第一電機減速機12的輸出軸固連，固連方式為通過第一聯軸器18連接、通過法蘭結構連接等。第一蝸輪13固連在第一齒輪軸15上，固連方式為通過平鍵連接、直接焊接固定等。在第一電機減速機12的基礎上採用第一蝸輪13和第一蝸杆14使得輸出速度進一步降低，而且結構更加緊湊簡單。

本實施例，第一電機減速機12驅動第一蝸杆14同速轉動，第一蝸杆14和第一蝸輪13嚙合減速，蝸輪驅動第一齒輪軸15同速轉動，從而使得第一錐齒輪16隨第一齒輪軸15同速轉動。

第二驅動單元2

第二驅動單元2包括第二機架21和設置在第二機架21上的第二驅動裝置、設置在第二機架21上的第二齒輪軸25及第二錐齒輪26。

第二齒輪軸25通過第二支撐軸承27設置在第二機架21上，第二支撐軸承27對第二齒輪軸25起定位支撐作用。

第二錐齒輪26設置在第二齒輪軸25上。第二機架21上設置有第二空心軸，第二齒輪軸25穿過第二空心軸，第二錐齒輪26設置在第二齒輪軸25位於第二機架21外部的部分。

第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動。

第二驅動裝置包括第二電機減速機22。第二電機減速機22通過法蘭架固定在第二機架21上。第二電機減速機22集電機和減速機構於一體，不僅能夠提供較大轉矩，而且體積較小。第二電機減速機22的輸出軸與第二齒輪軸25固連，第二電機減速機22和第二齒輪軸25直接或者間接固連。

具體地，第二驅動裝置還包括第二減速機構，第二電機減速機22的輸出軸通過第二減速機構與第二齒輪軸25固連。第二減速機構可以選擇行星減速機構、蝸輪蝸杆減速機構等。

本實施例中，第二減速機構包括第二蝸輪23和第二蝸杆24，第二蝸輪23與第二蝸杆24嚙合，不僅實現大的傳動比，而且體積較小。本實施例中使用的第二蝸輪23和第二蝸杆24之間不發生自鎖，且可以實現正轉和反轉傳動。第二蝸杆24與第二電機減速機22的輸出軸固連，固連方式為通過第二聯軸器28連接、通過法蘭結構連接等。第二蝸輪23固連在第二齒輪軸25上，固連方式為通過平鍵連接、直接焊接固定等。在第二電機減速機22的基礎上採用第二蝸輪23和第二蝸杆24使得輸出速度進一步降低，而且結構更加緊湊簡單。

本實施例，第二電機減速機22驅動第二蝸杆24同速轉動，第二蝸杆24和第二蝸輪23嚙合減速，蝸輪驅動第二齒輪軸25同速轉動，從而使得第二錐齒輪26隨第二齒輪軸25同速轉動。

輸出單元3

輸出單元3包括第三機架31和設置在第三機架31上的輸出齒輪軸32、輸出錐齒輪33。

輸出錐齒輪33設置在輸出齒輪軸32上。輸出齒輪軸32通過第三支撐軸承34和第四支撐軸承35設置在第三機架31的內腔，第三支撐軸承34和第四支撐軸承35對輸出齒輪軸32起定位支撐作用。

消隙單元4

消隙單元4包括本體與輸出齒輪軸32連接的消隙驅動裝置、設置在第三機架31上消隙齒輪軸42及消隙錐齒輪43。

本實施例中，輸出齒輪軸32與消隙驅動裝置的本體連接，並不是與消隙驅動裝置的輸出軸連接。

消隙錐齒輪43設置在消隙齒輪軸42上。消隙齒輪軸42通過第五支撐軸承44和第六支撐軸承45設置在第三機架31的內腔，第五支撐軸承44和第六支撐軸承45對輸出齒輪軸32起定位支撐作用。消隙齒輪軸42穿過輸出齒輪軸32的孔和輸出錐齒輪33的孔，使得消隙錐齒輪43與輸出錐齒輪33相對設置。消隙錐齒輪43通過平鍵連接、焊接連接等方式固定設置在消隙齒輪軸42上。

消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸42轉動。

消隙驅動裝置包括消隙電機減速機41。消隙電機減速機41與輸出齒輪軸32連接，具體地，如圖2所示，輸出齒輪軸32通過軸襯37與連盤36連接，連盤36與連杆38通過螺栓連接，消隙電機減速機41通過法蘭架固定在連杆38上。消隙電機減速機41集電機和減速機構於一體，不僅能夠提供較大轉矩，而且體積較小。消隙電機減速機41的輸出軸與消隙齒輪軸42固連，消隙電機減速機41和消隙齒輪軸42直接或者間接固連。具體地，消隙電機減速機41的輸出軸和消隙齒輪軸42通過消隙聯軸器46固連或者通過法蘭結構、焊接等方式固連。

其中，輸出齒輪軸32、軸襯37、連盤36、及連杆38及消隙電機減速機41的本體一體運動；消隙錐齒輪43空套於輸出齒輪軸32的中孔中；消隙錐齒輪43與第三機架31通過第五支撐軸承44和第六支撐軸承45軸向固定周向轉動；輸出齒輪軸32與第三機架31通過第三支撐軸承34和第四支撐軸承35軸向固定周向轉動。本實施例中的俯仰運動、自轉運動及俯仰自轉複合運動可以通過連杆38傳遞。

本實施例，消隙電機減速機41驅動消隙齒輪軸42同速轉動，從而使得消隙錐齒輪43隨消隙齒輪軸42同速轉動。

第一機架11和第二機架21固定連接，第三機架31與第一機架11、第二機架21轉動連接。具體地，第三機架31通過第一軸承5與第一機架11轉動連接，第三機架31通過第二軸承6與第二機架21轉動連接。第一軸承5套設在第一機架11的第一空心軸上，第一空心軸上的軸肩抵靠第一軸承5的內圈，用於對第一軸承5定位。第二軸承6套設在第二機架21的第二空心軸上，第二空心軸上的軸肩抵靠第二軸承6的內圈，用於對第二軸承6定位。

第一錐齒輪16和第二錐齒輪26同軸設置，消隙錐齒輪43和輸出錐齒輪33同軸設置，輸出錐齒輪33與第一錐齒輪16、第二錐齒輪26均嚙合，消隙錐齒輪43與第一錐齒輪16、第二錐齒輪26均嚙合。第一齒輪軸15(或者第二齒輪軸25)與輸出齒輪軸32(或者消隙齒輪軸42)相互垂直。

本實施例的兩自由度關節結構還包括控制器，控制器與第一電機減速機12、第二電機減速機22及消隙電機減速機41連接。控制器用於控制第一電機減速機12、第二電機減速機22及消隙電機減速機41的輸出轉矩。

工作原理

1、輸出齒輪軸32隻俯仰不自轉

當第一齒輪軸15和第二齒輪軸25旋轉方向相同且轉速相等時，輸出齒輪軸32隻俯仰不自轉。

消隙方法：如圖3所示，通過控制器控制第一電機減速機12的輸出轉矩，第一電機減速機12通過第一蝸杆14、第一蝸輪13減速裝置傳遞到第一齒輪軸15的轉矩為t1；通過控制器控制第二電機減速機22的輸出轉矩，第二電機減速機22通過第二蝸杆24、第二蝸輪23減速裝置傳遞到第二齒輪軸25的轉矩為t2，第二齒輪軸25的轉矩與第一齒輪軸15的轉矩方向相同、大小不等；通過控制器控制消隙電機減速機41的輸出轉矩，消隙電機減速機41傳遞到消隙齒輪軸42的轉矩為t3，當t2＜t1，時，t3＝t1-t2，且轉向第二齒輪軸25，當t2>t1，時，t3＝t2-t1，且轉向第一齒輪軸15。消隙錐齒輪43與第一錐齒輪16、第二錐齒輪26均是緊密嚙合，當t2＜t1，輸出錐齒輪33與第二錐齒輪26的嚙合存在間隙，當t2>t1，輸出錐齒輪33與第一錐齒輪16的嚙合存在間隙。第一錐齒輪16的轉矩t1和第二錐齒輪26的轉矩t2形成轉矩差，從而消除了傳動間隙，提高了傳動精度，利用消隙錐齒輪43的轉矩t3能夠彌補第一錐齒輪16的轉矩t1和第二錐齒輪26的轉矩t2形成的轉矩差，從而使得第一齒輪軸15和第二齒輪軸25旋轉方向相同且轉速相等，輸出齒輪軸32隻俯仰不自轉。

2、輸出齒輪軸32隻自轉不俯仰

當第一齒輪軸15和第二齒輪軸25旋轉方向相反且轉速相等時，輸出齒輪軸32隻自轉不俯仰。

消隙方法：如圖3所示，通過控制器控制第一電機減速機12的輸出轉矩，第一電機減速機12通過第一蝸杆14、第一蝸輪13減速裝置傳遞到第一齒輪軸15的轉矩為t1；通過控制器控制第二電機減速機22的輸出轉矩，第二電機減速機22通過第二蝸杆24、第二蝸輪23減速裝置傳遞到第二齒輪軸25的轉矩為t2，第二齒輪軸25的轉矩與第一齒輪軸15的轉矩方向相反、大小不等；通過控制器控制消隙電機減速機41的輸出轉矩，消隙電機減速機41傳遞到消隙齒輪軸42的轉矩為t3，當t2＜t1，時，t3＝t1-t2，且轉向第一齒輪軸15，當t2>t1，時，t3＝t2-t1，且轉向第二齒輪軸25。消隙錐齒輪43與第一錐齒輪16、第二錐齒輪26均是緊密嚙合，當t2＜t1，輸出錐齒輪33與第二錐齒輪26的嚙合存在間隙，當t2>t1，輸出錐齒輪33與第一錐齒輪16的嚙合存在間隙。第一錐齒輪16的轉矩t1和第二錐齒輪26的轉矩t2形成轉矩差，從而消除了傳動間隙，提高了傳動精度，利用消隙錐齒輪43的轉矩t3能夠彌補第一錐齒輪16的轉矩t1和第二錐齒輪26的轉矩t2形成的轉矩差，從而使得第一齒輪軸15和第二齒輪軸25旋轉方向相反且轉速相等，輸出齒輪軸32隻自轉不俯仰。

本實施例的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動，且第一齒輪軸15和第二齒輪軸25同向等速旋轉時，輸出齒輪軸32隻俯仰不自轉。

本實施例的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動，且第一齒輪軸15和第二齒輪軸25反向等速旋轉時，輸出齒輪軸32隻自轉不俯仰。

本實施例的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動，且第一齒輪軸15和第二齒輪軸25轉速不相等時，輸出齒輪軸32作自轉俯仰複合運動。

本實施例的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動，且第一驅動裝置輸出的轉矩和第二驅動裝置輸出的轉矩方向相同，大小不等，消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸42轉動，且消隙驅動裝置的輸出轉矩使得第一齒輪軸15和第二齒輪軸25同向等速旋轉時，輸出齒輪軸32隻俯仰不自轉，且消除了傳動間隙，傳動精度更高。

本實施例的兩自由度關節結構，第一驅動裝置驅動第一齒輪軸15轉動，第二驅動裝置驅動第二齒輪軸25轉動，且第一驅動裝置輸出的轉矩和第二驅動裝置輸出的轉矩方向相反，大小不等，消隙驅動裝置驅動消隙齒輪軸42轉動，且消隙驅動裝置的輸出轉矩使得第一齒輪軸15和第二齒輪軸25反向等速旋轉時，輸出齒輪軸32隻自轉不俯仰，且消除了傳動間隙，傳動精度更高。

綜上，本實施例的兩自由度關節結構不僅能夠實現俯仰運動、自轉運動及俯仰自轉複合運動，而且傳動精度更高。

以上內容僅為本發明的較佳實施例，對於本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。