CN109434869A - 一种圆柱副形式的主动驱动关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱副形式的主动驱动关节，由丝杆驱动基座和动平台两大部分组成。其中：动平台通过内部的转动结构与丝杆驱动基座的丝杆进行连接约束。通过控制丝杆驱动基座的两台电机的转速和方向，使动平台同时输出一个转动和一个平动的运动效果。将驱动原件布置在机架底座，大大降低了动平台的运动惯量，具有精度高、反应灵敏的特点。动平台不需要搭载沉重的驱动电机，惯量小反应速度灵敏。同时，借助滚珠丝杆的高精度传动优势，进一步提高了运动的精度。同时，电机的控制线无需随着动平台上一起运动，精简整体装置布局，提高了机构操作的安全性。

Description

一种圆柱副形式的主动驱动关节

技术领域

本发明设计机器人和自动化驱动领域，具体涉及一种圆柱副形式的主动驱动关节。

背景技术

圆柱副驱动是指末端动平台能够同时实现平动和转动的效果，并且平动和转动运动之间相互解耦，可以分别独立控制。双丝杆差速驱动是指通过控制两条丝杆的转速大小和方向，使末端动平台同时输出一个转动和一个平动的运动。将驱动原件布置在机架底座，大大降低了动平台的运动惯量，具有精度高、反应灵敏和结构精巧的特点。

目前，双自由度的驱动关节是一般采用串联多个驱动电机，线性组合方式，来达到输出多个自由度的运动效果。传统的机构要达到圆柱副的运动效果，一般是要将转动和移动进行分解，转动和移动分别由两个相互独立的电机来进行驱动。具体实施是移动采用电机驱动一个直线模组例如丝杆，然后丝杆的螺母上安装动平台，将第二个旋转驱动机构和配套的电机与动平台固定。在此过程中，需要考虑电机的驱动功率、电机质量、运动精度和负载惯量等一系列因素。

现有的圆柱副驱动机构采用多电机串联的方式实现一转动和一平动的运动效果，往往受到电机重量、功率和反应速度的限制。并且，由于电机的控制线也要随着动平台上的第二电机一起移动，会影响整体装置的布局，甚至会给机构运动带来操作上的安全隐患。

经过对现有技术的检索发现，专利公开号为CN107756436A的专利申请中记载了一种用于SCARA的圆柱副关节驱动和传动结构及其方法。该关节驱动为两台伺服电机,由同步带部件和滚珠丝杆花键部件的传动功能实现移动和转动。其中移动部分由单级带减速传动；转动部分由两级同步带减速传动,两级同步带的中间轴通过一个独立的中间轴座固定安装。由两个驱动部分的差动输入,实现圆柱副末端二自由度相应的输出。转动副及移动副驱动电机部件,带轮中间轴固定座,滚珠丝杆花键部件,全部直接安装在连杆上。其中独立的带轮中间轴固定座可较好地平衡带轮的压轴力,且可作为整体带动中间轴移动,调整同步带的预紧。该配置作为一般SCARA机器人后半部分转动和移动的组合关节结构,实现机器人末端的滚动角姿态调整和垂直运动。但该申请的不足之处在于：直线运动采用的丝杠方式驱动，丝杆需要带动两个电机及其附属传动结构进行平移和转动，运动部件惯量大，降低了运动反应速度，也降低运动精度。同时，双电机采用并行布置，整体装置结构体积较大，不便于布置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种设计一种通过双丝杆差速驱动，能够输出二自由度，即平动和转动的圆柱副驱动关节，将所有电机安置在基座固定，末端动平台不需要搭载沉重的驱动电机，动平台惯量小、反应速度灵敏。同时，借助滚珠丝杆的高精度传动优势，进一步提高运动的精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种圆柱副形式的主动驱动关节，包括丝杆驱动基座模块和动平台模块，丝杆驱动基座模块包括第一驱动电机、第二驱动电机、第一丝杆、第二丝杆、第一支座、第二支座、第一侧边、第二侧边，第一侧边和第二侧边两端分别固定在第一支座上和第二支座上，第一驱动电机固定在第一支座上，第二驱动电机固定在第二支座上，第一丝杆和第二丝杆的两端分别穿过第一支座和第二支座上的支撑轴承实现轴向固定，第一驱动电机通过联轴器与第一丝杆连接，第二驱动电机通过联轴器与第二丝杆连接；

动平台模块包括齿轮箱体、滑块、上圆柱齿轮、下圆柱齿轮、输出臂端盖、上螺母和下螺母，下圆柱齿轮套接在下螺母上，上圆柱齿轮套接在上螺母上，输出臂端盖固定在上圆柱齿轮端面，滑块固定在齿轮箱体上，下圆柱齿轮和上圆柱齿轮啮合传动；

滑块能够在第一侧边和第二侧边上滑动，第一丝杆穿过上螺母并与上螺母进行螺纹连接，第二丝杆穿过下螺母并与下螺母进行螺纹连接；

进一步地，丝杆驱动基座模块还包括电机支座，第一驱动电机和第二驱动电机通过螺钉连接固定在电机支座上，电机支座分别固定在第一支座和第二支座上；

进一步地，丝杆驱动基座模块还包括法兰压紧片，法兰压紧片安装在支撑轴承和第一支座和第二支座之间。

进一步地，第一侧边和第二侧边通过不规则形状固定件固定在第一支座和第二支座上；

进一步地，齿轮箱体包括左齿轮箱体和右齿轮箱体，左齿轮箱体和右齿轮箱体通过螺钉紧固方式进行扣合固定；

进一步地，滑块共有4个，分别固定在左齿轮箱体和右齿轮箱体两端；

进一步地，滑块通过螺钉紧固方式与左齿轮箱体和右齿轮箱体进行连接；

进一步地，输出臂端盖与上圆柱齿轮通过螺钉紧固方式固定连接；

进一步地，第一侧边和第二侧边为铝型材；

进一步地，当第一驱动电机和第二驱动电机的转速和方向均相同时，动平台模块输出平动；当第一驱动电机和第二驱动电机的转速相同，方向相反时，动平台模块输出转动；当第一驱动电机和第二驱动电机的转速不同时，动平台模块同时输出平动和转动。

有益效果：

与现有技术相比，本发明提供了一种双丝杆差速驱动，通过控制两条丝杆的转速大小和方向，使末端动平台的同时输出一个转动和一个平动的运动效果。将驱动原件布置在机架底座，大大降低了动平台的运动惯量，具有精度高、反应灵敏的特点。末端动平台不需要搭载沉重的驱动电机，惯量小反应速度灵敏。同时，借助滚珠丝杆的高精度传动优势，进一步提高了运动的精度。同时，电机的控制线无需随着动平台上一起运动，精简整体装置布局，提高机构操作安全性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的整体结构图；

图2是本发明一个较佳实施例的动平台模块侧视图；

图3是本发明一个较佳实施例的动平台模块剖视图；

图4是本发明一个较佳实施例的丝杆驱动基座模块的侧视图。

附图标记：

1-丝杆驱动基座模块，2-动平台模块，3-滑块，4-右齿轮箱体，5-下圆柱齿轮，6-上圆柱齿轮，7-输出臂端盖，8-左齿轮箱体，9-第一轴承，10-上螺母，11-第二轴承，12-下螺母，13-第一驱动电机，14-第一电机支座，15-不规则形状固定件，16-第一支座，17-支承轴承，18-第一侧边，19-第二丝杆，20-联轴器，21-第二支座，22-法兰压紧片。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个较佳实施例中，本发明由丝杆驱动基座模块1和动平台模块2两大部分组成。通过控制丝杆驱动基座1的两台驱动电机的转速和方向，来实现关节的双自由度的空间运动。

如图2和图3所示，本发明的动平台模块包括：滑块3、右齿轮箱体4、下圆柱齿轮5、上圆柱齿轮6、输出臂端盖7、左齿轮箱体8、第一轴承9、上螺母10、下螺母12和第二轴承11，其中，滑块3与右齿轮箱体4和左齿轮箱体以螺钉紧固的形式相连接，滑块共有4个，分别分布在左齿轮箱体和右齿轮箱体的两端，下圆柱齿轮5套接在下螺母12上，上圆柱齿轮6套接在上螺母10上，上圆柱齿轮和下圆柱齿轮啮合传动。第一轴承9和第二轴承11分别安装在右齿轮箱体4和左齿轮箱体8的轴承槽内，并套接在上螺母10和下螺母12的两端的阶梯轴上。输出臂端盖与上圆柱齿轮6的端面进行螺钉紧固。右齿轮箱体4与左齿轮箱体8通过螺钉紧固方式进行扣合固定，形成齿轮箱体，齿轮箱体可以自由拆卸为左齿轮箱体和右齿轮箱体。

如图4所示，本发明的丝杆驱动基座模块1包括：第一驱动电机13,、第二驱动电机，第一电机支座14、第二电机支座、不规则形状固定件15、第一支座16、第二支座21、支撑轴承17、第一侧边18、第二侧边、第一丝杆、第二丝杆19、联轴器20、法兰压紧片22，其中，第一驱动电机13与第一电机支座14的断面通过螺钉紧固连接，第二驱动电机与第二电机支座的断面通过螺钉紧固连接，第一电机支座和第二电机支座分别固定在第一支座16和第二支座21的端面。支撑轴承17安装在第一支座16和第二支座21的内孔上，第一丝杆和第二丝杆19的两端分别穿过第一支座16和第二支座21上的支撑轴承17，实现轴向固定。第一驱动电机13和第二驱动电机分别通过联轴器20与第一丝杆和第二丝杆19进行连接。第一侧边18架在第一支座16和第二支座21上，并通过不规则形状固定件15以螺钉紧固的方式固定在两支座的一侧，在两支座的另一侧，第二侧边也以相同的方式进行固定，第一侧边和第二侧边均为铝型材。法兰压紧片22安装在第一支座和第二支座的内孔上，实现对支撑轴承17的轴向位置进行调整，从而消除间隙。

其中，第一丝杆穿过上螺母10并与其进行螺纹连接，第二丝杆19穿过下螺母12并与其进行螺纹连接，滑块能够与第一侧边和第二侧边配合，使得动平台固定在第一侧边和第二侧边之间并且能沿着第一侧边18和第二侧边在两支座之间滑动。本发明的基本传动方式为：第一驱动电机和第二驱动电机分别带动第一丝杆和第二丝杆转动，第一丝杆带动上螺母和上圆柱齿轮进行转动，第二丝杆带动下螺母和下圆柱齿轮进行转动，上圆柱齿轮和下圆柱齿轮啮合传动，通过控制两驱动电机的转速和方向，实现动平台模块在第一支座和第二支座间的平动和输出臂端盖的转动。当第一驱动电机和第二驱动电机的转速和方向均相同时，动平台模块输出平动；当第一驱动电机和第二驱动电机的转速相同，方向相反时，动平台模块输出转动；当第一驱动电机和第二驱动电机的转速不同时，动平台模块同时输出平动和转动。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种圆柱副形式的主动驱动关节，包括丝杆驱动基座模块和动平台模块，其特征在于，

所述丝杆驱动基座模块包括第一驱动电机、第二驱动电机、第一丝杆、第二丝杆、第一支座、第二支座、第一侧边、第二侧边，所述第一侧边和第二侧边两端分别固定在所述第一支座上和所述第二支座上，所述第一驱动电机固定在所述第一支座上，所述第二驱动电机固定在所述第二支座上，所述第一丝杆和所述第二丝杆的两端分别穿过所述第一支座和所述第二支座上的支撑轴承实现轴向固定，所述第一驱动电机通过联轴器与所述第一丝杆连接，所述第二驱动电机通过联轴器与所述第二丝杆连接；

所述动平台模块包括齿轮箱体、滑块、上圆柱齿轮、下圆柱齿轮、输出臂端盖、上螺母和下螺母，所述下圆柱齿轮套接在所述下螺母上，所述上圆柱齿轮套接在所述上螺母上，所述输出臂端盖固定在所述上圆柱齿轮端面，所述滑块固定在所述齿轮箱体上，所述下圆柱齿轮和所述上圆柱齿轮啮合传动；

所述滑块能够在所述第一侧边和第二侧边上滑动，所述第一丝杆穿过所述上螺母并与所述上螺母进行螺纹连接，所述第二丝杆穿过所述下螺母并与所述下螺母进行螺纹连接。

2.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述丝杆驱动基座模块还包括电机支座，所述第一驱动电机和第二驱动电机通过螺钉连接固定在所述电机支座上，所述电机支座分别固定在第一支座和第二支座上。

3.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述丝杆驱动基座模块还包括法兰压紧片，所述法兰压紧片安装在支撑轴承和所述第一支座和所述第二支座之间。

4.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述第一侧边和第二侧边通过不规则形状固定件固定在所述第一支座和第二支座上。

5.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述齿轮箱体包括左齿轮箱体和右齿轮箱体，所述左齿轮箱体和所述右齿轮箱体通过螺钉紧固方式进行扣合固定。

6.如权利要求5所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述滑块共有4个，分别固定在所述左齿轮箱体和所述右齿轮箱体两端。

7.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述滑块通过螺钉紧固方式与所述左齿轮箱体和所述右齿轮箱体进行连接。

8.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述输出臂端盖与所述上圆柱齿轮通过螺钉紧固方式固定连接。

9.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，所述第一侧边和所述第二侧边为铝型材。

10.如权利要求1所述的一种圆柱副形式的主动驱动关节，其特征在于，当所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的转速和方向均相同时，所述动平台模块输出平动；当所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的转速相同，方向相反时，所述动平台模块输出转动；当所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的转速不同时，所述动平台模块同时输出平动和转动。