一种三自由度球形关节结构

1.本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种三自由度球形关节结构。


背景技术：

2.机器人技术的不断发展与完善，使得对机器人的研究日趋成为热点与亮点，对机器人及机器人运动部件的灵活性，可靠性提出了更高的要求。机械臂关节是实现机器人灵活运动的关键，因此研制三自由度运动机械臂关节至关重要。目前三自由度运动机械臂关节有多台电机通过传动机构串并联组合方案，也有以单台电机执行三自由度运动球形电机的方案。
3.中国专利文献cn208961997u公开了一种三自由度机械臂，通过三个关节连杆组件串联实现机械臂在额定范围内运动，每个关节都装配有电机，编码器，阻尼器等设备。中国专利文献cn114598181a公开了一种压电驱动三自由度球形关节，以至少四个二维压电致动器作为动力提供机构，通过组合叠堆提供二维方向的力与位移/位置输出，预紧装置通过柔性机构提供所需的预紧力，该预紧力将为致动器提供充足的摩擦力以对球形运动关节提供执行推力。
4.现有技术的不足在于：常规由多电机连杆串并联组合的三自由度关节，为了实现三自由度需要较大的体积，并占用大量的空间，集成化程度低，同时结构复杂，成本高；而单电机或非电机类三自由度关节，大多还处于研究室实验阶段，输出力矩小，同时对结构设计精度及传感设备要求高，加工难度大，成本高昂。


技术实现要素：

5.为克服现有技术的不足，本发明提供一种三自由度球形关节结构，以解决传统三自由度机械臂关节结构复杂，集成化程度低，体积大，输出力矩小以及难加工，不易于安装维修的问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案：
7.一种三自由度球形关节结构，包括一个用于整体固定的静止支架、一个用于实现z轴旋转的半球形旋转支架、一个用于实现x轴旋转的半圆环形旋转支架、输出轴支架、控制板、z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机和陀螺仪传感器；所述半球形旋转支架一侧沿着z轴与所述静止支架连接，另一侧通过z轴驱动电机与静止支架连接；所述半圆环形旋转支架一侧沿着x轴与所述半球形旋转支架连接，另一侧通过x轴驱动电机与半球形旋转支架连接；所述y轴驱动电机安置在半圆环形旋转支架中心，所述输出轴支架安置在y轴驱动电机上；所述陀螺仪传感器安装在输出轴支架内；所述控制板安置在静止支架的散热槽中，用来控制z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机的运行；所述输出轴支架上端安装外置负载，当z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机同时旋转时，实现所述外置负载的三自由度运动。
8.进一步地，所述静止支架设计成半球形形状，通过底部平面与外置结构固定；所述
散热槽将控制板产生的热散发至外部空间。
9.进一步地，所述半球形旋转支架设计成半球形形状，通过轴承，转轴，挡圈，螺栓与静止支架连接，所述z轴驱动电机的运转带动半球形旋转支架绕z轴转动，运动范围超过90
°
。
10.进一步地，所述半圆环形旋转支架设计成半圆环形状，通过轴承，转轴，挡圈，螺栓与半球形旋转支架连接，所述x轴驱动电机的运转带动半圆环形旋转支架绕x轴转动，运动范围超过90
°
。
11.进一步地，所述y轴驱动电机的运转带动所述外置负载绕y轴转动，运动范围超过360
°
。
12.进一步地，所述z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机为步进电机、直流驱动电机或伺服电机。
13.进一步地，所述z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机为伺服谐波减速电机，内置温度传感器、扭矩传感器、编码器、制动器和减速机。
14.进一步地，所述陀螺仪传感器与z轴驱动电机、y轴驱动电机、x轴驱动电机内部的编码器实现数据融合，用于校准所述外置负载的位置。
15.进一步地，所述陀螺仪传感器为六轴式或九轴式。
16.本发明的有益效果为：
17.(1)本发明通过三台驱动电机和新型球形结构实现关节的三自由度运动，结构简单小巧，体积小，能够满足较大运动范围，便于安装维修；
18.(2)本发明采用集成化驱动电机，内置传感器，编码器，制动器和减速机，有效实现低速稳定运行，输出转矩大，自锁能力强，定位精准，简化结构，减轻三自由度关节的体积和重量；
附图说明
19.图1为本发明的三自由度球形关节结构的总体装配图；
20.图2为本发明的三自由度球形关节结构的zoy平面剖面图；
21.图3为图1中半球形旋转支架的结构图；
22.图中：1为静止支架；2为半球形旋转支架；3为半圆环形旋转支架；4为输出轴支架；5为控制板；6为z轴驱动电机；7为y轴驱动电机；8为x轴驱动电机；9为陀螺仪传感器；11为散热槽。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.如图1所示，本发明的一种三自由度球形关节结构包括一个用于整体固定的静止支架1、一个用于实现z轴旋转的半球形旋转支架2、一个用于实现x轴旋转的半圆环形旋转支架3和输出轴支架4。所述三自由度为x,y,z三个方向，定义静止支架1的底面为xoz面，与
之垂直的轴为y轴。所述静止支架1设计成半球形形状，可实现三自由度运动范围前提下体积最小，其底部设计成平面，通过底部的平面可与外置结构固定。
25.如图2所示，控制板5安置在所述静止支架1的散热槽11中，通过散热槽11将控制板5产生的热散发至外部空间，有效解决控制板5长时间运行过热问题；所述控制板5用来控制z轴驱动电机6、y轴驱动电机7和x轴驱动电机8的运行。
26.如图2,3所示，所述半球形旋转支架2，设计成半球形形状，直径略小于静止支架1，沿着yoz平面开腰型槽，满足半圆环形旋转支架3的旋转范围；所述半球形旋转支架2沿着z轴与所述静止支架1连接，可绕z轴转动，运动范围超过90
°
，一侧通过轴承，转轴，挡圈，螺栓与静止支架1连接，所述z轴驱动电机6的定子与静止支架1相连实现电机固定，z轴驱动电机6转子与半球形旋转支架2相连，z轴驱动电机6驱动电机的运转带动半球形旋转支架2绕z轴转动。
27.如图2所示，所述半圆环形旋转支架3，设计成半圆环形状，沿y轴向设计成圆柱面，以实现y轴驱动电机7的安装，两侧设计支撑多孔肋板，通过软件优化，使得半圆环形旋转支架3既能达到承载电机的强度与刚度，又能最大程度减轻支架重量；所述半圆环形旋转支架3沿着x轴与所述半球形旋转支架2连接，可绕x轴转动，运动范围超过90
°
，一侧通过轴承，转轴，挡圈，螺栓与半球形旋转支架2连接，所述x轴驱动电机8定子与半球形旋转支架2相连实现电机固定，x轴驱动电机8转子与半圆环形旋转支架3相连，x轴驱动电机8的运转带动半圆环形旋转支架3绕x轴转动。
28.所述输出轴支架4安置在y轴驱动电机7上，输出轴支架4上端可安装外置负载，可绕y轴转动，运动范围超过360
°
；当三轴驱动电机同时旋转时，可实现外置负载的三自由度运动。
29.所述x,y,z轴驱动电机6,7,8可以是步进电机，直流驱动电机，伺服电机任意一种，优选的以伺服谐波减速电机为宜，内置温度传感器，扭矩传感器，编码器，制动器和减速机，因此当球形关节结构整体断电时，由于驱动电机内置的制动器可保持球形关节结构输出轴位置保持不变。
30.如图2所示，陀螺仪传感器9安装在输出轴支架4内，可与z轴驱动电机6、y轴驱动电机7和x轴驱动电机8内部的编码器实现数据融合，用于校准外置负载的位置。
31.所述陀螺仪传感器9可以是六轴式，九轴式任意一种，优选的以九轴式为宜。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。