CN113119157A - 内置液压流道的单自由度关节及其构成的三自由度关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置液压流道的单自由度关节及其构成的三自由度关节。单自由度关节由转子和转轴组成，转子与转轴内部加工互相配合的流道，通过内部流道将关节一端的油液输送到另一端，可以在液压驱动关节中避免使用液压软管连接关节两端的液压管路，从而减小液压软管对关节性能带来的不利影响；单自由度关节与双自由度关节进一步组成三自由度关节，由三个驱动执行器驱动，可大幅减小关节体积和质量，确保关节灵活转动。

Description

内置液压流道的单自由度关节及其构成的三自由度关节

技术领域

本发明涉及液压传动领域，特别涉及内置液压流道的单自由度关节及由其构成的三自由度关节。

背景技术

液压驱动机器人通常将油源集中布置，而执行器分散于身体各部位，油源与执行器之间需要液压管路连接。跨关节的油液输送一般采用液压软管，但液压软管具有刚度低、回弹力大以及转弯半径大等特点，容易降低液压驱动系统等效刚度、影响机器人动力学特性、增加安装空间和重量。因此，开发一种内置流道的机器人关节对于液压驱动机器人具有重要的意义。

单自由度关节是机器人关节的基本形式，为连接与关节两侧的部件提供旋转自由度。关节转轴和转子相对运动，为保证机器人灵活性，应满足较快的运动速度需求，并可承受径向载荷，确保在高压力、强冲击下无渗漏。因此，较低的阻尼和可靠的密封是机器人关节的关键。

对于多自由度关节，以单自由度关节和双自由度关节为基本单元组成多自由度关节，可大幅减小关节体积和质量，确保关节灵活转动。

发明内容

针对现有液压软管跨关节输送油液带来的弊端，提出一种内置液压流道的单自由度关节及其构成的三自由度关节。

作为本发明的一个方面，提供一种内置液压流道的单自由度关节，其包括第一转子和第一转轴；

所述第一转轴内设有不连通的第一流道、第二流道以及与所述第一流道连通的第一径向通孔、与第二流道连通的第二径向通孔；所述第一流道的外端为第一油口，第二流道的外端为第二油口；

所述第一转子内设有阶梯通孔、第三流道、第四流道，且第三流道的外端为第四油口，第四流道的外端为第三油口；

所述第一转轴转动嵌套在所述第一转子的所述阶梯通孔中，所述第一油口通过第一流道、第一径向通孔、第四流道与第三油口连通，第二油口通过第二流道、第二径向通孔、第三流道与第四油口连通。

进一步地，所述第一径向通孔和第二径向通孔均至少有1个，第一转轴的第一径向通孔处还加工有第一周向凹槽，用于连通所述第一径向通孔和第四流道；第二径向通孔处还加工有第二周向凹槽，用于连通第二径向通孔和第三流道。

进一步地，所述第一转轴中部还加工第三周向凹槽，第三周向凹槽内安装第一密封件，用于分隔第一转轴的第一周向凹槽和第二周向凹槽，第一转子的阶梯通孔内左、右两侧对称安装第二密封件，用于与第一密封件共同密封第一周向凹槽和第二周向凹槽内的油液。

进一步地，所述阶梯通孔内左、右两侧还对称安装挡圈、支承件和压盖，挡圈压紧并固定支承件，支承件用于支承第一转轴和第一转子，并提供转动自由度，压盖用于压紧并固定支承件。

进一步地，所述第一转轴固连于第一肢体部件上，第一转子固连于第二肢体部件上，第一肢体部件内的第一液压管路和第二液压管路分别连接于第一油口和第二油口上，第二肢体部件内的第三液压管路和第四液压管路分别连接于第三油口和第四油口上，使得第一液压管路与第三液压管路连通、第二液压管路与第四液压管路连通。

根据本发明的另一方面，提供一种内置液压流道的三自由度关节，该三自由度关节由上述的单自由度关节和一个内置液压流道的双自由度关节组成；

所述双自由度关节包括第二转轴、第二转子、第三转子和第四转子；

所述第二转子内设有第二阶梯通孔以及设置在所述第二阶梯通孔两侧的弯曲流道一和弯曲流道二；所述第二转轴嵌套在所述第二转子的第二阶梯通孔中；

所述第二转轴包括不连通的第四流道和第五流道，还包括第四径向通孔和第三径向通孔，且所述第四径向通孔用于连通所述第五流道和所述弯曲流道一，所述第三径向通孔用于连通所述第四流道和弯曲流道二；

所述第三转子和第四转子分别嵌套在所述第二转子的两端，且均可相对于所述第二转子转动；

所述第三转子内设有沿轴向的第十一流道，第四转子内设有沿轴向的第十流道，且所述第十流道的一端与所述第二转子的弯曲流道二对接，所述第十一流道与所述第二转子的弯曲流道一对接；

所述单自由度关节设置在所述第三转子和第四转子之间，且所述第一转轴与所述第二转轴共轴线；所述第十一流道开设有第五油口，所述第三流道通过对接所述第五油口与所述第十一流道相连通；所述第十流道上开设有第六油口，所述第四流道通过对接所述第六油口与所述第十流道相连通；

所述三自由度关节能够提供三个旋转自由度，并连通关节两侧的液压管路。

进一步地，所述第二转子内设的弯曲流道一由连通的第九流道和第七流道组成，且所述第九流道与所述第十一流道对接，在两者对接的位置，所述第二转子开设有第四周向凹槽；所述第二转子内设的弯曲流道二由连通的第八流道和第六流道组成，且所述第八流道与所述第十流道对接，在二者对接的位置，所述第二转子开设有第五周向凹槽；所述第四周向凹槽和第五周向凹槽用于保证当所述第二转子绕其轴线旋转时内部流道畅通。

进一步地，所述第二转轴的第四径向通孔处开设第六周向凹槽，所述第三径向通孔处开设第七周向凹槽，所述第四径向通孔通过所述第六周向凹槽与第七流道连通，所述第三径向通孔通过所述第七周向凹槽与第六流道连通。

进一步地，第一执行器一端铰接于第三肢体部件上，另一端铰接于所述两自由度关节的第二转子上；第二执行器一端铰接于第三肢体部件上，另一端铰接于所述两自由度关节的第三转子上；第三执行器一端铰接于第四肢体部件上，另一端铰接于第五肢体部件上；第一执行器驱动第四肢体部件相对于第三肢体部件绕两自由度关节的第二转轴的轴线旋转，第二执行器驱动第四肢体部件相对于第三肢体部件两自由度关节的第二转子的轴线旋转，第三执行器驱动第五肢体部件相对于第四肢体部件绕单自由度关节的第一转轴的轴线旋转。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的液压机器人单自由度关节及三自由度关节，可以在液压驱动机器人中避免使用液压软管连接关节两端的液压管路，避免液压软管对机器人性能带来的不利影响。由单自由度关节组成的三自由度关节增加了机器人运动的灵活性，减小了关节的尺寸和重量。

附图说明

图1是本发明的内置液压流道的单自由度关节的剖视结构示意图。

图2是本发明第一转子的剖视结构示意图。

图3是本发明的内置液压流道的单自由度关节的立体示意图。

图4是本发明的内置液压流道的单自由度关节与肢体部件连接的安装示意图。

图5是本发明三自由度关节的剖视结构示意图。

图6是本发明三自由度关节的第二转子的结构示意图；其中，(a)为主剖视图，(b)为立体图。

图7是本发明的第三转子806的立体图。

图8是本发明的第四转子813的立体图。

图9是本发明的三自由度关节的立体图。

图10是本发明三自由度关节与肢体部件的安装示意图。

图中：1.第一转子；2.压盖；3.支承件；4.挡圈；5.第二密封件；6.第一密封件；7.第一转轴；8.双自由度关节；11.第一液压管路；12.第二液压管路；13.第一肢体部件；14.第四液压管路；15.第二肢体部件；16.第三液压管路；17.第三肢体部件；18.第一执行器； 19.第四肢体部件；20.第三执行器；21.第五肢体部件；22.第二执行器；101.第四油口；102. 第三流道；103.阶梯孔；104.第四流道；105.第三油口；701.第一油口；702.第一流道；703. 第一径向通孔；704.第一周向凹槽；705.第三周向凹槽；706.第二周向凹槽；707.第二径向通孔；708.第二流道；709.第二油口；801.第五油口；802.第八油口；803.第七油口；804.第六油口；805.第二转子；806.第三转子；807.第二转轴；808.第四流道；809.第五流道；810. 第四径向孔；811.第三径向通孔；812.第十一流道；813.第四转子；814.第九流道；815. 第七流道；816.第二阶梯孔817.第六流道；818.第八流道；819.第十流道；820.第七周向凹槽；821.第六周向凹槽；822.第四周向凹槽；823.第五周向凹槽。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，使得本发明的目的和效果变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的内置液压流道的单自由度关节，包括第一转子1和第一转轴7；

第一转轴7内设有不连通的第一流道702、第二流道708以及与第一流道702连通的第一径向通孔703、与第二流道708连通的第二径向通孔707；第一流道702的外端为第一油口 701，第二流道708的外端为第二油口709。

如图2和3所示，第一转子1内设有阶梯通孔103、第三流道102、第四流道104，且第三流道102的外端为第四油口101，第四流道104的外端为第三油口105；第三流道102和第四流道104也可通过增材制造等方式加工为弯孔，以满足第四油口101和第三油口105不同的安装位置要求；第四油口101和第三油口105可设置为螺纹连接或其他连接方式并配合密封件实现密封。

如图3所示，第一转轴7转动嵌套在第一转子1的阶梯通孔103中，第一油口701通过第一流道702、第一径向通孔703、第四流道104与第三油口105连通，第二油口709通过第二流道708、第二径向通孔707、第三流道102与第四油口101连通。

其中，第一径向通孔703和第二径向通孔707均至少有1个，在第一转轴7强度允许情况下也可分别设置多个通孔，以减小节流作用；第一转轴7的第一径向通孔703处还加工有第一周向凹槽704，用于连通第一径向通孔703和第四流道104；第二径向通孔707处还加工有第二周向凹槽706，用于连通第二径向通孔707和第三流道102；第一周向凹槽704宽度不小于第一径向通孔703的直径以及第四流道104的直径，第二周向凹槽706宽度不小于第二径向通孔707的直径以及第三流道102的直径，以保证第一径向通孔703和第四流道104的孔口不被第一转轴7遮盖，第二径向通孔707和第三流道102的孔口不被第一转轴7遮盖。作为其中一种实施方式，第一周向凹槽704的周向宽度相等，第二周向凹槽706的周向宽度相等；设置第一周向凹槽704和第二周向凹槽706的目的在于保证无论第一转轴7转到哪个角度都能实现油路连通。

第一转轴7中部还加工第三周向凹槽705，第三周向凹槽705内安装第一密封件6，用于分隔第一转轴7的第一周向凹槽704和第二周向凹槽706，第一转子1的阶梯通孔103内左、右两侧对称安装第二密封件5，用于与第一密封件6共同密封第一周向凹槽704和第二周向凹槽707内的油液。

阶梯通孔103内左、右两侧还对称安装挡圈4、支承件3和压盖2，挡圈4压紧并固定支承件3，支承件3用于支承第一转轴7和第一转子1，并提供转动自由度，压盖2用于压紧并固定支承件3；支承件3可减小第一转轴7与第一转子1之间的摩擦，使得所述单自由度关节承载能力和动态特性得以提高，同时可以减小第一转轴7、第一转子1以及第二密封件5 和第一密封件6的磨损，延长使用寿命。

如图4所示，第一转轴7固连于第一肢体部件13上，第一转子1固连于第二肢体部件15上，第一肢体部件13内的第一液压管路11和第二液压管路12分别连接于第一油口701 和第二油口709上，第二肢体部件15内的第三液压管路16和第四液压管路14分别连接于第三油口105和第四油口101上，使得第一液压管路11与第三液压管路16连通、第二液压管路12与第四液压管路14连通；这种连接方式可以保证关节转动过程中第一液压管路11和第二液压管路12相对于第一肢体部件13保持静止，同时保证关节转动过程中第三液压管路16 和第四液压管路14相对于第二肢体部件15保持静止，从而避免液压软管对关节运动性能带来的不利影响，并为管路与肢体部件集成安装提供可能。

内置液压流道的单自由度关节还可以与内置液压流道的双自由度关节8组成内置液压流道的三自由度关节，如图5所示，双自由度关节8包括第二转轴807、第二转子805、第三转子806和第四转子813。

如图5和6所示，第二转子805内设有第二阶梯通孔816以及设置在第二阶梯通孔816 两侧的弯曲流道一和弯曲流道二；第二转轴807嵌套在第二转子805的第二阶梯通孔816中。如图7～9所示，第三转子806中内设有沿轴向的第十一流道812，第四转子813内设有沿轴向的第十流道819，第三转子806和第四转子813均通过各自竖直方向的通孔嵌套在第二转子805的上下两端，且均可相对于第二转子805转动。如图5所示，弯曲流道一由连通的第九流道814和第七流道815组成，且第九流道814与第十一流道812对接，在两者对接的位置，第二转子805开设有第四周向凹槽822。第二转子805内设的弯曲流道二由连通的第八流道818和第六流道817组成，且第八流道818与第十流道819对接，在二者对接的位置，第二转子805开设有第五周向凹槽823；第四周向凹槽822和第五周向凹槽823用于保证当第二转子805绕其轴线旋转时内部流道畅通。弯曲流道一和弯曲流道二也可以通过增材制造等加工方法加工为任意形状的流道。为便于加工，第七流道815和第六流道817均设计为通孔，第九流道814和第八流道818右侧均设置了通孔，在使用时需通过液压堵头或其他密封结构将第七流道815上部、第六流道817下部以及第九流道814和第八流道818的右侧封堵起来。

第二转轴807包括不连通的第四流道808和第五流道809，还包括第四径向通孔810和第三径向通孔811，且第四径向通孔810用于连通第五流道809和弯曲流道一，第三径向通孔811用于连通第四流道808和弯曲流道二。第二转轴807的第四径向通孔810处开设第六周向凹槽821，第三径向通孔811处开设第七周向凹槽820，第四径向通孔810通过第六周向凹槽821与第七流道815连通，第三径向通孔811通过第七周向凹槽820与第六流道817连通。

单自由度关节设置在第三转子806和第四转子813之间，且第一转轴7与第二转轴807 共轴线；第十一流道812开设有第五油口801，第三流道102通过对接第五油口801与单自由度关节的第四油口101对接，从而使第三流道102与第十一流道812相连通，进而使单自由度关节第一油口701通过第三油口105和第六油口804与第八油口802连通。第十流道819上开设有第六油口804，第六油口804对接第二油口105，从而使第四流道104与第十流道819相连通，进而使单自由度关节第二油口709通过第四油口101和第五油口801与第七油口803连通。

三自由度关节能够提供三个旋转自由度，并连通关节两侧的液压管路。

如图9和10所示，第一执行器18一端铰接于第三肢体部件17上，另一端铰接于两自由度关节8的第二转子805上；第二执行器22一端铰接于第三肢体部件17上，另一端铰接于两自由度关节8的第三转子806上；第三执行器20一端铰接于第四肢体部件19上，另一端铰接于第五肢体部件21上；第一执行器18驱动第四肢体部件19相对于第三肢体部件17绕两自由度关节8的第二转轴807的轴线24旋转，第二执行器22驱动第四肢体部件19相对于第三肢体部件17绕两自由度关节8第二转子805的轴线23旋转，第三执行器20驱动第五肢体部件21相对于第四肢体部件19绕单自由度关节第一转轴7的轴线25旋转。

实施例

具体的，以机器人躯干、髋部和大腿的连接与驱动为例，使用本发明时，将液压机器人双自由度关节8的第二转轴805固定于机器人躯干上，并将液压动力源的高压供油管和低压回油管分别连接到液压机器人双自由度关节8的第八油口802和第七油口803；双自由度关节8的第二转子806固定于髋部；单自由度关节的第一转轴7固定于大腿，第一转轴7的第一油口701与大腿内的高压供油管连接，第二油口709与大腿内的低压回油管连接，为大腿及其下方的液压执行器供油。第一执行器18一端铰接于机器人躯干上，另一端铰接于两自由度关节8的第二转轴805上；第二执行器22一端铰接于躯干上，另一端铰接于两自由度关节 8的第二转子806上；第三执行器20一端铰接于髋部，另一端铰接于大腿、机器人躯干与髋部。当大腿内、外翻转时，第一执行器18活塞杆伸出或收回，第二执行器22动作跟随第二转子806的位置变化，使大腿完成翻转动作；当大腿左、右偏航时，第二执行器22活塞杆伸出或收回，第一执行器18动作跟随第二转轴805的位置变化，使大腿完成偏航动作；当大腿抬起或落下时，第三执行器20活塞杆伸出或收回，使大腿完成抬起或落下动作。

Claims (9)

1.一种内置液压流道的单自由度关节，其特征在于，其包括第一转子(1)和第一转轴(7)；

所述第一转轴(7)内设有不连通的第一流道(702)、第二流道(708)以及与所述第一流道(702)连通的第一径向通孔(703)、与第二流道(708)连通的第二径向通孔(707)；所述第一流道(702)的外端为第一油口(701)，第二流道(708)的外端为第二油口(709)；

所述第一转子(1)内设有阶梯通孔(103)、第三流道(102)、第四流道(104)，且第三流道(102)的外端为第四油口(101)，第四流道(104)的外端为第三油口(105)。

所述第一转轴(7)转动嵌套在所述第一转子(1)的所述阶梯通孔(103)中，所述第一油口(701)通过第一流道(702)、第一径向通孔(703)、第四流道(104)与第三油口(105)连通，第二油口(709)通过第二流道(708)、第二径向通孔(707)、第三流道(102)与第四油口(101)连通。

2.根据权利要求1所述的内置液压流道的单自由度关节，其特征在于，所述第一径向通孔(703)和第二径向通孔(707)均至少有1个，第一转轴(7)的第一径向通孔(703)处还加工有第一周向凹槽(704)，用于连通所述第一径向通孔(703)和第四流道(104)；第二径向通孔(707)处还加工有第二周向凹槽(706)，用于连通第二径向通孔(707)和第三流道(102)。

3.根据权利要求2所述的内置液压流道的单自由度关节，其特征在于，所述第一转轴(7)中部还加工第三周向凹槽(705)，第三周向凹槽(705)内安装第一密封件(6)，用于分隔第一转轴(7)的第一周向凹槽(704)和第二周向凹槽(706)，第一转子(1)的阶梯通孔(103)内左、右两侧对称安装第二密封件(5)，用于与第一密封件(6)共同密封第一周向凹槽(704)和第二周向凹槽(707)内的油液。

4.根据权利要求1或2或3所述的内置液压流道的单自由度关节，其特征在于，所述阶梯通孔(103)内左、右两侧还对称安装挡圈(4)、支承件(3)和压盖(2)，挡圈(4)压紧并固定支承件(3)，支承件(3)用于支承第一转轴(7)和第一转子(1)，并提供转动自由度，压盖(2)用于压紧并固定支承件(3)。

5.根据权利要求4所述的内置液压流道的单自由度关节，其特征在于，所述第一转轴(7)固连于第一肢体部件(13)上，第一转子(1)固连于第二肢体部件(15)上，第一肢体部件(13)内的第一液压管路(11)和第二液压管路(12)分别连接于第一油口(701)和第二油口(709)上，第二肢体部件(15)内的第三液压管路(16)和第四液压管路(14)分别连接于第三油口(105)和第四油口(101)上，使得第一液压管路(11)与第三液压管路(16)连通、第二液压管路(12)与第四液压管路(14)连通。

6.一种内置液压流道的三自由度关节，其特征在于，所述三自由度关节由权利要求1～5中的任意一项的单自由度关节和一个内置液压流道的双自由度关节组成；

所述双自由度关节(8)包括第二转轴(807)、第二转子(805)、第三转子(806)和第四转子(813)；

所述第二转子(805)内设有第二阶梯通孔(816)以及设置在所述第二阶梯通孔(816)两侧的弯曲流道一和弯曲流道二；所述第二转轴(807)嵌套在所述第二转子(805)的第二阶梯通孔(816)中；

所述第二转轴(807)包括不连通的第四流道(808)和第五流道(809)，还包括第四径向通孔(810)和第三径向通孔(811)，且所述第四径向通孔(810)用于连通所述第五流道(809)和所述弯曲流道一，所述第三径向通孔(811)用于连通所述第四流道(808)和弯曲流道二；

所述第三转子(806)和第四转子(813)分别嵌套在所述第二转子(805)的两端，且均可相对于所述第二转子(805)转动；

所述第三转子(806)内设有沿轴向的第十一流道(812)，第四转子(813)内设有沿轴向的第十流道(819)，且所述第十流道(819)的一端与所述第二转子(805)的弯曲流道二对接，所述第十一流道(812)与所述第二转子(805)的弯曲流道一对接；

所述单自由度关节设置在所述第三转子(806)和第四转子(813)之间，且所述第一转轴(7)与所述第二转轴(807)共轴线；所述第十一流道(812)开设有第五油口(801)，所述第三流道(102)通过对接所述第五油口(801)与所述第十一流道(812)相连通；所述第十流道(819)上开设有第六油口(804)，所述第四流道(104)通过对接所述第六油口(804)与所述第十流道(819)相连通；

所述三自由度关节能够提供三个旋转自由度，并连通关节两侧的液压管路。

7.根据权利要求6所述的内置液压流道的三自由度关节，其特征在于，所述第二转子(805)内设的弯曲流道一由连通的第九流道(814)和第七流道(815)组成，且所述第九流道(814)与所述第十一流道(812)对接，在两者对接的位置，所述第二转子(805)开设有第四周向凹槽(822)；所述第二转子(805)内设的弯曲流道二由连通的第八流道(818)和第六流道(817)组成，且所述第八流道(818)与所述第十流道(819)对接，在二者对接的位置，所述第二转子(805)开设有第五周向凹槽(823)；所述第四周向凹槽(822)和第五周向凹槽(823)用于保证当所述第二转子(805)绕其轴线旋转时内部流道畅通。

8.根据权利要求7所述的内置液压流道的三自由度关节，其特征在于，所述第二转轴(807)的第四径向通孔(810)处开设第六周向凹槽(821)，所述第三径向通孔(811)处开设第七周向凹槽(820)，所述第四径向通孔(810)通过所述第六周向凹槽(821)与第七流道(815)连通，所述第三径向通孔(811)通过所述第七周向凹槽(820)与第六流道(817)连通。

9.根据权利要求6所述的内置液压流道的三自由度关节，其特征在于，第一执行器(18)一端铰接于第三肢体部件(17)上，另一端铰接于所述两自由度关节(8)的第二转子(805)上；第二执行器(22)一端铰接于第三肢体部件(17)上，另一端铰接于所述两自由度关节(8)的第三转子(806)上；第三执行器(20)一端铰接于第四肢体部件(19)上，另一端铰接于第五肢体部件(21)上；第一执行器(18)驱动第四肢体部件(19)相对于第三肢体部件(17)绕两自由度关节(8)的第二转轴(807)的轴线(24)旋转，第二执行器(22)驱动第四肢体部件(19)相对于第三肢体部件(17)两自由度关节(8)的第二转子(805)的轴线(23)旋转，第三执行器(20)驱动第五肢体部件(21)相对于第四肢体部件(19)绕单自由度关节的第一转轴(7)的轴线(25)旋转。

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