CN107116572B - 一种被动随动液压机器人回转关节 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种被动随动液压机器人回转关节，包括液压转角自伺服柔顺随动机构和与前关节连接的回转传动机构，所述的液压转角自伺服柔顺随动机构包括缸体（2）、阀套（3）、阀芯（16）、阀体（13）、左端盖（1）和右端盖（12），所述的回转传动机构包括托盘（11）、稳定环（4）、随动盘（5）、前关节力矩传递盘（7）和稳定支撑轮机构（9）；本发明公开的被动随动液压机器人回转关节具有随动特性和多级柔顺度，在遭遇意外碰撞时能快速切换到低刚度模式，使整个机构脱离危险，危险解除后再回到高刚度模式，该机构具有人机物理接触被动柔顺安全性。

Description

一种被动随动液压机器人回转关节
技术领域
本发明属于机器人关节技术领域，具体涉及一种被动随动液压机器人回转关节。
背景技术
液压转角伺服技术是将液压与电机技术相结合，利用各自的优点，用电机的小力矩直接驱动阀芯使阀口打开，让高压油作用在阀体上，进而得到大输出力矩。液压转角自伺服阀是液压控制系统中的核心元件，其具有精度高、反应快的特点，在高精度的机电一体化系统、航空航天机载驱动系统、大型试验设备中有着广泛的应用，因而得到国内外科技人员的关注。
人机物理接触安全性会成为交互机器人的必备特性，目前人机物理接触力超限抑制以力传感器主动脱离接触为主，而主动控制不能第一时间对碰撞接触力进行抑制，现有被动柔顺臂不具有被动随动特性，使得对碰撞接触力第一时间抑制效果也不佳，没法兼顾安全性和运动性能；因此，有必要设计一种兼顾被动与随动特性的液压机器人回转关节来提高液压机器人关节对碰撞接触力第一时间抑制效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种被动随动液压机器人回转关节，包括液压转角自伺服柔顺随动机构和与前关节连接的回转传动机构，其特征在于：所述的液压转角自伺服柔顺随动机构包括缸体2、阀套3、阀芯16、阀体13、左端盖1和右端盖12，所述的左端盖1和右端盖12分别安装设置在缸体2的左右两端，阀体13同中心地安装在缸体圆柱形空腔28内，阀体13的右端输出轴伸出右端盖12，所述的阀芯16右端为阀芯力矩传递轴66，阀芯力矩传递轴66向右延伸穿过阀体13右端；
所述的回转传动机构包括托盘11、稳定环4、随动盘5、前关节力矩传递盘7和稳定支撑轮机构9，所述的托盘11和稳定环4组成托盘机构，托盘机构同中心地安装在阀体13右端输出轴外侧止口上，随动盘5同中心地安装在阀体13右端的输出轴上，随动盘5和托盘机构之间同中心地装有推力球轴承10，随动盘5右端同中心地装有两个深沟球轴承6，阀体13右端端部装有固定螺母8，阀芯16右端同中心地装有前关节力矩传递盘7，前关节力矩传递盘7上中心对称地装有四个稳定支撑轮机构9，四个稳定支撑轮机构9的稳定轮分别安装于开设在稳定环4上的四个稳定槽内；
所述托盘11和稳定环4通过螺钉连接，托盘机构、推力球轴承10、随动盘5和深沟球轴承6轴向通过阀体13输出轴上的轴肩和阀体13右端端部的固定螺母8固定，托盘机构周向通过托盘凸止口56与阀体13输出轴上的阀体凹止口33配合固定，前关节力矩传递盘7凹止口与阀芯16的凸止口56过渡配合，稳定支撑轮机构9通过螺栓固定在前关节力矩传递盘上；
所述阀体13同中心地安装在缸体圆柱形空腔28内，阀体13左右两端同中心地装有两个深沟球轴承15，左端深沟球轴承同中心地固定在缸体左轴承槽25内，右端深沟球轴承同中心地固定在缸体右轴承槽29内；
所述缸体2内壁的正上部装有固定挡块18，固定挡块18与阀体13为动配合；阀体圆柱形空腔34的外壁设有叶片22，叶片22与缸体2为动配合；
所述阀套3同中心地安装在阀体圆柱形空腔34内，阀套3的左端面与阀体13的左端面通过圆柱销固定在一起，阀芯16右端穿过阀套3同中心地安装在阀体圆柱形空腔34内，阀芯16左端和右端分别装有两个推力球轴承14；
所述左端盖1的上方和下方对应的设有左端盖低压油通道63和左端盖高压油通道24，左端盖低压油通道63的出口为低压油出口T，左端盖高压油通道24的入口为高压油入口P，左端盖低压油通道63圆心和左端盖高压油通道24的圆心与左端盖1圆心连线的夹角为150°；
所述缸体2上部沿径向方向设有缸体第一低压油通道26，沿轴向方向设有缸体第二低压油通道27，缸体第一低压油通道26和缸体第二低压油通道27相通，缸体第二低压油通道27与左端盖低压油通道63相通；缸体2的下部沿轴向方向设有缸体高压油通道21，缸体高压油通道21与左端盖高压油通道24相通；
所述缸体第一低压油通道26的入口与缸体低压油环形槽32相通，缸体低压油环形槽32与阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23相通，第一径向低压油通道上下两个部分与阀套左T口40相通，阀套左T口40与阀芯第一环状凸台上48的矩形槽相通，阀芯第一环状凸台48上的矩形槽与阀套左A口41相通，阀套左A口41通过阀体的第一矩形阀口38与对应的第一工作腔54相通；
所述缸体第二低压油通道27的入口与阀体低压油环形槽37相通，阀体低压油环形槽37与阀体第二低压油通道19相通，阀体第二低压油通道19与阀套右T口47相通，阀套右T口47与阀芯16的第四环状凸台51上的矩形槽相通，阀芯16的第四环状凸台51上的矩形槽与阀套右B口46相通，阀套右B口46通过阀体13的第二矩形阀口39与对应的第二工作腔55相通；
所述缸体高压油通道21的出口与阀体高压油环形槽36相通，阀体高压油环形槽36与阀体折线形高压油通道20相通，阀体折线形高压油通道20与阀套左P口43和阀套右P口44分别相通，阀套左P口43与阀芯第二环状凸台49上的矩形槽相通，阀芯第二环状凸台49上的矩形槽与阀套右A口42相通，阀套右A口42通过阀体第一矩形阀口38与对应的第一工作腔54相通；
所述阀套右P口44与阀芯第三环状凸台50上的矩形槽相通，阀芯第三环状凸台50上的矩形槽与阀套左B口45相通，阀套左B口45通过阀体的第二矩形阀口39与对应的第二工作腔55相通；
所述阀体13自左到右依次由空心圆柱体、叶片22、圆柱体凸台和阀体输出轴组成；圆柱体的外径与缸体圆形孔31内径的名义尺寸相同，圆柱体内部开有阀体圆柱形空腔34和阀体轴承槽35，阀体圆柱形空腔34内径与阀套3外径的名义尺寸相同，阀体圆柱形空腔34左端开有两个尺寸相同的半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°分布，圆柱体的左端圆柱面开有两个阀体密封槽，缸体低压油环形槽32在阀体13左端的两个密封槽之间，密封槽之间设有阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23；
所述圆柱体的外壁下方设有叶片22，叶片22长度为缸体圆柱形空腔28的长度与阀体13的圆柱体凸台的长度之差，叶片22的上下弧面差为缸体圆柱形空腔28的内径与阀体13的圆柱体外径差的一半；叶片22的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与叶片22的长度相等，条状密封槽嵌有叶片密封条；
所述圆柱体凸台的外径与缸体圆柱形空腔28内径的名义尺寸相同，圆柱体凸台的圆柱面开有三个阀体密封槽，左侧和中间的阀体密封槽间开有阀体低压油环形槽37和阀体第二低压油通道19，中间和右侧的阀体密封槽间开有阀体高压油环形槽36和阀体折线型高压油通道20；
靠近圆柱体凸台的空心圆柱体上设有第二矩形阀口39，在靠近左侧阀体密封槽的空心圆柱体上设有第一矩形阀口38，第一矩形阀口38和第二矩形阀口39尺寸相同；
所述阀体折线型高压油通道20口的素线位于第二矩形阀口39中心的素线和第一矩形阀口38中心的素线的正中间，第二矩形阀口39中心的素线和第一矩形阀口38中心的素线的夹角为θ，其大小为
式(1)中：b1为叶片内壁的弧长；b2为矩形阀口在空心圆柱体上的弧长；r为空心圆柱体的外径；
阀体13内部同中心地设有通孔，通孔直径略大于阀芯力矩传递轴66直径，通孔左端与阀体轴承槽35相通，输出轴右端外壁中心对称地设有两个阀体凹止口33，阀体13右端通孔内侧开设有内螺纹，与螺母8上外螺纹旋合连接。
所述阀芯16自左到右设有圆柱体、第一环状凸台48、第二环状凸台49、第三环状凸台50、第四环状凸台51，第五环状凸台52和阀芯力矩传递轴66，第一环状凸台48、第二环状凸台49、第三环状凸台50和第四环状凸台51的右侧边分别开有两个尺寸相同的矩形槽，两个矩形槽呈180°分布，每两个矩形槽位于各自的同一个圆周线上；第一环状凸台48的两个矩形槽中心线和第三环状凸台50的两个矩形槽中心线分别轴心对称的位于两条素线上，第二环状凸台49的两个矩形槽中心线和第四环状凸台51的两个矩形槽中心线分别位于轴心对称的另两条素线上，每条素线相差90°；
所述阀芯16左端圆柱体直径等于推力球轴承14的内径，略小于左端盖1中心孔的直径，阀芯16右端为阀芯力矩传递轴66，阀芯力矩传递轴66直径略小于阀体13右端通孔的直径，阀芯力矩传递轴66右端末端设有凸止口53；
所述阀套3由六个环状凸台和五个凹槽组成，环状凸台和凹槽交替布置；阀套左端环状凸台开有两个半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°布置；第一个凹槽和第五个凹槽上分别开有两个矩形口，两个矩形口呈180°布置，第一个凹槽上的两个矩形口为阀套左T口40，第五个凹槽上的两个矩形口为阀套右T口47；阀套3中间的三个凹槽的左边和右边分别开有一组矩形口，每组矩形口由两个相互呈180°布置的矩形口组成；五个凹槽上的矩形口尺寸相同，五个凹槽上的矩形口中心线均位于各自对应的同一素线上，五个凹槽上的矩形口的尺寸与阀芯16上四个凸台的矩形槽尺寸相同；
阀套3中间三个凹槽上左边的每组矩形口的左侧面与相邻环状凸台的右侧面为同一平面，中间三个凹槽上的右边的每组矩形口的右侧面与相邻环状凸台的左侧面为同一平面；阀套3中间的六组矩形口从左到右依次为阀套左A口41、阀套右A口42、阀套左P口43、阀套右P口44、阀套左B口45和阀套右B口46。
所述固定挡块18分为固定挡块上部弧形挡片和固定挡块下部弧形锥台状挡块两个部分，固定挡块上部的轴向长度为缸体圆柱形空腔28的长度与阀体13圆柱形凸台的长度之差，固定挡块下部弧形锥台的上下弧面差为缸体2外径与阀体13圆柱体外径差的一半；固定挡块18的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与固定挡块18的长度相等，条状密封槽嵌有挡块密封条。
所述右端盖12盖体中心圆孔两侧径向对称开设有环状密封条槽57，环状密封条槽57内嵌有环状密封条。
所述托盘机构由圆盘形托盘11和稳定环4通过螺栓连接组成，托盘11中心开设通孔，通孔上对称地设有两个托盘凸止口56，托盘凸止口56与阀体13输出轴上的凹止口33位置相对应，稳定环4右端设有周向等距对称开设的四个轮槽64和周向等距对称开设的四个挡块65，每个挡块64与相邻的轮槽65呈45°角间隔布置。
所述随动盘5为阶梯形圆柱体，随动盘5内部分为三个圆柱腔体，左端腔体、中部第一圆柱形空腔58和右端第二圆柱形空腔59，第一圆柱形空腔58的直径与深沟球轴承6的外壁周向直径相同，第一圆柱形空腔58的长度等于两个深沟球轴承6的长度，第二圆柱形空腔59的直径大于第一圆柱形空腔58的直径，第二圆柱形空腔59的长度为第一圆柱形空腔58右端到前关节力矩传递盘7左端的距离。
所述前关节力矩传递盘7为圆盘形，圆盘中心开设有凹止口，前关节力矩传递盘7周向中心对称地开有四对螺栓孔和四个凹止口，每队螺栓孔对称分布在一个凹止口两侧。
所述稳定支撑轮机构9包括支撑轮60、支撑板61和弹簧62，所述的支撑轮60包括左侧滑轮、中段滑杆和右端凸止口，支撑轮60上左侧滑轮的直径与稳定环4上轮槽直径相同，支撑轮60中段滑杆上套设有弹簧62，所述支撑板61中部开孔套设在支撑轮60中段滑杆上，支撑板61两端对称开设有螺栓孔，支撑轮60右端凸止口与前关节力矩传递盘7上凹止口尺寸相同，止口之间采用间隙配合，支撑板61上的螺栓孔与前关节力矩传递盘7上对应的凹止口两侧的螺栓孔相配合。
采用上述技术方案，当前关节力矩传递盘7端的力传递到关节上超过安全指标时，连接阀芯16的稳定支撑轮机构9与连接阀体13右端输出轴的托盘机构上的稳定环4分离，前关节力矩传递盘7带动阀芯16转动，由于自伺服机理，阀芯16的传动力传递给阀体13，使得阀体13的输出轴被动跟随运动，从而使机构向降低冲击力的方向运动。
装置总高压油进口P通过左端盖高压油通道24进入缸体高压油通道，然后进入阀体高压油环形槽36，再进入阀体折线形高压油通道20，最后进入阀套左P口43和阀套右P口44。
当阀芯16相对于阀套3逆时针旋转时，高压油由阀套左P口43进入阀芯16的第二环状凸台48上的矩形槽，接着进入阀套右A口42，最后通过阀体13的第一矩形阀口38进入第一工作腔54，推动叶片22逆时针旋转，使阀体13跟随阀芯16运动，第二工作腔55的低压油则通过阀体13的第二矩形阀口39进入阀套右B口46，再进入阀芯16的第四环状凸台上51的矩形槽，最后进入阀套右T口52。
当阀芯16相对于阀套3顺时针旋转时，高压油由阀套右P口44进入阀芯16的第三环状凸台50上的矩形槽，接着进入阀套左B口45，最后通过阀体13的第二矩形阀口39进入第二工作腔55，推动叶片22顺时针旋转，使阀体13跟随阀芯16运动，第一工作腔54的低压油则通过阀体13的第一矩形阀口38进入阀套左A口41，再进入阀芯16的第一环状凸台上48的矩形槽，最后进入阀套左T口40。
阀套左T口40的低压油通过阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23进入缸体低压油环形槽32，再进入缸体第一低压油通道26，再经过左端盖低压油通道63进入低压油出口T逐步回流；阀套右T口47的低压油则通过阀体第二低压通道19进入阀体低压油环形槽37，再经过缸体第二低压油通道27进入左端盖低压油道63，最后通过低压油出口T逐步回流。
当阀套左A口41与第一工作腔54相通时，阀套左B口45则与第二工作腔55相通，阀套右A口42和阀套右B口46则与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通；当阀套右A口42与第一工作腔54相通时，阀套右B口46与第二工作腔相通55，阀套左A口42和阀套左B口45则与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通。除上述情况外，阀套阀口与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通。
当冲击力消失后机构又恢复到稳定支撑状态。
在传统的工业应用中，机器人一般进行装配、喷漆和弧焊等作业，需要研究的物理接触较少，人们主要关注机器人的位置控制问题。但随着机器人应用范围的拓展，涉及与环境间的物理接触越来越多，问题也越来越突出。现有人机物理交互对接触力超限抑制以力传感器检测，主动脱离接触为主，而有些碰撞接触在主动控制还没来得及反应前，碰撞的不利后果已经形成，这就需要能在碰撞第一时间对碰撞接触力进行抑制；现有研究没有将关节柔顺性和被动随动特性结合来对碰撞接触力进行抑制，同时机器人关节对碰撞接触力抑制效果不佳。
与现有技术相比，本发明公开的被动随动液压机器人回转关节具有随动特性和多级柔顺度，在遭遇意外碰撞时能快速切换到低刚度模式，使整个机构脱离危险，危险解除后再回到高刚度模式，该机构具有人机物理接触被动柔顺安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是左端盖的左视图；
图4是图3的B-B剖面示意图；
图5是缸体的左视图；
图6是图5的C-C剖面示意图；
图7是阀体的左视图；
图8是图7的D-D剖面示意图；
图9是阀体的主视图；
图10是阀体的仰视图；
图11是阀套的俯视图；
图12是图11的E-E剖面示意图；
图13是阀芯的俯视图；
图14是图13的F-F剖面示意图；
图15是图1的G-G剖面示意图；
图16是图1的H-H剖面示意图；
图17是托盘的左视图；
图18是图17的I-I剖面示意图；
图19是稳定环的一种立体结构示意图；
图20是右端盖的左视图；
图21是图20的J-J剖面示意图；
图22是随动环的右视图；
图23是图22的K-K剖面示意图；
图24是前关节力矩传递盘的一种立体结构试图；
图25是稳定支撑轮机构的结构示意图：
图26是图25的L-L剖面示意图；
其中：左端盖1，缸体2，阀套3，稳定环4，随动盘5，深沟球轴承6，前关节力矩传递盘7，固定螺母8，稳定支撑轮机构9，推力球轴承10，托盘11，右端盖12，阀体13，推力球轴承14，深沟球轴承15，阀芯16，阀体上第一低压油通道17，固定挡块18，阀体第二低压油通道19，阀体折线形高压油通道20，缸体高压油通道21，叶片22，阀体下第一低压油通道23，左端盖高压油通道24，缸体左轴承槽25，缸体第一低压油通道26，缸体第二低压油通道27，缸体圆柱形空腔28，缸体右轴承槽29，缸体圆形孔31，缸体低压油环形槽32，阀体凹止口33，阀体圆柱形空腔34，阀体轴承槽35，阀体高压油环形槽36，阀体低压油环形槽37，第一矩形阀口38，第二矩形阀口39，阀套左T口40，阀套左A口41，阀套右A口42，阀套左P口43，阀套右P口44，阀套左B口45，阀套右B口46，阀套右T口47，第一环状凸台48，第二环状凸台49，第三环状凸台50，第四环状凸台51，第五环状凸台52，阀芯凸止口53，第一工作腔54，第二工作腔55，托盘凸止口56，环状密封条槽57，第一圆柱形空腔58，第二圆柱形空腔59，支撑板60，支撑轮61，弹簧62，左端盖低压油通道63，轮槽64，挡块65，阀芯力矩传递轴66。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-2所示，一种被动随动液压机器人回转关节，包括液压转角自伺服柔顺随动机构和与前关节连接的回转传动机构，其特征在于：所述的液压转角自伺服柔顺随动机构包括缸体2、阀套3、阀芯16、阀体13、左端盖1和右端盖12，所述的左端盖1和右端盖12分别安装设置在缸体2的左右两端，阀体13同中心地安装在缸体圆柱形空腔28内，阀体13的右端输出轴伸出右端盖12，所述的阀芯16右端为阀芯力矩传递轴66，阀芯力矩传递轴66向右延伸穿过阀体13右端；
所述的回转传动机构包括托盘11、稳定环4、随动盘5、前关节力矩传递盘7和稳定支撑轮机构9，所述的托盘11和稳定环4组成托盘机构，托盘机构同中心地安装在阀体13右端输出轴外侧止口上，随动盘5同中心地安装在阀体13右端的输出轴上，随动盘5和托盘机构之间同中心地装有推力球轴承10，随动盘5右端同中心地装有两个深沟球轴承6，阀体13右端端部装有固定螺母8，阀芯16右端同中心地装有前关节力矩传递盘7，前关节力矩传递盘7上中心对称地装有四个稳定支撑轮机构9，四个稳定支撑轮机构9的稳定轮分别安装于开设在稳定环4上的四个稳定槽内。
如图1所示，所述托盘11和稳定环4通过螺钉连接，托盘机构、推力球轴承10、随动盘5和深沟球轴承6轴向通过阀体13输出轴上的轴肩和阀体13右端端部的固定螺母8固定，托盘机构周向通过托盘凸止口56与阀体13输出轴上的阀体凹止口33配合固定，前关节力矩传递盘7凹止口与阀芯凸止口53过渡配合，稳定支撑轮机构9通过螺栓固定在前关节力矩传递盘上。
如图2所示，阀体13同中心地安装在缸体圆柱形空腔28内，阀体13左右两端同中心地装有两个深沟球轴承15，左端深沟球轴承同中心地固定在缸体左轴承槽25内，右端深沟球轴承同中心地固定在缸体右轴承槽29内；缸体2内壁的正上部装有固定挡块18，固定挡块18与阀体13为动配合；阀体圆柱形空腔34的外壁设有叶片22，叶片22与缸体2为动配合；阀套3同中心地安装在阀体圆柱形空腔34内，阀套3的左端面与阀体13的左端面通过圆柱销固定在一起，阀芯16右端穿过阀套3同中心地安装在阀体圆柱形空腔34内，阀芯16左端和右端分别装有两个推力球轴承14。
如图2、图4和图6所示，左端盖1的上方和下方对应的设有左端盖低压油通道63和左端盖高压油通道24，左端盖低压油通道63的出口为低压油出口T，左端盖高压油通道24的入口为高压油入口P，左端盖低压油通道63圆心和左端盖高压油通道24的圆心与左端盖1圆心连线的夹角为150°。
如图2-16所示，缸体2的上部沿径向方向设有缸体第一低压油通道26，沿轴向方向设有缸体第二低压油通道27，缸体第一低压油通道26和缸体第二低压油通道27相通，缸体第二低压油通道27与左端盖低压油通道63相通；缸体2的下部沿轴向方向设有缸体高压油通道21，缸体高压油通道21与左端盖高压油通道24相通。
如图2-16所示，缸体第一低压油通道26的入口与缸体低压油环形槽32相通，缸体低压油环形槽32与阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23相通，第一径向低压油通道上下两个部分与阀套左T口40相通，阀套左T口40与阀芯第一环状凸台上48的矩形槽相通，阀芯第一环状凸台48上的矩形槽与阀套左A口41相通，阀套左A口41通过阀体的第一矩形阀口38与对应的第一工作腔54相通。
如图2-16所示，缸体第二低压油通道27的入口与阀体低压油环形槽37相通，阀体低压油环形槽37与阀体第二低压油通道19相通，阀体第二低压油通道19与阀套右T口47相通，阀套右T口47与阀芯16的第四环状凸台51上的矩形槽相通，阀芯16的第四环状凸台51上的矩形槽与阀套右B口46相通，阀套右B口46通过阀体13的第二矩形阀口39与对应的第二工作腔55相通。
如图2-16所示，缸体高压油通道21的出口与阀体高压油环形槽36相通，阀体高压油环形槽36与阀体折线形高压油通道20相通，阀体折线形高压油通道20与阀套左P口43和阀套右P口44分别相通，阀套左P口43与阀芯第二环状凸台49上的矩形槽相通，阀芯第二环状凸台49上的矩形槽与阀套右A口42相通，阀套右A口42通过阀体第一矩形阀口38与对应的第一工作腔54相通。
如图11和图13所示，阀套右P口44与阀芯第三环状凸台50上的矩形槽相通，阀芯第三环状凸台50上的矩形槽与阀套左B口45相通，阀套左B口45通过阀体的第二矩形阀口39与对应的第二工作腔55相通。
如图9所示，阀体13自左到右依次由空心圆柱体、叶片22、圆柱体凸台和阀体输出轴组成；圆柱体的外径与缸体圆形孔31内径的名义尺寸相同，圆柱体内部开有阀体圆柱形空腔34和阀体轴承槽35，阀体圆柱形空腔34内径与阀套3外径的名义尺寸相同，阀体圆柱形空腔34左端开有两个尺寸相同的半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°分布，圆柱体的左端圆柱面开有两个阀体密封槽，缸体低压油环形槽32在阀体13左端的两个密封槽之间，密封槽之间设有阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23；
圆柱体的外壁下方设有叶片22，叶片22长度为缸体圆柱形空腔28的长度与阀体13的圆柱体凸台的长度之差，叶片22的上下弧面差为缸体圆柱形空腔28的内径与阀体13的圆柱体外径差的一半；叶片22的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与叶片22的长度相等，条状密封槽嵌有叶片密封条；
圆柱体凸台的外径与缸体圆柱形空腔28内径的名义尺寸相同，圆柱体凸台的圆柱面开有三个阀体密封槽，左侧和中间的阀体密封槽间开有阀体低压油环形槽37和阀体第二低压油通道19，中间和右侧的阀体密封槽间开有阀体高压油环形槽36和阀体折线型高压油通道20；
靠近圆柱体凸台的空心圆柱体上设有第二矩形阀口39，在靠近左侧阀体密封槽的空心圆柱体上设有第一矩形阀口38，第一矩形阀口38和第二矩形阀口39尺寸相同；
阀体折线型高压油通道20口的素线位于第二矩形阀口39中心的素线和第一矩形阀口38中心的素线的正中间，第二矩形阀口39中心的素线和第一矩形阀口38中心的素线的夹角为θ，其大小为
式(1)中：b1为叶片内壁的弧长；b2为矩形阀口在空心圆柱体上的弧长；r为空心圆柱体的外径；
阀体13内部同中心地设有通孔，通孔直径略大于阀芯力矩传递轴66直径，通孔左端与阀体轴承槽35相通，输出轴右端外壁中心对称地设有两个阀体凹止口33。
如图8所示，阀体13内部同中心地设有通孔，通孔直径略大于阀芯力矩传递轴66，通孔左端与阀体轴承槽35相通，输出轴右端外壁中心对称地设有两个阀体凹止口33，阀体13右端通孔内侧开设有内螺纹，螺母8内部中空，与阀芯力矩传递轴66间隙配合，螺母外部螺纹与阀体13内侧螺纹旋合连接，使得螺母8固定在阀体13右侧端，通过螺母外侧端头对安装在阀体13外侧壁的轴承和随动盘等进行轴向限位。
如图13和图14所示，阀芯16自左到右设有圆柱体、第一环状凸台48、第二环状凸台49、第三环状凸台50、第四环状凸台51，第五环状凸台52和阀芯力矩传递轴66，第一环状凸台48、第二环状凸台49、第三环状凸台50和第四环状凸台51的右侧边分别开有两个尺寸相同的矩形槽，两个矩形槽呈180°分布，每两个矩形槽位于各自的同一个圆周线上；第一环状凸台48的两个矩形槽中心线和第三环状凸台50的两个矩形槽中心线分别轴心对称的位于两条素线上，第二环状凸台49的两个矩形槽中心线和第四环状凸台51的两个矩形槽中心线分别位于轴心对称的另两条素线上，每条素线相差90°；
阀芯16左端圆柱体直径等于推力球轴承14的内径，略小于左端盖1中心孔的直径，阀芯16右端为阀芯力矩传递轴66，阀芯力矩传递轴66直径略小于阀体13右端通孔的直径，阀芯力矩传递轴66右端末端设有凸止口53。
如图11和图12所示，阀套3由六个环状凸台和五个凹槽组成，环状凸台和凹槽交替布置；阀套左端环状凸台开有两个半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°布置；第一个凹槽和第五个凹槽上分别开有两个矩形口，两个矩形口呈180°布置，第一个凹槽上的两个矩形口为阀套左T口40，第五个凹槽上的两个矩形口为阀套右T口47；阀套3中间的三个凹槽的左边和右边分别开有一组矩形口，每组矩形口由两个相互呈180°布置的矩形口组成；五个凹槽上的矩形口尺寸相同，五个凹槽上的矩形口中心线均位于各自对应的同一素线上，五个凹槽上的矩形口的尺寸与阀芯16上四个凸台的矩形槽尺寸相同；
阀套3中间三个凹槽上左边的每组矩形口的左侧面与相邻环状凸台的右侧面为同一平面，中间三个凹槽上的右边的每组矩形口的右侧面与相邻环状凸台的左侧面为同一平面；阀套3中间的六组矩形口从左到右依次为阀套左A口41、阀套右A口42、阀套左P口43、阀套右P口44、阀套左B口45和阀套右B口46。
如图2和图15所示，固定挡块18分为固定挡块上部弧形挡片和固定挡块下部弧形锥台状挡块两个部分，固定挡块上部的轴向长度为缸体圆柱形空腔28的长度与阀体13圆柱形凸台的长度之差，固定挡块下部弧形锥台的上下弧面差为缸体2外径与阀体13圆柱体外径差的一半；固定挡块18的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与固定挡块18的长度相等，条状密封槽嵌有挡块密封条。
如图1、图20和图21所示，右端盖12盖体中心圆孔两侧径向对称开设有环状密封条槽57，环状密封条槽57内嵌有环状密封条。
如图1、图17、图18和图19所示，托盘机构由圆盘形托盘11和稳定环4通过螺栓连接组成，托盘11中心开设通孔，通孔上对称地设有两个托盘凸止口56，托盘凸止口56与阀体13输出轴上的凹止口33位置相对应，稳定环4右端设有周向等距对称开设的四个轮槽64和周向等距对称开设的四个挡块65，每个挡块64与相邻的轮槽65呈45°角间隔布置。
如图22和图23所示，随动盘5为阶梯形圆柱体，随动盘5内部分为三个圆柱腔体，左端腔体、中部第一圆柱形空腔58和右端第二圆柱形空腔59，第一圆柱形空腔58的直径与深沟球轴承6的外壁周向直径相同，第一圆柱形空腔58的长度等于两个深沟球轴承6的长度，第二圆柱形空腔59的直径大于第一圆柱形空腔58的直径，第二圆柱形空腔59的长度为第一圆柱形空腔58右端到前关节力矩传递盘7左端的距离。
如图24所示，前关节力矩传递盘7为圆盘形，圆盘中心开设有凹止口，前关节力矩传递盘7周向中心对称地开有四对螺栓孔和四个凹止口，每队螺栓孔对称分布在一个凹止口两侧。
如图25和图26所示，稳定支撑轮机构9包括支撑轮60、支撑板61和弹簧62，所述的支撑轮60包括左侧滑轮、中段滑杆和右端凸止口，支撑轮60上左侧滑轮的直径与稳定环4上轮槽直径相同，支撑轮60中段滑杆上套设有弹簧62，所述支撑板61中部开孔套设在支撑轮60中段滑杆上，支撑板61两端对称开设有螺栓孔，支撑轮60右端凸止口与前关节力矩传递盘7上凹止口尺寸相同，止口之间采用间隙配合，支撑板61上的螺栓孔与前关节力矩传递盘7上对应的凹止口两侧的螺栓孔相配合。
采用上述技术方案，当前关节力矩传递盘7端的力传递到关节上超过安全指标时，连接阀芯16的稳定支撑轮机构9与连接阀体13右端输出轴的托盘机构上的稳定环4分离，前关节力矩传递盘7带动阀芯16转动，由于自伺服机理，阀芯16的传动力传递给阀体13，使得阀体13的输出轴被动跟随运动，从而使机构向降低冲击力的方向运动。
装置总高压油进口P通过左端盖高压油通道24进入缸体高压油通道，然后进入阀体高压油环形槽36，再进入阀体折线形高压油通道20，最后进入阀套左P口43和阀套右P口44。
当阀芯16相对于阀套3逆时针旋转时，高压油由阀套左P口43进入阀芯16的第二环状凸台48上的矩形槽，接着进入阀套右A口42，最后通过阀体13的第一矩形阀口38进入第一工作腔54，推动叶片22逆时针旋转，使阀体13跟随阀芯16运动，第二工作腔55的低压油则通过阀体13的第二矩形阀口39进入阀套右B口46，再进入阀芯16的第四环状凸台上51的矩形槽，最后进入阀套右T口52。
当阀芯16相对于阀套3顺时针旋转时，高压油由阀套右P口44进入阀芯16的第三环状凸台50上的矩形槽，接着进入阀套左B口45，最后通过阀体13的第二矩形阀口39进入第二工作腔55，推动叶片22顺时针旋转，使阀体13跟随阀芯16运动，第一工作腔54的低压油则通过阀体13的第一矩形阀口38进入阀套左A口41，再进入阀芯16的第一环状凸台上48的矩形槽，最后进入阀套左T口40。
阀套左T口40的低压油通过阀体上第一低压油通道17和阀体下第一低压油通道23进入缸体低压油环形槽32，再进入缸体第一低压油通道26，再经过左端盖低压油通道63进入低压油出口T逐步回流；阀套右T口47的低压油则通过阀体第二低压通道19进入阀体低压油环形槽37，再经过缸体第二低压油通道27进入左端盖低压油道63，最后通过低压油出口T逐步回流。
当阀套左A口41与第一工作腔54相通时，阀套左B口45则与第二工作腔55相通，阀套右A口42和阀套右B口46则与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通；当阀套右A口42与第一工作腔54相通时，阀套右B口46与第二工作腔相通55，阀套左A口42和阀套左B口45则与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通。除上述情况外，阀套阀口与第一工作腔54和第二工作腔55均不相通。
当冲击力消失后机构又恢复到稳定支撑状态。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种被动随动液压机器人回转关节，包括液压转角自伺服柔顺随动机构和与前关节连接的回转传动机构，其特征在于：所述的液压转角自伺服柔顺随动机构包括缸体(2)、阀套(3)、阀芯(16)、阀体(13)、左端盖(1)和右端盖(12)，所述的左端盖(1)和右端盖(12)分别安装设置在缸体(2)的左右两端，阀体(13)同中心地安装在缸体圆柱形空腔(28)内，阀体(13)的右端输出轴伸出右端盖(12)，所述的阀芯(16)右端为阀芯力矩传递轴(66)，阀芯力矩传递轴(66)向右延伸穿过阀体(13)右端；
所述的回转传动机构包括托盘(11)、稳定环(4)、随动盘(5)、前关节力矩传递盘(7)和稳定支撑轮机构(9)，所述的托盘(11)和稳定环(4)组成托盘机构，托盘机构同中心地安装在阀体(13)右端输出轴外侧止口上，随动盘(5)同中心地安装在阀体(13)右端的输出轴上，随动盘(5)和托盘机构之间同中心地装有推力球轴承(10)，随动盘(5)右端同中心地装有两个深沟球轴承(6)，阀体(13)右端端部装有固定螺母(8)，阀芯(16)右端同中心地装有前关节力矩传递盘(7)，前关节力矩传递盘(7)上中心对称地装有四个稳定支撑轮机构(9)，四个稳定支撑轮机构(9)的稳定轮分别安装于开设在稳定环(4)上的四个稳定槽内。
2.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述托盘(11)和稳定环(4)通过螺钉连接，托盘机构、推力球轴承(10)、随动盘(5)和深沟球轴承(6)轴向通过阀体(13)输出轴上的轴肩和阀体(13)右端端部的固定螺母(8)固定，托盘机构周向通过托盘凸止口(56)与阀体(13)输出轴上的阀体凹止口(33)配合固定，前关节力矩传递盘(7)凹止口与阀芯(16)的凸止口(56)过渡配合，稳定支撑轮机构(9)通过螺栓固定在前关节力矩传递盘上。
3.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述阀体(13)同中心地安装在缸体圆柱形空腔(28)内，阀体(13)左右两端同中心地装有两个深沟球轴承(15)，左端深沟球轴承同中心地固定在缸体左轴承槽(25)内，右端深沟球轴承同中心地固定在缸体右轴承槽(29)内；
所述缸体(2)内壁的正上部装有固定挡块(18)，固定挡块(18)与阀体(13)为动配合；阀体圆柱形空腔(34)的外壁设有叶片(22)，叶片(22)与缸体(2)为动配合；
所述的阀套(3)同中心地安装在阀体圆柱形空腔(34)内，阀套(3)的左端面与阀体(13)的左端面通过圆柱销固定在一起，阀芯(16)右端穿过阀套(3)同中心地安装在阀体圆柱形空腔(34)内，阀芯(16)左端和右端分别装有两个推力球轴承(14)；
所述左端盖(1)的上方和下方对应的设有左端盖低压油通道(63)和左端盖高压油通道(24)，左端盖低压油通道(63)的出口为低压油出口T，左端盖高压油通道(24)的入口为高压油入口P，左端盖低压油通道(63)圆心和左端盖高压油通道(24)的圆心与左端盖(1)圆心连线的夹角为150°；
所述的左端盖(1)的上方和下方对应的设有左端盖低压油通道(63)和左端盖高压油通道(24)，左端盖低压油通道(63)的出口为低压油出口T，左端盖高压油通道(24)的入口为高压油入口P，左端盖低压油通道(63)圆心和左端盖高压油通道(24)的圆心与左端盖(1)圆心连线的夹角为150°；
所述的缸体(2)的上部沿径向方向设有缸体第一低压油通道(26)，沿轴向方向设有缸体第二低压油通道(27)，缸体第一低压油通道(26)和缸体第二低压油通道(27)相通，缸体第二低压油通道(27)与左端盖低压油通道(63)相通；缸体(2)的下部沿轴向方向设有缸体高压油通道(21)，缸体高压油通道(21)与左端盖高压油通道(24)相通；
缸体第一低压油通道(26)的入口与缸体低压油环形槽(32)相通，缸体低压油环形槽(32)与阀体上第一低压油通道(17)和阀体下第一低压油通道(23)相通，第一径向低压油通道上下两个部分与阀套左T口(40)相通，阀套左T口(40)与阀芯第一环状凸台上(48)的矩形槽相通，阀芯第一环状凸台(48)上的矩形槽与阀套左A口(41)相通，阀套左A口(41)通过阀体的第一矩形阀口(38)与对应的第一工作腔(54)相通；
缸体第二低压油通道(27)的入口与阀体低压油环形槽(37)相通，阀体低压油环形槽(37)与阀体第二低压油通道(19)相通，阀体第二低压油通道(19)与阀套右T口(47)相通，阀套右T口(47)与阀芯(16)的第四环状凸台(51)上的矩形槽相通，阀芯(16)的第四环状凸台(51)上的矩形槽与阀套右B口(46)相通，阀套右B口(46)通过阀体(13)的第二矩形阀口(39)与对应的第二工作腔(55)相通；
缸体高压油通道(21)的出口与阀体高压油环形槽(36)相通，阀体高压油环形槽(36)与阀体折线形高压油通道(20)相通，阀体折线形高压油通道(20)与阀套左P口(43)和阀套右P口(44)分别相通，阀套左P口(43)与阀芯第二环状凸台(49)上的矩形槽相通，阀芯第二环状凸台(49)上的矩形槽与阀套右A口(42)相通，阀套右A口(42)通过阀体第一矩形阀口(38)与对应的第一工作腔(54)相通；
阀套右P口(44)与阀芯第三环状凸台(50)上的矩形槽相通，阀芯第三环状凸台(50)上的矩形槽与阀套左B口(45)相通，阀套左B口(45)通过阀体的第二矩形阀口(39)与对应的第二工作腔(55)相通。
4.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述阀体(13)自左到右依次由空心圆柱体、叶片(22)、圆柱体凸台和阀体输出轴组成；圆柱体的外径与缸体圆形孔(31)内径的名义尺寸相同，圆柱体内部开有阀体圆柱形空腔(34)和阀体轴承槽(35)，阀体圆柱形空腔(34)内径与阀套(3)外径的名义尺寸相同，阀体圆柱形空腔(34)左端开有两个尺寸相同的半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°分布，圆柱体的左端圆柱面开有两个阀体密封槽，缸体低压油环形槽(32 )在阀体(13)左端的两个密封槽之间，密封槽之间设有阀体上第一低压油通道(17)和阀体下第一低压油通道(23)；
所述圆柱体的外壁下方设有叶片(22)，叶片(22)长度为缸体圆柱形空腔(28)的长度与阀体(13)的圆柱体凸台的长度之差，叶片(22)的上下弧面差为缸体圆柱形空腔(28)的内径与阀体(13)的圆柱体外径差的一半；叶片(22)的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与叶片(22)的长度相等，条状密封槽嵌有叶片密封条；
所述圆柱体凸台的外径与缸体圆柱形空腔(28)内径的名义尺寸相同，圆柱体凸台的圆柱面开有三个阀体密封槽，左侧和中间的阀体密封槽间开有阀体低压油环形槽(37)和阀体第二低压油通道(19)，中间和右侧的阀体密封槽间开有阀体高压油环形槽(36)和阀体折线型高压油通道(20)；
靠近圆柱体凸台的空心圆柱体上设有第二矩形阀口(39)，在靠近左侧阀体密封槽的空心圆柱体上设有第一矩形阀口(38)，第一矩形阀口(38)和第二矩形阀口(39)尺寸相同；
阀体折线型高压油通道(20)口的素线位于第二矩形阀口(39)中心的素线和第一矩形阀口(38)中心的素线的正中间，第二矩形阀口(39)中心的素线和第一矩形阀口(38)中心的素线的夹角为θ，其大小为
式(1)中：b1为叶片内壁的弧长；b2为矩形阀口在空心圆柱体上的弧长；r为空心圆柱体的外径；
阀体(13)内部同中心地设有通孔，通孔直径略大于阀芯力矩传递轴(66)，通孔左端与阀体轴承槽(35)相通，输出轴右端外壁中心对称地设有两个阀体凹止口(33)。
5.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述阀芯(16)自左到右设有圆柱体、第一环状凸台(48)、第二环状凸台(49)、第三环状凸台(50)、第四环状凸台(51)，第五环状凸台(52)和阀芯力矩传递轴(66)，第一环状凸台(48)、第二环状凸台(49)、第三环状凸台(50)和第四环状凸台(51)的右侧边分别开有两个尺寸相同的矩形槽，两个矩形槽呈180°分布，每两个矩形槽位于各自的同一个圆周线上；第一环状凸台(48)的两个矩形槽中心线和第三环状凸台(50)的两个矩形槽中心线分别轴心对称的位于两条素线上，第二环状凸台(49)的两个矩形槽中心线和第四环状凸台(51)的两个矩形槽中心线分别位于轴心对称的另两条素线上，每条素线相差90°；
所述阀芯(16)左端同中心地设有圆柱体，圆柱体直径等于推力球轴承(14)的内径，略小于左端盖(1)中心孔的直径，阀芯(16)右端为阀芯力矩传递轴(66)，阀芯力矩传递轴(66)直径略小于阀体(13)右端通孔的直径，阀芯力矩传递轴(66)右端末端设有凸止口(53)。
6.如权利要求5所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述阀套(3)由六个环状凸台和五个凹槽组成，环状凸台和凹槽交替布置；阀套左端环状凸台开有两个半圆形圆柱销孔，两个销孔呈180°布置；第一个凹槽和第五个凹槽上分别开有两个矩形口，两个矩形口呈180°布置，第一个凹槽上的两个矩形口为阀套左T口(40)，第五个凹槽上的两个矩形口为阀套右T口(47)；阀套(3)中间的三个凹槽的左边和右边分别开有一组矩形口，每组矩形口由两个相互呈180°布置的矩形口组成；五个凹槽上的矩形口尺寸相同，五个凹槽上的矩形口中心线均位于各自对应的同一素线上，五个凹槽上的矩形口的尺寸与阀芯(16)上四个凸台的矩形槽尺寸相同；
阀套(3)中间三个凹槽上左边的每组矩形口的左侧面与相邻环状凸台的右侧面为同一平面，中间三个凹槽上的右边的每组矩形口的右侧面与相邻环状凸台的左侧面为同一平面；阀套(3)中间的六组矩形口从左到右依次为阀套左A口(41)、阀套右A口(42)、阀套左P口(43)、阀套右P口(44)、阀套左B口(45)和阀套右B口(46)。
7.如权利要求3所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述固定挡块(18)分为固定挡块上部弧形挡片和固定挡块下部弧形锥台状挡块两个部分，固定挡块上部的轴向长度为缸体圆柱形空腔(28)的长度与阀体(13)圆柱形凸台的长度之差，固定挡块下部弧形锥台的上下弧面差为缸体(2)外径与阀体(13)圆柱体外径差的一半；固定挡块(18)的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与固定挡块(18)的长度相等，条状密封槽嵌有挡块密封条，所述右端盖(12)盖体中心圆孔两侧径向对称开设有环状密封条槽(57)，环状密封条槽(57)内嵌有环状密封条。
8.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述托盘机构由圆盘形托盘(11)和稳定环(4)通过螺栓连接组成，托盘(11)中心开设通孔，通孔上对称地设有两个托盘凸止口(56)，托盘凸止口(56)与阀体(13)输出轴上的凹止口(33)位置相对应，稳定环(4)右端设有周向等距对称开设的四个轮槽(64)和周向等距对称开设的四个挡块(65)，每个挡块(64)与相邻的轮槽(65)呈45°角间隔布置。
9.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述随动盘(5)为阶梯形圆柱体，随动盘(5)内部分为三个圆柱腔体，左端腔体、中部第一圆柱形空腔(58)和右端第二圆柱形空腔(59)，第一圆柱形空腔(58)的直径与深沟球轴承(6)的外壁周向直径相同，第一圆柱形空腔(58)的长度等于两个深沟球轴承(6)的长度，第二圆柱形空腔(59)的直径大于第一圆柱形空腔(58)的直径，第二圆柱形空腔(59)的长度为第一圆柱形空腔(58)右端到前关节力矩传递盘(7)左端的距离。
10.如权利要求1所述的一种被动随动液压机器人回转关节，其特征在于：所述前关节力矩传递盘(7)为圆盘形，圆盘中心开设有凹止口，前关节力矩传递盘(7)周向中心对称地开有四对螺栓孔和四个凹止口，每队螺栓孔对称分布在一个凹止口两侧；所述稳定支撑轮机构(9)包括支撑轮(60)、支撑板(61)和弹簧(62)，所述的支撑轮(60)包括左侧滑轮、中段滑杆和右端凸止口，支撑轮(60)上左侧滑轮的直径与稳定环(4)上轮槽直径相同，支撑轮(60)中段滑杆上套设有弹簧(62)，所述支撑板(61)中部开孔套设在支撑轮(60)中段滑杆上，支撑板(61)两端对称开设有螺栓孔，支撑轮(60)右端凸止口与前关节力矩传递盘(7)上凹止口尺寸相同，止口之间采用间隙配合，支撑板(61)上的螺栓孔与前关节力矩传递盘(7)上对应的凹止口两侧的螺栓孔相配合。
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