两自由度关节结构的制作方法

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及两自由度关节结构。

背景技术：

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。关节结构是工业机器人的重要功能元件。关节结构的传动精度直接决定工业机器人的传动精度。

现有技术的一种关节结构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮同时与第三锥齿轮啮合。当第一锥齿轮和第二锥齿轮同向转动的时候，驱使第三锥齿轮实现一个自由度，当第一锥齿轮和第二锥齿轮反向转动的时候，驱使第三锥齿轮实现另一个自由度。

上述关节结构存在的不足为，由于误差的存在，不可避免的使得第三锥齿轮与第一锥齿轮、第二锥齿轮二者之一作用，当第三锥齿轮和第一锥齿轮紧密接触时，第三锥齿轮和第二锥齿轮之间存在传动间隙，从而使得传动精度降低；当第三锥齿轮和第二锥齿轮紧密接触时，第三锥齿轮和第一锥齿轮之间存在传动间隙，从而制动传动精度降低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种不仅能够实现俯仰运动、自转运动及俯仰自转复合运动，而且传动精度更高的两自由度关节结构。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种两自由度关节结构。具体地，该两自由度关节结构包括：第一驱动单元、第二驱动单元、输出单元及消隙单元；

第一驱动单元包括第一机架和设置在第一机架上的第一驱动装置、设置在第一机架上的第一齿轮轴及第一锥齿轮，第一锥齿轮设置在第一齿轮轴上，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动；

第二驱动单元包括第二机架和设置在第二机架上的第二驱动装置、设置在第二机架上的第二齿轮轴及第二锥齿轮，第二锥齿轮设置在第二齿轮轴上，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动；

输出单元包括第三机架和设置在第三机架上的输出齿轮轴、输出锥齿轮，输出锥齿轮设置在输出齿轮轴上；

消隙单元包括本体与输出齿轮轴连接的消隙驱动装置、设置在第三机架上的消隙齿轮轴及消隙锥齿轮，消隙锥齿轮设置在消隙齿轮轴上，消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴转动；

第一机架和第二机架固定连接，第三机架与第一机架、第二机架转动连接；

第一锥齿轮和第二锥齿轮同轴设置，消隙锥齿轮和输出锥齿轮同轴设置，输出锥齿轮与第一锥齿轮、第二锥齿轮均啮合，消隙锥齿轮与第一锥齿轮、第二锥齿轮均啮合。

进一步地，消隙驱动装置包括消隙电机减速机，消隙电机减速机的输出轴与消隙齿轮轴固连。

进一步地，第一驱动装置包括第一电机减速机，第一电机减速机的输出轴与第一齿轮轴固连。

进一步地，第二驱动装置包括第二电机减速机，第二电机减速机的输出轴与第二齿轮轴固连。

进一步地，第一驱动装置还包括第一减速机构，第一电机减速机的输出轴通过第一减速机构与第一齿轮轴固连。

进一步地，第二驱动装置还包括第二减速机构，第二电机减速机的输出轴通过第二减速机构与第二齿轮轴固连。

进一步地，第一减速机构包括第一蜗轮和第一蜗杆，第一蜗杆与第一电机减速机的输出轴固连，第一蜗轮固连在第一齿轮轴上。

进一步地，第二减速机构包括第二蜗轮和第二蜗杆，第二蜗杆与第二电机减速机的输出轴固连，第二蜗轮固连在第二齿轮轴上。

进一步地，第三机架通过第一轴承与第一机架转动连接；

第三机架通过第二轴承与第二机架转动连接。

进一步地，本发明的两自由度关节结构还包括：

控制器，控制器与所述第一电机减速机、第二电机减速机及消隙电机减速机连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动，且第一齿轮轴和第二齿轮轴同向等速旋转时，输出齿轮轴只俯仰不自转；

本发明的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动，且第一齿轮轴和第二齿轮轴反向等速旋转时，输出齿轮轴只自转不俯仰；

本发明的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动，且第一齿轮轴和第二齿轮轴转速不相等时，输出齿轮轴作自转俯仰复合运动；

本发明的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动，且第一驱动装置输出的转矩和第二驱动装置输出的转矩方向相同，大小不等，消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴转动，且消隙驱动装置的输出转矩使得第一齿轮轴和第二齿轮轴同向等速旋转，输出齿轮轴只俯仰不自转，且消除了传动间隙，传动精度更高；

本发明的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴转动，且第一驱动装置输出的转矩和第二驱动装置输出的转矩方向相反，大小不等，消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴转动，且消隙驱动装置的输出转矩使得第一齿轮轴和第二齿轮轴反向等速旋转，输出齿轮轴只自转不俯仰，且消除了传动间隙，传动精度更高。

综上，本发明的两自由度关节结构不仅能够实现俯仰运动、自转运动及俯仰自转复合运动，而且传动精度更高。

附图说明

图1为具体实施方式中两自由度关节结构的结构示意图；

图2为具体实施方式中两自由度关节结构去除第一机架、第二机架及第三机架后的结构示意图；

图3为具体实施方式中两自由度关节结构的输出单元和消隙单元的结构示意图。

【附图标记说明】

图中：

1：第一驱动单元；11：第一机架；12：第一电机减速机；13：第一蜗轮；14：第一蜗杆；15：第一齿轮轴；16：第一锥齿轮；17：第一支撑轴承；18：第一联轴器；

2：第二驱动单元；21：第二机架；22：第二电机减速机；23：第二蜗轮；24：第二蜗杆；25：第二齿轮轴；26：第二锥齿轮；27：第二支撑轴承；28：第二联轴器；

3：输出单元；31：第三机架；32：输出齿轮轴；33：输出锥齿轮；34：第三支撑轴承；35：第四支撑轴承；36：连盘；37：轴衬；38：连杆；

4：消隙单元；41：消隙电机减速机；42：消隙齿轮轴；43：消隙锥齿轮；44：第五支撑轴承；45：第六支撑轴承；46：消隙联轴器；

5：第一轴承；

6：第二轴承。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1-图3，本实施例的两自由度关节结构至少包括：第一驱动单元1、第二驱动单元2、输出单元3及消隙单元4。

第一驱动单元1

第一驱动单元1包括第一机架11和设置在第一机架11上的第一驱动装置、设置在第一机架11上的第一齿轮轴15及第一锥齿轮16。

第一齿轮轴15通过第一支撑轴承17设置在第一机架11上，第一支撑轴承17对第一齿轮轴15起定位支撑作用。

第一锥齿轮16设置在第一齿轮轴15上。第一机架11上设置有第一空心轴，第一齿轮轴15穿过第一空心轴，第一锥齿轮16设置在第一齿轮轴15位于第一机架11外部的部分。

第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动。

第一驱动装置包括第一电机减速机12。第一电机减速机12通过法兰架固定在第一机架11上。第一电机减速机12集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。第一电机减速机12的输出轴与第一齿轮轴15固连，第一电机减速机12和第一齿轮轴15直接或者间接固连。

具体地，第一驱动装置还包括第一减速机构，第一电机减速机12的输出轴通过第一减速机构与第一齿轮轴15固连。第一减速机构可以选择行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构等。

本实施例中，第一减速机构包括第一蜗轮13和第一蜗杆14，第一蜗轮13与第一蜗杆14啮合，不仅实现大的传动比，而且体积较小。本实施例中使用的第一蜗轮13和第一蜗杆14之间不发生自锁，且可以实现正转和反转传动。第一蜗杆14与第一电机减速机12的输出轴固连，固连方式为通过第一联轴器18连接、通过法兰结构连接等。第一蜗轮13固连在第一齿轮轴15上，固连方式为通过平键连接、直接焊接固定等。在第一电机减速机12的基础上采用第一蜗轮13和第一蜗杆14使得输出速度进一步降低，而且结构更加紧凑简单。

本实施例，第一电机减速机12驱动第一蜗杆14同速转动，第一蜗杆14和第一蜗轮13啮合减速，蜗轮驱动第一齿轮轴15同速转动，从而使得第一锥齿轮16随第一齿轮轴15同速转动。

第二驱动单元2

第二驱动单元2包括第二机架21和设置在第二机架21上的第二驱动装置、设置在第二机架21上的第二齿轮轴25及第二锥齿轮26。

第二齿轮轴25通过第二支撑轴承27设置在第二机架21上，第二支撑轴承27对第二齿轮轴25起定位支撑作用。

第二锥齿轮26设置在第二齿轮轴25上。第二机架21上设置有第二空心轴，第二齿轮轴25穿过第二空心轴，第二锥齿轮26设置在第二齿轮轴25位于第二机架21外部的部分。

第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动。

第二驱动装置包括第二电机减速机22。第二电机减速机22通过法兰架固定在第二机架21上。第二电机减速机22集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。第二电机减速机22的输出轴与第二齿轮轴25固连，第二电机减速机22和第二齿轮轴25直接或者间接固连。

具体地，第二驱动装置还包括第二减速机构，第二电机减速机22的输出轴通过第二减速机构与第二齿轮轴25固连。第二减速机构可以选择行星减速机构、蜗轮蜗杆减速机构等。

本实施例中，第二减速机构包括第二蜗轮23和第二蜗杆24，第二蜗轮23与第二蜗杆24啮合，不仅实现大的传动比，而且体积较小。本实施例中使用的第二蜗轮23和第二蜗杆24之间不发生自锁，且可以实现正转和反转传动。第二蜗杆24与第二电机减速机22的输出轴固连，固连方式为通过第二联轴器28连接、通过法兰结构连接等。第二蜗轮23固连在第二齿轮轴25上，固连方式为通过平键连接、直接焊接固定等。在第二电机减速机22的基础上采用第二蜗轮23和第二蜗杆24使得输出速度进一步降低，而且结构更加紧凑简单。

本实施例，第二电机减速机22驱动第二蜗杆24同速转动，第二蜗杆24和第二蜗轮23啮合减速，蜗轮驱动第二齿轮轴25同速转动，从而使得第二锥齿轮26随第二齿轮轴25同速转动。

输出单元3

输出单元3包括第三机架31和设置在第三机架31上的输出齿轮轴32、输出锥齿轮33。

输出锥齿轮33设置在输出齿轮轴32上。输出齿轮轴32通过第三支撑轴承34和第四支撑轴承35设置在第三机架31的内腔，第三支撑轴承34和第四支撑轴承35对输出齿轮轴32起定位支撑作用。

消隙单元4

消隙单元4包括本体与输出齿轮轴32连接的消隙驱动装置、设置在第三机架31上消隙齿轮轴42及消隙锥齿轮43。

本实施例中，输出齿轮轴32与消隙驱动装置的本体连接，并不是与消隙驱动装置的输出轴连接。

消隙锥齿轮43设置在消隙齿轮轴42上。消隙齿轮轴42通过第五支撑轴承44和第六支撑轴承45设置在第三机架31的内腔，第五支撑轴承44和第六支撑轴承45对输出齿轮轴32起定位支撑作用。消隙齿轮轴42穿过输出齿轮轴32的孔和输出锥齿轮33的孔，使得消隙锥齿轮43与输出锥齿轮33相对设置。消隙锥齿轮43通过平键连接、焊接连接等方式固定设置在消隙齿轮轴42上。

消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴42转动。

消隙驱动装置包括消隙电机减速机41。消隙电机减速机41与输出齿轮轴32连接，具体地，如图2所示，输出齿轮轴32通过轴衬37与连盘36连接，连盘36与连杆38通过螺栓连接，消隙电机减速机41通过法兰架固定在连杆38上。消隙电机减速机41集电机和减速机构于一体，不仅能够提供较大转矩，而且体积较小。消隙电机减速机41的输出轴与消隙齿轮轴42固连，消隙电机减速机41和消隙齿轮轴42直接或者间接固连。具体地，消隙电机减速机41的输出轴和消隙齿轮轴42通过消隙联轴器46固连或者通过法兰结构、焊接等方式固连。

其中，输出齿轮轴32、轴衬37、连盘36、及连杆38及消隙电机减速机41的本体一体运动；消隙锥齿轮43空套于输出齿轮轴32的中孔中；消隙锥齿轮43与第三机架31通过第五支撑轴承44和第六支撑轴承45轴向固定周向转动；输出齿轮轴32与第三机架31通过第三支撑轴承34和第四支撑轴承35轴向固定周向转动。本实施例中的俯仰运动、自转运动及俯仰自转复合运动可以通过连杆38传递。

本实施例，消隙电机减速机41驱动消隙齿轮轴42同速转动，从而使得消隙锥齿轮43随消隙齿轮轴42同速转动。

第一机架11和第二机架21固定连接，第三机架31与第一机架11、第二机架21转动连接。具体地，第三机架31通过第一轴承5与第一机架11转动连接，第三机架31通过第二轴承6与第二机架21转动连接。第一轴承5套设在第一机架11的第一空心轴上，第一空心轴上的轴肩抵靠第一轴承5的内圈，用于对第一轴承5定位。第二轴承6套设在第二机架21的第二空心轴上，第二空心轴上的轴肩抵靠第二轴承6的内圈，用于对第二轴承6定位。

第一锥齿轮16和第二锥齿轮26同轴设置，消隙锥齿轮43和输出锥齿轮33同轴设置，输出锥齿轮33与第一锥齿轮16、第二锥齿轮26均啮合，消隙锥齿轮43与第一锥齿轮16、第二锥齿轮26均啮合。第一齿轮轴15(或者第二齿轮轴25)与输出齿轮轴32(或者消隙齿轮轴42)相互垂直。

本实施例的两自由度关节结构还包括控制器，控制器与第一电机减速机12、第二电机减速机22及消隙电机减速机41连接。控制器用于控制第一电机减速机12、第二电机减速机22及消隙电机减速机41的输出转矩。

工作原理

1、输出齿轮轴32只俯仰不自转

当第一齿轮轴15和第二齿轮轴25旋转方向相同且转速相等时，输出齿轮轴32只俯仰不自转。

消隙方法：如图3所示，通过控制器控制第一电机减速机12的输出转矩，第一电机减速机12通过第一蜗杆14、第一蜗轮13减速装置传递到第一齿轮轴15的转矩为t1；通过控制器控制第二电机减速机22的输出转矩，第二电机减速机22通过第二蜗杆24、第二蜗轮23减速装置传递到第二齿轮轴25的转矩为t2，第二齿轮轴25的转矩与第一齿轮轴15的转矩方向相同、大小不等；通过控制器控制消隙电机减速机41的输出转矩，消隙电机减速机41传递到消隙齿轮轴42的转矩为t3，当t2＜t1，时，t3＝t1-t2，且转向第二齿轮轴25，当t2>t1，时，t3＝t2-t1，且转向第一齿轮轴15。消隙锥齿轮43与第一锥齿轮16、第二锥齿轮26均是紧密啮合，当t2＜t1，输出锥齿轮33与第二锥齿轮26的啮合存在间隙，当t2>t1，输出锥齿轮33与第一锥齿轮16的啮合存在间隙。第一锥齿轮16的转矩t1和第二锥齿轮26的转矩t2形成转矩差，从而消除了传动间隙，提高了传动精度，利用消隙锥齿轮43的转矩t3能够弥补第一锥齿轮16的转矩t1和第二锥齿轮26的转矩t2形成的转矩差，从而使得第一齿轮轴15和第二齿轮轴25旋转方向相同且转速相等，输出齿轮轴32只俯仰不自转。

2、输出齿轮轴32只自转不俯仰

当第一齿轮轴15和第二齿轮轴25旋转方向相反且转速相等时，输出齿轮轴32只自转不俯仰。

消隙方法：如图3所示，通过控制器控制第一电机减速机12的输出转矩，第一电机减速机12通过第一蜗杆14、第一蜗轮13减速装置传递到第一齿轮轴15的转矩为t1；通过控制器控制第二电机减速机22的输出转矩，第二电机减速机22通过第二蜗杆24、第二蜗轮23减速装置传递到第二齿轮轴25的转矩为t2，第二齿轮轴25的转矩与第一齿轮轴15的转矩方向相反、大小不等；通过控制器控制消隙电机减速机41的输出转矩，消隙电机减速机41传递到消隙齿轮轴42的转矩为t3，当t2＜t1，时，t3＝t1-t2，且转向第一齿轮轴15，当t2>t1，时，t3＝t2-t1，且转向第二齿轮轴25。消隙锥齿轮43与第一锥齿轮16、第二锥齿轮26均是紧密啮合，当t2＜t1，输出锥齿轮33与第二锥齿轮26的啮合存在间隙，当t2>t1，输出锥齿轮33与第一锥齿轮16的啮合存在间隙。第一锥齿轮16的转矩t1和第二锥齿轮26的转矩t2形成转矩差，从而消除了传动间隙，提高了传动精度，利用消隙锥齿轮43的转矩t3能够弥补第一锥齿轮16的转矩t1和第二锥齿轮26的转矩t2形成的转矩差，从而使得第一齿轮轴15和第二齿轮轴25旋转方向相反且转速相等，输出齿轮轴32只自转不俯仰。

本实施例的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动，且第一齿轮轴15和第二齿轮轴25同向等速旋转时，输出齿轮轴32只俯仰不自转。

本实施例的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动，且第一齿轮轴15和第二齿轮轴25反向等速旋转时，输出齿轮轴32只自转不俯仰。

本实施例的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动，且第一齿轮轴15和第二齿轮轴25转速不相等时，输出齿轮轴32作自转俯仰复合运动。

本实施例的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动，且第一驱动装置输出的转矩和第二驱动装置输出的转矩方向相同，大小不等，消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴42转动，且消隙驱动装置的输出转矩使得第一齿轮轴15和第二齿轮轴25同向等速旋转时，输出齿轮轴32只俯仰不自转，且消除了传动间隙，传动精度更高。

本实施例的两自由度关节结构，第一驱动装置驱动第一齿轮轴15转动，第二驱动装置驱动第二齿轮轴25转动，且第一驱动装置输出的转矩和第二驱动装置输出的转矩方向相反，大小不等，消隙驱动装置驱动消隙齿轮轴42转动，且消隙驱动装置的输出转矩使得第一齿轮轴15和第二齿轮轴25反向等速旋转时，输出齿轮轴32只自转不俯仰，且消除了传动间隙，传动精度更高。

综上，本实施例的两自由度关节结构不仅能够实现俯仰运动、自转运动及俯仰自转复合运动，而且传动精度更高。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。