CN1697934A - 特别是用于机器人技术中的装置和眼镜框架的铰接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铰接系统，该铰接系统包括属于第一刚性元件(7)的一端(1)和属于第二刚性元件(8)的一端(3)，所述端部具有彼此间匹配的支承表面。根据本发明，为了维持上述表面间的压力接触设置弹性装置(18)。本发明的系统也包括至少一个无形的枢转点，其可在导向装置(6)所允许的限制中的两个垂直平面中移动，并且装置(19a－b)仅允许在一个平面中枢转或在具有确定方向的一定数量的平面中枢转。

Description

特别是用于机器人技术 中的装置和眼镜框架的铰接系统

技术领域

本发明涉及一种铰接系统，特别是用于机器人技术中的装置和眼镜框架。

更准确地讲，本发明涉及一种在第一刚性元件的一端和第二刚性元件的一端之间的这样一种类型的铰接系统，所述各端部具有支承表面，适于一个位于另一个上面地分别成对配接，弹性装置设置用来维持所述表面之间的支承接触。

背景技术

用于机器人技术(行走机器人，模块机器人，制造机器人，医用机器人，微型机器人等)中的装置的大部分设置有铰接头，其允许在连续的角度范围内枢转，并且通常在多个平面中。这种铰接头允许设备执行多种动作以及在可延及空间中的位移。但是，在本质上，这些铰接头的机构在停止位置上是不稳定的或是单稳态的，并且随之而来的是，一旦它的停止位置不再适用，这种设备就总是启用它的驱动装置(例如，驱动缸)以将其保持在选定的位置上。

现在，在一定范围内枢转可能既不是必需的甚至也不是所希望的。

因此，在医用机器人技术中，在变点光学装置连续范围上的使用对外科医生来说不是真正的兴趣所在。类似地，多节内窥镜的偏转，诸如他们在实际中所使用的那样，接近“全有或全无”。

另外，在制造机器人时，枢转范围的连续性最终削弱定位精度和重复性。

就行走机器人而言，它们不一定需要具有连续可及空间的腿。

简言之，独立铰接头的概念将减少成本，限制作用在驱动装置或机构上的应力，并且在制造机器人的情况下，可在时间上保证定位精度。

在眼镜制造和其它领域中(车门，家具门板)，有时使用所谓的“弹性”铰链，其例如适于将移动元件保持在一个或两个稳定位置上，诸如镜架侧部的关闭和打开位置。

通常，所提供的这些“弹性”铰链具有将移动元件的移动限定于某一给定平面中的移动的旋转轴。

从EP-A-0 886 712中，也可知一种镜架铰链，该镜架铰链的移动和固定元件通过一弹性链环被连接起来，通过该弹性链环所述移动元件尽可以在固定范围之间的任何平面上活动，并且甚至可以自身为枢轴枢转：尽管这些铰链毫无疑问迎合人们的心里，但是它们难于制造及小型化，并且它们的相对脆弱性受到使用者的严峻考验，这些使用者喜欢摆弄所述侧部。这些铰链不适于在多个平面中保持于多个稳定位置和/或不适于设置驱动装置，该装置允许从一个稳定位置过渡到另一个稳定位置。

从US-A-4 785 528中也可知一种铰接台架，其可由一个机器人来操纵。该铰接系统被设计成台架的一端尽可能自由地移动并且所述端可以以自身为枢轴枢转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铰接头，其能够允许两个刚性元件(分别为固定的和移动的)占据各个稳定和/或不稳定的、精确确定的相对角度位置，移动元件的与所述铰接头相对的端部沿重复的线性轨迹运行，无需启用任何所述铰接头可能配置的驱动装置。

该目的的获得在于，上述类型的铰接系统包括至少一个不定的枢转点(intangible pivot point)，可在由导引装置所允许的范围内在两个相交平面内移动，以及装置允许仅只在一个或一些平面中枢转的，平面的数量和方位被限定。

在本发明的一个特定实施例中，所述铰接头包括两个这样的不定枢转点，其位于两个不同的并且基本上垂直的平面上。

更明确的是，所述铰接系统包括两个枢转元件，每个具有由至少部分弯曲表面所限定的凹进区域，每个所述枢转元件分别地悬置在所述刚性元件之一上，所述枢转元件基本上彼此垂直，并且通过它们相应的凹进区域的互锁彼此接合，从而能够以链环的方式相对于彼此枢转。

在实际中，例如，所述枢转元件可呈现环、圈、钩或多边形板的形式，具有由至少部分弯曲表面所限定的凹进。

有利的是，枢转元件之一是封闭的(环，圈等)，而另一个是敞开的(钩)，因为这可以便于组装或折解，但是使用两个封闭元件的方案同样是可行的。

限定每个枢转元件凹进区域的至少部分弯曲表面最经常的是圆形。但是，在希望使枢转产生凸轮效果的某种应用场合，这个表面可能是椭圆的，或任何其它的弯曲形状，包括不规则的形状。

将会认识到的是，两个不定的枢转点以某一距离间隔开，该距离基本上对应于相互接合的并且以“凹进区域的弯曲表面”抵靠“凹进区域的弯曲表面”的接触部分上的每个所述枢转元件的材料的平均厚度。

通过利用这一厚度，因此可以将两个枢转点进一步分开或进一步靠近。

在本发明的一特定实施例中，所述刚性元件的至少一个端部插入一容放腔，容放腔在铰接一侧敞开并设置有拉杆，其一端被保持置放在所述容放腔中，而其另一端构成所述枢转元件之一，所述弹性装置与所述拉杆协同操作以便强迫所述刚性元件的支承面彼此保持接触。

所述弹性装置可以由旋装在拉杆上的螺旋弹簧构成，其一方面抵靠在设置在容放腔中并且设置有拉杆经由其滑动的通道的台肩上，另一方面抵靠在一端板上，该端板在截面上大于所述通道并且将拉杆保持置放在所述容放腔中。

该系统可以仅在一个刚性元件或两个刚性元件中包括这种类型的弹簧加载的拉杆。当其包括仅只一个时，充足的间隙必须设置在两个枢转元件之间以使它们执行它们的功能。

为了确定允许枢转的平面方位和/或数量，所述刚性元件的至少一端插装于一容放腔，容放腔在铰接一侧敞开，并且所述容放腔的壁具有至少一个轴向凹口，其几何形状和大小允许枢转元件部分从所述容放腔的开口端进入到所述凹口。

在第一个可能的实施例中，仅设置有单一一个凹口。

在第二个可能的实施例中，两个凹口被设置在同一平面中，位于容放腔的相对壁上。

所述凹口的数量和相对位置作为希望的稳定位置的数量和它们的方位的函数来选定。

优选地是，引导移动元件移动的所述导向元件防止所述移动元件以其自身为枢轴枢转，至少在它没有占据一个稳定位置时。

为此，一个防旋转结构可以被设置在其中一个所述枢转元件上，并且这个防旋转结构可以构成能够进入到(各)凹口中的枢转元件部分。

为了便于这种进入，所述容放腔的壁优选地具有从刚性元件的外侧通向所述凹口的进入坡道。

在另一个实施例中，在所述容放腔的壁的外部表面上以及与容放腔的开口端相对，所述(各)凹口向外通向凹(或凸)回转表面，以及另一刚性元件的一端包括具有互补尺寸和形状的凹(或凸)回转表面，因此其中一个元件可以绕它的纵向轴相对于另一元件旋转，同时它们处于稳定的角度位置。

为了将所述铰接头卡住在稳定位置上，两个刚性元件的支承面优选地具有至少一对互补构形，适合在选定的相对角度位置上接合。

在本发明的一个特定实施例中，所述刚性元件分别是容放腔的侧部和端面。

在本发明的一个特定实施例中，至少一个刚性元件在其与铰接头相对的端部包括能够临时与设置在另一元件上的互补连接装置配合的连接装置。因此可以实现用在机器人中的铰接链。

附图说明

下面参照附图对本发明进行更加详细的描述，其中；

图1示例性地示出本发明所基于的原理；

图2a，2b和2c示出枢转元件的可能形式；

图3a，3b和3c是本发明第一实施例的、局部剖视、局部透视的视图，分别处于第一稳定位置、不稳定位置以及第二稳定位置；

图4a，4b和4c是本发明第二实施例的、局部剖视、局部透视的视图，分别示出处于第一稳定位置、不稳定位置以及第二稳定位置；

图5是拉杆示例的分解透视图；

图6是图4a-4c实施例的刚性元件的端部的透视图；

图7是类似于图6的视图，其示出一种改型；

图8是示出另一种改型的刚性元件的端部的透视图，所述元件处于分解状态；

图9示出处于组装状态的图8的元件；

图10是利用本发明的铰接“链”的透视图。

具体实施方式

图1示列性示出本发明所基于的原理。

在本图中可以看到滑入到环2中的钩1，一个处于图纸平面中，另一个处于垂直于所述纸面的平面中。

环2可绕点P2在钩1上枢转，而点P2保持在图纸平面中。在这样做时，例如，环2过渡到位置2’或2”，点P2分别终止在P2’和P2”。环2的移动由钩1的内部曲率所引导，只要环2被保持压靠于钩1。具有相同的结果，钩1可绕点P1在环2上枢转，而点P1保持在图纸平面中。

另外，环2也可在一系列垂直于图纸平面的平面中在钩1上枢转，并且通过原先由点P2所占据的各个可能位置，诸如P2’以及P2”，钩1的位移由环2的内部曲率d所引导，只要钩1被保持压靠于环2。

因此，P1和P2可在分别由链环2的内部曲率所构成的以及钩1的内部曲率所构成的导向装置所允许的限制范围内移动，并且它们以等于接触区域中的钩1的厚度e1和处在相同区域中的环2的厚度e2的平均值的距离D隔开。

图2a，2b，2c示例性示出枢转元件可能以及非限制的实施例：其形式为复曲面环(toric ring)2、具有孔口的多边形(正方形)板3和倒转“D”4。所述枢转元件同样可采用与图1所示相同的钩1的形式。重要的是，该元件具有至少部分加由曲面6界定边界的凹口5，所述凹口可以是圆形的(图2a和图2b)，部分圆形(图1和2c)或非圆形。

图3a，3b，3c分别示出在钩1平面中所观察到的本发明第一实施例的第一稳定位置、非稳定位置以及第二稳定位置。

从图3a-c中可明显看出的是，铰接系统被部分安装在第一刚性的所谓的“固定”元件7中，以及被部分安装在第二刚性的所谓的“移动”元件8中。显然的是，这种“移动”元件和“固定”元件之间的区别可以人为指定，在某种情况下，每个元件可以相对于另一个元件被认作是“移动的”。

固定元件7限定了由隔板10分隔成近端部分11(相对于铰接头的近侧端)和远端部分12的容放腔9。隔板10上设置有用于拉杆14的通道13。该拉杆14包括杆15，其近侧端形成钩1而其远侧端设置有止挡16。该止挡16可以是拧紧在杆15上的螺钉的头部，一通孔(未示出)设置在容放腔9的底部17，用于该螺钉和螺丝起子端部的引入。一螺旋弹簧18旋装在杆15上并且在一方面抵靠在止挡16上，而在另一方面抵靠在隔板10上。容放腔9的近端部分11的壁具有两个处于钩1平面上的槽口19a和19b，它们每一个引入坡道20a和20b中。

移动元件8类似地包括由隔板26分隔成近端部分24和远端部分25的容放腔23，其上设置有用于拉杆28的通道27。该拉杆28包括杆29，其近侧端固定连接到平行六面体块32，形成一防旋转元件，平行六面体块的尺寸基本上接近于容放腔23的近端部分24的尺寸，并且接续一具有圆形孔的方形板3。出于简化的目的，所述方形板在以后被参考作为链环3。杆29的远侧端设置有止档30，其类似于止档16，可以是螺钉头部。螺旋弹簧31旋装在杆29上，并且在一方面抵靠止档30，而在另一方面抵靠隔板26。

固定元件7的近侧端具有三个支承面33，34和35，以及移动元件8的近侧端具有支承面36。固定和移动元件7和8的近侧端的边缘39和40被圆整以便于两个元件之间的相对运动。

选择弹簧的张紧力，使得在稳定位置上，弹簧18将钩1从支承面33保持向后并且弹簧31以这样一种方式保持块32，使得块32的近侧端与支承面36齐平。

从图3a-c中可以清楚地看出，钩1旋装在链环3中。

在图3a中，所述单元占据着第一稳定位置，其中固定元件7和移动元件8处于相互对齐的状态，移动元件8的支承面36压靠着固定元件的支承面33。在这个位置中，钩1从支承面33回缩而链环3被容纳在固定元件7的容放腔9的近端部分11中。

在图3b中，移动元件8已经相对于它在图3a中所占据的位置发生移位，以便能够根据箭头F1枢转。通过克服弹簧18和31的力、由链环3施加在钩1上的拉力使得这种移位成为可能，而两个弹簧被压缩。可以看出，钩1现在与支承面33齐平并且块32稍微从移动元件8伸出。凹口19a的存在也使所述枢转成为可能，其允许链环3和块32通过。

在图3c中，移动元件8的支承面36现在压靠于固定元件7的支承面34。钩1和块32已经重新获得它们图3a的位置，并且弹簧18和31也已经回复到它们最初的拉紧程度。链环3以其看不见的边缘与坡道20a相接触，而其可见边缘与对称于所述坡道20a的另一个坡道(不可见)相接触。

将会认识到的是，如果固定元件7包括对置于凹口19a的第二凹口19b，移动元件8可以被带入第三稳定位置，即以其支承面36压靠着固定元件7的支承面35。

类似于拉杆28的拉杆28’在图5中单独示出。杆29、防旋转块32和链环3’稍稍不同于链环3，并且配设有螺钉头30。

图4a，4b，4c分别示出了在链环3的平面中所观察到的本发明第二实施例的第一稳定位置、非稳定位置和第二稳定位置。

图4a-c的实施例与图3a-c的实施例的不同之处在于，固定元件7’包括五个支承面，也就是如同先前实施例中的端部支承面33，以及四个侧向支承面，其中只有37和38在图中是可见的。其它两个的设置与元件7的支承面34和35相同。相应地，刚性元件7’包括四个凹口，其中三个是可见的，即19a、19c和19d，各凹口导入诸如20c和20d等坡道。

固定元件7’的构造从图6中显得更清楚。可以看出固定元件7’包括端部支承面33和四个侧向支承面，仅有两个支承面37和38在图中是可见的。其它两个支承面分别对置于所述面37和38。诸如19a、19d的凹口被设置在每个侧向支承面上，两个相对面的凹口设置在相同平面中。因此该实施例提供两个偏转平面以及五个稳定位置：元件7’和8’对齐的位置，或元件7’和8’呈90度，处于四个可能位置中的一个。

图7示出图6中实施例中的结构变形，其中配设有固定元件7”和移动元件8’，而其中坡道，诸如41，沿诸如19b的凹口的边缘设置，以利于在所述凹口中链环3的进入和导向。

图8示出另一种变化，其中固定元件7的端部支承面33具有尺寸和几何形状对应于设置在移动元件8的支承面36’上的凸起构形43的凹入构形42。类似的是，每个凹口，诸如19b向外通向在尺寸和几何形状上对应于凸起构形43的凹入构形44。正如图9中所示，这种结构配置允许移动元件8绕它的纵向轴旋转，旋转进入任何一个它的稳定位置。当然，在这种情况下，包括在元件8中的拉杆是没有防旋转块的。在诸如内窥镜的产品中可以使用这种实施例。

图10示出本发明一种可能的应用，即元件铰接“链”的实现。元件70和80在A处根据本发明进行铰接，并且其中一个，诸如70具有阳螺纹71，而另一个，诸如80具有阴螺纹81。所述阳螺纹71能够与设置在另一个元件80’中的阴螺纹81’配合，元件80’类似于元件80或在性质上不同，诸如照像机、传感器等的连接部件。例如，这种元件的铰接“链”能够被用于医用机器人技术中。

显然的是，本发明并不受限于所描述和所示出的实施例。特别是，尽管这些实施例示出了除了稳定对齐位置外，能够具有两个或四个稳定角度(侧向)位置的铰接头，但它们可以仅具有其中之一，例如在接头用于眼镜框架的应用场合。

另外，可以设置装置来允许对弹簧的力进行调节，以防止刚性元件的支承面分开，所述弹簧的压缩力可以作为制动手段，以便在希望的结构中卡住接头。

在一个特定的实施例中，最后，可以将位置测量和信息传输控制装置结合在其中一个刚性元件体内的有限空间中，以允许对小型机器人或微型机器人的开发。

Claims (15)

1、一种铰接系统，包括位于第一刚性元件(7)的一端和第二刚性元件(8)的一端之间的至少一个枢转点，所述各端部具有支承表面，适于一个位于另一个上面地分别成对配接，弹性装置设置用来维持所述表面之间的支承接触，其特征在于，所述系统包括至少一个不定的枢转点(P1，P2)，可在由导引装置(6)所允许的范围内在两个垂直平面中移动，并且装置(19a-c)允许仅只在一个或某些平面上枢转，其数量和方位被限定。

2、根据权利要求1所述的铰接系统，其特征在于，它包括两个此种不定枢转点(P1，P2)，处于两个不同但基本上垂直的平面上。

3、根据权利要求1或2所述的铰接系统，其特征在于，它包括两个枢转元件(1，2)，每个元件具有由至少局部曲面(6)限定的凹进区域，每个所述枢转元件分别悬置于所述刚性元件之一上，所述枢转元件基本上彼此垂直，并且通过它们相应凹进区域的互锁使一个接合在另一个中，如此能够以链的链环的方式相对于彼此枢转。

4、根据权利要求3所述的铰接系统，其特征在于，所述枢转元件呈一环(2)、圈、钩(1)或多边形板(3)的形式，具有由至少局部曲面(6)所限定的凹进部分(5)。

5、根据权利要求3或4所述的铰接系统，其特征在于，限定每个枢转元件的凹进区域的至少局部曲面(6)是圆形的。

6、根据权利要求3至5中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述刚性元件(7，8)端部中的至少一个插入在容放腔(9，23)中，容放腔在铰接侧敞开并且设置有拉杆(14，28)，拉杆的一端(16，30)被保持位于所述容放腔中，而其另一端(1，2)构成所述枢转元件之一，所述弹性装置(18，31)与所述拉杆协同操作以便迫使所述刚性元件的支承面(33，36；34，36；35，36)保持彼此接触。

7、根据权利要求3至6中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述刚性元件(1，2)端部中的至少一个插入在容放腔中，容放腔在铰接侧敞开，并且所述容放腔的壁具有至少一个轴向凹口(19a，19b)，其几何形状和尺寸允许枢转元件部(32)从所述容放腔的开口端进入所述凹口。

8、根据权利要求3至7中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，防旋转结构装置(32)设置在枢转元件之一上。

9、根据权利要求8所述的铰接系统，其特征在于，防旋转结构装置(32)包括能够进入到所述(各)凹口的枢转元件部分。

10、根据权利要求7至9中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述壁具有从刚性元件外侧伸向所述凹口的凹进坡道(41)。

11、根据权利要求7至10中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，在所述壁的与所述容放腔开口端相对的外表面上，所述凹口向外通向回凹进(或突起)回转表面(44)，其中另一刚性元件的端部包括具有互补尺寸和形状的凹进(或突起)回转表面(43)。

12、根据权利要求1至11中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述支承面具有至少一对互补构形，适于在两个刚性元件(7，8)的选定相对角度位置上接合。

13、根据权利要求1至12中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述刚性元件(7，8)分别是容放腔侧部和容放腔端面。

14、根据权利要求1至12中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，至少一个元件(70)在其与接头(A)相对的端部包括能够临时与设置在另一个元件(80′)上的互补连接装置(81′)配合的连接装置(71)。

15、根据权利要求1至12和14中任何一项所述的铰接系统，其特征在于，所述刚性元件属于用在机器人中的铰接链。

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