CN114442731B - 一种球面密封式三自由度操纵杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面密封式三自由度操纵杆，包括：一个金属球面密封结构，具有一个金属球面连接杆，通过所述金属球面连接杆实现操纵杆活动处密封；一个Z轴转动机构，设置于所述金属球面连接杆的上部，以实现Z轴向的转动；一个XY轴转动机构，设置于所述金属球面连接杆的下方，以实现XY轴向的转动；三霍尔传感器，用于检测X、Y、Z轴的角度位置信息，并将所述角度位置信息输出为角度位置信号。本发明提供的球面密封三自由度操纵杆，能够取代防尘罩密封，极大的增强操纵杆的各种恶劣环境适应性和寿命；并且采用了扭簧扭臂安装夹角可调技术，可有效减小零位晃动。

Description

一种球面密封式三自由度操纵杆

技术领域

本发明属于操纵杆设计领域，特别是一种球面密封式三自由度操纵杆。

背景技术

传统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。但是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也不好。在抗霉菌太阳辐照方面存在着天然缺陷。另一方面未采用橡胶防尘罩的操纵杆则防尘防水性能不足。且传统操纵杆存在着较大的零位晃动量的问题。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，能有效减小零位晃动量的操纵杆。

发明内容

本发明的目的在于针对传统操纵杆橡胶防尘套的不足，提出一种采用金属球面密封结构的三自由度操纵杆。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种球面密封式三自由度操纵杆，包括：一个金属球面密封结构、一个Z轴转动机构、一个XY轴转动机构和三霍尔传感器；

所述金属球面密封结构具有一个金属球面连接杆，通过所述金属球面连接杆实现操纵杆活动处密封；

所述Z轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的上部，以实现Z轴向的转动；

所述XY轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的下方，以实现XY轴向的转动；

所述霍尔传感器用于检测X、Y、Z轴的角度位置信息，并将所述角度位置信息输出为角度位置信号。

进一步地，所述金属球面密封结构包括面板、金属球面连接杆，所述金属球面连接杆一端为中空的半球体，所述金属球面连接杆贯穿安装在所述面板上，其中半球体与面板安装固定。

进一步地，所述金属球面密封结构还包括密封衬套、O型圈，所述密封衬套和所述O型圈安装在所述面板和所述金属球面连接杆之间，实现密封。

进一步地，所述XY轴转动机构包括第一固定支架、第二固定支架、安装底座、滑桥、内转动框架、第一转轴、第二转轴、第三转轴、拨杆、磁铁和霍尔传感器；

所述内转动框架的中部位于所述金属球面连接杆的半球体的内侧，所述第一固定支架、第二固定支架、第一转轴、第二转轴、滑桥、磁铁、霍尔传感器位于所述金属球面连接杆的半球体外侧；所述第一固定支架、第二固定支架固定在安装底座上的两侧，第一转轴、第二转轴分别固定在第一固定支架、第二固定支架上；

所述金属球面连接杆和所述内转动框架相连接，所述内转动框架的中部为一个中空的长方体，两端具有凹型构造，可容纳所述金属球面连杆转动，进而带动所述内转动框架连接的安装有所述磁铁的所述第一转轴转动，由所述霍尔传感器实现XY轴中的一轴角度测量；所述滑桥中间带有长槽的弧形结构，对所述拨杆进行导向和限位；所述拨杆和所述金属球面连接杆通过所述第三转轴经由所述内转动框架相连接，带动所述滑桥连接的安装有所述磁铁的所述第二转轴转动，由所述霍尔传感器实现XY轴中的另一轴角度测量。

进一步地，所述XY轴转动机构还包括限位块，该限位块具有两个凸起，限位块安装于所述第一固定支架上对XY轴运动机构的运动角度进行限位，通过限位块的变更可实现运动范围变换。

进一步地，所述XY轴转动机构还包括扭簧、扭簧卡柱，所述扭簧安装在第二转轴上，当所述金属球面连接杆被推动时，所述扭簧的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆后，所述扭簧自动复位，推动金属球面连接杆复位；

所述扭簧卡柱限制所述扭簧的扭臂转动，可通过旋转扭簧卡柱对扭簧的两扭臂间的夹角进行调整。

进一步地，所述XY轴转动机构还包括扭簧安装块，所述扭簧安装块具有一大于扭簧直径的端面，限制所述扭簧轴向位移；所述扭簧安装块还具有一个凸台，用于拨动扭簧的扭臂；

当所述金属球面连接杆被推动时，所述扭簧安装块拨动扭簧的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆后，所述扭簧自动复位，将所述扭簧安装块向初始位置推动，以使金属球面连接杆复位。

进一步地，所述Z轴转动机构，包括Z轴转轴、扭簧、Z轴固定块、扭簧卡销、扭簧调节板、Z轴限位柱、轴承、磁铁、霍尔传感器；

所述Z轴转轴的上端具有一个安装平面和一个限位开口，扭簧调节板具有一个长槽安装孔；

所述Z轴固定块安装在金属球面连接杆的上端，扭簧卡销和Z轴限位柱固定在Z轴固定块上，Z轴转轴通过轴承安装在Z轴固定块上，扭簧通过Z轴转轴和扭簧卡销安装在Z轴固定块上表面；所述扭簧调节板通过长槽安装孔安装在Z轴转轴上的安装平面上，通过调节长槽安装孔在安装平面上的安装位置调整扭簧扭臂间的夹角；磁铁固定于Z轴转轴的下端，并且随Z轴转轴转动，通过固定在Z轴固定块的霍尔传感器感应并输出Z轴的角度位置；所述Z轴限位柱随Z轴转轴转动，且转动范围由限位开口限制。

进一步地，所述Z轴转轴上安装操纵杆手柄。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)操纵杆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)采用了扭簧扭臂安装夹角可调技术，可有效减小零位晃动。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中球面密封三自由度操纵杆结构示意图。

图2为一个实施例中球面密封三自由度操纵杆XY轴操作示意图。

图3为一个实施例中球面密封三自由度操纵杆Z轴操作示意图。

图4为一个实施例中金属球面密封结构示意图。

图5为一个实施例中Z轴运动机构示意图。

图6为一个实施例中Z轴运动机构顶部示意图。

图7为一个实施例中XY轴运动机构侧面示意图。

图8为一个实施例中XY轴运动机构正面示意图。

图9为一个实施例中扭簧扭臂调节示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种球面密封式三自由度操纵杆，包括：一个金属球面密封结构、一个Z轴转动机构、一个XY轴转动机构和三霍尔传感器；

所述金属球面密封结构具有一个金属球面连接杆，通过所述金属球面连接杆实现操纵杆活动处密封；

所述Z轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的上部，以实现Z轴向的转动；

所述XY轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的下方，以实现XY轴向的转动；

所述霍尔传感器用于检测X、Y、Z轴的角度位置信息，并将所述角度位置信息输出为角度位置信号。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图4，所述金属球面密封结构包括面板4、金属球面连接杆1，所述金属球面连接杆1一端为中空的半球体1.1，所述金属球面连接杆1贯穿安装在所述面板4上，其中半球体1.1与面板4安装固定。

所述金属球面密封结构还包括树脂成型的密封衬套2、O型圈3，所述密封衬套2和所述O型圈3安装在所述面板4和所述金属球面连接杆1之间，且O型圈3固定在面板4和密封衬套2所形成的槽内，实现密封。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图7至图9，所述XY轴转动机构包括第一固定支架6、第二固定支架33、安装底座7、滑桥30、内转动框架8、第一转轴5、第二转轴13、第三转轴28、拨杆15、磁铁16和霍尔传感器9；

所述内转动框架8的中部位于所述金属球面连接杆的半球体1.1的内侧，所述第一固定支架6、第二固定支架33、第一转轴5、第二转轴13、滑桥30、磁铁16、霍尔传感器9位于所述金属球面连接杆的半球体1.1外侧；所述第一固定支架6、第二固定支架33固定在安装底座7上的两侧，第一转轴5、第二转轴13分别固定在第一固定支架6、第二固定支架33上；

所述金属球面连接杆1和所述内转动框架8相连接，所述内转动框架8的中部为一个中空的长方体8.1，两端具有凹型构造8.2，可容纳所述金属球面连杆1转动，进而带动所述内转动框架8连接的安装有所述磁铁16的所述第一转轴5转动，由所述霍尔传感器9实现XY轴中的一轴角度测量；所述滑桥30中间带有长槽的弧形结构，对所述拨杆15进行导向和限位；所述拨杆15和所述金属球面连接杆1通过所述第三转轴28经由所述内转动框架8相连接，带动所述滑桥30连接的安装有所述磁铁16的所述第二转轴13转动，由所述霍尔传感器9实现XY轴中的另一轴角度测量。

所述XY轴转动机构还包括限位块10，该限位块具有两个凸起，限位块10安装于所述第一固定支架6上对XY轴运动机构的运动角度进行限位，通过限位块的变更可实现运动范围变换。

所述XY轴转动机构还包括扭簧12、扭簧卡柱17，所述扭簧12安装在第二转轴13上，当所述金属球面连接杆1被推动时，所述扭簧12的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆1后，所述扭簧12自动复位，推动金属球面连接杆1复位；

所述扭簧卡柱17限制所述扭簧12的扭臂转动，可通过旋转扭簧卡柱17对扭簧12的两扭臂间的夹角进行调整。

所述XY轴转动机构还包括扭簧安装块11，所述扭簧安装块11具有一大于扭簧12直径的端面11.1，限制所述扭簧12轴向位移；所述扭簧安装块11还具有一个凸台11.2，用于拨动扭簧12的扭臂；

当所述金属球面连接杆1被推动时，所述扭簧安装块11拨动扭簧12的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆1后，所述扭簧12自动复位，将所述扭簧安装块11向初始位置推动，以使金属球面连接杆1复位。

具体地，所述第一固定支架6、第二固定支架33固定在安装底座7上的两侧，第一转轴5和第二转轴13通过轴承32分别固定于第一固定支架6和第二固定支架33上；内转动框架8将第一转轴5和第二转轴13相连接，金属球面连接杆1通过第三转轴28安装在内转动框架8上；拨杆15固定于第三转轴28上，且穿过滑桥30的中间长槽，所述滑桥30将位于其两侧的第一转轴5和第二转轴13相连，且通过轴承32分别固定于第一固定支架6、第二固定支架33上；扭簧12安装在第二转轴13上，并通过扭簧安装块11的大于扭簧12直径的端面11.1限制轴向位移，扭簧12的两只扭臂通过扭簧安装块11的凸台11.2提供初始扭力，所述扭簧卡柱17用于对扭簧进行辅助固定，使得一个扭臂运动时另一个扭臂不动以产生回复力，所述扭簧卡柱17为椭圆柱；扭簧12的两只扭臂通过扭簧安装块11的凸台11.2张开一定的夹角，通过旋转调节扭簧卡柱17的椭圆柱面17.1来使零位晃动量减小接近零；所述磁铁16安装在第一转轴5的一端，安装在第一固定支架6上的霍尔传感器9通过感知磁铁16的转动量来输出操纵杆的角度位置。如图7所示的纸面方向，推动金属球面连接杆1，内转动框架8的两端凹型构造将容纳转动过来的金属球面连接杆的一部分球面，将带动第三转轴28和拨杆15转动，拨杆15通过在滑桥30长槽的部分带动滑桥30一起转动，第一转轴5会通过磁铁16和霍尔传感器9输出操纵杆此时的角度位置。限位块10通过2个凸起对滑桥进行限位，限制角度位移量，并可通过更换限位块10进行限位角度的调节。同时扭簧安装块11拨起扭簧-12的一只扭臂，另一只扭臂被扭簧卡柱17限制不动，提供了和操作力相反的扭力，并在操作力消失时使操纵杆回到零位。如图8所示的纸面方向，推动金属球面连接杆-1，通过和金属球面连接杆1相固定的第三转轴28带动内转动框架8转动，和内转动框架8相连的第一转轴5会通过磁铁16和霍尔传感器9输出操纵杆此时的角度位置。限位块10通过2个凸起对内转动框架8进行限位，限制角度位移量，并可通过更换限位块10进行限位角度的调节。同时扭簧安装块11拨起扭簧12的一只扭臂，另一只扭臂被扭簧卡柱17限制不动，提供了和操作力相反的扭力，并在操作力消失时使操纵杆回到零位。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图5和图6，所述Z轴转动机构，包括Z轴转轴21、扭簧22、Z轴固定块18、扭簧卡销19、扭簧调节板20、Z轴限位柱29、轴承31、磁铁23、霍尔传感器24；

所述Z轴转轴21的上端具有一个安装平面21.2和一个限位开口21.1，扭簧调节板20具有一个长槽安装孔20.1；

所述Z轴固定块18安装在金属球面连接杆1的上端，扭簧卡销19和Z轴限位柱29固定在Z轴固定块18上，Z轴转轴21通过轴承31安装在Z轴固定块18上，扭簧22通过Z轴转轴21和扭簧卡销19安装在Z轴固定块18上表面；所述扭簧调节板20通过长槽安装孔20.1安装在Z轴转轴21上的安装平面21.2上，通过调节长槽安装孔20.1在安装平面21.2上的安装位置调整扭簧22扭臂间的夹角；磁铁23固定于Z轴转轴21的下端，并且随Z轴转轴21转动，通过固定在Z轴固定块18的霍尔传感器24感应并输出Z轴的角度位置；所述Z轴限位柱29随Z轴转轴21转动，且转动范围由限位开口21.1限制。

进一步地，在其中一个实施例中，所述Z轴转轴21上安装操纵杆手柄27，操纵杆XY轴操作、Z轴操作分别如图2和图3所示。操纵杆手柄27可安装多种开关和微操元器件，通过球面金属连接杆1连接到印制板25上，霍尔传感器输出的角度位置信号也通过接插件连接到印制板25上，通过印制板的处理电路处理后输出。

本发明提供了一种球面密封三自由度操纵杆，能够取代防尘罩密封，极大的增强操纵杆的各种恶劣环境适应性和寿命；并且采用了扭簧扭臂安装夹角可调技术，可有效减小零位晃动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种球面密封式三自由度操纵杆，其特征在于，包括：一个金属球面密封结构、一个Z轴转动机构、一个XY轴转动机构和三霍尔传感器；

所述金属球面密封结构具有一个金属球面连接杆，通过所述金属球面连接杆实现操纵杆活动处密封；

所述Z轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的上部，以实现Z轴向的转动；

所述XY轴转动机构设置于所述金属球面连接杆的下方，以实现XY轴向的转动；

所述三霍尔传感器用于检测X、Y、Z轴的角度位置信息，并将所述角度位置信息输出为角度位置信号；

所述金属球面密封结构包括面板（4）、金属球面连接杆（1），所述金属球面连接杆（1）一端为中空的半球体（1.1），所述金属球面连接杆（1）贯穿安装在所述面板（4）上，其中半球体（1.1）与面板（4）安装固定；

所述金属球面密封结构还包括密封衬套（2）、O型圈（3），所述密封衬套（2）和所述O型圈（3）安装在所述面板（4）和所述金属球面连接杆（1）之间，实现密封；

所述XY轴转动机构包括第一固定支架（6）、第二固定支架（33）、安装底座（7）、滑桥（30）、内转动框架（8）、第一转轴（5）、第二转轴（13）、第三转轴（28）、拨杆（15）、磁铁（16）和霍尔传感器（9）；

所述内转动框架（8）的中部位于所述金属球面连接杆的半球体（1.1）的内侧，所述第一固定支架（6）、第二固定支架（33）、第一转轴（5）、第二转轴（13）、滑桥（30）、磁铁（16）、霍尔传感器（9）位于所述金属球面连接杆的半球体（1.1）外侧；所述第一固定支架（6）、第二固定支架（33）固定在安装底座（7）上的两侧，第一转轴（5）、第二转轴（13）分别固定在第一固定支架（6）、第二固定支架（33）上；

所述金属球面连接杆（1）和所述内转动框架（8）相连接，所述内转动框架（8）的中部为一个中空的长方体（8.1），两端具有凹型构造（8.2），可容纳所述金属球面连接杆（1）转动，进而带动所述内转动框架（8）连接的安装有所述磁铁（16）的所述第一转轴（5）转动，由所述霍尔传感器（9）实现XY轴中的一轴角度测量；所述滑桥（30）中间带有长槽的弧形结构，对所述拨杆（15）进行导向和限位；所述拨杆（15）和所述金属球面连接杆（1）通过所述第三转轴（28）经由所述内转动框架（8）相连接，带动所述滑桥（30）连接的安装有所述磁铁（16）的所述第二转轴（13）转动，由所述霍尔传感器（9）实现XY轴中的另一轴角度测量；

所述XY轴转动机构还包括扭簧（12）、扭簧卡柱（17），所述扭簧（12）安装在第二转轴（13）上，当所述金属球面连接杆（1）被推动时，所述扭簧（12）的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆（1）后，所述扭簧（12）自动复位，推动金属球面连接杆（1）复位；

所述扭簧卡柱（17）限制所述扭簧（12）的扭臂转动，可通过旋转扭簧卡柱（17）对扭簧（12）的两扭臂间的夹角进行调整；

所述第一固定支架（6）、第二固定支架（33）固定在安装底座（7）上的两侧，第一转轴（5）和第二转轴（13）通过轴承（32）分别固定于第一固定支架（6）和第二固定支架（33）上；内转动框架（8）将第一转轴（5）和第二转轴（13）相连接，金属球面连接杆（1）通过第三转轴（28）安装在内转动框架（8）上；拨杆（15）固定于第三转轴（28）上，且穿过滑桥（30）的中间长槽，所述滑桥（30）将位于其两侧的第一转轴（5）和第二转轴（13）相连，且通过轴承（32）分别固定于第一固定支架（6）、第二固定支架（33）上；扭簧（12）安装在第二转轴（13）上，并通过扭簧安装块（11）的大于扭簧（12）直径的端面（11.1）限制轴向位移，扭簧（12）的两只扭臂通过扭簧安装块（11）的凸台（11.2）提供初始扭力，所述扭簧卡柱（17）用于对扭簧进行辅助固定，使得一个扭臂运动时另一个扭臂不动以产生回复力，所述扭簧卡柱（17）为椭圆柱；扭簧（12）的两只扭臂通过扭簧安装块（11）的凸台（11.2）张开一定的夹角，通过旋转调节扭簧卡柱（17）的椭圆柱面来使零位晃动量减小接近零；所述磁铁（16）安装在第一转轴（5）的一端，安装在第一固定支架（6）上的霍尔传感器（9）通过感知磁铁（16）的转动量来输出操纵杆的角度位置；

所述Z轴转动机构，包括Z轴转轴（21）、扭簧（22）、Z轴固定块（18）、扭簧卡销（19）、扭簧调节板（20）、Z轴限位柱（29）、轴承（31）、磁铁（23）、霍尔传感器（24）；

所述Z轴转轴（21）的上端具有一个安装平面（21.2）和一个限位开口（21.1），扭簧调节板（20）具有一个长槽安装孔（20.1）；

所述Z轴固定块（18）安装在金属球面连接杆（1）的上端，扭簧卡销（19）和Z轴限位柱（29）固定在Z轴固定块（18）上，Z轴转轴（21）通过轴承（31）安装在Z轴固定块（18）上，扭簧（22）通过Z轴转轴（21）和扭簧卡销（19）安装在Z轴固定块（18）上表面；所述扭簧调节板（20）通过长槽安装孔（20.1）安装在Z轴转轴（21）上的安装平面（21.2）上，通过调节长槽安装孔（20.1）在安装平面（21.2）上的安装位置调整扭簧（22）扭臂间的夹角；磁铁（23）固定于Z轴转轴（21）的下端，并且随Z轴转轴（21）转动，通过固定在Z轴固定块（18）的霍尔传感器（24）感应并输出Z轴的角度位置；所述Z轴限位柱（29）随Z轴转轴（21）转动，且转动范围由限位开口（21.1）限制。

2.根据权利要求1所述的球面密封式三自由度操纵杆，其特征在于，所述XY轴转动机构还包括限位块（10），该限位块具有两个凸起，限位块（10）安装于所述第一固定支架（6）上对XY轴运动机构的运动角度进行限位，通过限位块的变更可实现运动范围变换。

3.根据权利要求2所述的球面密封式三自由度操纵杆，其特征在于，所述XY轴转动机构还包括扭簧安装块（11），所述扭簧安装块（11）具有一大于扭簧（12）直径的端面（11.1），限制所述扭簧（12）轴向位移；所述扭簧安装块（11）还具有一个凸台（11.2），用于拨动扭簧（12）的扭臂；

当所述金属球面连接杆（1）被推动时，所述扭簧安装块（11）拨动扭簧（12）的其中一只扭臂实现XY轴运动，当停止推动所述金属球面连接杆（1）后，所述扭簧（12）自动复位，将所述扭簧安装块（11）向初始位置推动，以使金属球面连接杆（1）复位。

4.根据权利要求3所述的球面密封式三自由度操纵杆，其特征在于，所述Z轴转轴（21）上安装操纵杆手柄（27）。