CN112171713B - 一种自适应转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应转动关节，其包括上平台、复位杆、第一弹性件和下平台。其中，上平台的下端具有第一球头，且第一球头的下端包括沿其径向向下延伸的导引孔。复位杆具有位于其上端的导引杆部，其中导引杆部容纳于导引孔，且被构造成能够沿导引孔的轴向滑动。第一弹性件的上端抵接第一球头，下端固定于复位杆。第一球头和第二球头分别由下平台内的第一球槽、第二球槽限位，其中，第二球槽的第二球心位于第一球槽的第一球心的下方。根据本发明的自适应转动关节具备自复位功能。在实现三个方向转动的同时，该转动关节具有工作空间较大的特点。

Description

一种自适应转动关节

技术领域

本发明涉及机械零部件领域，其尤其涉及一种自适应转动关节。

背景技术

在机械设备中，出于其实际运用场景的需要，需要设置能够在平面内的任意转动的U副机构或球副机构。然而，现有的转动机构普遍存在结构复杂、工作空间小、运动精度不高或不具备自适应能力的问题。

文献CN108879104A公开了一种用于紧缩场拼合反射面板支撑调节的精密调整机构，该精密调整机构采用串联的双球头运动副结构。该运动副机构的传动方式为螺纹副传动，其在X轴方向和Y轴方向通过螺纹传动手动调节，Z轴方向采用电机驱动。该机构可以在Z轴方向通过电机进行自动化精密调节，也可以通过手动进行粗调的功能。然而该精密调整机构的结构复杂，容易损坏。此外，该精密调整机构需要额外驱动才能实现调节，且不具备自适应能力。。

文献CN104625766A公开了一种双球副两自由度可倾工作台。双球副两自由度可倾工作台具有双球副。其直接采用球面的一部分作为导轨面，并具有两个互相垂直方向的旋转自由度。然而，但是由于其结构特点，该双球副两自由度可倾工作台的可变形范围较小，整体尺寸较大，因此不适宜作为运动副使用。此外，该双球副两自由度可倾工作台需要额外驱动方能实现自锁，因此不具备自适应能力。

发明内容

针对根据现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具备自复位功能的自适应转动关节，该自适应转动关节具有相对简易的结构。

该目的通过根据本发明以下形式的一种自适应转动关节来实现。该自适应转动关节包括上平台、复位杆、第一弹性件和下平台。其中，所述上平台的下端具有第一球头，且所述第一球头的下端包括沿其径向向下延伸的导引孔。所述复位杆具有位于其上端的导引杆部，其中所述导引杆部容纳于所述导引孔，且被构造成能够沿所述导引孔的轴向滑动。所述第一弹性件的上端抵接所述第一球头，下端固定于所述复位杆。所述下平台内具有用于与所述第一球头适配的第一球槽，以及位于所述第一球槽的下方的第二球槽，所述第二球槽的第二球心位于所述第一球槽的第一球心的下方，且所述第二球槽被构造成使得所述复位杆能够在所述第二球槽内绕所述第一球槽的球心转动；

其中，在自然状态下，所述第一球心和第二球心的连线与复位杆的中心线同轴且竖直分布，所述第一弹性件处于受压或自然伸展状态。

根据以上形式的自适应转动关节，当上平台与下平台之间发生相对转动时，上平台利用第一球头与复位杆关系而带动复位杆在第二球槽内转动。在此期间，复位杆由竖直位置偏转至其他位置。由于第二球槽的球心位于第一球槽的球心的下方，复位杆在偏转过程中，第二球槽压迫复位杆朝向第一球头移动并使得第一弹性件被压缩。待作用于上平台或下平台的外力卸除后，借由第一弹性件的弹力作用，复位杆会自动复原至竖直位置，并带动上平台、下平台各自复原至竖直位置。由上可知，本发明的自适应转动关节具备自动回正的自适应能力。

根据本发明的一种优选实施方式，所述导引孔具有第一台阶部，所述第一弹性件的上端抵接所述第一台阶部。

根据本发明的一种优选实施方式，所述复位杆还包括位于所述导引杆部下端的第二台阶部，所述第一弹性件的下端抵接所述第二台阶部。

在采用了将第一弹性件的上端伸入导引孔内，下端抵接第二台阶部的固定方式后，第一弹性件得以稳定地由第一球头和导引杆部固定，其不易相对于复位杆发生偏斜，利于第一弹性件将自适应转动关节的上平台、下平台、复位杆等自动恢复至初始状态。

根据本发明的一种优选实施方式，所述复位杆还包括位于所述导引杆部下端的第二球头。

根据本发明的一种优选实施方式，所述第二球头的下端具有向上凹陷的弧形凹陷面，且所述第二球槽内具有与所述弧形凹陷面适配的弧形凸面。

根据本发明的一种优选实施方式，所述下平台包括由外部通向第一球槽的油道。

根据本发明的一种优选实施方式，所述自适应转动关节还包括沿所述自适应转动关节的外围均匀设置的多个第二弹性件，所述第二弹性件连接所述上平台和所述下平台。

根据本发明的一种优选实施方式，所述上平台的上端面和/或所述下平台的下端面设有限位柱，所述第二弹性件固定于所述限位柱。

根据本发明的一种优选实施方式，所述第二弹性件为橡皮筋。

根据本发明的一种优选实施方式，所述第一弹性件为弹簧。

根据本发明的自适应转动关节有益效果在于：自适应转动关节具备自复位功能。在实现三个方向转动的同时，该转动关节具有工作空间较大的特点。在转动关节的周向外围设置了连接上平台和下平台的第二弹性件后，转动关节具有较大整体刚度，且转动关节由U副转化为球副。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的优选实施方式的自适应转动关节的总体结构示意图，其中自适应转动关节处于自然状态；

图2是图1所示自适应转动关节的分解图；

图3-4是图1所示自适应转动关节的第一球头的结构示意图，其中，图3、4分别从不同角度示出第一球头；

图5是图1所示自适应转动关节的弹簧的结构示意图；

图6、7是图1所示自适应转动关节的复位杆的结构示意图，其中，图6、7分别从不同角度示出了复位杆；

图8是图1所示的自适应转动关节的下平台的组成部分的结构示意图；

图9是示出了处于图1所示状态的自适应转动关节的纵向截面示意图；

图10是示出了不同于图1所示状态的自适应转动关节的纵向截面示意图；

图11、12示出了设有橡皮筋的自适应转动关节的结构示意图，其中，图11、12的自适应转动关节分别处于自然状态和工作状态。

附图标记说明：

自适应转动关节：100；上平台：110；

螺纹杆部：111；第一球头：112

外螺纹部分：113；螺纹孔：114；

导引孔：115；第一台阶部：116；

弹簧：120；第一平面部：121；

第二平面部：122；复位杆：130；

导引杆部：131；第二球头：132；

第二台阶部：133；弧形凹陷面：134；

下平台：140；第一球槽：141；

第二球槽：142；耳台：143；

第二台阶部：133；限位柱：117、144；

弧形凸面：145；橡皮筋150。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“竖直”、“竖向”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

图1示出了根据本发明的优选实施方式的自适应转动关节，图2示出了图1的分解图。如图1、2所示，自适应转动关节100具有上平台110、复位杆130、诸如弹簧120的第一弹性件和下平台140。其中，上平台110、复位杆130和下平台140从上至下依次分布。上平台110的下端具有第一球头112，在图1、2的示例中，上平台110为组合式元件，其由上至下设有上固定平台和第一球头112，其中，上固定平台的下部是呈杆状构造的螺纹杆部111，螺纹杆部111的下端具有外螺纹部分113。

参见图3、4并结合图2，其中图3从第一球头112的上部视角示出第一球头112，图4从第一球头112的下部视角示出第一球头112。第一球头112通过其上端的螺纹孔114与螺纹杆部111的外螺纹部分113彼此螺纹固定而形成一体。可选地，第一球头112与上平台110上部的其余部分也可以一体成型。

第一球头112的下端设有沿其径向向下延伸的导引孔115，以此导引导引杆部131(下文描述)。

参见图6、7并结合图2，其中图6从复位杆130的上部视角示出复位杆130，图4从复位杆130的下部视角示出复位杆130。复位杆130具有位于其上端的导引杆部131，其中导引杆部131容纳于导引孔115，且被构造成能够沿导引孔115的轴向滑动。导引杆部131具有略小于导引孔115的直径，使得导引杆部131能够在导引孔115内自由地上下移动，并使导引杆部131不会相对于导引孔115发生摆动。

参见图5，其示出了根据本发明的弹簧120。弹簧120的上端抵接在第一球头112上，下端固定于复位杆130。优选地，弹簧120的上端被设置成抵接在导引孔115内，弹簧120此时将不易脱离第一球头112而失去作用。

弹簧120的上端面121优选被设置成平面状。参见图5并结合图4，导引孔115上设有与弹簧120的上端面121相对应的第一台阶部116。如此设置的第一台阶部116以及弹簧120可以保证弹簧120不会相对于上平台110发生偏斜。

参见5并结合图4、6、2，与弹簧120的上端面121类似，弹簧120的下端面122也被设置成呈平面状。与之对应地，复位杆130设有位于导引杆部131下端的第二台阶部133。可以理解，如此设置的第二台阶部133以及弹簧120可以保证弹簧120不会相对于复位杆130发生偏斜。

参见图8并结合图2，根据本发明的下平台140由左右对称的左半部和右半部组成，左半部、右半部在上、下、左、右对称的位置设置耳台。左半部、右半部设有相应通孔或螺纹孔114，二者通过螺栓或螺钉即可紧固形成一体的下平台140。如图8所示，下平台140内具有用于与第一球头112适配的第一球槽141以及位于第一球槽141的下方的第二球槽142。其中，第二球槽142的第二球心位于第一球槽141的第一球心的下方，且第二球槽142被构造成使得复位杆130能够在第二球槽142内绕第一球槽141的球心转动。在图1所示的自然状态下，第一球心和第二球心的连线与复位杆130的中心线同轴且竖直分布。此时，弹簧120被设置成处于受压或自然伸展状态。优选地，弹簧120此时被设置成处于受压状态。可以理解的是，根据上述设置的下平台140，在图1的自然状态下，复位杆130的下端与上平台110之间的距离最近，也即导引杆部131插入导引孔115的距离最深。弹簧120具有阻止上平台110和下平台140之间相对转动的作用。

进一步参见图6-7，为了减少复位杆130与第二球槽142之间的摩擦力，复位杆130的下端优选地被设置成球形构造(即第二球头132)。

参见图7并结合图8-9，第二球头132的下端被优选设置成具有向上凹陷的弧形凹陷面134，且第二球槽142内具有与弧形凹陷面134适配的弧形凸面145。

根据本发明的优选实施方式，下平台140上可设置由外部通向第一球槽141的油道。使用时，操作人员可事先通过油道向第一球槽141注入润滑剂。

以下结合图9和图10说明根据本发明的自适应转动关节100，其中图9是处于自然状态的转动关节100的纵向截面图，图10是偏离自然状态的转动关节100的纵向截面图。如图9所示，在当前的自然状态下，上平台110、复位杆130呈竖直分布(具体为上平台110的螺纹杆部111和复位杆130呈竖直分布)，弹簧120处于受压状态。当受到外力后，上平台110相对于下平台140发生相对转动至图10的状态。在由图9变化至图10的过程中，上平台110利用第一球头112与复位杆130关系而带动复位杆130在第二球槽142绕第一球心内转动。由于第二球槽142的第二球心位于第一球槽141的第一球心的下方，复位杆130在偏转过程中，第二球槽142压迫复位杆130朝向第一球头112移动并使得弹簧120进一步被压缩。待作用于上平台110的外力卸除后，借由弹簧120的弹力作用，转动关节100复位至图9状态从而使自身具备自动回正的自适应能力。可以理解的是，根据图1-9的转动关节100形成为一种U副机构。

在复位杆130设置了弧形凹陷面134，第二球槽142设置了与弧形凹陷面134匹配的弧形凸面145后。在图1、9所示自然状态下，弧形凸面145能够对弧形凹陷面134起到一定的限位作用，避免上平台110、下平台140在受到晃动或者其它外力干扰等不期望的外界干扰的情况下使得自适应转动关节100不必要地脱离自然状态。

参见图10-11，其示出了根据本发明的一种优选实施方式。在该实施方式中，该自适应转动关节100还在其外围均匀设置的多个诸如橡皮筋150的第二弹性件。其中，橡皮筋150连接上平台110和下平台140。由此形成的自适应转动关节100形成为一种球副机构。

在一种实施方式中，橡皮筋150可通过设置在上平台110的上端面121、下平台140的下端面122上的限位柱：117、144而固定。此时，橡皮筋150可以是环形件，其套设在限位柱：117、144。在另一种实施方式，橡皮筋150也可以通过胶粘的方式来固定。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种自适应转动关节，其特征在于，所述自适应转动关节包括：

上平台，所述上平台的下端具有第一球头，且所述第一球头的下端包括沿其径向向下延伸的导引孔；

复位杆，所述复位杆具有位于其上端的导引杆部，其中所述导引杆部容纳于所述导引孔，且被构造成能够沿所述导引孔的轴向滑动；

第一弹性件，所述第一弹性件的上端抵接所述第一球头，下端固定于所述复位杆；和

下平台，所述下平台内具有用于与所述第一球头适配的第一球槽，以及位于所述第一球槽的下方的第二球槽，所述第二球槽的第二球心位于所述第一球槽的第一球心的下方，且所述第二球槽被构造成使得所述复位杆能够在所述第二球槽内绕所述第一球槽的球心转动；

其中，在自然状态下，所述第一球心和第二球心的连线与复位杆的中心线同轴且竖直分布，所述第一弹性件处于受压或自然伸展状态。

2.根据权利要求1所述的自适应转动关节，其特征在于，所述导引孔内具有第一台阶部，所述第一弹性件的上端抵接所述第一台阶部。

3.根据权利要求2所述的自适应转动关节，其特征在于，

所述复位杆还包括位于所述导引杆部下端的第二台阶部，所述第一弹性件的下端抵接所述第二台阶部。

4.根据权利要求1所述的自适应转动关节，其特征在于，所述复位杆还包括位于所述导引杆部下端的第二球头。

5.根据权利要求4所述的自适应转动关节，其特征在于，所述第二球头的下端具有向上凹陷的弧形凹陷面，且所述第二球槽内具有与所述弧形凹陷面适配的弧形凸面。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的自适应转动关节，其特征在于，所述下平台包括由外部通向第一球槽的油道。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的自适应转动关节，其特征在于，所述自适应转动关节还包括沿所述自适应转动关节的外围均匀设置的多个第二弹性件，所述第二弹性件连接所述上平台和所述下平台。

8.根据权利要求7所述的自适应转动关节，其特征在于，所述上平台的上端面和/或所述下平台的下端面设有限位柱，所述第二弹性件固定于所述限位柱。

9.根据权利要求8所述的自适应转动关节，其特征在于，所述第二弹性件为橡皮筋。

10.根据权利要求1所述的自适应转动关节，其特征在于，所述第一弹性件为弹簧。

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