CN101307797A - 具有偏置输出的超大工作空间球面铰链 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，由中心球面铰链和偏置输出单元组成，所述中心球面铰链为球/窝换位型大工作空间球面铰链、双耳支架固定型大工作空间球面铰链或者横向剖分球窝的球面铰链；所述的偏置输出单元的偏置输出杆(7)与中心球面铰链的直输出杆(8)在两杆轴线交点A处固联为一体构成整体输出杆，两杆轴线交点A点位于中心球面铰链U形拨叉(5)的外侧，偏置输出杆(7)与直输出杆(8)两杆轴线的夹角α_h为0～100°，该球面铰链的工作空间最大可达整个球面。

Description

具有偏置输出的超大工作空间球面铰链

技术领域

本发明涉及具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，属于机构学机器人或机械领域。

背景技术

球面铰链作为一种连接，其本质就是球面副，是机构学中的基本运动单元，构成机构或机械的基本单位。一般它是由输出杆、球头与球窝、下支撑杆构成。当一端固定(如下支撑杆)时，另一端则具有三个转动自由度。

要确保构成球面副的两要素，无论受到压力或拉力都能稳定可靠保持接触，实现球面铰链的功能，工程上还存在一些问题。

目前，常用的球面铰链的典型结构有两种形式：横向剖分球窝型。即用垂直于下支撑杆轴线且过球心的横向剖面把球窝分成两部分，与支撑杆固联的半球壳称为支撑球窝；另一部分称为约束球窝。安装形式为：约束球窝套装于输出杆上约束球头，然后，再与支撑球窝固定，从而限制球头及输出杆与球窝的分离(见图6)；纵向剖分球窝型。即通过支撑杆轴线的纵向剖面把球窝分成对称的两半，安装时，两个球窝扣在一起含住球头，然后再彼此固联(见图7)。

中国专利(公告号：CN 2106260U)公开了一种新型球面铰链，其技术方案是在球(销)头与球销座之间配置了一个由含油聚甲醛材料一次注塑成型的球窝垫，用于改善球面铰链的性能。而球头与球窝的构成方式与通常的横向剖分球窝型的球面铰链相同。

现有的球面铰链都存在共同的缺点：输出杆的摆动范围小。分析表明：摆动范围受结构限制，即

其中r输出杆的半径，h约束球窝的有效高度，r₀为球半径，也是支撑球窝，约束球窝半径。为保证机械强度要求，一般情况下输出杆半径、约束球窝的高度不能很小，因此，摆角范围受其影响而减小。一般不超过±60°。

球面铰链输出杆的摆动范围小的问题，一直以来没有得到很好的解决，给工程应用带来的影响表现为多方面的，如并联机床的工作空间在一定程度上因受到其中的球面铰链影响而无法实现更大的工作空间要求；机构学、机器人机构因球面铰链的制约，其实际工作空间较小；人形机器人中的球面(关节)铰链工作空间小而不能满足肢体运动要求等等。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题与工程上的要求，本发明提供一种具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，该发明工作空间大，解决了球面铰链输出杆的摆动范围小等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以横向剖分球窝的球面铰链为原型，利用运动与约束单项分解、交叉匹配方法，将支撑球窝与约束球窝分开，支撑球窝保持不变，而约束球窝半径r₀增大、使其形成球冠；同时将直输出杆的运动分解成两个正交的摆动(如x、y转动)和绕z轴线转动。在约束球窝与支撑球窝之间设置过球心的直径迴转轴与直输出杆的一个正交摆动轴重合，使约束球窝、直输出杆对支撑球窝可摆动；约束球窝上，在输出杆轴线(也是约束球窝的回转轴线)与直径迴转副轴线构成的平面内，沿圆周方向开长槽；直输出杆可在其中摆动，释放直径迴转副对输出杆在该方向运动的约束，从而实现输出杆的较大的两方向摆动与绕z轴线的转动。形成具有较大工作空间的新型球面铰链。

对于传统的球面铰链，绕x、y方向摆角较小，z方向则不受限制，输出杆的工作空间为全对称球缺面，其大小完全由两方向摆角(绕x、y)决定，而绕z轴的转动对输出杆的作用没有体现出来，或者说绕z轴转动空间被完全覆盖；对于具有大工作空间的新型球面铰链，输出杆的工作空间仍为全对称球缺面只是比传统的铰链的大一些，而绕z轴的转动对输出杆作用仍没有体现出来。

事实上，球面铰链输出杆绕z轴的转动是不受限制的，这一点是球面铰链的根本优势。分析发现，绕z轴的转动对输出杆作用不能得到体现的根本原因是：输出杆的轴线始终与z轴重合。

将原输出杆在中心附近的一部分保留(称为直输出杆)，其轴线与z轴重合，而余下的部分偏折某一角度而使其轴线偏离z轴，这部分输出杆称为偏置输出杆，球面铰链整体输出杆为弯拐形。偏置输出杆的轴线与直输出杆轴线所夹的角称为偏摆角α_h，变化范围0～110°，偏置方向为任意的；偏置输出杆的远端与球心的连线是实际意义的输出杆位置，它与直输出杆轴线的夹角称为偏置角t。有效可取值范围0～90°。构建结果是极大地增大了球面铰链的工作空间、改变了空间形状，形成了新的具有偏置输出的超大工作空间球面铰链。

固定坐标系O-x₀y₀z₀：与下支撑杆1固联、坐标原点位于球心。y₀轴为过球心的且与双耳支架两侧销轴的轴线重合，正方向指向右；z₀为过球心与下支撑杆1轴线重合，正向向上；x₀由右手螺旋法则确定(见图1)。

运动坐标系O-xyz：与直输出杆8相固联，初始位置与固定坐标系O-x₀y₀z₀正向重合，即x、y、z轴分别与x₀、y₀、z₀轴重合。

偏置坐标系O-x₁y₁z₁：与直输出杆8和偏置输出杆7构成的输出杆整体固联。偏置输出杆7的偏折方向是任意的，而且输出杆绕z₀轴转动不受限制，不妨假定直输出杆8和偏置杆7所构成平面与O-zy面重合。取OP为z₁轴，正向向外；x₁与x轴重合；y₁轴由右手螺旋法则确定。

很明显，偏置坐标系O-x₁y₁z₁与动坐标系O-xyz都是固联在整体输出杆上，而O-xyz经绕x轴旋转t后便得到O-x₁y₁z₁。

动坐标系O-xyz的运动空间表达了原来传统的球面铰链或具有大工作空间的新型球面铰链的工作空间；而偏置坐标系O-x₁y₁z₁的运动空间表达了超大工作空间球面铰链的工作空间。

经坐标变换，将偏置坐标系O-x₁y₁z₁经动坐标系O-xyz在固定坐标系O-x₀y₀z₀下的描述与偏置坐标系O-x₁y₁z₁在固定坐标系O-x₀y₀z₀下的直接描述矩阵对等，得到两个空间的映射关系：

其中

为动坐标系绕固定坐标系的x₀、y₀、z₀轴的转角；

为偏置坐标系绕固定坐标系的x₀、y₀、z₀轴的转角；t为偏置角，取值范围0≤t≤90°。

正是因为偏置输出杆轴线偏离z轴，使

增大t；同时释放

而绕z₀轴的转动不受限制。导致机构的输出空间增大、形状变为大球冠或整球面。铰链的灵活工作空间同时增大。铰链的工作性能更加优越。

偏置设计的具有大工作空间的新型球面铰链工作空间：

当

时，

为具有大工作空间的新型球面铰链的极限摆角，一般±(80°～110°)。球面铰链的实际工作空间为大球冠，当t较大时(80°～90°)时，工作空间几乎覆盖了整个球面(见图2)。

偏置设计的传统球面铰链工作空间：

当

时，

传统球面铰链的极限摆角±60°，铰链的实际工作空间由原来的小球缺变为大球缺、小球冠，如图5(a)、图5(b)所示。

当

球面铰链的实际工作空间为偏位球面环带、最大为对称球面环带，如图5(c)所示。

本发明有益效果：具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，从根本上解决了球面铰链工作空间小的问题，其工作空间由原来的球缺扩展成几乎整个球面，通过改变输出杆偏置角(0～90°)、选择传统球面铰链或具有大工作空间球面铰链，可以实现工程上的任何工作空间需要；而且输出杆在相当大的范围内运动灵活。本发明具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，改善了球面铰链的运动性能，对机构学、整个机械领域产生重大影响，对工程中现有装备改进、新机械的设计与性能改进有重要意义。

附图说明

图1是球/窝换位型大工作空间球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链结构示意图；

图2是球/窝换位型大工作空间球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链的最大工作空间示意图；

图3是双耳支架固定型大工作空间球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链结构示意图；

图4是横向剖分球窝的球面铰链的偏置输出的超大工作空间球面铰链结构示意图；

图5(a)是基于传统球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链，当

时，工作空间大小、形状和位置与偏置角的关系示意图；

图5(b)是基于传统球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链，当

时，工作空间大小、形状和位置示意图；

图5(c)是基于传统球面铰链的偏置输出超大工作空间球面铰链，当t＝90°时，工作空间大小、形状和位置示意图；

图6横向剖分球窝型的球面铰链结构示意图；

图7纵向剖分球窝型的球面铰链结构示意图。

在上述附图中，1.下支撑杆，2.双耳支架，3.球头，(4，12).支撑销轴，5.U形拨叉，6.活动球窝，7.偏置输出杆，8.直输出杆，9.支撑辊，10.支撑销轴，11.旋转支架，13.支撑球窝，14.约束球窝，15.支架球窝。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明公开的第一个实施例，它由具有大工作空间的球面铰链和偏置输出单元组成。所述偏置输出单元包括偏置输出杆7，直输出杆8；所述具有大工作空间的球面铰链包括支撑单元、输出单元和球面副单元，所述支撑单元包括下支撑杆1、双耳支架2、U形拨叉5与双耳支架2构成转动连接的销轴(4、12)；所述输出单元包括直输出杆8、支撑辊(9，9′)、支撑销轴(10，10′)和旋转支架11；所述球面副单元包括活动球窝6、球头3、U形拨叉5。其中偏置输出杆7与直输出杆8在两杆轴线交点A固联为一体，整体输出杆呈弯拐形，A点位于球面铰链的U形拨叉之外，两轴的轴线夹角为α_h，一般变化范围为0～100°，偏摆方向为任意的；双耳支架2、球头3与下支撑杆1固联为一体，球头3的球心与铰链的球心重合、在下支撑杆1上端点处对心固定；旋转支架11为回转体、中间为圆柱形孔、前后各装支撑销轴(10，10′)，支撑辊(9，9′)则对称装在相应的两个销轴上；直输出杆8下端与活动球窝6对心固定并与球头3构成球面运动副；直输出杆8为阶梯形轴、中间设有轴向定位台阶，旋转支架11连同装在其上的支撑销轴(10，10′)、支撑辊(9，9′)套装在输出杆上、并与其轴向定位台阶实现定位；OP为实际输出杆位置，它与直输出杆8的夹角t称为偏置角，其变化范围为0≤t≤90°；U形拨叉5为半圆弧形柱面组合体，两端设有销孔，它可绕装在双耳支架2两侧的销轴4、12往复摆动，两销轴所在的公共轴线为通过球心的直径、且与下支撑杆1轴线垂直；以U形拨叉5的轴向宽度中间平面为对称面、沿圆周方向、开出径向内外通透封闭长槽，直输出杆8的输出端由U形拨叉5的封闭槽中穿出，直输出杆8直径与长槽同宽，并可沿槽侧壁作往复摆动；旋转支架11上的前后的支撑辊(10，10′)与U形拨叉5两侧圆弧内表面保持接触，支撑辊的轴线与U形拨叉5圆柱面的轴线平行，实现支撑。直输出杆8输出端为圆柱形，连同下端固定的活动球窝6及偏置输出杆7的组合体可绕直输出杆轴线(z轴)独立旋转。

当输出杆整体受到离心拉力时，该力将由偏置输出杆7、直输出杆8的定位台阶传到旋转支架11、支撑辊的销轴(10，10′)、支撑辊(9，9′)、U形拨叉5直至双耳支架2，实现约束球窝的作用。当输出杆整体受到压力时，该力将由偏置输出杆7、直输出杆8、活动球窝6及球头3传到双耳支架2。实现承载。

该结构的球面铰链最大特点球面上的力作用点位于球心与外力作用点之间，从根本上消除了球窝与球头脱臼的问题。

偏置输出超大工作空间球面铰链无空洞工作空间：

绕y₀轴摆动范围极限：单向摆角最小±110°，最大±200°；

绕x₀轴摆动范围极限：单向摆角最小±80°，最大±160°；

绕z₀轴的旋转不受限制，即360°。

实施例2

图3本发明公开的第二个实施例，它由具有大工作空间的球面铰链和偏置输出单元组成。所述偏置输出单元包括偏置输出杆7，直输出杆8；所述具有大工作空间的球面铰链包括支撑单元、输出单元和球面副单元，所述支撑单元包括下支撑杆1、双耳支架2、U形拨叉5与双耳支架2构成转动连接的销轴(4、12)；所述输出单元包括直输出杆8、支撑辊(9，9′)、支撑销轴(10，10′)和旋转支架11；所述球面副单元包括球头3、球窝15、U形拨叉5。其中与第一实施例的不同之处：U形拨叉5置于双耳支架2的外侧；球头3与直输出杆8下端对心固定，球窝15与双耳支架2、下支撑杆1对心固定，球头3与球窝15构成球面副。

该球面铰链特点是：承载力大，运动空间略小，即绕x₀轴摆动范围极限：最小±75°，最大±150°。

实施例3

图4本发明公开的第三个实施例，是一种基于传统球面铰链的偏置输出的超大工作空间球面铰链。它由下支撑杆1、支撑球窝13、约束球窝14、球头3、直输出杆8和偏置输出杆7组成。其中下支撑杆1上端与支撑球窝13对心固联，下支撑杆1的轴线与支撑球窝13的回转轴线重合；直输出杆8下端与球头3对心固定，直输出杆8取一定长度OA大于约束球窝14的半径与输出杆半径之和；于上端A点处与偏置输出杆7固联形成输出单元，直输出杆8的轴线与偏置输出杆7的轴线夹角α_h称为偏摆角，一般取0～100°；OP为球面铰链的实际输出杆，与直输出杆8的轴线夹角t称为偏置角，偏置输出杆7的偏折方向为任意的；约束球窝14穿过偏置输出杆7、直输出杆8、约束球头3，球心重合后与支撑球窝13固定。偏置输出杆7、直输出杆8、球头3构成的组合体可绕直输出杆轴线独立不受限制旋转。

当输出杆整体受到离心拉力时，该力则由偏置输出杆7、直输出杆8、球头3、约束球窝14，最后传到下支撑杆1。当输出杆整体受到压力时，该力由偏置输出杆7、直输出杆8、球头3传到支撑球窝13。

球面铰链无空洞工作空间：

绕y₀轴摆动范围：单向摆角最小±60°、最大±120°。

绕x₀轴摆动范围：单向摆角最小±60°、最大可达±120°。

绕z₀轴的旋转不受限制，即360°。

Claims (6)

1.一种具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，由中心球面铰链和偏置输出单元组成，其特征是：所述中心球面铰链为球/窝换位型大工作空间球面铰链、双耳支架固定型大工作空间球面铰链或者横向剖分球窝的球面铰链；所述的偏置输出单元的偏置输出杆(7)与中心球面铰链的直输出杆(8)在两杆轴线交点A处固联为一体构成整体输出杆，两杆轴线交点A点位于中心球面铰链U形拨叉(5)的外侧，偏置输出杆(7)与直输出杆(8)两杆轴线的夹角α_h为0～100°。

2.根据权利要求1所述的具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，其特征是：所述中心球面铰链为球/窝换位型大工作空间球面铰链的双耳支架(2)、下支撑杆(1)与球头(3)固联为一体，双耳支架(2)与U形拨叉(5)通过销轴(4，12)构成转动连接，销轴(4，12)所在的轴线通过球头(3)球心的直径，且与下支撑杆(1)的轴线垂直；U形拨叉(5)装在双耳支架(2)的内侧，旋转支架(11)上前后对称安装支撑销轴(10，10′)和支撑辊(9，9′)，旋转支架(11)连同其上的销轴(10，10′)、支撑滚(9，9′)一起套装在直输出杆(8)上，直输出杆(8)下端与活动球窝(6)对心固定并与球头(3)构成球面副，直输出杆(8)上端从U形拨叉(5)的封闭长槽中穿过；U形拨叉(5)为半圆弧形柱面组合体，以其轴向宽度的中间平面对称面沿圆周方向、开设径向内外通透的封闭长槽；支撑辊(9，9′)外圆与U形拨叉(5)内表面接触，两者的轴线平行。

3.根据权利要求2所述的具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，其特征是：球头(3)的回转轴线与双耳支架(2)回转轴线、球头(3)的球心与球面铰链球心重合。

4.根据权利要求2所述的具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，其特征是：支撑销轴(10，10′)的轴线与旋转支架(11)的回转轴线垂直相交。

5.根据权利要求1或2所述的具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，其特征是：所述的中心球面铰链为双耳支架固定型大工作空间的球面铰链，支撑球窝(15)与双耳支架(2)、下支撑杆(1)对心固定，支撑球窝(15)的球心位于双耳支架(2)及下支撑杆(1)的轴线上、与球面铰链球心重合，球头(3)与直输出杆(8)的下端对心固定  U形拨叉(5)与双耳支架(2)通过销轴(4，12)转动连接，并安装在双耳支架(2)的外侧，销轴(4，12)所在的轴线通过球头(3)球心的直径，且与下支撑杆(1)轴线垂直。

6.根据权利要求1所述的具有偏置输出的超大工作空间的球面铰链，其特征是：所述的中心球面铰链为横向剖分球窝的球面铰链，直输出杆(8)上端与偏置杆(7)固联，直输出杆(8)下端与球头(3)对心固联为一体，约束球窝(14)穿过偏置输出杆(7)、直输出杆(8)约束球头(3)，与球心重合后与支撑球窝(13)固定。

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