CN101695836A - 基于液压的双平面摩擦2自由度关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液压的双平面摩擦2自由度关节，在上关节T形轴的下平面的上侧外缘设有楔形面，杆部套装圆孔直径较大的上关节传力滑块，杆部通过轴承安装在上关节外壳中，并伸出与关节台体的一端连接，推杆端部与上关节T形轴的两个楔形面相配合；下关节T形轴连接在关节台体的另一端的下方，下端封装在下关节封盖中，下关节封盖与关节支承轴固联；顶杆安装在下关节T形轴的空心结构中，空心的底部安装密封螺栓，顶杆的下端与密封螺栓顶杆的下端留有距离，上端与上关节传力滑块接触。本发明体积小、结构紧凑、重量轻、锁紧力矩大、结构简单、锁紧后关节间隙小，可适用于末端静态承载较轻的各类小型机械臂的关节锁定。

Description

基于液压的双平面摩擦2自由度关节

技术领域

本发明涉及一种转动关节，具体讲是涉及一种基于液压的双平面摩擦2自由度关节，属于欠驱动机械臂关节锁紧机构。

背景技术

从上个世纪九十年代开始，随着智能机器人技术、计算机技术、医疗外科技术的迅速发展，服务机器人，如微创外科机器人技术已成为国内外学者和相关机构关注的国际前沿研究热点之一。这是一种新型的多学科交叉技术领域，其发展被认为是外科治疗手段的一种标志性的进步。

目前，医疗手术定位机械臂的关节锁定有如下方式，一是靠每个关节上的电机输出的伺服保持力矩，其缺点是结构复杂，成本昂贵；二是在每个关节上安装电磁制动器，同样存在结构复杂成本高的不足，同时机械臂比较笨重；第三是通过给各个关节的楔形推力结构进行手动加力，实现关节锁紧。这种方式为纯被动方式，锁紧效率低，操作不方便。另外，现有技术中的关节锁紧机构在关节锁紧后，在关节之间都存在间隙，间隙不为0，造成定位精度不高。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单紧凑、锁紧力矩大、锁紧后关节间隙小的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，降低成本，提高精度和安全性，满足操作的需要。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于包括关节台体、下关节T形轴和上关节T形轴，所述的关节台体成“L”形，在所述的上关节T形轴的下平面的上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳为中空结构，在上关节T形轴的杆部上套装上关节传力滑块，上关节传力滑块中间的圆孔直径大于上关节T形轴杆部的直径，上关节T形轴的杆部通过轴承安装在上关节外壳中，杆部从上关节外壳伸出与关节台体的一端螺纹连接，推杆的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，安装在上关节外壳上，在推杆的端部设有楔形面，与上关节T形轴的楔形面相配合；所述的下关节T形轴为杆部带外螺纹的空心轴，通过外螺纹连接在关节台体的另一端的下方，下关节T形轴的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，下关节T形轴的下端封装在下关节封盖中，下关节封盖与关节支承轴固联，下关节T形轴的下端与下关节封盖的接触面之间安装有密封圈；顶杆安装在下关节T形轴的空心中，顶杆的下端外周安装有密封圈，上端伸入上关节外壳，与上关节传力滑块接触，下关节T形轴的空心的底部安装有密封螺栓，所述的密封螺栓与顶杆的下端留有一定的距离。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于所述的顶杆包括1#顶杆、2#顶杆和连接螺套，所述的连接螺套为中空结构，两端设有内螺纹，1#顶杆和2#顶杆分别连接在连接螺套的两端，1#顶杆的上端与上关节传力滑块接触，2#顶杆的下端外周安装有密封圈，套装在下关节T形轴的空心中，下端与密封螺栓留有一定距离。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的上关节外壳上与关节台体靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出上关节外壳端面一定距离。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的下关节T形轴的下端面上与关节支承轴靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出下关节T形轴端面一定距离。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的关节台体上靠近下关节封盖的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出关节台体端面一定距离。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的密封螺栓和下关节T形轴之间设有密封圈。

前述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的下关节T形轴上安装有排气螺钉，排气螺钉与下关节T形轴之间设有密封圈，螺钉孔与下关节T形轴的空心相通。

本发明的有益效果是：本发明在两个关节上不需要安装电机(电机在第三个关节上)，通过第三关节上的电机推动内部的一个与机械臂的第3关节相连的推杆，可以同时锁紧这两个转动关节，实现这两个关节的无电机或无电磁制动器的锁紧，使机械臂成为一个欠驱动的机械臂。并且本发明采用液压锁紧方式，锁紧力矩大，安全性高。本发明结构简单、关节轻便、关节灵活性好、锁紧后关节刚性好、定位精度高(关节锁紧后达到0间隙)、成本较低。可以实现4个关节(6个自由度，其中一个关节为球关节)的机械臂上只用一个电机，即一个电机完成了6自由度机械臂4个关节的锁定。可适用于载荷较轻的服务机器人，特别是医疗外科手术机器人的欠驱动机械臂关节锁紧机构和一体式2自由度关节等，在降低结构复杂度和成本的同时，提高了机械臂的定位精度和安全性，从而为研制外科手术定位的机械臂奠定了基础，同时，也为其它用途的机械臂的关节锁定的设计开发提供参考。

附图说明

图1为本发明的基于液压的双平面摩擦2自由度关节的结构示意图；

图2为图1中的关节台体的主视图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的仰视图；

图5为下关节组件的示意图。

附图中主要标记的含义：

1、上关节外壳，2、上关节T形轴，3、上关节传力滑块，4、1#顶杆，5、连接螺套，6、推杆，7、关节台体，8、轴承，9、1#环形摩擦垫，10、1#O型密封圈，11、2#O型密封圈，12、3#O型密封圈，13、4#O型密封圈，14、下关节封盖，15、下关节T形轴，16、关节支撑轴，17、2#顶杆，18、2#环形摩擦垫，19、密封螺栓，20、5#O型密封圈，21、排气螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

图1为本发明的基于液压的双平面摩擦2自由度关节的结构示意图；图2为图1中的关节台体的主视图；图3为图2的左视图；图4为图2的仰视图；图5为下关节组件的示意图。

如图所示，本发明的基于液压的双平面摩擦2自由度关节包括关节台体7、下关节T形轴15和上关节T形轴2，其中关节台体7成“L”形，在上关节T形轴2的下平面的上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴2的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳1为中空结构，一方面给上关节T形轴2提供配合和安装空间，另一方面给推杆预留空间。在上关节T形轴2的杆部上套装上关节传力滑块3，上关节传力滑块3中间的圆孔直径大于上关节T形轴2杆部的直径，保证上关节传力滑块3在外力作用下能够沿径向移动。上关节T形轴2的杆部通过轴承8安装在上关节外壳1中，从而使上关节外壳1与关节台体7连接。上关节T形轴2的杆部从上关节外壳1伸出，与关节台体7的一端螺纹连接。推杆6的轴线与上关节T形轴2的轴线垂直，安装在上关节外壳1上，在推杆6的下端部设有楔形面，与上关节T形轴2的楔形面配合使用，从而可以使推杆6的上下运动变为上关节T形轴2的左右移动。

下关节T形轴15为杆部带外螺纹的空心轴，通过外螺纹连接在关节台体7的另一端的下方，下关节T形轴15的轴线与上关节T形轴2的轴线垂直，下关节T形轴15的下端安装在下关节封盖14中，下关节封盖14与关节支承轴16固联，下关节T形轴15的下端与下关节封盖14的接触面之间安装有4#O形密封圈13，保证密封效果。顶杆安装在下关节T形轴15的空心结构中，上端伸入上关节外壳1，与上关节传力滑块3接触，下端外周安装有1#O形密封圈10，下关节T形轴15的空心的底部安装有密封螺栓19，密封螺栓19与顶杆的下端留有一定的距离，形成储存液压油的腔体。从密封螺栓19处向顶杆下端的腔体内注入液压油。

为了使顶杆便于安装和调节，顶杆可以包括1#顶杆4、2#顶杆17和连接螺套5，连接螺套5为中空结构，两端设有内螺纹，1#顶杆4和2#顶杆17分别连接在连接螺套5的两端，1#顶杆4的上端与上关节传力滑块3接触，2#顶杆17的下端外周安装1#O形密封圈10，并插入下关节T形轴15的空心结构中。

另外，为了增加摩擦力和摩擦力矩，在上关节外壳1上与关节台体7靠近的端面上，可以开有环形槽，用来配置1#环形摩擦垫9，1#环形摩擦垫9突出上关节外壳1右端面一定距离，使上关节外壳1右端面与关节台体7的左端面不直接接触，但允许相对转动。

同样的，下关节T形轴15位于下关节封盖15内，其上端面不与下关节封盖15的下端面直接接触，在上述两个端面之间的下关节封盖15上开设有一个环形槽，在环形槽中设有2#环形摩擦垫11，2#环形摩擦垫11突出下关节封盖15下端面一定距离，使下关节封盖15下端面与下关节T形轴12的上端面不直接接触。

同样地，下关节T形轴15与关节支承轴16不直接接触，在下关节T形轴15的下端面上与关节支承轴16靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有2#环形摩擦垫18，2#环形摩擦垫18突出下关节T形轴15端面一定距离。

同时，在关节台体7的下端面与下关节封盖15的上端面同样是通过环形摩擦垫相互连接接触。

并且，在密封螺栓19和下关节T形轴15之间设有3#O形密封圈12。在下关节T形轴15上安装有排气螺钉21，排气螺钉21与下关节T形轴之间设有5#O形密封圈20，螺钉孔与下关节T形轴15的空心相通，便于排出腔体中的空气，保证压力传输的稳定性。

本发明的工作原理是：本发明的下关节T形轴15部分通过液压方式锁紧。

当外部作用力垂直向下作用在推杆6上时，靠楔形面结构，这个力产生一个水平分力，推动上关节T形轴2向左运动，由于上关节T形轴2与关节台体7固联，则关节台体7的左端面产生正压力，紧压1#环形摩擦垫9，1#环形摩擦垫9的端面上产生摩擦力，以及基于上关节T形轴2的轴线的摩擦力矩。从而使上关节T形轴2与关节台体7之间没有相对运动，上关节锁定。推杆6向下的推力作用在上关节传力滑块3上，使上关节传力滑块3产生向下的位移，垂直向下挤压1#顶杆4、2#顶杆17。在2#顶杆17下端面的腔体内加入液压油，液压油从密封螺栓19处加入。当2#顶杆17因推力作用向下运动时，使腔体压缩，内部压力增大。液压油的压力作用在下关节T形轴15的上端面和下关节封盖14的下端面上，且为铅垂方向的作用力，该作用力作用在2#环形摩擦垫18上，产生相对于下关节T形轴15轴线的摩擦力矩，从而使下关节牢牢锁紧。

本发明在两个关节上不需要安装电机(电机在第三个关节上)，通过第三关节上的电机推动内部的一个与机械臂的第3关节相连的推杆，可以同时锁紧这两个转动关节，实现这两个关节的无电机或无电磁制动器的锁紧，使机械臂成为一个欠驱动的机械臂。并且本发明采用液压锁紧方式，锁紧力矩大，安全性高。本发明结构简单、关节轻便、关节灵活性好、锁紧后关节刚性好、定位精度高(关节锁紧后达到0间隙)、成本较低。因此，开发面向载荷较轻的服务机器人，特别是医疗外科手术机器人的欠驱动机械臂关节锁紧机构和一体式2自由度关节，可以实现4个关节(6个自由度，其中一个关节为球关节)的机械臂上只用一个电机，即一个电机完成了6自由度机械臂4个关节的锁定。在降低结构复杂度和成本的同时，提高了机械臂的定位精度和安全性，从而为研制外科手术定位的机械臂奠定了基础，同时，也为其它用途的机械臂的关节锁定的设计开发提供参考。

以上示意性的对本发明实施方式进行了阐述，该阐述没有局限性。附图中所示的也只是本发明的基本实施方式，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员或研究人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它类似拓扑结构、其它类似2自由度关节，或者只是改变杆件尺寸，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于包括关节台体、下关节T形轴和上关节T形轴，所述的关节台体成“L”形，在所述的上关节T形轴的下平面的上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳为中空结构，在上关节T形轴的杆部上套装上关节传力滑块，上关节传力滑块中间的圆孔直径大于上关节T形轴杆部的直径，上关节T形轴的杆部通过轴承安装在上关节外壳中，杆部从上关节外壳伸出与关节台体的一端螺纹连接，推杆的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，安装在上关节外壳上，在推杆的端部设有楔形面，与上关节T形轴的楔形面相配合；所述的下关节T形轴为杆部带外螺纹的空心轴，通过外螺纹连接在关节台体的另一端的下方，下关节T形轴的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，下关节T形轴的下端封装在下关节封盖中，下关节封盖与关节支承轴固联，下关节T形轴的下端与下关节封盖的接触面之间安装有密封圈；顶杆安装在下关节T形轴的空心结构中，顶杆的下端外周安装有密封圈，上端伸入上关节外壳，与上关节传力滑块接触，下关节T形轴的空心的底部安装有密封螺栓，所述的密封螺栓与顶杆的下端留有一定的距离。

2.根据权利要求1所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于所述的顶杆包括1#顶杆、2#顶杆和连接螺套，所述的连接螺套为中空结构，两端设有内螺纹，1#顶杆和2#顶杆分别连接在连接螺套的两端，1#顶杆的上端与上关节传力滑块接触，2#顶杆的下端外周安装有密封圈，套装在下关节T形轴的空心中，下端与密封螺栓留有一定距离。

3.根据权利要求1所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的上关节外壳上与关节台体靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出上关节外壳端面一定距离。

4.根据权利要求1所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的下关节T形轴的下端面上与关节支承轴靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出下关节T形轴端面一定距离。

5.根据权利要求1或3所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的关节台体上靠近下关节封盖的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出关节台体端面一定距离。

6.根据权利要求4所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的关节台体上靠近下关节封盖的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦垫突出关节台体端面一定距离。

7.根据权利要求1所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的密封螺栓和下关节T形轴之间设有密封圈。

8.根据权利要求1所述的基于液压的双平面摩擦2自由度关节，其特征在于在所述的下关节T形轴上安装有排气螺钉，排气螺钉与下关节T形轴之间设有密封圈，螺钉孔与下关节T形轴的空心相通。

Images