申请/专利权人：长春理工大学

申请日：2019-06-26

公开（公告）日：2020-07-24

公开（公告）号：CN110273979B

主分类号：F16H1/24(20060101)

分类号：F16H1/24(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.24#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.24#公开

摘要：本发明公开了一种三自由度球齿传动副，涉及机械传动及仿生运动关节技术领域，包括：一个离散型球齿轮和一个连续型球齿轮，离散型球齿轮与连续型球齿轮相啮合，离散型球齿轮和连续型球齿轮均包括多个平面渐开线环形齿面和多个球面渐开线球锥齿面，平面渐开线环形齿面与球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成离散型球齿轮的多个凸面球齿，平面渐开线环形齿面与球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置形成连续型球齿轮的多个凹面球齿，一个凸面球齿用于插入一个凹面球齿内，以能够克服现有的球齿轮只有两个自由度、加工制造难度大和加工成本过高的缺陷，能够实现偏摆、俯仰和绕轴线自转三个自由度的运动，易于加工、啮合传递稳定且不存在传动原理误差。

主权项：1.一种三自由度球齿传动副，其特征在于：包括一个离散型球齿轮和一个连续型球齿轮，所述离散型球齿轮与所述连续型球齿轮相啮合，所述离散型球齿轮和所述连续型球齿轮均包括多个平面渐开线环形齿面和多个球面渐开线球锥齿面，所述离散型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凸面球齿，所述连续型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凹面球齿，一个所述凸面球齿用于插入一个所述凹面球齿内。

全文数据：一种三自由度球齿传动副技术领域本发明涉及机械传动及仿生运动关节技术领域，特别是涉及一种三自由度球齿传动副。背景技术传统的齿轮机构为单自由度传动，不能满足新兴领域对多传动自由度的要求，球形齿轮的出现彻底改变了这一现象。20世纪80年度挪威工程师发明了世界上第一个基于球齿轮传动的两个运动自由度的Trallfa喷漆机器人柔性手腕，能够传递二维回转运动，其缺点一是存在传动原理误差，二是其加工制造难度大，加工成本过高。潘存云等提出一种“渐开线环形齿球齿轮”，其由平面渐开线绕轴线旋转形成，过轴线的任一截面均为平面渐开线齿廓。渐开线环形齿球齿轮不存在理论误差且易于加工制造。但该球齿轮只有两个自由度，同时基于该球齿轮机械腕无法连接夹持器。发明内容本发明的目的是提供一种易于加工、啮合传递稳定且不存在传动原理误差的球齿传动副，并且能够实现偏摆、俯仰和绕轴线自转三个自由度的运动。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种三自由度球齿传动副，包括一个离散型球齿轮和一个连续型球齿轮，所述离散型球齿轮与所述连续型球齿轮相啮合，所述离散型球齿轮和所述连续型球齿轮均包括多个平面渐开线环形齿面和多个球面渐开线球锥齿面，所述离散型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凸面球齿，所述连续型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凹面球齿，一个所述凸面球齿用于插入一个所述凹面球齿内。优选的，同一纬线方向上设置的多个所述凸面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个所述凸面球齿沿着球面渐开线球锥齿面的齿厚和模数均相同。优选的，任一纬线方向上设置的凸面球齿的数量相等。优选的，同一经线方向上设置的多个所述凸面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凸面球齿沿着平面渐开线环形齿面的齿厚不同。优选的，同一纬线方向上设置的多个所述凹面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个所述凹面球齿沿着球面渐开线球锥齿面的齿槽宽和模数均相同。优选的，任一纬线方向上设置的凹面球齿的数量相等。优选的，同一经线方向上设置的多个所述凹面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凹面球齿沿着平面渐开线环形齿面的齿槽宽不同。优选的，所述凸面球齿为四面体独立凸齿。本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提供了一种三自由度球齿传动副，包括一个离散型球齿轮和一个连续型球齿轮，离散型球齿轮和连续型球齿轮均包括多个平面渐开线环形齿面和多个球面渐开线球锥齿面，离散型球齿轮上平面渐开线环形齿面与球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凸面球齿，连续型球齿轮上平面渐开线环形齿面与球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凹面球齿，具有易于加工的优点，凹面球齿为一四面凹槽，一个凸面球齿用于插入一个凹面球齿内，从而能够实现偏摆、俯仰和绕轴线自转三个自由度的运动，且在离散型球齿轮与连续型球齿轮传动过程中，离散型球齿轮与连续型球齿轮之间球心距不变，凸面球齿和凹面球齿之间插入式的啮合方式能够保证啮合传递稳定且不存在传动原理误差。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一些实施例，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为本发明提供的球齿传动副轴测图；图2为本发明提供的球齿传动副的离散型球齿轮轴测图；图3为本发明提供的球齿传动副的连续型球齿轮的轴测图；图4为本发明提供的球齿传动副的环形渐开线齿廓形成原理图；图5为本发明提供的球齿传动副的球面渐开线形成原理图；图6为本发明提供的球齿传动副的单个平面渐开线环形齿面轴测图；图7为本发明提供的球齿传动副的单个球面渐开线球锥齿面轴测图；图8为本发明提供的球齿传动副的平面渐开线环形齿面和球面渐开线球锥齿面接合形成单个四面体独立凸齿示意图；图9为本发明提供的球齿传动副的平面渐开线环形齿面和球面渐开线球锥齿面围成单个四面凹槽示意图。其中：1-离散型球齿轮，2-连续型球齿轮，3-四面体独立凸齿，4-四面凹槽，5-球面渐开线球锥齿面，6-平面渐开线环形齿面。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种易于加工、啮合传递稳定且不存在传动原理误差的球齿传动副，并且能够实现偏摆、俯仰和绕轴线自转三个自由度的运动。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1～9所示：本实施例提供了一种三自由度球齿传动副，包括一个离散型球齿轮1和一个连续型球齿轮2，离散型球齿轮1与连续型球齿轮2相啮合，离散型球齿轮1和连续型球齿轮2均包括多个平面渐开线环形齿面6和多个球面渐开线球锥齿面5，离散型球齿轮1上平面渐开线环形齿面6与球面渐开线球锥齿面5垂直交叉设置以形成多个凸面球齿，连续型球齿轮2上平面渐开线环形齿面6与球面渐开线球锥齿面5垂直交叉设置以形成多个凹面球齿，从而能够实现偏摆、俯仰和绕轴线自转三个自由度的运动，并且凸面球齿和凹面球齿易于加工，凹面球齿为一四面凹槽4，一个凸面球齿用于插入一个凹面球齿内，且在离散型球齿轮1与连续型球齿轮2传动过程中，离散型球齿轮1与连续型球齿轮2之间球心距不变，从而能够保证啮合传递稳定且不存在传动原理误差。同一纬线方向上设置的多个凸面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个凸面球齿沿着球面渐开线球锥齿面5的齿厚和模数均相同，以保证啮合传递稳定且不存在传动原理误差。任一纬线方向上设置的凸面球齿的数量相等。同一经线方向上设置的多个凸面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凸面球齿沿着平面渐开线环形齿面6的齿厚不同，有利于实现偏摆和俯仰运动。同一纬线方向上设置的多个凹面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个凹面球齿沿着球面渐开线球锥齿面5的齿槽宽和模数均相同，以保证啮合传递稳定且不存在传动原理误差。任一纬线方向上设置的凹面球齿的数量相等。同一经线方向上设置的多个凹面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凹面球齿沿着平面渐开线环形齿面6的齿槽宽不同，有利于实现偏摆和俯仰运动。凸面球齿为四面体独立凸齿3。离散型球齿轮1和连续型球齿轮2是基于平面渐开线及球面渐开线齿面生成理论，建立多参数球齿的经线方向及纬线方向齿面的数学模型，由齿廓参数方程得出齿面点云，从而得到齿面曲面模型和轮齿实体模型，包括如下步骤，1在节球面经线方向，建立出渐开线环形齿廓曲面参数方程：其中，rb为基圆半径，u＝tanαk为滚动角，αk为渐开线在k点处的压力角，为球心到齿廓渐开线在基球上的起始点向径与极轴之间的夹角，γ为渐开线绕y轴旋转的角度。2在节球面纬线方向，建立基于连续变化的基锥角的球面渐开线齿廓齿面参数方程：其中，r0为发生球面半径，γ为球面渐开线上任意一点锥角，为极角，其中，γb为基锥角，β为连续变化基锥角参数。3由齿廓参数方程得出齿面点云，从而得到齿面曲面模型和轮齿实体模型。本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

权利要求：1.一种三自由度球齿传动副，其特征在于：包括一个离散型球齿轮和一个连续型球齿轮，所述离散型球齿轮与所述连续型球齿轮相啮合，所述离散型球齿轮和所述连续型球齿轮均包括多个平面渐开线环形齿面和多个球面渐开线球锥齿面，所述离散型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凸面球齿，所述连续型球齿轮上所述平面渐开线环形齿面与所述球面渐开线球锥齿面垂直交叉设置以形成多个凹面球齿，一个所述凸面球齿用于插入一个所述凹面球齿内。2.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：同一纬线方向上设置的多个所述凸面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个所述凸面球齿沿着球面渐开线球锥齿面的齿厚和模数均相同。3.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：任一纬线方向上设置的凸面球齿的数量相等。4.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：同一经线方向上设置的多个所述凸面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凸面球齿沿着平面渐开线环形齿面的齿厚不同。5.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：同一纬线方向上设置的多个所述凹面球齿沿圆周均匀分布，且同一纬线方向设置的多个所述凹面球齿沿着球面渐开线球锥齿面的齿槽宽和模数均相同。6.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：任一纬线方向上设置的凹面球齿的数量相等。7.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：同一经线方向上设置的多个所述凹面球齿在圆周方向上均匀分布，同一经线上不同纬度的凹面球齿沿着平面渐开线环形齿面的齿槽宽不同。8.根据权利要求1所述的三自由度球齿传动副，其特征在于：所述凸面球齿为四面体独立凸齿。

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