一种基于多级减速传动的双自由度关节装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于多级减速传动的双自由度关节装置，包括垂直设置的第一筒座和第二筒座；第一筒座内设有第一方向输出转轴和第二方向输出转轴；第一输出法兰，第一输出法兰的回转中心平行于第一方向转轴的方向设置；第二输出法兰，第二输出法兰的回转中心垂直于第二方向转轴的方向设置；第一筒座内设有直齿轮传动组，包括相互配合的主动直齿轮和从动直齿轮，主动直齿轮设在第一方向输出转轴上，第一输出法兰通过谐波减速器组件连接至从动直齿轮；第二筒座内设有锥齿轮传动组，包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，主动锥齿轮设在第二方向输出转轴上，第二输出法兰通过谐波减速器组件连接至从动锥齿轮。本发明专利技术设计紧凑，具有较大的输出力矩。

A Two-Degree-of-Freedom Joint Device Based on Multistage Reduction Drive

The invention provides a two-degree-of-freedom joint device based on multi-stage deceleration drive, which comprises a first cylinder seat and a second cylinder seat vertically arranged; a first cylinder seat is provided with a first direction output shaft and a second direction output shaft; a first output flange is arranged with the rotation center of the first output flange parallel to the direction of the first direction rotation shaft; a second output flange is arranged with the return of the second output flange. The rotating center is set perpendicular to the direction of the second direction rotating shaft; the first cylinder seat is provided with a spur gear transmission group, including a coordinated active spur gear and a driven spur gear; the active spur gear is arranged on the first direction output rotating shaft; the first output flange is connected to the driven spur gear through a harmonic reducer component; and the second cylinder seat is provided with a bevel gear transmission group, including a coordinated active bevel gear. Gear and driven bevel gear, the active bevel gear is set on the second output shaft, and the second output flange is connected to the driven bevel gear through the harmonic reducer component. The invention has compact design and large output moment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多级减速传动的双自由度关节装置
本专利技术属于多自由度关节
，更具体地，涉及一种基于多级减速传动的双自由度关节装置。
技术介绍
随着人口老龄化的加重，医护人员越来越紧缺。在护理过程中，需要经常转移病人，例如将卧床不起的病人抱起后从床上转移至轮椅，这个过程需要医护人员有较大的力气，甚至需要多人合作，服务这些老年病人需要巨大的时间和精力，这个过程不仅严重影响到护理人员的工作状态，也直接影响到对病人的服务质量，在医院护理方面，人力资源越来越紧张，特别是面对越来越多的病人时已显得力不从心。因此，护理机器人的发展成了必然。护理机器人对关节部位的灵活性、可控性和负载能力的要求越来越高，特别是例如肘关节、肩关节等部位均可以采用双自由度关节的动作模拟实现；目前，机器人关节的形式主要有采用差速器原理实现两个自由度转动，例如日本理化学研究所研发的RIMAN护理机器人，但是其输出端直接连接齿轮上，无法保证控制精度；还有采用蜗轮蜗杆传动实现负载输出的关节，这种形式的传动效率低，而且精度较差。再例如中国专利文献201610945641.3公开了一种两自由度关节结构，其包括U型固定板、与U型固定板能够相对转动的U型连接板、第一自由度机构以及设置在U型连接板上的第二自由度机构；U型固定板的底板与U型连接板的底板相对设置，U型连接板的第一侧板通过第一自由度机构连接在U型固定板的第一侧板的内侧，U型连接板的第二侧板转动连接在U型固定板的第二侧板的内侧。这种方式采用齿数相差较大的直齿轮直接进行驱动，而获得较大的传动比，造成整体的结构庞大，不能适用于护理机器人的各个关节。再例如2017101299156公开了一种模块化两自由度机器人关节，其包括内部为空腔结构且前端开口的外部壳体、分别用于控制俯仰自由度和滚转自由度的滚转电机和俯仰电机、用于改变输出方向和增加输出扭矩的滚转轮系和俯仰轮系、两组关节角度检测传感器；外部壳体内设有由后向前依次排列的用于驱动电机运转的双电机驱动器、滚转电机座、滚转轮系座、俯仰电机座，外部壳体的前端开口处设有俯仰轮系箱体，外部壳体的后端为用于连接上一关节模块的连接部。该技术方案存在输出负载较低的缺陷。基于此，本申请提供了一种基于多级减速传动的双自由度关节装置。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种基于多级减速传动的双自由度关节装置，在关节的两个自由度方向上均具有较大的输出力矩，设计紧凑，集成度高。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多级减速传动的双自由度关节装置，包括垂直设置的第一筒座和第二筒座；第一筒座内设有第一方向输出转轴和第二方向输出转轴，第一方向输出转轴和第二方向输出转轴均设在第一筒座的长度方向上，二者之间相互平行并分别朝向相反的方向设置；第一输出法兰，第一输出法兰的回转中心平行于第一方向转轴的方向设置；第二输出法兰，第二输出法兰的回转中心垂直于第二方向转轴的方向设置；第一筒座内设有直齿轮传动组，直齿轮传动组包括相互配合的主动直齿轮和从动直齿轮，主动直齿轮设在第一方向输出转轴上，第一输出法兰通过谐波减速器组件连接至从动直齿轮；第二筒座内设有锥齿轮传动组，锥齿轮传动组包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，主动锥齿轮设在第二方向输出转轴上，第二输出法兰通过谐波减速器组件连接至从动锥齿轮。本专利技术中具有两个自由度方向，第一方向自由度的传递过程为：第一方向输出转轴的转动，带动主动齿轮和与主动齿轮啮合的从动齿轮的转动，从动齿轮通过谐波减速器将转动输出至第一输出法兰；其中，在第一筒座中设有驱动第一方向输出转轴的驱动构件，优选的，采用无刷电机的方式进行驱动，再优选的，在电机的输出端具有行星减速箱，实现对电机转速的一级减速。进一步的，直齿轮传动组中的主动直齿轮的齿数小于从动直齿轮的齿数，为了使结构紧凑，使整体结构更容易形成模块化设计，优选的，主动直齿轮的齿数略小于从动直齿轮的齿数，例如直齿轮传动组的传动比为1：1.5，再例如1：1.25。本专利技术中第二方向自由度的传递过程为：第二方向输出转轴的转动，带动主动锥齿轮和与主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮的转动，从动锥齿轮通过谐波减速器组件将转动输出至第二输出法兰；其中，在第一筒座中设有驱动第二方向转轴转动的驱动构件，优选的，采用与第一方向转轴相同的驱动构件，具体也采用无刷电机的方式进行驱动，再优选的，在电机的输出端具有行星减速箱，实现对电机转速的一级减速。本专利技术中的锥齿轮传动组一方面将转动的力进行传递，另一方面，改变转动的方向；使得第一方向自由度和第二方向自由度之间互相垂直。其中，主动锥齿轮和从动锥齿轮可以为直齿锥齿轮，二者的齿数可以相同，也可以不相同，为了传递过程的稳定，优选的，主动锥齿轮的齿数和从动锥齿轮的齿数相同。为了更好的安装从动锥齿轮，优选的，第二筒座在远离第二输出法兰的一侧设有固定盖板，从动锥齿轮通过轴承座转动设在固定盖板上，从动锥齿轮设有与谐波减速器组件相连接的传动轴，通过转动轴将力传递至谐波减速器组件上。根据本专利技术的另一种具体实施方式，谐波减速器组件包括减速器壳体、连接法兰、设在减速器壳体之内的谐波减速器主体、设在减速器输出端的转接法兰和与转接法兰连接的交叉滚子轴承，其中，连接法兰固定设在减速器壳体上，从动直齿轮和从动锥齿轮分别设在连接法兰上，并与谐波减速器主体连接，第一输出法兰和第二输出法兰分别通过交叉滚子轴承连接至转接法兰，并与转接法兰同步转动。具体的，从动直齿轮和从动锥齿轮分别与谐波减速器主体中的柔轮连接，转接法兰与谐波减速器主体中的刚轮连接；更具体的，转接法兰与交叉滚子轴承的内圈驱动连接，例如在转接法兰设有可以内嵌于(具体例如为过盈配合)内圈中的筋条，实现转接法兰驱动交叉滚子轴承内圈的转动；优选的，在减速器壳体内设有承载交叉滚子轴承外圈的环形承载圈，并通过轴承挡圈将交叉滚子轴承的外圈压紧至轴承挡圈，其中，轴承挡圈采用例如螺栓的方式固定在减速器壳体上。需要说明的是，第一输出法兰和第二输出法兰分别与交叉滚子轴承的内圈相对固定，也可以采用例如内嵌的方式实现同步转动，或者例如焊接等其他固定的工艺实现稳固连接。根据本专利技术的另一种具体实施方式，第一输出法兰和/或第二输出法兰设有沿其回转中心方向延伸的穿线孔，其中一个谐波减速器组件的中部设有与第一筒座内部连通的过线孔，穿线孔与过线孔之间互相连通，电线可以穿过穿线孔和过线孔与内部驱动部分进行连接。本专利技术中还设有检测单元，具体的，在第一筒座内设有分别用于检测电机转动角度的第一角度检测单元，优选的，在两个电机上均设有例如编码器的方式，通过编码器获得例如电机转动的角度、速度等相关信息，通过第一角度检测单元精确的获取本专利技术输入控制端的输入转速。进一步的，还包括用于获取第一输出法兰和第二输出法兰转动角度的两组第二角度检测单元，第二角度检测单元被布置为与第一筒座和第二筒座相对固定。优选的，第二角度检测单元例如包括磁环和设在减速器壳体上的读数头线路板，用来实时获取第一输出法兰或第二输出法兰的转动角度。本专利技术的两个自由度方向均采用双检测单元以分别获取输入端和输出端的转速信息，可以实现第一输出法兰和第二输出法兰的准确输出。正如我们所知道的，多数输出力矩(转速)的获取，是直接根据力矩反馈和机器人系统的动力学方程(传动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多级减速传动的双自由度关节装置，其特征在于，包括垂直设置的第一筒座和第二筒座；所述第一筒座内设有第一方向输出转轴和第二方向输出转轴，所述第一方向输出转轴和所述第二方向输出转轴均设在所述第一筒座的长度方向上，二者之间相互平行并分别朝向相反的方向设置；第一输出法兰，所述第一输出法兰的回转中心平行于所述第一方向转轴的方向设置；第二输出法兰，所述第二输出法兰的回转中心垂直于所述第二方向转轴的方向设置；所述第一筒座内设有直齿轮传动组，所述直齿轮传动组包括相互配合的主动直齿轮和从动直齿轮，所述主动直齿轮设在所述第一方向输出转轴上，所述第一输出法兰通过谐波减速器组件连接至所述从动直齿轮；所述第二筒座内设有锥齿轮传动组，所述锥齿轮传动组包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，所述主动锥齿轮设在所述第二方向输出转轴上，所述第二输出法兰通过谐波减速器组件连接至所述从动锥齿轮。

【技术特征摘要】
1.一种基于多级减速传动的双自由度关节装置，其特征在于，包括垂直设置的第一筒座和第二筒座；所述第一筒座内设有第一方向输出转轴和第二方向输出转轴，所述第一方向输出转轴和所述第二方向输出转轴均设在所述第一筒座的长度方向上，二者之间相互平行并分别朝向相反的方向设置；第一输出法兰，所述第一输出法兰的回转中心平行于所述第一方向转轴的方向设置；第二输出法兰，所述第二输出法兰的回转中心垂直于所述第二方向转轴的方向设置；所述第一筒座内设有直齿轮传动组，所述直齿轮传动组包括相互配合的主动直齿轮和从动直齿轮，所述主动直齿轮设在所述第一方向输出转轴上，所述第一输出法兰通过谐波减速器组件连接至所述从动直齿轮；所述第二筒座内设有锥齿轮传动组，所述锥齿轮传动组包括相互配合的主动锥齿轮和从动锥齿轮，所述主动锥齿轮设在所述第二方向输出转轴上，所述第二输出法兰通过谐波减速器组件连接至所述从动锥齿轮。2.如权利要求1所述的双自由度关节装置，其特征在于，所述谐波减速器组件包括减速器壳体、连接法兰、设在所述减速器壳体内的谐波减速器主体、设在所述减速器输出端的转接法兰和与所述转接法兰连接的交叉滚子轴承，其中，所述连接法兰固定设在所述减速器壳体上，所述从动直齿轮和所述从动锥齿轮分别设在所述连接法兰上，并与所述谐波减速器主体连接，所述第一输出法兰和所述第二输出法兰分别通过所述交叉滚子轴承连接至所述转接法兰，并与所述转接法兰同步转动。3.如权利要求2所述的双自由度关节装置，其特征在于，所述谐波减速器组件还设有轴承挡圈，所述减速器壳体内设有环形承载圈，所述轴承挡圈将所述交叉滚子轴承压...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兵，吴佳豪，徐文福，刘飞，宁英豪，梁家乐，黄海林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44