專利名稱：一種二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械領(lǐng)域。它是一種適用于機(jī)器人"手臂"二自由度關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
球關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)自由度大的特點(diǎn)，適用于機(jī)器人"手臂"等需要多自由度關(guān)節(jié)的場合。球關(guān)節(jié)由球和球窩組成，在通常情況下要使球關(guān)節(jié)能夠承受各個(gè)方向的力，球窩的包角必須大于球半徑，這就限制了上下、左右兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)角度；并且球關(guān)節(jié)沒有用來傳遞電機(jī)轉(zhuǎn)矩的固定軸，不能使用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
為解決球關(guān)節(jié)存在的這些弊端，現(xiàn)在采用的方式主要有-
1、 使用類似的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)代替球關(guān)節(jié)，如用氣動(dòng)控制的可伸縮橡膠抅成的球關(guān)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)可使球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)簡單，但由于采用氣動(dòng)控制，球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度低、可控性差，使用范圍受到限制；
2、 采用間接驅(qū)動(dòng)方式，如用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)，可以遠(yuǎn)距離的傳遞運(yùn)動(dòng)，鋼絲有很大的柔性可以將驅(qū)動(dòng)電機(jī)等安裝在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)的位置，但鋼絲驅(qū)動(dòng)球關(guān)節(jié)時(shí)需增加冗余自由度，驅(qū)動(dòng)自由度為n + l，完成二自由度的驅(qū)動(dòng)需要三根鋼絲和三個(gè)電機(jī)，三個(gè)電機(jī)需要同時(shí)運(yùn)動(dòng)，
控制復(fù)雜-,
3、 采用其它滑動(dòng)關(guān)節(jié)代替球關(guān)節(jié)，如采用圓弧形導(dǎo)軌，可以達(dá)到球關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)效果，
但圓弧形導(dǎo)軌設(shè)計(jì)復(fù)雜，加工設(shè)備的精度要求很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)剛度大、控制簡單、加工方便等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的由以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分、運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)部分包括兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)一和電機(jī)二固定在同一電機(jī)支架上；運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)連接在電機(jī)一和電機(jī)二的輸出軸上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過三根剛性連桿將運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)盤和運(yùn)動(dòng)輸
3出臂連接；運(yùn)動(dòng)輸出臂安裝在球關(guān)節(jié)支架上；運(yùn)動(dòng)輸出臂的端面設(shè)有大球窩，球關(guān)節(jié)支架上的球形端放在大球窩內(nèi)。
運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)中將電機(jī)一的輸出軸用聯(lián)軸器一與驅(qū)動(dòng)軸連接，驅(qū)動(dòng)軸的末端用芯軸二與驅(qū)動(dòng)盤連接；將電機(jī)二的輸出軸用聯(lián)軸器二與絲杠連接，絲杠末端用絲杠頂尖和絲杠支架支撐，絲杠帶動(dòng)傳動(dòng)架作直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)架與傳動(dòng)盤連接，傳動(dòng)盤安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，傳動(dòng)盤通過連桿與驅(qū)動(dòng)盤連接；拉動(dòng)盤安裝在驅(qū)動(dòng)盤上，并用防轉(zhuǎn)架限制拉動(dòng)盤不隨驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。
運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)盤通過連桿和驅(qū)動(dòng)盤連接構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)盤沿驅(qū)動(dòng)軸軸向滑動(dòng)，并隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)盤和運(yùn)動(dòng)輸出臂分別對(duì)應(yīng)設(shè)有三個(gè)小球窩，三根剛性連桿的兩端安裝的有支撐球放入小球窩內(nèi)。
運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)架一側(cè)由絲杠支撐并傳遞動(dòng)力；另一側(cè)由圓形導(dǎo)軌支撐，導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌支架上，導(dǎo)軌支架、電機(jī)支架、絲杠支架和球關(guān)節(jié)支架均安裝在底板上，傳動(dòng)架與傳動(dòng)盤連接，傳動(dòng)盤在傳動(dòng)架的安裝孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)盤一端為臺(tái)階，另一端為擋圈，傳遞傳動(dòng)架的直線運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)
1、 電機(jī)一和電機(jī)二同時(shí)安裝在一個(gè)電機(jī)支架上，遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)輸出臂上不會(huì)有電機(jī)重量造成的負(fù)載；
2、 運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)將電機(jī)一和電機(jī)二的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)作用到驅(qū)動(dòng)盤上，在控制過程中只需控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度就可以使運(yùn)動(dòng)輸出臂按要求角度和速度偏轉(zhuǎn)，且互不干涉；
3、 拉動(dòng)盤與運(yùn)動(dòng)輸出臂有三根剛性桿連接，互成120° ，在傳動(dòng)過程中只受拉力，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的剛度；
4、 運(yùn)動(dòng)輸出臂采用球關(guān)節(jié)支撐，靠三根剛性桿的拉力緊緊貼合在球面上，采用較小的球窩包角，增大球關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)角度。


圖1為二自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)示意圖-
圖3為運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)前視圖
圖4為運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)A-A剖面5為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂仰視圖.
圖6為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂B-B剖面圖，
其中l(wèi).拉動(dòng)盤，2.驅(qū)動(dòng)盤，3.驅(qū)動(dòng)軸，4.芯軸一，5.連桿頭，6.連桿，7.傳動(dòng)盤，8.傳 動(dòng)架，9.防轉(zhuǎn)架，IO.連軸器一，ll.導(dǎo)軌支架，12.絲杠支架，13.導(dǎo)軌，14.絲杠頂尖，15. 絲杠，16聯(lián)軸器二， 17.電機(jī)支架，18.電機(jī)，19.底板，20球關(guān)節(jié)支架，21.運(yùn)動(dòng)輸出臂， 22.剛性連桿，23.支撐球，24.電機(jī)二， 25.芯軸二， 26.擋圈。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì) 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可 以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括驅(qū)動(dòng)部分、運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂四
大部分。驅(qū)動(dòng)部分包括兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)一18和電機(jī)二24固定在同一電機(jī)支架17上，電 機(jī)可以釆用伺服電機(jī)，也可以采用步進(jìn)電機(jī)；運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)連接在電機(jī)一 18和電機(jī)二 24 的輸出軸上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過三根剛性連桿22將運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)盤1和運(yùn)動(dòng)輸出臂21 連接；運(yùn)動(dòng)輸出臂21安裝在球關(guān)節(jié)支架20上；運(yùn)動(dòng)輸出臂21的端面設(shè)有大球窩，球關(guān) 節(jié)支架20上的球形端放在大球窩內(nèi)。
運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)如圖2、 3、 4所示，運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的電機(jī)一 18的輸出軸用聯(lián)軸器一 10 與驅(qū)動(dòng)軸3連接，驅(qū)動(dòng)軸3的末端用芯軸二25與驅(qū)動(dòng)盤2連接；電機(jī)二24的輸出軸用聯(lián) 軸器二16與絲杠15連接，絲杠15末端用絲杠頂尖14和絲杠支架12支撐，絲杠15帶動(dòng) 傳動(dòng)架8作直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)架8與傳動(dòng)盤7連接，傳動(dòng)盤7安裝在驅(qū)動(dòng)軸3上，傳動(dòng)盤7 可沿驅(qū)動(dòng)軸3軸向滑動(dòng)，并隨驅(qū)動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)盤7通過連桿6與驅(qū)動(dòng)盤2連接；拉動(dòng) 盤1安裝在驅(qū)動(dòng)盤2上，并用防轉(zhuǎn)架9限制拉動(dòng)盤1不隨驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)架8—側(cè)由 絲杠15支撐并傳遞動(dòng)力；另一側(cè)由圓形導(dǎo)軌13支撐，導(dǎo)軌13安裝在導(dǎo)軌支架11上，導(dǎo) 軌支架ll、電機(jī)支架17、絲杠支架12和球關(guān)節(jié)支架20均安裝在底板19上，傳動(dòng)架8與 傳動(dòng)盤7連接，傳動(dòng)盤7在傳動(dòng)架8的安裝孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)盤7—端為臺(tái)階，另一端 為擋圈26，傳遞傳動(dòng)架8的直線運(yùn)動(dòng)。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂如圖5、 6所示，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由拉動(dòng)盤1和運(yùn)動(dòng)輸出臂21通過三 根剛性連桿22連接構(gòu)成，拉動(dòng)盤1和運(yùn)動(dòng)輸出臂21上分別對(duì)應(yīng)設(shè)有三個(gè)小球窩，三根剛 性連桿22的兩端有支撐球23，支撐球則安裝在小球窩內(nèi)。運(yùn)動(dòng)輸出臂21安裝在球關(guān)節(jié)支
5架20上，運(yùn)動(dòng)輸出臂21的端面設(shè)有大球窩，球關(guān)節(jié)支架20上的球形端放在大球窩內(nèi)。 二自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是這樣實(shí)現(xiàn)的電機(jī)一 18通過聯(lián)軸器一 10和驅(qū)動(dòng)軸3帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn) 動(dòng)。電機(jī)二24通過聯(lián)軸器二16帶動(dòng)絲杠15轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠15帶動(dòng)傳動(dòng)架8作直線運(yùn)動(dòng)；傳 動(dòng)架8再將直線運(yùn)動(dòng)傳遞到傳動(dòng)盤7上，傳動(dòng)盤7通過連桿6拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)盤 2繞芯軸二25的轉(zhuǎn)動(dòng)。拉動(dòng)盤1隨驅(qū)動(dòng)盤2同時(shí)偏轉(zhuǎn)，并通過三根剛性連桿22將偏轉(zhuǎn)傳 遞到運(yùn)動(dòng)輸出臂21上。電機(jī)一 18帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)0° ，電機(jī)二 24帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 運(yùn)動(dòng)輸出臂21向上偏轉(zhuǎn)；電機(jī)一18帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)90。，電機(jī)二24帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出臂21向左偏轉(zhuǎn)；電機(jī)一18帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)180° ，電機(jī)二24帶動(dòng)驅(qū)動(dòng) 盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出臂21向下偏轉(zhuǎn)；電機(jī)一 18帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)270° ，電機(jī)二24帶 動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出臂21向左偏轉(zhuǎn)；電機(jī)一 18帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤2轉(zhuǎn)動(dòng)到其它角度， 電機(jī)二24帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸出臂21的偏轉(zhuǎn)角度為該上下、左右兩個(gè)自由度方向 上的復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分、運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂四大部分構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)部分包括兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)一(18)和電機(jī)二(24)固定在同一電機(jī)支架(17)上；運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)連接在電機(jī)一(18)和電機(jī)二(24)的輸出軸上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過三根剛性連桿(22)將運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)盤(1)和運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)連接；運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)安裝在球關(guān)節(jié)支架(20)上；運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)的端面設(shè)有大球窩，球關(guān)節(jié)支架(20)上的球形端放在大球窩內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)中將電機(jī)一 (18)的輸出軸用聯(lián)軸器一 (10)與驅(qū)動(dòng)軸(3)連接，驅(qū)動(dòng)軸(3)的末端用芯軸 二 (25)與驅(qū)動(dòng)盤(2)連接；將電機(jī)二 (24)的輸出軸用聯(lián)軸器二 (16)與絲杠(15) 連接，絲杠(15)末端用絲杠頂尖(14)和絲杠支架(12)支撐，絲杠(15)帶動(dòng)傳動(dòng)架 (8)作直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)架(8)與傳動(dòng)盤(7)連接，傳動(dòng)盤(7)安裝在驅(qū)動(dòng)軸(3)上， 傳動(dòng)盤(7)通過連桿(6)與驅(qū)動(dòng)盤(2)連接；拉動(dòng)盤(1)安裝在驅(qū)動(dòng)盤(2)上，并 用防轉(zhuǎn)架(9)限制拉動(dòng)盤(1)不隨驅(qū)動(dòng)盤(2)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu) 的傳動(dòng)盤(7)通過連桿(6)和驅(qū)動(dòng)盤(2)連接構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的傳 動(dòng)盤(7)沿驅(qū)動(dòng)軸(3)軸向滑動(dòng)，并隨驅(qū)動(dòng)軸(3)轉(zhuǎn)動(dòng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉 動(dòng)盤(1)和運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)分別對(duì)應(yīng)設(shè)有三個(gè)小球窩，三根剛性連桿(22)的兩^^安 裝的支撐球(23)放入小球窩內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的《專 動(dòng)架(8) —側(cè)由絲杠(15)支撐并傳遞動(dòng)力；另一側(cè)由圓形導(dǎo)軌(13)支撐，導(dǎo)軌(13) 安裝在導(dǎo)軌支架(11)上，導(dǎo)軌支架(11)、電機(jī)支架(17)、防轉(zhuǎn)架(9)、絲杠支架(12)和球關(guān)節(jié)支架(20)均安裝在底板(19)上，傳動(dòng)架(8)與傳動(dòng)盤(7)連接，4專 動(dòng)盤(7)在傳動(dòng)架(8)的安裝孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)盤(7) —端為臺(tái)階，另一端為擋圈 (26)，傳遞傳動(dòng)架(8)的直線運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二自由度球關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)部分、運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)輸出臂四大部分構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)部分包括兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)一(18)和電機(jī)二(24)固定在同一電機(jī)支架(17)上；運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)連接在電機(jī)一(18)和電機(jī)二(24)的輸出軸上；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過三根剛性的傳動(dòng)桿(22)將運(yùn)動(dòng)復(fù)合機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)盤(1)與運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)連接，運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)安裝在球關(guān)節(jié)支架(20)上，運(yùn)動(dòng)輸出臂(21)的端面設(shè)有大球窩，球關(guān)節(jié)支架(20)上的球形端放在大球窩內(nèi)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了上下、左右兩個(gè)自由度方向的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，具有運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)剛度大、控制簡單、加工方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J17/00GK101486193SQ20091005841
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者燕 刁, 華 羅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)