申请/专利权人：华南理工大学

申请日：2019-06-28

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN110202550B

主分类号：B25J9/00

分类号：B25J9/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.06#公开

摘要：本发明公开一种三自由度球面并联机构传动装置，包括三个摇臂和用于控制三个摇臂实现独立周转运动的传动机构，所述三个摇臂都布置在传动机构的周向，所述传动机构包括三组复合传动组件，一组复合传动组件对应与一个摇臂连接。每组复合传动组件包括驱动电机、齿轮传动、带轮传动和绕绳传动，齿轮传动将驱动电机的非同轴旋转传输到中心轴的同轴旋转，带轮传动将中心轴的同轴旋转传输到对应的摇臂上，绕绳传动约束摇臂与球关节外圆相切并进行纯滚动。本发明解决了目前驱动机构的运动惯量过大、整体尺寸过大以及结构不够紧凑的问题。

主权项：1.一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，包括三个摇臂和用于控制三个摇臂实现独立周转运动的传动机构，所述三个摇臂都布置在传动机构的周向，所述传动机构包括三组复合传动组件，一组复合传动组件对应与一个摇臂连接；所述每个摇臂包括螺杆、一个带轮、一个绕绳轮和用于连接带轮与绕绳轮的内连杆，带轮和绕绳轮均设于螺杆上，内连杆与带轮固定，绕绳轮在内连杆上滑动，绕绳轮上固定有螺母，螺母与螺杆相配合；螺杆的上端和下端分别连接上周转平台和下周转平台，上周转平台与下周转平台之间还设有多根竖直的支撑杆，上周转平台的上方和下周转平台的下方均固定设有水平的连接杆，连接杆的另一端套设在中心轴上；所述绕绳轮上设有螺旋式的绕绳槽，绕绳槽的槽距与螺杆的螺距相同。

全文数据：一种三自由度球面并联机构传动装置技术领域本发明涉及机械传动技术领域，特别涉及一种三自由度齿轮传送带绳驱复合球面并联机构传动装置。背景技术现代机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人与人之间的共融协同作业已成为当前机器人研究和发展的重要方向。传统的协作机器人都采用串联方式，但是人手肩关节是一个并联机构，采用串联关节的机器人并不能很好地与人进行相似的运动交互。常见的并联机构通常不能实现周转运动，只能在一个范围较小的空间内运动，而并联球关节传动机构能实现这种周转运动要求，从而实现大角度范围的运动，并且也和人体肩关节的球面运动相符。但目前应用于并联球关节的传动机构都存在着不少缺陷，通常的并联球关节机构将驱动电机置于运动的摇臂上，在电机驱动摇臂的同时，电机也与之一起运动，此种方式虽然实现起来十分简单便捷，却也增加了传动过程中的运动惯量，在机构运动加速度较大的情况下，会导致机构的整体运动性能降低，同时增加了摇臂的静载荷，使得并联机构负载有所降低。目前一种解决方案是利用节圆内啮合齿轮传动，使得电机固定在传动装置底部，通过内齿轮啮合传动来驱动并联球关节，这种方法虽然可以使得电机固定以减少转动惯量，但是在满足载荷要求的情况下，会使得模数较大或者齿宽较厚，使得内齿圈体积以及质量较大，在运转过程中同样也会存在较大的转动惯量，且布局齿轮所占空间过大，存在着质量过重以及结构不够紧凑的问题。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三自由度球面并联机构传动装置，该机构使得并联球关节的连杆底部绕着设计球关节半径进行周转运动。本发明的技术方案为：一种三自由度球面并联机构传动装置，包括三个摇臂和用于控制三个摇臂实现独立周转运动的传动机构，所述三个摇臂都布置在传动机构的周向，所述传动机构包括三组复合传动组件，一组复合传动组件对应与一个摇臂连接。传动机构还包括中心轴和球关节外圆，每组复合传动组件包括驱动电机、齿轮传动、带轮传动和绕绳传动，齿轮传动将驱动电机的非同轴旋转传输到中心轴的同轴旋转，带轮传动将中心轴的同轴旋转传输到对应的摇臂上，绕绳传动约束摇臂与球关节外圆相切并进行纯滚动。其中，中心轴可用于约束摇臂的周转运动，同时可提供齿轮与带轮的安装空间，将驱动电机输出端的非同轴传动转化为同轴传动；带轮传动分别将三个由齿轮传出的同轴旋转传动到并联球关节的外圆相切的小绕绳轮结构的自转运动，采用带轮能进行远距离传输以减少传动部分的质量；绕绳传动的目的是分别使与球关节外圆相切的绕绳轮能啮合球关节外圆进行纯滚动，采用绕绳传动的方式能够减少结构的质量。第一组复合传动组件包括第一驱动电机、第一齿轮、第一皮带、第一带轮和第一绕绳轮，设于中心轴上的第一齿轮与第一驱动电机的输出端传动配合，第一皮带的两端分别设置第一带轮，其中一个第一带轮与中心轴上的第一齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第一绕绳轮同轴转动，第一绕绳轮上设有第一绕绳；第二组复合传动组件包括第二驱动电机、第二齿轮、第二皮带、第二带轮和第二绕绳轮，设于中心轴上的第二齿轮与第二驱动电机的输出端传动配合，第二皮带的两端分别设置第二带轮，其中一个第二带轮与中心轴上的第二齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第二绕绳轮同轴转动，第二绕绳轮上设有第二绕绳；第三组复合传动组件包括第三驱动电机、第三齿轮、第三皮带、第三带轮和第三绕绳轮，设于中心轴上的第三齿轮与第三驱动电机的输出端传动配合，第三皮带的两端分别设置第三带轮，其中一个第三带轮与中心轴上的第三齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第三绕绳轮同轴转动，第三绕绳轮上设有第三绕绳。第一绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第一绕绳轮和球关节外圆上；第二绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第二绕绳轮和球关节外圆上；第三绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第三绕绳轮和球关节外圆上。其中，采用此种结构是为了实现球关节外圆与绕绳轮之间的滚动运动，能够约束摇臂的周转运动。第一驱动电机和第二驱动电机朝上设置，第一齿轮、第一带轮、第二齿轮和第二带轮设于中心轴的上端，第三驱动电机朝下设置，第三齿轮和第三带轮设于中心轴的下端。其中，将第三驱动电机倒置的目的是为了简化中心轴上端的结构，将中心轴上端的结构简化为两层，能够减小所用轴承的尺寸，从而减小装置整体的质量和尺寸。所述中心轴的上端采用轴套轴结构；第一齿轮与第一带轮通过法兰固连，第一齿轮和第一带轮之间跨过第二齿轮和第二带轮，法兰与中心轴之间用轴承连接；第二齿轮与第二带轮固连，第二齿轮与第二带轮与中心轴之间设有轴承。其中，轴套轴的结构能够保证各组复合传动组件在同轴转动过程中不发生干涉。所述每个摇臂包括螺杆、一个带轮、一个绕绳轮和用于连接带轮与绕绳轮的内连杆，带轮和绕绳轮均设于螺杆上，内连杆与带轮固定，绕绳轮在内连杆上滑动，绕绳轮上固定有螺母，螺母与螺杆相配合。其中，摇臂上的带轮转动时带动内连杆和绕绳轮转动，绕绳轮上固定的螺母沿螺杆上下移动，绕绳轮得以绕绳而不发生缠绕。螺杆的上端和下端分别连接上周转平台和下周转平台，上周转平台与下周转平台之间还设有多根竖直的支撑杆，上周转平台的上方和下周转平台的下方均固定设有水平的连接杆，连接杆的另一端套设在中心轴上。其中，连接杆提供了摇臂的周转约束，支撑杆提供摇臂的固连约束，摇臂的整体结构为上下对称的，能够保证整体结构的对称性以及提高系统刚度。所述绕绳轮上设有螺旋式的绕绳槽，绕绳槽的槽距与螺杆的螺距相同。其中，采用这种结构，保证每绕绳一圈升降一个螺距，从而使得绳子均匀落在每个绕绳槽上。所述驱动电机均设于球关节外圆的内部，球关节外圆的外周上设有若干绕绳槽。其中，驱动电机按照此种方式设置能够较大程度地减少传动机构的整体尺寸，设置绕绳槽是为了防止在绕绳传动过程中各绕绳之间发生相互缠绕。上述一种三自由度球面并联机构传动装置的使用原理为，三个驱动电机输出端的非同轴旋转，分别经过齿轮传动传送到中心轴的同轴旋转上，在经过带轮传动传出到与球关节外圆相切的绕绳轮上，绕绳轮转动的时候与球关节外圆通过绕绳传动的方式进行配合，在摇臂连接杆的周转约束下，三个摇臂实现三个独立的周转运动，三个独立的周转运动为并联球关节提供相应的运动驱动，最终实现并联球关节的球面运动。本发明通过齿轮传动、带轮传动和绕绳传动的复合传动方式，把驱动电机的非同轴转动传动到绕着球关节外圆半径进行的周转运动，从而提供了一种应用于并联球关节机构的驱动机构的解决方案。设齿轮传动的减速比为i1，带轮传动的减速比为i2，绕绳传动的减速比为i3，则整体驱动机构的减速比为i1·i2·i3，其中，每个摇臂的旋转方向与对应的驱动电机输出端的旋转方向相反。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明提供了一种应用于并联球关节机构的驱动机构，解决了目前驱动机构的运动惯量过大、整体尺寸过大以及结构不够紧凑的问题。本发明通过复合传动的形式，采用了齿轮传动、带传动和绕绳传动的方式，改良了目前球面并联机构传动装置中的转动惯量过大，动态性能不好，质量过重以及结构不够紧凑导致的体积过大的问题。本发明的驱动电机置于球关节外圆内，减少了运动惯量，同时采用将一个驱动电机倒置的方式，简化了传动装置的结构，使得本装置的结构更紧凑以及减轻重量。附图说明图1为本三自由度球面并联机构传动装置的结构示意图。图2为本三自由度球面并联机构传动装置的剖面内部视图，图中未示出中心轴。图3为本三自由度球面并联机构传动装置的俯视图。图4为实施例2的结构示意图。图5为摇臂的结构示意图。图6为球关节外圆与绕绳轮实现啮合运动的绕绳示意图。其中，图中所示，1为摇臂、2为中心轴、3为球关节外圆、4为驱动电机、51为第一齿轮、52为第二齿轮、53为第三齿轮、6为带轮、61为第一带轮、62为第二带轮、63为第三带轮、7为绕绳轮、8为法兰、9为螺杆、10为内连杆、11为螺母、12为上周转平台、13为下周转平台、14为支撑杆、15为连接杆。具体实施方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例1本实施例一种三自由度球面并联机构传动装置，如图1～3所示，包括三个摇臂和用于控制三个摇臂实现独立周转运动的传动机构，所述三个摇臂都布置在传动机构的周向，所述传动机构包括三组复合传动组件，一组复合传动组件对应与一个摇臂连接。传动机构还包括中心轴和球关节外圆，每组复合传动组件包括驱动电机、齿轮传动、带轮传动和绕绳传动，齿轮传动将驱动电机的非同轴旋转传输到中心轴的同轴旋转，带轮传动将中心轴的同轴旋转传输到对应的摇臂上，绕绳传动约束摇臂与球关节外圆相切并进行纯滚动。其中，中心轴可用于约束摇臂的周转运动，同时可提供齿轮与带轮的安装空间，将驱动电机输出端的非同轴传动转化为同轴传动；带轮传动分别将三个由齿轮传出的同轴旋转传动到并联球关节的外圆相切的小绕绳轮结构的自转运动，采用带轮能进行远距离传输以减少传动部分的质量；绕绳传动的目的是分别使与球关节外圆相切的绕绳轮能啮合球关节外圆进行纯滚动，采用绕绳传动的方式能够减少结构的质量。第一组复合传动组件包括第一驱动电机、第一齿轮、第一皮带、第一带轮和第一绕绳轮，设于中心轴上的第一齿轮与第一驱动电机的输出端传动配合，第一皮带的两端分别设置第一带轮，其中一个第一带轮与中心轴上的第一齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第一绕绳轮同轴转动，第一绕绳轮上设有第一绕绳；第二组复合传动组件包括第二驱动电机、第二齿轮、第二皮带、第二带轮和第二绕绳轮，设于中心轴上的第二齿轮与第二驱动电机的输出端传动配合，第二皮带的两端分别设置第二带轮，其中一个第二带轮与中心轴上的第二齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第二绕绳轮同轴转动，第二绕绳轮上设有第二绕绳；第三组复合传动组件包括第三驱动电机、第三齿轮、第三皮带、第三带轮和第三绕绳轮，设于中心轴上的第三齿轮与第三驱动电机的输出端传动配合，第三皮带的两端分别设置第三带轮，其中一个第三带轮与中心轴上的第三齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第三绕绳轮同轴转动，第三绕绳轮上设有第三绕绳。第一绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第一绕绳轮和球关节外圆上；第二绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第二绕绳轮和球关节外圆上；第三绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第三绕绳轮和球关节外圆上。其中，采用此种结构是为了实现球关节外圆与绕绳轮之间的滚动运动，能够约束摇臂的周转运动。第一驱动电机和第二驱动电机朝上设置，第一齿轮、第一带轮、第二齿轮和第二带轮设于中心轴的上端，第三驱动电机朝下设置，第三齿轮和第三带轮设于中心轴的下端。其中，将第三驱动电机倒置的目的是为了简化中心轴上端的结构，将中心轴上端的结构简化为两层，能够减小所用轴承的尺寸，从而减小装置整体的质量和尺寸。中心轴的上端采用轴套轴结构；第一齿轮与第一带轮通过法兰固连，第一齿轮和第一带轮之间跨过第二齿轮和第二带轮，法兰与中心轴之间用轴承连接；第二齿轮与第二带轮固连，第二齿轮与第二带轮与中心轴之间设有轴承。其中，轴套轴的结构能够保证各组复合传动组件在同轴转动过程中不发生干涉。每个摇臂包括螺杆、一个带轮、一个绕绳轮和用于连接带轮与绕绳轮的内连杆，带轮和绕绳轮均设于螺杆上，内连杆与带轮固定，绕绳轮在内连杆上滑动，绕绳轮上固定有螺母，螺母与螺杆相配合。其中，摇臂上的带轮转动时带动内连杆和绕绳轮转动，绕绳轮上固定的螺母沿螺杆上下移动，绕绳轮得以绕绳而不发生缠绕。螺杆的上端和下端分别连接上周转平台和下周转平台，上周转平台与下周转平台之间还设有多根竖直的支撑杆，上周转平台的上方和下周转平台的下方均固定设有水平的连接杆，连接杆的另一端套设在中心轴上。其中，连接杆提供了摇臂的周转约束，支撑杆提供摇臂的固连约束，摇臂的整体结构为上下对称的，能够保证整体结构的对称性以及提高系统刚度。绕绳轮上设有螺旋式的绕绳槽，绕绳槽的槽距与螺杆的螺距相同。其中，采用这种结构，保证每绕绳一圈升降一个螺距，从而使得绳子均匀落在每个绕绳槽上。驱动电机均设于球关节外圆的内部，球关节外圆的外周上设有若干绕绳槽。其中，驱动电机按照此种方式设置能够较大程度地减少传动机构的整体尺寸，设置绕绳槽是为了防止在绕绳传动过程中各绕绳之间发生相互缠绕。上述一种三自由度球面并联机构传动装置的使用原理为，三个驱动电机输出端的非同轴旋转，分别经过齿轮传动传送到中心轴的同轴旋转上，在经过带轮传动传出到与球关节外圆相切的绕绳轮上，绕绳轮转动的时候与球关节外圆通过绕绳传动的方式进行配合，在摇臂连接杆的周转约束下，三个摇臂实现三个独立的周转运动，三个独立的周转运动为并联球关节提供相应的运动驱动，最终实现并联球关节的球面运动。本发明通过齿轮传动、带轮传动和绕绳传动的复合传动方式，把驱动电机的非同轴转动传动到绕着球关节外圆半径进行的周转运动，从而提供了一种应用于并联球关节机构的驱动机构的解决方案。设齿轮传动的减速比为i1，带轮传动的减速比为i2，绕绳传动的减速比为i3，则整体驱动机构的减速比为i1·i2·i3，其中，每个摇臂的旋转方向与对应的驱动电机输出端的旋转方向相反。实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于，如图4所示，摇臂上设有并联球关节和用于输出动力的载物台，本实施例未提及部分与实施例1相同。如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

权利要求：1.一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，包括三个摇臂和用于控制三个摇臂实现独立周转运动的传动机构，所述三个摇臂都布置在传动机构的周向，所述传动机构包括三组复合传动组件，一组复合传动组件对应与一个摇臂连接。2.根据权利要求1所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，传动机构还包括中心轴和球关节外圆，每组复合传动组件包括驱动电机、齿轮传动、带轮传动和绕绳传动，齿轮传动将驱动电机的非同轴旋转传输到中心轴的同轴旋转，带轮传动将中心轴的同轴旋转传输到对应的摇臂上，绕绳传动约束摇臂与球关节外圆相切并进行纯滚动。3.根据权利要求2所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，第一组复合传动组件包括第一驱动电机、第一齿轮、第一皮带、第一带轮和第一绕绳轮，设于中心轴上的第一齿轮与第一驱动电机的输出端传动配合，第一皮带的两端分别设置第一带轮，其中一个第一带轮与中心轴上的第一齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第一绕绳轮同轴转动，第一绕绳轮上设有第一绕绳；第二组复合传动组件包括第二驱动电机、第二齿轮、第二皮带、第二带轮和第二绕绳轮，设于中心轴上的第二齿轮与第二驱动电机的输出端传动配合，第二皮带的两端分别设置第二带轮，其中一个第二带轮与中心轴上的第二齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第二绕绳轮同轴转动，第二绕绳轮上设有第二绕绳；第三组复合传动组件包括第三驱动电机、第三齿轮、第三皮带、第三带轮和第三绕绳轮，设于中心轴上的第三齿轮与第三驱动电机的输出端传动配合，第三皮带的两端分别设置第三带轮，其中一个第三带轮与中心轴上的第三齿轮同轴转动，另一个带轮设于对应的摇臂上并与第三绕绳轮同轴转动，第三绕绳轮上设有第三绕绳。4.根据权利要求3所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，第一绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第一绕绳轮和球关节外圆上；第二绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第二绕绳轮和球关节外圆上；第三绕绳包括两根沿不同方向8字绕向的绳，绳的两端分别固定在第三绕绳轮和球关节外圆上。5.根据权利要求3所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，第一驱动电机和第二驱动电机朝上设置，第一齿轮、第一带轮、第二齿轮和第二带轮设于中心轴的上端，第三驱动电机朝下设置，第三齿轮和第三带轮设于中心轴的下端。6.根据权利要求3所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，所述中心轴的上端采用轴套轴结构；第一齿轮与第一带轮通过法兰固连，第一齿轮和第一带轮之间跨过第二齿轮和第二带轮，法兰与中心轴之间用轴承连接；第二齿轮与第二带轮固连，第二齿轮与第二带轮与中心轴之间设有轴承。7.根据权利要求1所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，所述每个摇臂包括螺杆、一个带轮、一个绕绳轮和用于连接带轮与绕绳轮的内连杆，带轮和绕绳轮均设于螺杆上，内连杆与带轮固定，绕绳轮在内连杆上滑动，绕绳轮上固定有螺母，螺母与螺杆相配合。8.根据权利要求7所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，螺杆的上端和下端分别连接上周转平台和下周转平台，上周转平台与下周转平台之间还设有多根竖直的支撑杆，上周转平台的上方和下周转平台的下方均固定设有水平的连接杆，连接杆的另一端套设在中心轴上。9.根据权利要求7所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，所述绕绳轮上设有螺旋式的绕绳槽，绕绳槽的槽距与螺杆的螺距相同。10.根据权利要求2所述一种三自由度球面并联机构传动装置，其特征在于，所述驱动电机均设于球关节外圆的内部，球关节外圆的外周上设有若干绕绳槽。

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