專利名稱：一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu),該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)圍繞空間三 坐標軸的主動旋轉(zhuǎn)功能，在此基礎(chǔ)上，主動虎克鉸末端能夠輸出較大扭矩。
背景技術(shù)：
主動虎克鉸機構(gòu)是一類用于裝置姿態(tài)調(diào)整的機構(gòu)形式,該機構(gòu)可以實現(xiàn)在三坐標 空間內(nèi)的俯仰、偏擺、旋轉(zhuǎn)等動作，可用于機器人、微操作、醫(yī)療設(shè)備、科研儀器等 領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的主動虎克鉸機構(gòu)主要采用串聯(lián)驅(qū)動形式實現(xiàn)主動虎克鉸功能，由多個驅(qū)動 關(guān)節(jié)前后相互串聯(lián)以驅(qū)動虎克鉸動作，各關(guān)節(jié)相互解耦，具有控制簡單的優(yōu)點。但是 對于串聯(lián)機構(gòu)，其固有的缺點限制了該類主動虎克鉸機構(gòu)的應(yīng)用。其主要的缺點可歸 納如下
1) 整體結(jié)構(gòu)分散龐大，不利于狹窄空間使用；
2) 各級負載相互疊加，前后級關(guān)節(jié)負載情況差別較大，在某些情況下，無效負 載甚至?xí)^有效負載；
3) 結(jié)構(gòu)剛性較低，在運行速度較高的場合下應(yīng)用受到一定限制；
4) 有效輸出較小，若實現(xiàn)較大扭矩輸出，需要使用大傳動比減速機和大扭矩電 機，有可能會進一步惡化工作情況；

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)，該機構(gòu)采用并聯(lián)機構(gòu)作 為主動虎克鉸的實現(xiàn)方式，可對輸出轉(zhuǎn)盤進行繞虎克鉸中心的三自由度運動控制，即 可以實現(xiàn)主動虎克鉸的俯仰、扭擺、旋轉(zhuǎn)的主動調(diào)整和控制。該機構(gòu)各個運動相互獨 立，即可實現(xiàn)單自由度運動，也可以實現(xiàn)三自由度聯(lián)動。在主動虎克鉸的輸出轉(zhuǎn)盤， 可以輸出連續(xù)旋轉(zhuǎn)扭矩，在實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)上，可作為動力頭使用。
本發(fā)明是一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)，包括有驅(qū)動單元、中間運動單
元和前端運動單元；A偏擺電機、B偏擺電機、旋轉(zhuǎn)電機分別安裝在后安裝板上構(gòu)成 驅(qū)動單元；后安裝板與前安裝板之間設(shè)有中間運動單元，該中間運動單元采用絲杠、 套筒、虎克鉸的裝配結(jié)構(gòu)；前安裝板、支撐臺、輸出轉(zhuǎn)盤、A齒輪、A齒輪軸、B齒 輪、B齒輪軸構(gòu)成前端運動單元。
本發(fā)明內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)使用并聯(lián)機構(gòu)作為實現(xiàn)方式,有效地克 服了串聯(lián)驅(qū)動形式實現(xiàn)的虎克鉸機構(gòu)的缺陷，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、機構(gòu)慣性小、輸出扭 矩大、機構(gòu)剛性較好等優(yōu)點。并且在主動虎克鉸的輸出端輸出穩(wěn)定扭矩，可以實現(xiàn)連 續(xù)旋轉(zhuǎn)，在實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ)上，可作為動力頭使用。該機構(gòu)擴大了主動虎克鉸的 應(yīng)用領(lǐng)域，在精細加工、機械裝配、遠程操作等工業(yè)場合均可適用。


圖l是本發(fā)明內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明后安裝板與三個電機的裝配示圖。
圖2A是本發(fā)明G虎克鉸的爆炸示圖。
圖3是本發(fā)明前端運動單元的爆炸示圖。
圖3A是本發(fā)明前安裝板的下板面結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明六個虎克鉸與套筒、絲杠的裝配示圖。
圖中l(wèi).前安裝板la.正板面lb.下板面IOI.A連接柱
跳B連接柱103.C連接柱104.C通孔105.沉頭孔IA.A偏擺電機
1B.B偏擺電機ic.旋轉(zhuǎn)電機2.后安裝板2a,上板面
201.A電機軸支撐套202.B電機軸支撐套203.C電機軸支撐套
3.輸出轉(zhuǎn)盤3&.連接端4.支撐桿5.A齒輪5a-A齒輪軸
6.B齒輪6a-B齒輪軸7.支撐臺701.A通孔702.B通孔
ll.A虎克鉸lla.A端llb.B端12.B虎克鉸12a,A端
12b.B端13.C虎克鉸13a,A端13b.B端14.D虎克鉸
14a,A端14b.B端15.E虎克鉸15a,A端15b.B端
16.F虎克鉸16a.A端16b.B端17.G虎克鉸17a,A端
17b.B端17c.十字軸21.A套筒22.B套筒23.C套筒
31.A絲杠32.B絲杠33.花鍵傳動軸
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
請參見圖1、圖3所示，本發(fā)明的一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)，包括 有前安裝板l、支撐臺7、后安裝板2、輸出轉(zhuǎn)盤3、 A齒輪5、 A齒輪軸5a、 B齒 輪6、 B齒輪軸6a、 A偏擺電機1A、 B偏擺電機1B、旋轉(zhuǎn)電機1C、 A虎克鉸ll、 B虎克鉸12、 C虎克鉸13、 D虎克鉸14、 E虎克鉸15、 F虎克鉸16、 G虎克鉸 17、 A套筒21、 B套筒22、 C套筒23、 A絲杠31、 B絲杠32、花鍵傳動軸33;
后安裝板2、 A偏擺電機1A、 B偏擺電機1B和旋轉(zhuǎn)電機1C構(gòu)成驅(qū)動單元。A 偏擺電機1A、 B偏擺電機1B和旋轉(zhuǎn)電機1C釆用直流伺服電機。
A虎克鉸ll、 B虎克鉸12、 C虎克鉸13、 D虎克鉸14、 E虎克鉸15、 F虎 克鉸16、 G虎克鉸17、 A套筒21、 B套筒22、 C套筒23、 A絲杠31、 B絲杠 32、花鍵傳動軸33構(gòu)成中間運動單元。
前安裝板l、支撐臺7、輸出轉(zhuǎn)盤3、 A齒輪5、 A齒輪軸5a、 B齒輪6、 B齒 輪軸6a構(gòu)成前端運動單元。
在本發(fā)明中，A虎克鉸ll、 B虎克鉸12、 C虎克鉸13、 D虎克鉸14、 E虎克 鉸15、 F虎克鉸16和G虎克鉸17的結(jié)構(gòu)相同，請參見圖2A所示。
請參見圖2所示,后安裝板2的上板面2a上設(shè)有支撐桿4、A電機軸支撐套201、 B電機軸支撐套202、 C電機軸支撐套203;支撐桿4的連接端與G虎克鉸17的 A端17a連接；
A偏擺電機1A安裝在后安裝板2的下板面上，且A偏擺電機1A的輸出軸伸出 A電機軸支撐套201后與B虎克鉸12的A端12a連接；
B偏擺電機IB安裝在后安裝板2的下板面上,且B偏擺電機IB的輸出軸伸出 B電機軸支撐套202后與F虎克鉸16的A端16a連接；
在本發(fā)明中，A偏擺電機1A、 B偏擺電機1B固定于后安裝板2上，且A偏擺 電機1A的輸出軸、B偏擺電機1B的輸出軸通過各自的虎克鉸、絲杠與前安裝板l 相連，可以通過控制電機(A偏擺電機1A、 B偏擺電機IB)的輸出參數(shù)即可控制前 安裝板1的俯仰、偏擺姿態(tài)；輸出轉(zhuǎn)盤3也隨前安裝板1的姿態(tài)變化而變化。
旋轉(zhuǎn)電機1C安裝在后安裝板2的下板面上,且C偏擺電機1C的輸出軸伸出C 電機軸支撐套203后與D虎克鉸14的A端14a連接；旋轉(zhuǎn)電機1C的輸出軸通過 D虎克鉸14、 C虎克鉸13帶動花鍵傳動軸33轉(zhuǎn)動，并通過A齒輪5與B齒輪6
的嚙合傳動使本發(fā)明的主動虎克鉸機構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)中心線進行轉(zhuǎn)運。
請參見圖2A所示,G虎克鉸17由G虎克鉸的A端17a、G虎克鉸的B端17b 和十字軸17c構(gòu)成，十字軸17c分別連接在G虎克鉸的A端17a的凸耳、G虎克 鉸的B端17b的凸耳上。G虎克鉸的A端17a與支撐桿4 一端的連接，G虎克鉸 的B端17b與C連接柱103連接。
請參見圖3、圖3A所示，前安裝板l的正板面la上^;有沉頭孔105、 C通孔 104;前安裝板1的下板面lb上設(shè)有A連接柱101、 B連接柱102、 C連接柱103。 A連接柱lOl與A虎克鉸ll的B端llb連接,B連接柱102與E虎克鉸15的B 端15b連接，C連接柱103與G虎克鉸17的B端17b連接。
支撐臺7上設(shè)有A通孔701、 B通孔702。支撐臺7安裝在前安裝板1的正板 面la上。
A齒輪5套接A齒輪軸5a上，B齒輪6套接B齒輪軸6a上，A齒輪5與B 齒輪6嚙合；A齒輪軸5a的一端安裝在沉頭孔105內(nèi)，A齒輪軸5a的另一端安裝 在輸出轉(zhuǎn)盤3的連接端3a上；B齒輪軸6a的一端穿過前安裝板1上的C通孔104 后與C虎克鉸13的B端13b連接，B齒輪軸6a的另一端安裝在支撐臺7的B通 孔702中。
輸出轉(zhuǎn)盤3的上板面上設(shè)有一箭頭，該箭頭用于指示轉(zhuǎn)動的方向；輸出轉(zhuǎn)盤3 的下板面設(shè)有連接端3a，該連接端3a與A齒輪軸5a的另一端連接(A齒輪軸5a 的一端安裝在沉頭孔105內(nèi))，且通過銷釘固定。
請參見圖4所示，A套筒21的一端與A虎克鉸ll的A端lla連接，A套筒 21的另一端套接有A絲杠31的一端，A絲杠31的另一端與B虎克鉸12的B端 12b連接，兩端均釆用銷釘固定；
B套筒22的一端與E虎克鉸15的A端15a連接，B套筒22的另一端套接有 B絲杠32的一端，B絲杠32的另一端與F虎克鉸16的B端16b連接，兩端均釆 用銷釘固定；
本發(fā)明采用絲杠兩端均有虎克鉸的聯(lián)接方式,可以使絲杠在傳動過程中傳遞扭矩 和軸向力，并隨前安裝板l的姿態(tài)變化自動順應(yīng)扭擺。
C套筒23的一端與C虎克鉸13的A端13a連接，C套筒23的另一端套接有 花鍵傳動軸33的一端，花鍵傳動軸33的另一端與D虎克鉸14的B端14b連接， 兩端均采用銷釘固定；花鍵傳動軸33用于傳遞扭矩，當本發(fā)明主動虎克鉸機構(gòu)俯仰 偏擺時，可以自動伸縮順應(yīng)其姿態(tài)變化。
本發(fā)明內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)的的動作過程有
(一) A偏擺電機1A、 B偏擺電機1B同時工作，旋轉(zhuǎn)電機IA停止工作時 A絲杠31在A偏擺電機1A的驅(qū)動下,使A絲杠31在A套筒21中上下運動； B絲杠32在B偏擺電機IB的驅(qū)動下,使B絲杠32在B套筒22中上下運動； 旋轉(zhuǎn)電機1C停止工作時，C套筒23只能夠沿花鍵傳動軸33軸向滑動； A套筒21與B套筒22的同時運動，使得前安裝板1作出偏擺運動，進而輸出
轉(zhuǎn)盤3也作出偏擺運動。
(二) A偏擺電機1A、 B偏擺電機1B、旋轉(zhuǎn)電機1A同時工作時
A絲杠31在A偏擺電機1A的驅(qū)動下，使A絲杠31在A套筒21中上下運動； B絲杠32在B偏擺電機IB的驅(qū)動下,使B絲杠32在B套筒22中上下運動； 花鍵傳動軸33在旋轉(zhuǎn)電機1CA的驅(qū)動下，使花鍵傳動軸33帶動C套筒23作 圓周運動，進行帶動B齒輪軸6a轉(zhuǎn)動；B齒輪軸6a的轉(zhuǎn)動帶動B齒輪6隨動，由 于B齒輪6與A齒輪5嚙合，則A齒輪5也會沿圓周方向轉(zhuǎn)動；A齒輪5上連接有 A齒輪軸5a， A齒輪軸5a的另一端與輸出轉(zhuǎn)盤3的連接端3a連接，則輸出轉(zhuǎn)盤3 也會沿旋轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)動。
A套筒21與B套筒22的同時運動，使得輸出轉(zhuǎn)盤3 (前安裝板l與輸出轉(zhuǎn)盤 3的偏擺運動是一致的)作出偏擺運動；B齒輪6與A齒輪5的轉(zhuǎn)動，使得輸出轉(zhuǎn) 盤3實現(xiàn)繞旋轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)動，這樣輸出轉(zhuǎn)盤3即可有偏擺運動、也有轉(zhuǎn)動運動。
本發(fā)明設(shè)計的內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)通過對多個電機(A偏擺電機 1A、 B偏擺電機1B、旋轉(zhuǎn)電機1A)的不同工作進行控制，可以在一個錐形空間內(nèi) 實現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)盤3任意位姿的準確控制，該錐形空間的域取決于A絲杠31、 B絲杠 32、花鍵傳動軸33相配合的物理尺寸。
權(quán)利要求
1、一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)，其特征在于包括有輸出轉(zhuǎn)盤(3)、A齒輪(5)、A齒輪軸(5a)、B齒輪(6)、B齒輪軸(6a)、前安裝板(1)、支撐臺(7)、后安裝板(2)、A偏擺電機(1A)、B偏擺電機(1B)、旋轉(zhuǎn)電機(1C)、A虎克鉸(11)、B虎克鉸(12)、C虎克鉸(13)、D虎克鉸(14)、E虎克鉸(15)、F虎克鉸(16)、G虎克鉸(17)、A套筒(21)、B套筒(22)、C套筒(23)、A絲杠(31)、B絲杠(32)、花鍵傳動軸(33)；后安裝板(2)、A偏擺電機(1A)、B偏擺電機(1B)和旋轉(zhuǎn)電機(1C)構(gòu)成驅(qū)動單元；A虎克鉸(11)、B虎克鉸(12)、C虎克鉸(13)、D虎克鉸(14)、E虎克鉸(15)、F虎克鉸(16)、G虎克鉸(17)、A套筒(21)、B套筒(22)、C套筒(23)、A絲杠(31)、B絲杠(32)、花鍵傳動軸(33)構(gòu)成中間運動單元；A虎克鉸(11)、B虎克鉸(12)、C虎克鉸(13)、D虎克鉸(14)、E虎克鉸(15)、F虎克鉸(16)與G虎克鉸(17)的結(jié)構(gòu)相同；G虎克鉸(17)由G虎克鉸的A端(17a)、G虎克鉸的B端(17b)和十字軸(17c)構(gòu)成，十字軸(17c)分別連接在G虎克鉸的A端(17a)的凸耳、G虎克鉸的B端(17b)的凸耳上；G虎克鉸的A端(17a)與支撐桿(4)一端的連接，G虎克鉸的B端(17b)與C連接柱(103)連接；前安裝板(1)、支撐臺(7)、輸出轉(zhuǎn)盤(3)、A齒輪(5)、A齒輪軸(5a)、B齒輪(6)、B齒輪軸(6a)構(gòu)成前端運動單元；后安裝板(2)的上板面(2a)上設(shè)有支撐桿(4)、A電機軸支撐套(201)、B電機軸支撐套(202)、C電機軸支撐套(203)；支撐桿(4)的連接端與G虎克鉸(17)的A端(17a)連接；A偏擺電機(1A)安裝在后安裝板(2)的下板面上，且A偏擺電機(1A)的輸出軸伸出A電機軸支撐套(201)后與B虎克鉸(12)的A端(12a)連接；B偏擺電機(1B)安裝在后安裝板(2)的下板面上，且B偏擺電機(1B)的輸出軸伸出B電機軸支撐套(202)后與F虎克鉸(16)的A端(16a)連接；旋轉(zhuǎn)電機(1C)安裝在后安裝板(2)的下板面上，且C偏擺電機(1C)的輸出軸伸出C電機軸支撐套(203)后與D虎克鉸(14)的A端(14a)連接；前安裝板(1)的正板面(1a)上設(shè)有沉頭孔(105)、C通孔(104)；前安裝板(1)的下板面(1b)上設(shè)有A連接柱(101)、B連接柱(102)、C連接柱(103)；A連接柱(101)與A虎克鉸(11)的B端(11b)連接，B連接柱(102)與E虎克鉸(15)的B端(15b)連接，C連接柱(103)與G虎克鉸(17)的B端(17b)連接；支撐臺(7)上設(shè)有A通孔(701)、B通孔(702)；支撐臺(7)安裝在前安裝板(1)的正板面(1a)上；A齒輪(5)套接A齒輪軸(5a)上，B齒輪(6)套接B齒輪軸(6a)上，A齒輪(5)與B齒輪(6)嚙合；A齒輪軸(5a)的一端安裝在沉頭孔(105)內(nèi)，A齒輪軸(5a)的另一端安裝在輸出轉(zhuǎn)盤(3)的連接端(3a)上；B齒輪軸(6a)的一端穿過前安裝板(1)上的C通孔(104)后與C虎克鉸(13)的B端(13b)連接，B齒輪軸(6a)的另一端安裝在支撐臺(7)的B通孔(702)中；輸出轉(zhuǎn)盤(3)的下板面設(shè)有連接端(3a)，該連接端(3a)與A齒輪軸(5a)的另一端連接，且通過銷釘固定；A套筒(21)的一端與A虎克鉸(11)的A端(11a)連接，A套筒(21)的另一端套接有A絲杠(31)的一端，A絲杠(31)的另一端與B虎克鉸(12)的B端(12b)連接，兩端均采用銷釘固定；B套筒(22)的一端與E虎克鉸(15)的A端(15a)連接，B套筒(22)的另一端套接有B絲杠(32)的一端，B絲杠(32)的另一端與F虎克鉸(16)的B端(16b)連接，兩端均采用銷釘固定；C套筒(23)的一端與C虎克鉸(13)的A端(13a)連接，C套筒(23)的另一端套接有花鍵傳動軸(33)的一端，花鍵傳動軸(33)的另一端與D虎克鉸(14)的B端(14b)連接，兩端均采用銷釘固定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)置輸出驅(qū)動軸的主動虎克鉸機構(gòu)，包括有驅(qū)動單元、中間運動單元和前端運動單元；A偏擺電機(1A)、B偏擺電機(1B)、旋轉(zhuǎn)電機(1C)分別安裝在后安裝板(2)上構(gòu)成驅(qū)動單元；后安裝板(2)與前安裝板(1)之間設(shè)有中間運動單元，該中間運動單元采用絲杠、套筒、虎克鉸的裝配結(jié)構(gòu)，采用絲杠兩端均有虎克鉸的聯(lián)接方式，可以使絲杠在傳動過程中傳遞扭矩和軸向力，并隨前安裝板(1)的姿態(tài)變化自動順應(yīng)扭擺；前安裝板(1)、支撐臺(7)、輸出轉(zhuǎn)盤(3)、A齒輪(5)、A齒輪軸(5a)、B齒輪(6)、B齒輪軸(6a)構(gòu)成前端運動單元；本發(fā)明虎克鉸機構(gòu)通過對三個電機的不同工作進行控制，可以在一個錐形空間內(nèi)實現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)盤(3)任意位姿的準確控制。
文檔編號B25J9/08GK101380737SQ20081022267
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者于文鵬, 宗光華, 巍 王 申請人:北京航空航天大學(xué)