CN113459153A - 一种三自由度运动关节组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度运动关节组件，涉及机械关节领域，本发明的技术方案包括第一电机、第一关节架、芯轴、第二电机、第三电机、第二关节架和末端件；第一电机的***转动配合有环形架，环形架固定有第二电机；第一电机的输出端与第一关节架固定，第一关节架通过连接件与环形架固定；芯轴的两端分别与第一关节架转动配合，第二电机通过传送链向芯轴传动，第二关节架与芯轴固定；第三电机设置于末端件内，第三电机的输出端向末端件的上方延伸，第三电机的输出端与第二关节架固定，在满足关节各自由度互相耦合的同时，使关节部分的体积控制得更小，整体制造和控制难度更低，能够满足高负载、大扭矩工况。

Description

一种三自由度运动关节组件

技术领域

本发明涉及机械关节领域，特别是涉及一种三自由度运动关节组件。

背景技术

在机器人研发中，对多自由度耦合的运动关节需求越来越高，如蛇形机器人包含多个二自由度关节，仿人机械关节含有多个三自由度、二自由度关节，等等。同时，要求运动关节中各自由度相互耦合，避免串联布局使关节体积庞大，且若关节各自由度坐标系不重合将增加控制难度。具体地，三自由度关节又相较二自由度、单自由度关节的设计复杂度更高，实用性更强。

目前，在三自由度运动关节组件设计中，例如，专利号CN104760054B“气动人工肌肉驱动的正交三自由度关节”，利用十字虎克铰将X与Y轴耦合，并添加Z轴转向机构实现三自由度正交，但为追求结构紧凑，使用人工肌肉加线驱动控制，对在高负载、大扭矩工况中使用受到限制；专利号CN112060126A“一种三自由度腕式关节机器人”，借助十字虎克铰加转向机构基础上，虽对每个转动副使用电机直驱，可实现用于物料搬运等重载场合，但直连驱动方式，对关节结构尺寸受限很大，其仍存在改进空间。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种三自由度运动关节组件，在满足关节各自由度互相耦合的同时，使关节部分的体积控制得更小，整体制造和控制难度更低，能够满足高负载、大扭矩工况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三自由度运动关节组件，包括第一电机、第一关节架、芯轴、第二电机、第三电机、第二关节架和末端件；

所述第一电机的***转动配合有环形架，所述环形架固定有所述第二电机；

所述第一电机的输出端与所述第一关节架固定，所述第一关节架通过连接件与所述环形架固定；

所述芯轴的两端分别与所述第一关节架转动配合，所述第二电机通过传送链向所述芯轴传动，所述第二关节架与所述芯轴固定；

所述第三电机设置于所述末端件内，所述第三电机的输出端向所述末端件的上方延伸，所述第三电机的输出端与所述第二关节架固定。

第一电机带动第一关节架转动，实现整个机械关节在Z轴方向的转动，在此过程中，由于第二电机固定于环形架上，同时环形架与第二关节架固定，因此机械关节在Z轴方向转动的时候，第二电机和环形架将同步绕第一电机在Z轴方向旋转；

第二电机带动芯轴转动，实现整个机械关节在X轴方向的转动；

第三电机的输出端与第二关节架固定，实现末端件在Y轴方向的转动；

本方案中第一电机作为固定支点，同时第二电机通过环形架转动配合于第一电机的***，使得电机能够远离关节处，使得关节的体积可以设计的更小，顺利实现通过第一电机在Z轴方向的旋转驱动和第二电机在X轴方向的旋转驱动。

优选地，所述第一电机***固定有内齿环，所述内齿环内部转动设有恒星法兰盘，所述第一电机的输出轴与所述恒星法兰盘固定，所述恒星法兰盘正面盘心固定有恒星齿轮，所述恒星齿轮的***分布有若干行星齿轮，所述行星齿轮分别啮合于所述恒星齿轮和内齿环，各所述行星齿轮转动配合于所述第一关节架。

内齿环相对第一电机固定不动，其中恒星齿轮转动，同时行星齿轮分别与内齿环、横向齿轮啮合，因此恒星齿轮转动的时候，将带动行星齿轮围绕恒星齿轮转动，而第一关节架与行星齿轮连接，因此第一电机转动的时候，将带动第一关节架转动，本方案可以使得第一电机与第一关节架之间的间距增大，使关节整体体积更小，同时由于利用行星齿轮可以使得对第一关节架的传递更加平稳，强度更高。

优选地，所述第一关节架对应所述行星齿轮设有轮轴，所述行星齿轮与所述轮轴转动配合。提高第一关节架与行星齿轮之间的固定稳定性。

优选地，所述第二电机位于所述第一电机的***。便于更灵活的布置第二电机。

优选地，所述芯轴的端部设有被动带轮，所述第二电机的输出端设有主动带轮，所述被动带轮和所述主动带轮之间设有过渡双联带轮，所述主动带轮、所述被动带轮和所述过渡双联带轮依次通过皮带传动连接。利用皮带和过渡双联带轮可以更加灵活的设置第二电机，使得第二电机能够更远离第一关节架。

优选地，所述主动带轮、所述被动带轮和所述过渡双联带轮均为带齿带轮，所述皮带为与所述带齿带轮啮合的带齿皮带。采用带齿带轮和带齿皮带能够提高转动的扭矩上限。

优选地，所述第二电机的芯轴垂直于所述第一电机的芯轴，所述第二电机固定基板上，所述基板的上端与所述环形架固定。提高第二电机与环形架固定的稳定性。

本发明的优点：

本方案基于行星齿轮系与带传动方式顺利将第一电机和第二电极的位置远离关节部分，通过传送链向关节结构各部分进行传送，在满足关节各自由度互相耦合，三轴旋转的坐标系原点重合，实现运动关节X、Y、Z三轴旋转，从而简化运动学模型，关节部分的体积更小，降低制造和控制难度，能够满足高负载、大扭矩工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中6幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例的***图；

图3为本发明实施例的传送链的示意图；

图4为本发明实施例的行星齿轮的位置关系图；

图5为本发明实施例的转动示意图；

图6为本发明实施例在固定本体上安装的示意图；

其中，第一电机1、环形架2、内齿环3、第一关节架4、芯轴5、第二关节架6、末端件7、主动带轮8、被动带轮9、过渡双联带轮10、带齿皮带11、连接件12、基板13、恒星齿轮14、恒星法兰盘15、行星齿轮16、轮轴17、固定本体18、第二电机19、第三电机20。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例

如图1和图2所示，一种三自由度运动关节组件，包括第一电机1、第二电机19、第一关节架4、芯轴5、第二关节架6、第三电机20、末端件7和固定本体18。

所述第一电机1的***转动配合有环形架2，所述环形架2固定有所述第二电机19。

所述第一电机1的输出端与所述第一关节架4固定，所述第一关节架4通过连接件12与所述环形架2固定。

所述芯轴5的两端分别与所述第一关节架4转动配合，所述第二电机19通过传送链向所述芯轴5传动，所述第二关节架6与所述芯轴5固定。

所述第三电机20设置于所述末端件7内，所述第三电机20的输出端向所述末端件7的上方延伸，所述第三电机20的输出端与所述第二关节架6固定；

所述第一电机1和第二电机19置于所述固定本体18内部。

第一电机1带动第一关节架4转动，实现整个机械关节在Z轴方向的转动，在此过程中，由于第二电机19固定于环形架2上，同时环形架2与第二关节架6固定，因此机械关节在Z轴方向转动的时候，第二电机19和环形架2将同步绕第一电机1在Z轴方向旋转。

第二电机19带动芯轴5转动，芯轴5与第二关节架6，因此第二关节架6将与芯轴5同时转动，进而实现整个机械关节在X轴方向的转动。

第三电机20的输出端与第二关节架6固定，第三电机20转动，末端件7相对第二关节架6转动，即实现末端件7在Y轴方向的转动。

结合图5和图6所示，本方案中第一电机1作为固定支点即实际应用的时候第一电机和第二电机整体设置于固定本体18的。同时第二电机19通过环形架2转动配合于第一电机1的***，使得电机能够远离关节处，关节的体积可以设计的更小，顺利实现通过第一电机在Z轴方向的旋转驱动和第二电机在X轴方向的旋转驱动。

所述第一电机1***固定有内齿环3，所述内齿环3内部转动设有恒星法兰盘15，所述第一电机1的输出轴与所述恒星法兰盘15固定，所述恒星法兰盘15正面盘心固定有恒星齿轮14，所述恒星齿轮14的***分布有若干行星齿轮16，所述行星齿轮16分别啮合于所述恒星齿轮14和内齿环3，各所述行星齿轮16转动配合于所述第一关节架4。

结合图4所示，内齿环3相对第一电机1固定不动，其中恒星齿轮14转动，同时行星齿轮16分别与内齿环3、横向齿轮啮合，因此恒星齿轮14转动的时候，将带动行星齿轮16围绕恒星齿轮14转动，而第一关节架4与行星齿轮16连接，因此第一电机1转动的时候，将带动第一关节架4转动，本方案可以使得第一电机1与第一关节架4之间的间距增大，使关节整体体积更小，同时由于利用行星齿轮16可以使得对第一关节架4的传递更加平稳，强度更高。

所述第一关节架4对应所述行星齿轮16设有轮轴17，所述行星齿轮与所述轮轴17转动配合。提高第一关节架4与行星齿轮16之间的固定稳定性。

所述第二电机19位于所述第一电机1的***。便于更灵活的布置第二电机19。

结合图3所示，所述芯轴5的端部设有被动带轮9，所述第二电机19的输出端设有主动带轮8，所述被动带轮9和所述主动带轮8之间设有过渡双联带轮10，所述主动带轮8、所述被动带轮9和所述过渡双联带轮10依次通过皮带传动连接。利用皮带和过渡双联带轮10可以更加灵活的设置第二电机19，使得第二电机19能够更远离第一关节架4。

所述主动带轮8、所述被动带轮9和所述过渡双联带轮10均为带齿带轮，所述皮带为与所述带齿带轮啮合的带齿皮带11。采用带齿带轮和带齿皮带11能够提高转动的扭矩上限。

所述第二电机19的转轴垂直于所述第一电机1的转轴，所述第二电机19固定基板13上，所述基板13的上端与所述环形架2固定。提高第二电机19与环形架2固定的稳定性。

本方案仅提供一种带传动的传送链，采用链传动或者齿轮传动或者其他类似的结构机构也可以实现同样的效果，在此不再赘述。

本方案基于行星齿轮系与带传动方式顺利将第一电机和第二电极的位置远离关节部分，通过传送链向关节结构各部分进行传送，在满足关节各自由度互相耦合，三轴旋转的坐标系原点重合，实现运动关节X、Y、Z三轴旋转，从而简化运动学模型，关节部分的体积更小，降低制造和控制难度。

本实施例兼顾驱动电机尺寸与高负载、大扭矩工况的设计特点，可广泛用于解决机器人的“球关节”运动需求。如在仿人机械关节的肩关节设计中，将第一驱动电机置于机器人骨架上，并把末端件7替换成机械关节骨架，即可搭建出三自由度肩关节，实现高仿真运动模拟。

上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三自由度运动关节组件，其特征在于，包括第一电机(1)、第二电机(19)、第一关节架(4)、芯轴(5)、第二关节架(6)、第三电机(20)和末端件(7)；

所述第一电机(1)的***转动配合有环形架(2)，所述环形架(2)固定有所述第二电机(19)；

所述第一电机(1)的输出端与所述第一关节架(4)固定，所述第一关节架(4)通过连接件(12)与所述环形架(2)固定；

所述芯轴(5)的两端分别与所述第一关节架(4)转动配合，所述第二电机(19)通过传送链向所述芯轴(5)传动，所述第二关节架(6)与所述芯轴(5)固定；

所述第三电机(20)设置于所述末端件(7)内，所述第三电机(20)的输出端向所述末端件(7)的上方延伸，所述第三电机(20)的输出端与所述第二关节架(6)固定。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述第一电机(1)***固定有内齿环(3)，所述内齿环(3)内部转动设有恒星法兰盘(15)，所述第一电机(1)的输出轴与所述恒星法兰盘(15)固定，所述恒星法兰盘(15)正面盘心固定有恒星齿轮(14)，所述恒星齿轮(14)的***分布有若干行星齿轮(16)，所述行星齿轮(16)分别啮合于所述恒星齿轮(14)和内齿环(3)，各所述行星齿轮(16)转动配合于所述第一关节架(4)。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述第一关节架(4)对应所述行星齿轮(16)设有轮轴(17)，所述行星齿轮(16)与所述轮轴(17)转动配合。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述第二电机(19)位于所述第一电机(1)的***。

5.根据权利要求4所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述芯轴(5)的端部设有被动带轮(9)，所述第二电机(19)的输出端设有主动带轮(8)，所述被动带轮(9)和所述主动带轮(8)之间设有过渡双联带轮(10)，所述主动带轮(8)、所述被动带轮(9)和所述过渡双联带轮(10)依次通过皮带传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述主动带轮(8)、所述被动带轮(9)和所述过渡双联带轮(10)均为带齿带轮，所述皮带为与所述带齿带轮啮合的带齿皮带(11)。

7.根据权利要求6所述的一种三自由度运动关节组件，其特征在于：所述第二电机(19)的转轴垂直于所述第一电机(1)的转轴，所述第二电机(19)固定基板(13)上，所述基板(13)的上端与所述环形架(2)固定。

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