CN110091352B - 微型大扭矩高速关节集成液压驱动器 - Google Patents

微型大扭矩高速关节集成液压驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，包括机械结构本体、传动链单元、矩转速传感器和力与位移传感器，所述的机械结构本体包括外壳体、后端盖、前端盖、后支撑轴承套杯、前支撑轴承套杯、两个支撑轴轴承、两个齿条固定架、两个齿条固定架轴承、滑环轴承，两个支撑轴轴承装配在支撑轴两端，所述的传动链单元包括支撑轴、液压缸、活塞杆、齿条、直齿轮、齿轮传动轴、小锥齿轮、滑环、大锥齿轮。解决了目前旋转关节型机器人关节驱动的高功率密度、大负载高频响、低惯量、传感集成问题，采用液压缸作为驱动元件大大增加了驱动器的输出力矩、大负载频响，提高了其高加速度跟随特性。

Description

微型大扭矩高速关节集成液压驱动器
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器。
背景技术
旋转关节型机器人是指机器人的运动通过旋转的关节实现，其主要特征为两节臂之间通过旋转关节连接，并依靠该旋转关节实现两节臂之间的相对运动，最终完成对目标任务的执行，广泛应用在自动化生产线上的智能机械臂、各种仿生足式机器人(类人双足机器人、四足机器人、六足机器人等)等。
目前旋转关节的驱动机构可分为伺服电机类和液压伺服类，伺服电机类的驱动机构是目前旋转关节中应用最为广泛的结构形式，但是伺服电机功率密度小、输出扭矩有限、大负载频响低而导致机器人的旋转关节体积庞大、输出扭矩转速有限、惯量大启动困难、高加速度跟随特性差等。液压伺服类目前主要应用在大负载旋转关节上，其依靠铰链和液压缸实现液压缸的直线运动转变为关节的旋转运动或液压马达直接输出旋转运动，但是在足式机器人中液压缸用于足式机器人关节驱动不可忽略其摆动惯量的影响。同时由于足式机器人腿部空间紧凑，液压缸与液压油路的布置也是一大问题，液压缸布置紧凑则意味着其对应的力臂小，如果输出同等的扭矩那么液压缸的尺寸必须增大，带来的问题是足式机器人的腿部惯量和体积同步增大，并且液压缸尺寸增大其需求的流量增大而导致伺服阀、液压油源等对应的配置同样增大，最终造成整个机器人尺寸和质量增大，这样对运动的足式机器人是不利的。
发明内容
针对目前旋转关节的驱动机构存在的上述问题，本发明提出一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，以解决目前旋转关节型机器人关节驱动的高功率密度、大负载高频响、低惯量、传感集成问题。
本发明所采取的技术如下：一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，包括机械结构本体、传动链单元、矩转速传感器和力与位移传感器，所述的传动链单元位于机械结构本体内，所述的机械结构本体包括外壳体、后端盖、前端盖、后支撑轴承套杯、前支撑轴承套杯、两个支撑轴轴承、两个齿条固定架、两个齿条固定架轴承、滑环轴承，两个支撑轴轴承分别装配在位于支撑轴两端的后支撑轴承套杯和前支撑轴承套杯内，后端盖贴合在后支撑轴承套杯端面上，前端盖贴合在前支撑轴承套杯端面上，两个齿条固定架位于外壳体内部，每个齿条固定架上装配有齿条固定架轴承，滑环轴承装配在滑环上，位于两个齿条固定架之间，所述的传动链单元包括支撑轴、液压缸、活塞杆、齿条、直齿轮单元、齿轮传动轴、小锥齿轮、滑环、大锥齿轮，齿轮转动轴穿过支撑轴上的装配孔，两端固连在滑环上，直齿轮单元和小锥齿轮固连在齿轮传动轴上，大锥齿轮与小锥齿轮啮合并固连在外壳体内部，齿条与直齿轮单元啮合，两端固定在齿条固定架上，活塞杆一端与齿条固连，一端装配在液压缸内，所述的转矩转速传感器位于后端盖内侧，所述的力与位移传感器位于液压缸底部。本发明还具有如下技术特征：
1、所述的液压缸与支撑轴不产生运动，液压缸带动活塞杆做直线运动，活塞杆一端固连的齿条与直齿轮单元啮合带动直齿轮单元绕齿轮传动轴做回转运动，固连在齿轮传动轴上的小锥齿轮与固连在外壳体上的大锥齿轮啮合，将绕齿轮传动轴的旋转运动转变为绕支撑轴的回转运动。
2、所述的力与位移传感器实现对液压缸的伺服控制并监测液压缸的位移与出力信息，所述的转矩转速传感器监测本液压驱动器输出的转速和转矩，并通过控制算法，实现对本液压驱动器的位置、力的大闭环伺服控制。
3、所述的直齿轮单元包括两个齿轮，两个齿轮的端面固连，两个齿轮的齿顶错开一定角度，直齿轮单元和齿条在啮合传动时，始终保持齿面间紧密贴合，使得一个齿轮的齿面与齿条下齿面紧密贴合，另一个齿轮齿面与齿条上齿面紧密贴合，保证在传动过程中齿条与直齿轮单元始终紧密贴合，消除往复传动过程中造成的间隙，提高传动精度，避免传动时齿轮与齿条的相互碰撞，增加齿轮齿条寿命。
本发明的优点及有益效果：本发明用于旋转关节型机器人，由于采用紧凑的密闭式传动链实现了液压缸直线运动转换为关节旋转运动，并保证了传动链单元的密封、润滑，大大增加了其寿命，减少了传动摩擦损耗；传动元件集成式布置大大减少了驱动器体积尺寸，大大提高了驱动器的功率密度比，降低了驱动器的惯量，使得其启动和制动容易；多传感器的集成融合，可感知驱动器内部力、位移等关键参数，同时减少了连接件，增加了***的集成度；采用液压缸作为驱动元件大大增加了驱动器的输出力矩、大负载频响，提高了其高加速度跟随特性、高速度跟随特性；内部传动轴可设计为直连式和铰链式，采用不同的传动轴可使驱动器尺寸适应更多应用场合；通过选择不同的集成传感器反馈信息可实现液压缸伺服小环控制和关节大环伺服控制等多种控制模式，大大提高了其控制性能。
附图说明
图1为微型大扭矩高速关节集成液压驱动器结构示意图；
图2为微型大扭矩高速关节集成液压驱动器***视图；
图3为微型大扭矩高速关节集成液压驱动器补充***视图；
图4为传动链单元结构示意图；
图5为直齿轮单元结构示意图；
图6为直齿轮单元结构侧视图。
具体实施方式
下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1-4所示，一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，包括机械结构本体1、传动链单元2、矩转速传感器3-1和力与位移传感器3-2，所述的传动链单元2位于机械结构本体1内，所述的机械结构本体1包括外壳体1-1、后端盖1-2、前端盖1-3、后支撑轴承套杯1-4、前支撑轴承套杯1-5、两个支撑轴轴承1-6、两个齿条固定架1-7、两个齿条固定架轴承1-8、滑环轴承1-9，两个支撑轴轴承1-6分别装配在位于支撑轴2-1两端的后支撑轴承套杯1-4和前支撑轴承套杯1-5内，后端盖1-2贴合在后支撑轴承套杯1-4端面上，前端盖1-3贴合在前支撑轴承套杯1-5端面上，两个齿条固定架1-7位于外壳体1-1内部，每个齿条固定架1-7上装配有齿条固定架轴承1-8，滑环轴承1-9装配在滑环2-8上，位于两个齿条固定架1-7之间，所述的传动链单元2包括支撑轴2-1、液压缸2-2、活塞杆2-3、齿条2-4、直齿轮单元2-5、齿轮传动轴2-6、小锥齿轮2-7、滑环2-8、大锥齿轮2-9，齿轮转动轴2-6穿过支撑轴2-1上的装配孔，两端固连在滑环2-8上，直齿轮单元2-5和小锥齿轮2-7固连在齿轮传动轴2-6上，大锥齿轮2-9与小锥齿轮2-7啮合并固连在外壳体1-1内部，齿条2-4与直齿轮单元2-5啮合，两端固定在齿条固定架1-7上，活塞杆2-3一端与齿条2-4固连，一端装配在液压缸2-2内，所述的转矩转速传感器3-1位于后端盖1-2内侧，所述的力与位移传感器3-2位于液压缸2-2底部。
如图2-4所示，在所述的传动链单元2中，液压缸2-2与支撑轴2-1固定在机体或上一节连接臂上，液压缸2-2与支撑轴2-1不产生运动，液压缸2-2带动活塞杆2-3做直线运动，活塞杆2-3一端固连的齿条2-4与直齿轮单元2-5啮合带动直齿轮单元2-5绕齿轮传动轴2-6做回转运动，固连在齿轮传动轴2-6上的小锥齿轮2-7与固连在外壳体1-1上的大锥齿轮2-9啮合，将绕齿轮传动轴2-6的旋转运动转变为绕支撑轴2-1的回转运动。
如图3所示，所述的力与位移传感器3-2实现对液压缸2-2的伺服控制并监测液压缸2-2的位移与出力信息，所述的转矩转速传感器3-1监测本液压驱动器输出的转速和转矩，并通过控制算法，实现对本液压驱动器的位置、力的大闭环伺服控制。
如图5所示，所述的直齿轮单元2-5包括两个齿轮，两个齿轮的端面固连，两个齿轮的齿顶错开一定角度，直齿轮单元2-5和齿条2-4在啮合传动时，始终保持齿面间紧密贴合，消除往复传动过程中造成的间隙，提高传动精度，避免传动时齿轮与齿条的相互碰撞，增加齿轮齿条寿命。

Claims (4)

1.一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，包括机械结构本体(1)、传动链单元(2)、转 矩转速传感器(3-1)和力与位移传感器(3-2)，所述的传动链单元(2)位于机械结构本体(1)内，其特征在于：
所述的机械结构本体(1)包括外壳体(1-1)、后端盖(1-2)、前端盖(1-3)、后支撑轴承套杯(1-4)、前支撑轴承套杯(1-5)、两个支撑轴轴承(1-6)、两个齿条固定架(1-7)、两个齿条固定架轴承(1-8)、滑环轴承(1-9)，两个支撑轴轴承(1-6)分别装配在位于支撑轴(2-1)两端的后支撑轴承套杯(1-4)和前支撑轴承套杯(1-5)内，后端盖(1-2)贴合在后支撑轴承套杯(1-4)端面上，前端盖(1-3)贴合在前支撑轴承套杯(1-5)端面上，两个齿条固定架(1-7)位于外壳体(1-1)内部，每个齿条固定架(1-7)上装配有齿条固定架轴承(1-8)，滑环轴承(1-9)装配在滑环(2-8)上，位于两个齿条固定架(1-7)之间，
所述的传动链单元(2)包括支撑轴(2-1)、液压缸(2-2)、活塞杆(2-3)、齿条(2-4)、直齿轮单元(2-5)、齿轮传动轴(2-6)、小锥齿轮(2-7)、滑环(2-8)、大锥齿轮(2-9)，齿轮传动 轴(2-6)穿过支撑轴(2-1)上的装配孔，两端固连在滑环(2-8)上，直齿轮单元(2-5)和小锥齿轮(2-7)固连在齿轮传动轴(2-6)上，大锥齿轮(2-9)与小锥齿轮(2-7)啮合并固连在外壳体(1-1)内部，齿条(2-4)与直齿轮单元(2-5)啮合，两端固定在齿条固定架(1-7)上，活塞杆(2-3)一端与齿条(2-4)固连，一端装配在液压缸(2-2)内，
所述的转矩转速传感器(3-1)位于后端盖(1-2)内侧，所述的力与位移传感器(3-2)位于液压缸(2-2)底部。
2.根据权利要求1所述的一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，其特征在于，所述的液压缸(2-2)与支撑轴(2-1)不产生运动，液压缸(2-2)带动活塞杆(2-3)做直线运动，活塞杆(2-3)一端固连的齿条(2-4)与直齿轮单元(2-5)啮合带动直齿轮单元(2-5)绕齿轮传动轴(2-6)做回转运动，固连在齿轮传动轴(2-6)上的小锥齿轮(2-7)与固连在外壳体(1-1)上的大锥齿轮(2-9)啮合，将绕齿轮传动轴(2-6)的旋转运动转变为绕支撑轴(2-1)的回转运动。
3.根据权利要求1所述的一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，其特征在于，所述的力与位移传感器(3-2)实现对液压缸(2-2)的伺服控制并监测液压缸(2-2)的位移与出力信息，所述的转矩转速传感器(3-1)监测本液压驱动器输出的转速和转矩，并通过控制算法，实现对本液压驱动器的位置、力的大闭环伺服控制。
4.根据权利要求1所述的一种微型大扭矩高速关节集成液压驱动器，其特征在于，所述的直齿轮单元(2-5)包括两个齿轮，两个齿轮的端面固连，两个齿轮的齿顶错开一定角度，直齿轮单元(2-5)和齿条(2-4)在啮合传动时，始终保持齿面间紧密贴合。
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