CN108032329B - 复合机械关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合机械关节，包括动力源、旋转机构及俯仰机构；旋转机构包括第一主动轴、第二主动轴、离合器Ⅰ及旋转平台；所述第一主动轴与第二主动轴通过离合器Ⅰ连接并可分离或接合；俯仰机构包括第一从动轴、第二从动轴、离合器Ⅱ、平台轴及俯仰平台，所述第一从动轴与第二从动轴通过离合器Ⅱ连接并可分离或接合，所述第一从动轴与第一主动轴之间通过齿轮组件传动连接；本发明可单独作为旋转关节，可单独作为俯仰关节，也可同时进行旋转运动和俯仰运动，能满足在一定空间条件的限制下同时保留机构的灵活性。

Description

复合机械关节

技术领域

本发明涉及一种机械关节，特别涉及一种复合机械关节。

背景技术

机械手作为重大装备制造业最主要的工具而被广泛研究，应用于汽车、船舶、舰艇、飞机、卫星、火箭、宇宙飞船以及钢铁冶金等行业。然而，在某些特定的工作条件下，如狭小的空间内，较大体积的机械手则不能发挥作用，而体积小的简单结构的机械手灵活性又不能达到工作要求。

本领域技术人员公知，机械手结构复杂度和它的灵活性是一对矛盾体，提高灵活性在一定程度上肯定会使结构变得相对复杂，体积也有所增加，而通过简化结构的方式减小体积又会影响其灵活性。现有技术中，为解决该问题，有人采用仿生结构或是使用新型材料，达到了一定的效果，但在控制方面仍需要很大的改进，毕竟新材料不能像电机那样方便准确地控制，所以精度也不高。还有人采用柔性材料来提高机械结构的灵活性，这能达到目的，但是负载较大时就不能满足工作要求了。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合机械关节，可单独作为旋转关节，可单独作为俯仰关节，也可同时进行旋转运动和俯仰运动，能满足在一定空间条件的限制下同时保留机构的灵活性。

本发明的复合机械关节，包括动力源、旋转机构及俯仰机构；

所述旋转机构包括第一主动轴、第二主动轴、离合器Ⅰ及旋转平台；所述第一主动轴与第二主动轴通过离合器Ⅰ连接并可分离或接合，所述第一主动轴与动力源的输出端相连，所述旋转平台与第二主动轴相连并由第二主动轴带动旋转；

所述俯仰机构包括第一从动轴、第二从动轴、离合器Ⅱ、平台轴及俯仰平台，所述第一从动轴与第二从动轴通过离合器Ⅱ连接并可分离或接合，所述第一从动轴与第一主动轴之间通过齿轮组件传动连接；所述第二从动轴穿过旋转平台并由旋转平台带动旋转；所述平台轴的一端与第二主动轴穿过旋转平台的部分单自由度转动连接、另一端与俯仰平台固定连接；所述俯仰平台的内侧与蜗轮相连并由蜗轮带动做俯仰运动，所述第二从动轴穿过旋转平台的部分设有用于与蜗轮配合的蜗杆。

进一步，所述离合器Ⅰ包括离合器壳体Ⅰ、设在离合器壳体Ⅰ内壁的电磁铁Ⅰ及伸入离合器壳体Ⅰ内的用于与第一主动轴相连的第一离合轴和用于与第二主动轴相连的第二离合轴，所述第一离合轴与第二离合轴相对设置，且第一离合轴与第二离合轴相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅰ；所述连接记忆块Ⅰ在电磁铁Ⅰ所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一主动轴与第二主动轴接合。

进一步，所述离合器壳体Ⅰ内设有位于第二离合轴外侧的基座Ⅰ，所述基座Ⅰ上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅰ；所述锁紧记忆块Ⅰ抱死第二离合轴并在电磁铁Ⅰ所产生磁场的作用下变形以解除对第二离合轴的抱死。

进一步，所述离合器Ⅱ包括离合器壳体Ⅱ、设在离合器壳体Ⅱ内壁的电磁铁Ⅱ及伸入离合器壳体Ⅱ内的用于与第一从动轴相连的第三离合轴和用于与第二从动轴相连的第四离合轴，所述第三离合轴与第四离合轴相对设置，且第三离合轴与第四离合轴相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅱ；所述连接记忆块Ⅱ在电磁铁Ⅱ所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一从动轴与第二从动轴接合。

进一步，所述离合器壳体Ⅱ内设有位于第四离合轴外侧的基座Ⅱ，所述基座Ⅱ上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅱ；所述锁紧记忆块Ⅱ抱死第四离合轴并在电磁铁Ⅱ所产生磁场的作用下变形以解除对第四离合轴的抱死。

进一步，所述动力源为电机，所述电机的输出轴与第一主动轴之间设有减速器。

进一步，所述第二从动轴由两半轴组成，且两半轴之间通过调速器相连。

进一步，该复合机械关节还包括一关节壳体，所述旋转平台置于关节壳体的口部，所述第一主动轴穿过关节壳体且关节壳体中设有用于支撑第一主动轴的轴承Ⅰ；所述旋转平台中设有用于支撑第二从动轴的轴承Ⅱ。

进一步，所述齿轮组件包括套设在第一主动轴上的主动齿轮及套设在第一从动轴上的从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合传动。

进一步，该复合机械关节还包括控制系统，所述控制系统包括处理器、用于通断电磁铁Ⅰ电流的开关Ⅰ及用于通断电磁铁Ⅱ电流的开关Ⅱ，所述开关Ⅰ、开关Ⅱ及电机的信号输入端分别与处理器的信号输出端相连。

本发明的有益效果：

本发明的复合机械关节，动力源的动力通过第一主动轴与第二主动轴的传递可驱动旋转平台做旋转动作，通过第一从动轴与第二从动轴的传递可驱动俯仰平台做俯仰动作，且由于离合器Ⅰ、离合器Ⅱ可分别控制两主动轴、两从动轴的分离及接合，因此复合机械关节可单独作为旋转关节，可单独作为俯仰关节，也可同时进行旋转运动和俯仰运动，能满足在一定空间条件的限制下同时保留机构的灵活性；此外，主动轴与从动轴的动力均来源于同一动力源，简化了关节整体结构，使关节结构更为紧凑，满足航空等行业的特殊需求，解决了空间占用与动作灵活性不能兼顾的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的离合器Ⅰ的结构示意图；

图3为本发明的离合器Ⅱ的结构示意图；

图4为本发明的控制系统的原理框图。

具体实施方式

如图1至图4所示：本实施例的复合机械关节，包括动力源、旋转机构及俯仰机构；所述旋转机构包括第一主动轴21、第二主动轴22、离合器Ⅰ3及旋转平台4；所述第一主动轴21与第二主动轴22通过离合器Ⅰ3连接并可分离或接合，所述第一主动轴21与动力源的输出端相连，所述旋转平台4与第二主动轴22相连并由第二主动轴22带动旋转；所述俯仰机构包括第一从动轴51、第二从动轴52、离合器Ⅱ6、平台轴7及俯仰平台8，所述第一从动轴51与第二从动轴52通过离合器Ⅱ6连接并可分离或接合，所述第一从动轴51与第一主动轴21之间通过齿轮组件传动连接；所述第二从动轴52穿过旋转平台4并由旋转平台4带动旋转；所述平台轴7的一端与第二主动轴22穿过旋转平台4的部分单自由度转动连接、另一端与俯仰平台8固定连接；所述俯仰平台8的内侧与蜗轮91相连并由蜗轮91带动做俯仰运动，所述第二从动轴52穿过旋转平台4的部分设有用于与蜗轮91配合的蜗杆92；动力源优选为电机1，以提高自动化程度，便于对关节的运动进行控制；齿轮组件可包括套设在第一主动轴21上的主动齿轮21a及套设在第一从动轴51上的从动齿轮51a，所述主动齿轮21a与从动齿轮51a啮合传动，以将动力源的动力传递至第一从动轴51；动力源的动力通过第一主动轴21与第二主动轴22的传递可驱动旋转平台4做旋转动作，通过第一从动轴51与第二从动轴52的传递可驱动俯仰平台8做俯仰动作，且由于离合器Ⅰ3、离合器Ⅱ6可分别控制两主动轴、两从动轴的分离及接合，因此复合机械关节可单独作为旋转关节，可单独作为俯仰关节，也可同时进行旋转运动和俯仰运动，能满足在一定空间条件的限制下同时保留机构的灵活性；此外，主动轴与从动轴的动力均来源于同一动力源，简化了关节整体结构，使关节结构更为紧凑，满足航空等行业的特殊需求，解决了空间占用与动作灵活性不能兼顾的问题。

本实施例中，所述离合器Ⅰ3包括离合器壳体Ⅰ31、设在离合器壳体Ⅰ31内壁的电磁铁Ⅰ32及伸入离合器壳体Ⅰ31内的用于与第一主动轴21相连的第一离合轴33和用于与第二主动轴22相连的第二离合轴34，所述第一离合轴33与第二离合轴34相对设置，且第一离合轴33与第二离合轴34相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅰ35；所述连接记忆块Ⅰ35在电磁铁Ⅰ32所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一主动轴21与第二主动轴22接合；第一离合轴33、第二离合轴34可分别与第一主动轴21、第二主动轴22以可拆卸方式相连，当然第一离合轴33也可与第一主动轴21一体成型，第二离合轴34可与第二主动轴22一体成型；磁控形状记忆合金可通过磁场来驱动材料内部某些微观界面的移动，从而产生大的变形，其变形特性可通过训练获得；当电磁铁Ⅰ32通电时，两相对设置的连接记忆块Ⅰ35变形并互相挤压，通过摩擦力作用使第一离合轴33与第二离合轴34相连，实现传递力的功能；当电磁铁Ⅰ32断电时，两连接记忆块Ⅰ35恢复原状并保持一定的间隙，使第一离合轴33与第二离合轴34分离，切断力的传递。

本实施例中，所述离合器壳体Ⅰ31内设有位于第二离合轴34外侧的基座Ⅰ36，所述基座Ⅰ36上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅰ37；所述锁紧记忆块Ⅰ37抱死第二离合轴34并在电磁铁Ⅰ32所产生磁场的作用下变形以解除对第二离合轴34的抱死；基座Ⅰ36包围或者部分包围第二离合轴34；在电磁铁Ⅰ32断电的状态下，锁紧记忆块Ⅰ37变形挤压第二离合轴34，将第二离合轴34抱死，限制第二离合轴34的转动，从而保证旋转平台4的静止；当电磁铁Ⅰ32通电时，锁紧记忆块Ⅰ37变形并松开对第二离合轴34的挤压，第二离合轴34可自由转动，实现传递力的功能。

本实施例中，所述离合器Ⅱ6包括离合器壳体Ⅱ61、设在离合器壳体Ⅱ61内壁的电磁铁Ⅱ62及伸入离合器壳体Ⅱ61内的用于与第一从动轴51相连的第三离合轴63和用于与第二从动轴52相连的第四离合轴64，所述第三离合轴63与第四离合轴64相对设置，且第三离合轴63与第四离合轴64相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅱ65；所述连接记忆块Ⅱ65在电磁铁Ⅱ62所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一从动轴51与第二从动轴52接合；第三离合轴63、第四离合轴64可分别与第一从动轴51、第二从动轴52以可拆卸方式相连，当然第三离合轴63也可与第一从动轴51一体成型，第四离合轴64可与第二从动轴52一体成型；当电磁铁Ⅱ62通电时，两相对设置的连接记忆块Ⅱ65变形并互相挤压，通过摩擦力作用使第三离合轴63与第四离合轴64相连，实现传递力的功能；当电磁铁Ⅱ62断电时，两连接记忆块Ⅱ65恢复原状并保持一定的间隙，使第三离合轴63与第四离合轴64分离，切断力的传递。

本实施例中，所述离合器壳体Ⅱ61内设有位于第四离合轴64外侧的基座Ⅱ66，所述基座Ⅱ66上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅱ67；所述锁紧记忆块Ⅱ67抱死第四离合轴64并在电磁铁Ⅱ62所产生磁场的作用下变形以解除对第四离合轴64的抱死；基座Ⅱ66包围或者部分包围第二离合轴34；在电磁铁Ⅱ62断电的状态下，锁紧记忆块Ⅱ67变形挤压第四离合轴64，将第四离合轴64抱死，限制第四离合轴64的转动，从而使俯仰平台8无法获得俯仰的动力；当电磁铁Ⅱ62通电时，锁紧记忆块Ⅱ67变形并松开对第四离合轴64的挤压，第四离合轴64可自由转动，实现传递力的功能。

本实施例中，所述电机1的输出轴与第一主动轴21之间设有减速器10；便于控制电机1的输出力矩；此外，所述第二从动轴52可由两半轴组成，且两半轴之间通过调速器11相连，从而可控制俯仰动作的速度。

本实施例中，该复合机械关节还包括一关节壳体12，所述旋转平台4置于关节壳体12的口部，所述第一主动轴21穿过关节壳体且关节壳体中设有用于支撑第一主动轴21的轴承Ⅰ13；所述旋转平台4中设有用于支撑第二从动轴52的轴承Ⅱ14；关节壳体12可保护关键部件，以延长关节的使用寿命；轴承Ⅰ13、轴承Ⅱ14可提高转动的平稳度。

本实施例中，该复合机械关节还包括控制系统，所述控制系统包括处理器15、用于通断电磁铁Ⅰ32电流的开关Ⅰ16及用于通断电磁铁Ⅱ62电流的开关Ⅱ17，所述开关Ⅰ16、开关Ⅱ17及电机1的信号输入端分别与处理器的信号输出端相连；处理器可为现有的单片机，具有数据处理及信号控制的功能；通过处理器可对开关Ⅰ16、开关Ⅱ17及电机1进行控制，从而选择关节的运动状态；而且，当处理器与开关Ⅰ16、开关Ⅱ17及电机1无线连接时，可实现远程操控。

本实施例中，所述关节壳体12的外表面自内到外依次设有酸洗层3、防腐层和耐磨层5；酸洗层3是关节壳体12通过酸洗形成，例如可采用用配比浓度为HF:HNO₃：H₂O＝1:1:10的酸液在温度为60℃～80℃时进行酸洗4～6小时，不但保证了关节壳体12的洁净度，同时对有害微量元素也做了很好的处理；防腐层具有防腐蚀的效果，耐磨层则具有耐磨损的效果；酸洗层、防腐层和耐磨层的厚度可根据实际需要而定；酸洗层、防腐层和耐磨层所形成的保护层能够有效延长关节壳体12的使用寿命；防腐层包括防腐内层和防腐外层，所述防腐内层为环氧树脂涂层，所述防腐外层为磷化膜层；环氧树脂涂层对碱及大部分溶剂稳定，具有密实、抗水、抗渗漏好、强度高等特点，同时附着力强、可常温操作；环氧树脂涂层设于酸洗层外，能够具有较大的厚度；磷化膜层是一层不溶性磷酸盐膜(例如可通过磷酸锌溶液处理形成)，有效增强部件防锈性能；所述防腐内层与防腐外层相对的表面呈相契合的波纹状；防腐内层的上表面和防腐外层的下表面相贴合，波纹状使得两表面形成起伏的凹槽结构，能够有效提高防腐内层与防腐外层连接的稳固度；本实施例中，所述耐磨层为Ni-Al基合金涂层；Ni-Al基合金涂层降低了相关部件与外界之间的摩擦因数，有效提高其耐磨性；Ni-Al基合金涂层例如可采用CN 103215576A所公开的Ni-Al耐磨复合材料及制备方法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种复合机械关节，其特征在于：包括动力源、旋转机构及俯仰机构；

所述旋转机构包括第一主动轴、第二主动轴、离合器Ⅰ及旋转平台；所述第一主动轴与第二主动轴通过离合器Ⅰ连接并可分离或接合，所述第一主动轴与动力源的输出端相连，所述旋转平台与第二主动轴相连并由第二主动轴带动旋转；所述俯仰机构包括第一从动轴、第二从动轴、离合器Ⅱ、平台轴及俯仰平台，所述第一从动轴与第二从动轴通过离合器Ⅱ连接并可分离或接合，所述第一从动轴与第一主动轴之间通过齿轮组件传动连接；所述第二从动轴穿过旋转平台并由旋转平台带动旋转；所述平台轴的一端与第二主动轴穿过旋转平台的部分单自由度转动连接、另一端与俯仰平台固定连接；所述俯仰平台的内侧与蜗轮相连并由蜗轮带动做俯仰运动，所述第二从动轴穿过旋转平台的部分设有用于与蜗轮配合的蜗杆；

所述离合器Ⅰ包括离合器壳体Ⅰ、设在离合器壳体Ⅰ内壁的电磁铁Ⅰ及伸入离合器壳体Ⅰ内的用于与第一主动轴相连的第一离合轴和用于与第二主动轴相连的第二离合轴，所述第一离合轴与第二离合轴相对设置，且第一离合轴与第二离合轴相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅰ；所述连接记忆块Ⅰ在电磁铁Ⅰ所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一主动轴与第二主动轴接合；第一离合轴、第二离合轴可分别与第一主动轴、第二主动轴以可拆卸方式相连。

2.根据权利要求1所述的复合机械关节，其特征在于：所述离合器壳体Ⅰ内设有位于第二离合轴外侧的基座Ⅰ，所述基座Ⅰ上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅰ；所述锁紧记忆块Ⅰ抱死第二离合轴并在电磁铁Ⅰ所产生磁场的作用下变形以解除对第二离合轴的抱死。

3.根据权利要求2所述的复合机械关节，其特征在于：所述离合器Ⅱ包括离合器壳体Ⅱ、设在离合器壳体Ⅱ内壁的电磁铁Ⅱ及伸入离合器壳体Ⅱ内的用于与第一从动轴相连的第三离合轴和用于与第二从动轴相连的第四离合轴，所述第三离合轴与第四离合轴相对设置，且第三离合轴与第四离合轴相对的端面上分别设有采用磁控形状记忆合金制成的连接记忆块Ⅱ；所述连接记忆块Ⅱ在电磁铁Ⅱ所产生磁场的作用下变形并互相挤压，使得第一从主动轴与第二从动轴接合。

4.根据权利要求3所述的复合机械关节，其特征在于：所述离合器壳体Ⅱ内设有位于第四离合轴外侧的基座Ⅱ，所述基座Ⅱ上设有采用磁控形状记忆合金制成的锁紧记忆块Ⅱ；所述锁紧记忆块Ⅱ抱死第四离合轴并在电磁铁Ⅱ所产生磁场的作用下变形以解除对第四离合轴的抱死。

5.根据权利要求4所述的复合机械关节，其特征在于：所述动力源为电机，所述电机的输出轴与第一主动轴之间设有减速器。

6.根据权利权要5所述的复合机械关节，其特征在于：所述第二从动轴由两半轴组成，且两半轴之间通过调速器相连。

7.根据权利权要6所述的复合机械关节，其特征在于：该复合机械关节还包括一关节壳体，所述旋转平台置于关节壳体的口部，所述第一主动轴穿过关节壳体且关节壳体中设有用于支撑第一主动轴的轴承Ⅰ；所述旋转平台中设有用于支撑第二从动轴的轴承Ⅱ。

8.根据权利权要7所述的复合机械关节，其特征在于：所述齿轮组件包括套设在第一主动轴上的主动齿轮及套设在第一从动轴上的从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合传动。

9.根据权利要求6所述的复合机械关节，其特征在于：该复合机械关节还包括控制系统，所述控制系统包括处理器、用于通断电磁铁Ⅰ电流的开关Ⅰ及用于通断电磁铁Ⅱ电流的开关Ⅱ，所述开关Ⅰ、开关Ⅱ及电机的信号输入端分别与处理器的信号输出端相连。