舵机用径向零力矩延长轴及其装配方法与流程

本发明属于机械动力传动技术领域，涉及舵机用径向零力矩延长轴的设计，主要用于需要舵机控制运动的机械系统，具体应用领域是对舵机转动流畅性以及系统稳定性要求较高且负载相对较大的机械运动系统，具体涉及舵机用径向零力矩延长轴及其装配方法。

背景技术：

目前，多自由度轻型机器人手臂很多是用舵机驱动控制的，大多是将负载通过舵盘直接固定连接于舵机轴上。这样的连接方式只适用于负载相对较小的情况。一旦负载变大，舵机转轴受到的因负载重力而产生的径向力矩增大，容易产生形变，阻碍舵机轴转动，使整个舵机系统变得不稳定。对于舵机而言，为提高刚性并降低自身重量，其转轴较短；要使舵机轴的径向力矩为零，单纯依靠将负载直接固定于转轴本身上难以实现。舵机用径向零力矩延长轴目的是解决上述问题，其设计过程中涉及到以下背景知识：

轴向：是指沿舵机转动轴线的方向。

径向：是指在舵机轴的横切面(径向平面)上垂直于轴向的方向。

力矩：是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，它是一个矢量，等于转动轴到作用力的距离矢量与作用力矢量的叉积，计算公式为m＝l×f，其中l表示从转动轴到着力点的距离矢量，单位为米(即m)，f表示作用力矢量,单位为牛(即n)，m表示力矩，单位为牛·米(即n·m)，方向为按右手定则垂直于l和f的方向。

技术实现要素：

为了消除舵机转动过程中其转轴受到的径向力矩，防止舵机转轴发生形变以及由此引发的转动受阻，增强整个系统的稳定性,本发明提供一种舵机用径向零力矩延长轴及其装配方法，技术方案如下：

一种舵机用径向零力矩延长轴，其结构上包括t型镗管、u型支架、舵盘、轴承共计4个部分，t型镗管一端通过舵盘与舵机轴进行连接，另一端以u型支架及其内嵌轴承为支撑，与负载连接，u型支架固定于应用本延长轴的上一级机构框架(通常为舵机支架)上，把原本作用在舵机轴上的径向力矩通过t型镗管和u型支架传递至上一级机构框架上，实现舵机转轴的整体延长并消除径向力矩的目的；

t型镗管的作用是连接负载与舵机，起舵机轴延长和力矩传导的作用，采用用轻质金属块加工成型，总体上分为上端中空圆管和下端中空圆盘两个部分，以下简称为圆管和圆盘，圆盘的外径大于圆管，圆管与圆盘同轴设置，用车工工艺加工完成，且沿其中心轴镗成圆柱状空心管，用镗工工艺加工完成，圆管上部外径略小于所述轴承的内圈内径，圆管下部靠近圆盘位置处的外径略大于轴承的内圈内径，可保证圆管能够从上端正常套入轴承并在根部与轴承内圈紧密贴合，确保轴承难以滑落，且使得轴承内圈可随t型镗管整体同步转动；圆管顶端有堵头平面，其直径与舵机用舵盘直径一致，在堵头平面上钻有与舵盘自带圆孔数量及位置一致的螺孔，用于将圆管顶端与舵盘连接，在堵头平面上圆心位置开设圆孔，用于将t型镗管通过舵盘与舵机轴用螺丝固定连接，圆盘上钻有螺孔，用于与负载连接；

u型支架的作用是为t型镗管提供支撑，用轻质金属块加工成型，将其嵌套于t型镗管上；u型支架固定于应用本延长轴结构的上一级机构框架上，在舵机工作过程中，将原本作用在舵机转轴的径向力矩传递到上一级机构框架上，从而达到抵消舵机转轴径向所受力矩的目的，使舵机轴的径向力矩为零；支架设计成类u型槽结构，其拐角皆为直角，以u型槽结构为基础，在u型开口处两端向外侧垂直方向设有延伸平面，并在此延伸平面上钻孔，用于与上一级机构框架连接；u型支架底部中心位置镗孔，其直径略大于t型镗管上端中空圆管的外径，使t型镗管能顺畅穿过，在u型槽底部的开口方向一侧中心位置，设置圆管形轴承套，其内径等于所述轴承的外圈直径，用于将轴承嵌入并固定其中，其高度与轴承高度一致或略高于轴承高度，能保证轴承外侧面与该轴承套内侧面紧密贴合不滑落，实现轴承外圈与轴承套固定贴合，相对该轴承套保持静止不动。

一种舵机用径向零力矩延长轴的装配方法，装配前述的一种舵机用径向零力矩延长轴，包括以下步骤：

步骤1、t型镗管与u型支架的组装：装配时，先将轴承嵌入安装至u型支架的轴承套内，确保二者紧密贴合固定；再将t型镗管上端中空圆管沿u型支架底部圆孔穿入轴承内圈，t型镗管上端中空圆管靠近根部的位置与轴承内圈紧密贴合固定，使得t型镗管与u型支架连接为一体；

步骤2、实际应用时与舵机轴和负载的连接：将所用舵机配套型号的舵盘通过螺丝固定连接于t型镗管上端的堵头平面上；通过t型镗管的中空圆管，用螺丝把t型镗管上端的舵盘与舵机轴固定连接；在u型支架开口处外沿平面上的开孔处，通过螺丝与上一级机构框架固定连接；最后，将t型镗管下端圆盘通过螺丝固定连接在负载上；

在舵机转动时，t型镗管及负载通过轴承跟随舵机转轴转动，舵机转轴受到的径向力矩通过本延长轴的u型支架传递至上一级机构框架上，抵消舵机转轴受到的径向力矩，消除舵机轴因径向力矩而导致的形变，保证了舵机在轴向上的顺畅转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明抵消了舵机在转动过程中转轴在径向上所受的力矩，使舵机的扭力集中于轴向上，避免了由于径向力矩使舵机转轴产生形变。本发明的应用使舵机在转动过程中更顺畅，同时，也加强了系统的稳定性。

本发明的优异之处在于：

1、有效提高舵机驱动能力：完全消除舵机轴在工作过程中受到的径向力矩，避免了由于径向力矩使舵机转轴产生形变，使舵机在转动过程中更顺畅。

2、适用性强：本发明的设计可应用于各类靠舵机驱动且负载相对较大的机械结构中。

3、结构简单、加工和装配容易：主要部件(t型镗管、u型支架)可在数控机床上一体化加工，用材少；其它部件(轴承、舵机舵盘)可直接购买现有产品；靠部件间构型匹配及螺丝连接，现场装配容易。

附图说明

图1为本发明t型镗管(含舵盘)的主视结构示意图；

图2为本发明t型镗管(含舵盘)的侧视结构示意图；

图3为本发明t型镗管(含舵盘)的俯视结构示意图；

图4为本发明t型镗管(含舵盘)的立体结构示意图；

图5为本发明u型支架(含轴承)的主视结构示意图；

图6为本发明u型支架(含轴承)的侧视结构示意图；

图7为本发明u型支架(含轴承)的俯视结构示意图；

图8为本发明u型支架(含轴承)的立体结构示意图；

图9为本发明的整体装配主视图；

图10为本发明的整体装配侧视图；

图11为本发明的整体装配俯视图；

图12为本发明的整体装配立体图；

图13为本发明的应用实例图(轻型仿人机器手臂)。

其中：t型镗管1；圆管11；圆盘12；u型支架2；延伸平面21；舵盘3；轴承4；上一级机构框架5；舵机6；负载7；舵机用径向零力矩延长轴8。

需要说明的是，所有附图中，各部件所标记尺寸值是根据发明人自研的轻型仿人机器手臂的设计需求计算所得；在实际应用中，这些值可根据设计需求进行调整，但各部件的基本构型和连接关系不可改变。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图13所示，本发明提供了一种舵机用径向零力矩延长轴8，其结构上包括t型镗管1、u型支架2、舵盘3、轴承4共计4个部分，t型镗管1一端通过舵盘3与舵机轴进行连接，另一端以u型支架2及其内嵌轴承4为支撑，与负载7连接，u型支架2固定于应用本延长轴的上一级机构框架5(通常为舵机支架)上，把原本作用在舵机轴上的径向力矩通过t型镗管1和u型支架2传递至上一级机构框架5上，实现舵机轴的整体延长并消除径向力矩的目的；

t型镗管1的设计：

t型镗管1的作用是连接负载7与舵机6，起舵机轴延长和力矩传导的作用，采用轻质金属块(可选用铝合金)加工成型，总体上分为上端中空圆管11和下端中空圆盘12两个部分(以下简称为圆管11和圆盘12)，圆盘12的外径大于圆管11，圆管11与圆盘12同轴设置，用车工工艺加工完成，且沿其中心轴镗成圆柱状空心管，用镗工工艺加工完成，圆管11上部外径略小于所述轴承4的内圈内侧内径，圆管11下部靠近圆盘12位置处的外径略大于轴承4内圈内侧内径，可保证圆管11能够从上端正常套入轴承4并在根部与轴承4内圈紧密贴合(过盈配合)，确保轴承4难以滑落，且使得轴承4内圈可随t型镗管1整体同步转动；圆管11顶端有堵头平面，其直径与舵机6用舵盘3直径一致，在堵头平面上钻有与舵盘3自带圆孔数量及位置一致的螺孔，用于将圆管11顶端与舵机6舵盘3连接，在堵头平面上圆心位置开设圆孔，用于将舵机6舵盘3与舵机轴用螺丝固定，圆盘12上钻有螺孔，用于与负载7连接；

u型支架2的设计：

u型支架2的作用是为t型镗管1提供支撑，用轻质金属块(可选用铝合金)加工成型，将其嵌套于t型镗管1上，u型支架2固定于应用本延长轴结构的上一级机构框架5(通常为舵机支架)上，在舵机6工作过程中，将原本作用在舵机轴的径向力矩传递到上一级机构框架5上，从而达到抵消舵机轴径向所受力矩的目的，使舵机轴的径向力矩为零，支架设计成类u型槽结构，其拐角皆为直角，以u型槽结构为基础，在u型开口处两端向外侧垂直方向设有延伸平面21，并在此延伸平面21上钻孔，用于与上一级机构框架5连接，支架底部中心位置镗孔，其直径略大于t型镗管1上端中空圆管11的外径，使t型镗管1能顺畅穿过，在u型槽底部的开口方向一侧中心位置，设置圆管11形轴承套，其内径等于所用轴承4的外圈直径，用于将轴承4嵌入并固定其中，其高度与轴承4高度一致或略高于轴承4高度，能保证轴承4外侧面与该轴承套内侧面紧密贴合不滑落，实现轴承4外圈与轴承套固定贴合，相对该轴承套保持静止不动。

一种舵机用径向零力矩延长轴8的装配方法，装配前述的一种舵机用径向零力矩延长轴8，包括以下步骤：

步骤1、t型镗管1与u型支架2的组装：装配时，先将轴承4嵌入安装至u型支架2的轴承套内，确保二者紧密贴合固定；再将t型镗管1上端中空圆管11沿u型支架2底部圆孔穿入轴承4内圈，t型镗管1上端中空圆管11靠近根部的位置与轴承4内圈紧密贴合固定，使得t型镗管1与u型支架2连接为一体；

步骤2、实际应用时与舵机轴和负载7的连接：将所用舵机6配套型号的舵盘3通过螺丝固定连接于t型镗管1上端平面上；通过t型镗管1的中空圆管11，用螺丝把t型镗管1上端的舵盘3与舵机轴连接；在u型支架2开口处外沿平面处，通过螺丝与上一级机构框架5(通常为舵机支架)固定连接；最后，将t型镗管1下端圆盘12通过螺丝固定连接在负载7(通常为下一级机构框架)上；

在舵机6转动时，t型镗管1及负载7通过轴承4跟随舵机轴转动，舵机轴的受到的径向力矩通过本延长轴的u型支架2传递至上一级机构框架5(通常为舵机支架)上，抵消舵机轴受到的径向力矩，消除舵机轴因径向力矩而导致的形变，保证了舵机6在轴向上的顺畅转动。

本发明的工作原理如下：舵机6工作时，其内部电机转动通过齿轮组传动至转轴，实现动力输出，外接负载7固定连接在舵机轴上，借助舵机6产生的轴向力矩实现转动。在实际应用中，由于负载7及转轴自身重力及其它外力的存在，会产生某些阻碍负载7转动的阻力力矩，其中径向力矩(垂直于舵机轴的力矩)最为严重，当负载7较大时会导致舵机轴发生形变，让舵机6不能将扭力力矩集中于轴向上，阻碍舵机6正常轴向扭矩输出，降低其负载7力，甚至导致舵机6停滞。

本设计结构能够提供与舵机6转动过程中径向力矩反向的支撑力来消除原本加载在舵机轴上的径向力矩，实现舵机轴的径向零力矩。所谓“零力矩”，是将该径向该力矩通过本设计结构传递至上一级机构框架5(通常为舵机支架)上，以该框架为支撑，抵消舵机轴径向力矩。通过对延长轴支架的造型及材质的选择(选用铝合金)，使其刚性达到一定指标，提供足够的支撑力。舵机轴所受的径向力矩被抵消后，其输出力矩都集中于轴向上，无论舵机6处于何种姿态方向，舵机轴都能稳定且顺畅地转动，提供持续稳定的轴向扭矩输出。

本发明主要应用于依靠舵机6驱动且负载7相对较大的机械系统中，现将本发明的一种舵机用径向零力矩延长轴8应用于轻型仿人机器手臂为例，如图13所示：该手臂具有多个自由度，每个自由度都要依靠舵机6控制转动，在机器臂运动过程中，各个关节将处于不同的姿态，在图中有两处使用了舵机6用径向零力矩延长轴；实际上这两处只需要舵机轴的轴向力矩控制旋转运动，但若无此力矩延长轴，当机器手臂处于某些姿态(如手臂平伸)时，这两处舵机6所控制的关节会因为负载7重力等因素受到较大的径向力矩，使得舵机轴发生形变，阻碍舵机轴转动，使对应的两处关节乃至整个系统运转过程发生抖动甚至停滞，让系统变得不稳定；将本发明应用于该轻型仿人机器人手臂上之后，结果是：无论机械臂处于何种姿态，都能将两处舵机轴的原本受到的径向力矩传递至上一级机构框架5(这里为舵机支架)上，通过上一级机构框架5提供的支撑抵消该径向力矩，使舵机轴所受的径向力矩为零，防止舵机轴产生形变；这样，舵机6能将扭力力矩集中于轴向上，提供持续稳定的轴向扭矩输出，加强了整个机器臂的稳定性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。