CN111240396A - 一种球面密封式二维自由度操纵杆及操纵方法 - Google Patents

Abstract

一种球面密封式二维自由度操纵杆，包括外壳，外壳上安装有金属球面密封机构、X轴转动机构、Y轴转动机构和用于检测X轴转动机构、Y轴转动机构角度位置信息的角度传感器；所述金属球面密封机构包括金属球面连接杆用于固定安装到外壳上的面板，金属球面连接杆的一端为中空的半球体，半球体通过密封衬套和密封圈安装在面板上；在外壳内安装有用于与金属球面密封机构配合的内转动框架和用于与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的底座，金属球面连接杆上固定连接有切换转轴，切换转轴转动安装在内转动框架上。该操纵杆设计合理，可有效减小零位晃动，通过金属球面密封方式，安全可靠，使用寿命长，并且耐霉菌、太阳辐照，能够适用于各种恶劣环境。

Description

一种球面密封式二维自由度操纵杆及操纵方法

技术领域

本发明涉及操纵杆技术领域，特别是一种球面密封式二维自由度操纵杆，还涉及上述球面密封式二维自由度操纵杆的操纵方法。

背景技术

目前，操纵杆大多需要橡胶防尘罩来进行防尘防水，未采用橡胶防尘罩的操纵杆也都是牺牲了部分防尘防水的性能。然而，橡胶防尘罩存在着易老化，易破损等问题，同时橡胶防尘罩的电磁防护性能低下，在抗霉菌太阳辐射方面存在着天然缺陷；而，未采用橡胶防尘罩的操纵杆则防尘防水性能不足。且目前操纵杆采用拉簧形式的寿命可靠性较低。

因此，现需一种能够解决橡胶防尘罩的缺陷，且能起到密封作用，提高寿命可靠性的操纵杆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、使用寿命长、耐霉菌太阳辐照的球面密封式二维自由度操纵杆。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供了上述球面密封式二维自由度操纵杆的操纵方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种球面密封式二维自由度操纵杆，该操纵杆包括外壳，外壳上安装有金属球面密封机构、X轴转动机构、Y轴转动机构和用于检测X轴转动机构、Y轴转动机构角度位置信息的角度传感器；所述金属球面密封机构包括金属球面连接杆用于固定安装到外壳上的面板，金属球面连接杆的一端为中空的半球体，半球体通过密封衬套和密封圈安装在面板上；

在外壳内安装有用于与金属球面密封机构配合的内转动框架和用于与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的底座，金属球面连接杆上固定连接有切换转轴，切换转轴通过轴承和轴承座安装在内转动框架上；

所述X轴转动机构包括X轴固定支架和通过轴承和轴承座安装在X轴固定支架上的X轴第一转轴、X轴第二转轴，X轴固定支架固定安装在底座上，X轴第一转轴、X轴第二转轴分别固定连接在内转动框架的两侧；

所述Y轴转动机构包括Y轴固定支架、拨杆、滑桥和通过轴承和轴承座安装在Y轴固定支架上的Y轴第一转轴、Y轴第二转轴，Y轴固定支架固定安装在底座上，滑桥的两端分别与Y轴第一转轴、Y轴第二转轴固定连接，滑桥上设置有对拨杆进行导向和限位的长槽，拨杆的一端与切换转轴固定连接，拨杆的另一端延伸至长槽内。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述内转动框架为一个中空的长方体，内转动框架的两侧设置有与金属球面连接杆配合的豁口。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述底座上还固定安装有与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的限位块，限位块上设置有与滑桥配合的Y轴限位凸起和与内转动框架配合的X轴限位凸起。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上安装有便于金属球面连接杆复位的X轴复位扭簧，X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上安装有用于拨动X轴复位扭簧扭臂的X轴扭簧安装块，X轴固定支架固定支架安装有对X轴复位扭簧扭臂进行限位的X轴扭簧卡柱。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有便于金属球面连接杆复位的Y轴复位扭簧，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有用于拨动Y轴复位扭簧扭臂的Y轴扭簧安装块，Y轴固定支架固定支架安装有对Y轴复位扭簧扭臂进行限位的Y轴扭簧卡柱。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述角度传感器设置有两个，一个角度传感器固定安装在X轴第一转轴或X轴第二转轴上，另一个角度传感器固定安装在Y轴第一转轴或Y轴第二转轴上。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，在外壳内还固定安装有便于角度位置信息输出的印制板，印制板上设置有与角度传感器配合的接插件。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述金属球面连接杆还安装有便于操作的手柄。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，所述密封圈为O型圈。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的球面密封式二维自由度操纵杆，一种球面密封式二维自由度操纵杆的操纵方法，其过程如下：

（1）向Y轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆带动切换转轴转动，内转动框架不动，切换转轴带动拨杆转动，拨杆带动滑桥转动，滑桥带动Y轴第一转轴和Y轴第二转轴一起转动，角度传感器检测Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴的转动角度，并向外输出，同时，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上的Y轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在Y轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位；

（2）向X轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆通过切换轴带动内转动框架转动，切换转轴带动拨杆在长槽内转动，滑桥不动，内转动框架带动X轴第一转轴和X轴第二转轴一起转动，角度传感器检测X轴第一转轴和/或X轴第二转轴的转动角度，并向外输出，同时，X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上的X轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在X轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位。

与现有技术相比，本发明通过金属球面密封机构与X轴转动机构、Y轴转动机构配合，实现X轴、Y轴的二维自由度操纵，具体为通过金属球面操纵杆带动内转动框架转动，进而带动X轴第一转轴和X轴第二转轴转动，实现X轴方向上的操纵；通过金属球面操纵杆带动滑桥转动，进而带动Y轴第一转轴和Y轴第二转轴转动，实现Y轴方向上的操纵；同时，角度传感器对X轴第一转轴或X轴第二转轴、Y轴第一转轴或Y轴第二转轴进行角度位置信息检测，并向外输出；其次，金属球面连接杆的一端为中空的半球体，通过密封衬套与密封圈与面板密封连接，既实现转动，又保证密封。该操纵杆设计合理，可有效减小零位晃动，通过金属球面密封方式，安全可靠，使用寿命长，并且耐霉菌、太阳辐照，能够适用于各种恶劣环境。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的操作示意图；

图3为本发明的金属球面密封结构示意图；

图4为本发明的X轴转动机构的断面示意图；

图5为本发明的Y轴转动机构的断面示意图；

图6为本发明扭簧的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-6，一种球面密封式二维自由度操纵杆，该操纵杆包括外壳21，外壳21上安装有金属球面密封机构、X轴转动机构、Y轴转动机构和用于检测X轴转动机构、Y轴转动机构角度位置信息的角度传感器9；所述金属球面密封机构包括金属球面连接杆1用于固定安装到外壳21上的面板4，面板4上设置有便于金属球面连接杆1安装和转动的开孔，金属球面连接杆1的一端为中空的半球体1.1，半球体1.1通过密封衬套2和密封圈3安装在开孔处的面板4上；X轴转动机构用于与金属球面密封机构配合实现该操纵杆在X轴方向上进行转动，Y轴转动机构用于与金属球面密封机构配合实现该操纵杆在Y轴方向上进行转动，X轴方向与Y轴方向相互垂直；

外壳21内部中空，顶部设置有开口，面板4固定安装在外壳21的顶部，既可以对开口进行密封，又便于金属球面连接杆1的安装，在外壳21内安装有用于与金属球面密封机构配合的内转动框架8和用于与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的底座7，底座7固定安装在外壳21内，金属球面连接杆1上固定连接有切换转轴18，切换转轴18通过轴承和轴承座安装在内转动框架8上；

所述X轴转动机构包括X轴固定支架6和通过轴承和轴承座安装在X轴固定支架6上的X轴第一转轴5、X轴第二转轴13，X轴固定支架6固定安装在底座7上，X轴第一转轴5、X轴第二转轴13分别固定连接在内转动框架8的两侧；

所述Y轴转动机构包括Y轴固定支架16、拨杆15、滑桥19和通过轴承20和轴承座安装在Y轴固定支架16上的Y轴第一转轴、Y轴第二转轴，Y轴固定支架16固定安装在底座7上，滑桥19的两端分别与Y轴第一转轴、Y轴第二转轴固定连接，并且滑桥19的两端均设置有连接轴，连接轴通过轴承和轴承座安装在Y轴固定支架16上，滑桥19呈半圆环状，在滑桥19上设置有对拨杆15进行导向和限位的长槽，长槽呈弧形状，长槽的宽度略大于拔杆的厚度，长槽的长度略大于拔杆的宽度，既便于拨杆15的端部插装到长槽内，又便于拨杆15的端部在长槽内进行X轴方向上的转动，拨杆15的一端与切换转轴18固定连接，拨杆15的另一端延伸至长槽内；

所述内转动框架8为一个中空的长方体8.1，内转动框架8的两侧设置有与金属球面连接杆1配合的豁口8.2，豁口8.2用于与金属球面连接杆1上的半球体1.1进行配合，便于金属球面连接杆1在内转动框架8内进行转动。

所述底座7上还固定安装有与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的限位块10，限位块10上设置有与滑桥19配合的Y轴限位凸起10.1和与内转动框架8配合的X轴限位凸起10.1。X轴限位凸起10.1和Y轴限位凸起10.1均设置有2个，2个X轴限位凸起10.1设置在内转动框架8的两侧，用于对内转动框架8的转动进行限位；2个Y轴限位凸起10.1设置在滑桥19的两侧，用于对滑桥19的转动进行限位；其次，可以通过更换或调整限位块10来对内转动框架8或滑桥19进行限位角度的调节。

所述X轴第一转轴5和/或X轴第二转轴13上安装有便于金属球面连接杆复位的X轴复位扭簧12，X轴第一转轴5和/或X轴第二转轴13上安装有用于拨动X轴复位扭簧12扭臂的X轴扭簧安装块11，X轴固定支架6固定支架安装有对X轴复位扭簧12扭臂进行限位的X轴扭簧卡柱17。X轴扭簧安装块11具有一个大于X轴复位扭簧12直径的端面11.1，用于限制X轴复位扭簧12的轴向位移，并且X轴扭簧安装块11上还设置有一个用于扭动X轴复位扭簧12的扭动凸起11.2，用于在转动时对X轴复位扭簧12的扭臂进行扭动，在X轴扭簧随着X轴第一转轴5和/或X轴第二转轴13向一个方向扭动时，扭动凸起11.2扭动其中一个扭臂，转动方向相反时，扭动另一个扭臂；X轴扭簧卡柱17延伸至X轴复位扭簧12的两个扭臂之间，用于对两个扭臂进行限位。

所述Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有便于金属球面连接杆复位的Y轴复位扭簧，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有用于拨动Y轴复位扭簧扭臂的Y轴扭簧安装块，Y轴固定支架16固定支架安装有对Y轴复位扭簧扭臂进行限位的Y轴扭簧卡柱。Y轴扭簧安装块具有一个大于Y轴复位扭簧直径的端面，用于限制Y轴复位扭簧的轴向位移，并且Y轴扭簧安装块上还设置有一个用于扭动Y轴复位扭簧的扭动凸起，用于在转动时对Y轴复位扭簧的扭臂进行扭动，在Y轴扭簧随着Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴向一个方向扭动时，扭动凸起扭动其中一个扭臂，转动方向相反时，扭动另一个扭臂；Y轴扭簧卡柱延伸至Y轴复位扭簧的两个扭臂之间，用于对两个扭臂进行限位。

所述角度传感器9设置有两个，一个角度传感器9固定安装在X轴第一转轴5或X轴第二转轴13上，用于对X轴第一转轴5或X轴第二转轴13的转动角度进行测量，从而可以测量出金属球面连接杆1在X轴方向上的转动量；另一个角度传感器9固定安装在Y轴第一转轴或Y轴第二转轴上，用于对Y轴第一转轴或Y轴第二转轴的转动角度进行测量，从而可以测量出金属球面连接杆1在Y轴方向上的转动量；实际中，可根据需要设置角度传感器9的数量和位置，能够对金属球面连接杆1的转动进行测量即可。

在外壳21内还固定安装有便于角度位置信息输出的印制板23，印制板23上设置有与角度传感器9配合的接插件。角度传感器9测量的角度位置信号通过接插件连接到印制板23上，再通过设置在印制板23上的处理电路处理后向外输出。

所述金属球面连接杆1还安装有便于操作的手柄22，既方便人工操作，转动金属球面连接杆1，又方便安装实际需要的多种开关或微操元器件，便于操作。

所述密封圈3为O型圈，O型圈是一种截面为圆形的橡胶密封圈3功能可靠，并且安装要求简单，密封性好。

X轴第一转轴和X轴第二转轴在同一个方向，Y轴第一转轴和Y轴第二转轴在同一个方向，X轴第一转轴所在的方向与Y轴第一转轴所在的方向相互垂直，X轴第一转轴、X轴第二转轴、Y轴第一转轴和Y轴第二转轴分别设置在内转动框架的四周，相互之间的夹角均为90°。

为方便说明，本申请将内转动框架的左右方向设置为X轴方向，将内转动框架的前后方向设置为Y轴方向，X轴方向与Y轴方向相互垂直，X轴第一转轴、X轴第二转轴均横向对称设置在内转动框架的左右两侧，Y轴第一转轴、Y轴第二转轴均纵向对称设置在内转动框架的前后两侧，切换轴和滑桥均纵向设置。

一种球面密封式二维自由度操纵杆的操纵方法，其过程如下：

（1）向Y轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆带动切换转轴转动，内转动框架不动，切换转轴带动拨杆转动，拨杆带动滑桥转动，滑桥带动Y轴第一转轴和Y轴第二转轴一起转动，角度传感器检测Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴的转动角度，并向外输出，Y轴第一转轴、Y轴第二转轴与金属球面连接杆同步转动，输出的转动角度就是该操纵杆在Y轴方向的转动角度，同时，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上的Y轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在Y轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位；

（2）向X轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆通过切换轴带动内转动框架转动，切换转轴带动拨杆在长槽内转动，滑桥不动，内转动框架带动X轴第一转轴和X轴第二转轴一起转动，角度传感器检测X轴第一转轴和/或X轴第二转轴的转动角度，并向外输出，X轴第一转轴、X轴第二转轴与金属球面连接杆同步转动，输出的转动角度就是该操纵杆在X轴方向的转动角度，同时，X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上的X轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在X轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位。

本发明的显著优点有：

（1）采用金属球面密封方式，实现耐霉菌太阳辐照，且寿命更长不易损坏；

（2）采用了扭簧，既可有效减小零位误动，又提高了整体的寿命可靠性。

Claims (10)

1.一种球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：该操纵杆包括外壳，外壳上安装有金属球面密封机构、X轴转动机构、Y轴转动机构和用于检测X轴转动机构、Y轴转动机构角度位置信息的角度传感器；所述金属球面密封机构包括金属球面连接杆用于固定安装到外壳上的面板，金属球面连接杆的一端为中空的半球体，半球体通过密封衬套和密封圈安装在面板上；

在外壳内安装有用于与金属球面密封机构配合的内转动框架和用于与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的底座，金属球面连接杆上固定连接有切换转轴，切换转轴通过轴承和轴承座安装在内转动框架上；

所述X轴转动机构包括X轴固定支架和通过轴承和轴承座安装在X轴固定支架上的X轴第一转轴、X轴第二转轴，X轴固定支架固定安装在底座上，X轴第一转轴、X轴第二转轴分别固定连接在内转动框架的两侧；

所述Y轴转动机构包括Y轴固定支架、拨杆、滑桥和通过轴承和轴承座安装在Y轴固定支架上的Y轴第一转轴、Y轴第二转轴，Y轴固定支架固定安装在底座上，滑桥的两端分别与Y轴第一转轴、Y轴第二转轴固定连接，滑桥上设置有对拨杆进行导向和限位的长槽，拨杆的一端与切换转轴固定连接，拨杆的另一端延伸至长槽内。

2.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述内转动框架为一个中空的长方体，内转动框架的两侧设置有与金属球面连接杆配合的豁口。

3.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述底座上还固定安装有与X轴转动机构、Y轴转动机构配合的限位块，限位块上设置有与滑桥配合的Y轴限位凸起和与内转动框架配合的X轴限位凸起。

4.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上安装有便于金属球面连接杆复位的X轴复位扭簧，X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上安装有用于拨动X轴复位扭簧扭臂的X轴扭簧安装块，X轴固定支架固定支架安装有对X轴复位扭簧扭臂进行限位的X轴扭簧卡柱。

5.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有便于金属球面连接杆复位的Y轴复位扭簧，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上安装有用于拨动Y轴复位扭簧扭臂的Y轴扭簧安装块，Y轴固定支架固定支架安装有对Y轴复位扭簧扭臂进行限位的Y轴扭簧卡柱。

6.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述角度传感器设置有两个，一个角度传感器固定安装在X轴第一转轴或X轴第二转轴上，另一个角度传感器固定安装在Y轴第一转轴或Y轴第二转轴上。

7.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：在外壳内还固定安装有便于角度位置信息输出的印制板，印制板上设置有与角度传感器配合的接插件。

8.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述金属球面连接杆还安装有便于操作的手柄。

9.根据权利要求1所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其特征在于：所述密封圈为O型圈。

10.一种球面密封式二维自由度操纵杆的操纵方法，其特征在于：该方法使用权利要求1-9任意一项所述的球面密封式二维自由度操纵杆，其过程如下：

（1）向Y轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆带动切换转轴转动，内转动框架不动，切换转轴带动拨杆转动，拨杆带动滑桥转动，滑桥带动Y轴第一转轴和Y轴第二转轴一起转动，角度传感器检测Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴的转动角度，并向外输出，同时，Y轴第一转轴和/或Y轴第二转轴上的Y轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在Y轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位；

（2）向X轴方向推动金属球面连接杆时，金属球面连接杆通过切换轴带动内转动框架转动，切换转轴带动拨杆在长槽内转动，滑桥不动，内转动框架带动X轴第一转轴和X轴第二转轴一起转动，角度传感器检测X轴第一转轴和/或X轴第二转轴的转动角度，并向外输出，同时，X轴第一转轴和/或X轴第二转轴上的X轴复位扭簧受力被扭动，松开金属球面连接杆后，在X轴复位扭簧扭力作用下，金属球面连接杆复位。

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