一种机械臂偏心关节机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种机械臂偏心关节机构，包括两个转环组件和至少两个连接块，所述转环组件包括外环、内环和两个轴承，所述外环同轴套在所述内环的外侧，两个所述轴承分别连接在所述外环和所述内环的两端以使所述外环和所述内环之间可同轴相对转动；两个所述转环组件相互垂直且相互套合，并通过至少两个所述连接块连接。本发明提出的机械臂偏心关节机构，具有轻量化、高灵活度、高位置精度、结构紧凑等优点，能够满足很多特殊工况下的机械臂作业需求。
【专利说明】
一种机械臂偏心关节机构
技术领域
[0001 ]本发明涉及智能机械臂领域，尤其涉及一种机械臂偏心关节机构。
【背景技术】
[0002]现有的机械臂关节的结构大多都是一个旋转关节实现一种轴向旋转，而多轴机械臂运动通常需要多个动力关节进行组合驱动，单一动作关节组合起来的刚性机械臂既占空间位置，又比较笨重，已逐渐不能满足特殊工作条件下(如太空作业)的作业需求。
[0003]同时，对于机械臂腕关节和肩关节，均需要两种轴向旋转进行组合实现预定动作，传统关节的单一性成为了机械臂高灵活度的瓶颈，使得多自由度的机械臂有了关节众多、结构复杂的设计缺陷。
【发明内容】
[0004]为解决现有的机械臂的关节的自由度单一、所需空间及重量均较大的技术问题，本发明提出一种基于双轴承原理的机械臂偏心关节机构，不仅能够实现两个轴向旋转运动，取代两个旋转关节的作用，而且大大节省了空间，方便定位控制，并降低了机械臂的重量。
[0005]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]本发明公开了一种机械臂偏心关节机构，包括两个转环组件和至少两个连接块，所述转环组件包括外环、内环和两个轴承，所述外环同轴套在所述内环的外侧，两个所述轴承分别连接在所述内环和所述外环的两端以使所述外环和所述内环之间可同轴相对转动；两个所述转环组件相互垂直且相互套合，并通过至少两个所述连接块连接。
[0007]在进一步的方案中，本发明的机械臂偏心关节机构还可以具有以下技术特征:
[0008]所述轴承包括外圈、内圈和多个滚珠，所述多个滚珠设置在所述外圈的内侧面和所述内圈的外侧面的滚珠槽内，所述外环的两端分别与两个所述轴承的所述外圈通过螺钉固定连接，所述内环的两端分别与两个所述轴承的所述内圈通过螺钉固定连接;优选地，所述外圈和所述内圈分别由两个半圈组成。
[0009]所述外圈和所述内圈的其中一个端面是台阶圆柱面，所述外环的两端分别与两个所述轴承的所述外圈的台阶圆柱面为第一配合关系，所述内环的两端分别与两个所述轴承的所述内圈的台阶圆柱面为第二配合关系，其中所述第一配合关系和所述第二配合关系均为过渡配合、或者其中一个为过渡配合且另一个为过盈配合。
[0010]所述外环是底座和缺口角度为100?160°的圆环的组装件，所述圆环与所述底座的贴合面处通过螺钉固定连接，优选地，所述底座上设有法兰盘。
[0011]所述内环由两个半圈组成，其中一个半圈的角度为100?180°，另一个半圈的角度为260?180°。
[0012]所述内环的外侧设有动力绳道，用于将绳子穿过所述动力绳道以拉动所述内环正向旋转或反向旋转。
[0013]所述内环上设有两个圆周刹车道，两个所述圆周刹车道分别设置在所述内环的外侧的两端处;在所述外环上分别设有四块圆周刹车片，每两块所述圆周刹车片分别对应设置在一个所述圆周刹车道内。
[0014]所述外环上分别开有四个销孔，所述圆周刹车片的上端通过销轴连接在所述外环的所述销孔内，每个所述圆周刹车道内的两块所述圆周刹车片的下端通过弹簧连接;在所述圆周刹车片的下端还设有绳孔，在每个所述圆周刹车道内，绳子依次穿过其中一块所述圆周刹车片下端的所述绳孔、所述弹簧和另外一块所述圆周刹车片下端的所述绳孔。
[0015]所述内环的外壁上设有磁栅，所述外环上设有与所述磁栅相配合的磁性感应探头。
[0016]所述连接块的数量为四个，四个所述连接块分别固定连接在两个所述转环组件的两端;优选地，所述连接块包括两个相互垂直的平面部以及连接两个所述平面部的连接部，两个所述平面部分别固定连接在两个所述转环组件的所述内环上。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:本发明的机械臂偏心关节机构通过两个相互套合且相互垂直连接，使得通过一个关节机构就实现三维空间旋转运动的功能，并可以进行精准定位;该机械臂偏心关节机构的结构具有高紧凑型，在特定场合可以节省很大空间，灵活度高，方便动作执行，大大优化了常规多关节机械臂的结构复杂性。相比传统的关节，本发明的基于双轴承原理的机械臂偏心关节，通过轻量化轴承设计大大降低了机械臂的重量，能够满足特定环境下(如太空作业)机械臂的作业需求。
[0018]在进一步的方案中，转环组件的内环、外环和两个轴承均是由两个半圈组合而成，方便本发明的机械臂偏心关节机构的组装和拆卸。
【附图说明】
[0019]图1是本发明优选实施例的机械臂偏心关节机构的结构示意图；
[0020]图2是图1中的转环组件的结构示意图；
[0021]图3是图2中的外环的结构示意图；
[0022]图4是图2中的内环的结构示意图；
[0023]图5是图2中的轴承的结构示意图；
[0024]图6是图2的剖面结构示意图之一；
[0025]图7是图2的剖面结构示意图之二；
[0026]图8是图7中的圆周刹车片的结构示意图；
[0027]图9是图1的右视图；
[0028]图10是图1中的连接块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
[0030]如图1所示，是本发明优选实施例的机械臂偏心关节机构的结构示意图，其中机械臂偏心关节机构包括两个转环组件I和四个连接块2，两个转环组件I相互垂直且相互套合，并通过四个连接块2连接起来。
[0031]如图2，是转环组件I的结构示意图，转环组件I包括外环11、内环12和两个轴承13，外环11同轴套在内环12的外侧，两个轴承13分别连接在外环11和内环12的两端以使得外环11和内环12之间可同轴相对转动。
[0032]如图3所示，外环11是底座112和缺口角度为100?160°的圆环111的组装件，在本实施例中，圆环111的缺口角度为100°，圆环111与底座112的贴合面处通过螺钉固定连接，底座112上还设有法兰盘1121，法兰盘1121可以用来连接各类机构。外环11的两端的环面上均匀分布有多个螺钉孔113，用于与轴承13固定连接。
[0033]如图4所示，内环12由两个半圈121和122组成，其中一个半圈的角度可以为100?180°，另一个半圈的角度可以为260?180°，在本实施例中半圈121的角度为201°，半圈122的角度为159°。内环12的两端的环面上均匀分布有多个螺钉孔123，用于与轴承13固定连接。
[0034]如图5和图6所示，轴承13包括外圈131、内圈132和多个滚珠133，多个滚珠133设置在外圈131的内侧面和内圈132的外侧面的滚珠槽内；外圈131上均匀分布多个螺钉孔1311，与外环11上的多个螺钉孔113的位置相对应通过螺钉固定连接；内圈132上均匀均布多个螺钉孔1321，与内环12上的多个螺钉孔123的位置相对应通过螺钉固定连接，其中一部分螺钉孔1321还同时与连接块3上的螺钉孔相对应，通过螺钉将连接块3、内圈131和内环12—起连接起来。如图5，外圈131和内圈132分别是由两个半圈拼接而成，在拼接时，可以将外圈131和内圈132的拼接部位相错开。如图6，外圈131和内圈132的其中一个端面是台阶圆柱面，夕卜环11与外圈131的台阶圆柱面过渡配合或过盈配合，贴合端面通过均匀分布的螺钉进行紧固，内环12与内圈132的台阶圆柱面过渡配合或过盈配合，贴合端面通过均匀均布的螺钉进行紧固，其中外环11与外圈131的台阶圆柱面的配合关系和内环12与内圈132的台阶圆柱面的配合关系优选同时为过渡配合，或者其中一个为过渡配合且另一个为过盈配合，两处的配合关系避免同时为过盈配合，以保证多个滚珠133正常转动。
[0035]如图4所示，在内环12的外侧设有两条动力绳道124，可以将两条绳子分别穿过两条动力绳道124并穿过动力绳道124上的孔洞1241，两条绳子的方向相反以使得两条绳子可以分别拉动内环12正向旋转和反向旋转，当内环12旋转时，其中一条绳子收紧，另外一条绳子释放。内环12上还设有两个圆周刹车道125，两个圆周刹车道125分别对应设置在内环12的外侧的两端处。结合图3、图7和图8所示，外环11上设有四块圆周刹车片114，每两块圆周刹车片114分别对应设置在一个圆周刹车道125内，圆周刹车片114的上端设有销轴孔1141，下端设有凸缘1142和绳孔1143，外环11上开有四个销孔115，圆周刹车片114的上端的销轴孔1141通过销轴1151连接固定在销孔115的位置处，每个圆周刹车道125内的两块圆周刹车片114的下端通过弹簧116连接，弹簧116套合在两块圆周刹车片的下端的凸缘1142内；在每个圆周刹车道125内，将绳子118依次穿过其中一块圆周刹车片114下端的绳孔1143、弹簧116和另外一块圆周刹车片114下端的绳孔1143后再穿过绳套1181并穿出。当需要刹车时，拉紧绳子118，绳子118的端头和绳套1181共同压缩弹簧116，让两块圆周刹车片114相对销轴1151旋转而紧贴内环12的圆周刹车道125，达到抱紧内环12的目的；弹簧116在绳子118放松状态时，将两块圆周刹车片114撑开，使两块圆周刹车片114分别与圆周刹车道125分离，避免圆周刹车片114阻碍内环12和外环11的同轴相对转动。
[0036]结合图3、图4和图6所示，在内环12的外壁上贴有磁栅126，其中磁栅126的角度优选大于280°，在外环11的底座112上安装与磁栅126的位置相配合的磁性感应探头117;如图9所示磁性感应探头117是通过沉头螺丝1123固定连接在连接板1122上，连接板1122是通过沉头螺丝1124固定连接在法兰盘1121上。通过磁性感应探头117和磁栅126配合使用，可以随时记录内环12和外环11之间的相对旋转位置。
[0037]其中，在本实施例中，两个转环组件I的结构一样，在另外一些实施例中，两个转环组件I中的结构中可以有一个区别在于，其中有一个转环组件I中的内环12与外环11可以是一体成型的。
[0038]如图10所示，连接块2包括两个相互垂直的平面部21，以及连接两个平面部21的连接部22，其中两个平面部21上分别设有至少一个螺钉孔211，两个平面部21分别通过至少一个螺钉孔211与两个转环组件I固定连接，其中平面部21上的螺钉孔211与轴承13的内圈132上的螺钉孔1321和内环12上的螺钉孔123的位置相对应以通过螺钉将连接块2、轴承13和内环12固定连接起来。本发明优选实施例的机械臂偏心关节机构中包括四个连接块2，四个连接块2分别固定连接在两个转环组件I的两端以将两个转环组件I的内环12连接起来。
[0039]本发明优选实施例中的机械臂偏心关节机构的装配步骤为:先将其中一个转环组件1(该转环组件I中的内环12可以是一体成型的或是两个半圈组装的)的外环11同轴套在内环12的外侧，连接外环11的圆环111和底座112，然后将两个轴承13分别固定连接在外环11和内环12的两端，此时内环12和外环11之间可同轴相对转动；然后将另一个转环组件I(该转环组件I中的内环12是两个半圈组装的)的内环12和外环11分别套合在装配好的转环组件I上，将两个轴承13分别固定连接在外环11和内环12的两端，使得外环11和内环12之间可同轴相对转动;最后通过四个连接块将两个转环组件I相互垂直地连接起来，每个连接块2分别与两个转环组件I的内环12固定连接，完成装配。该机械臂偏心关节机构基于双轴承原理，通过四个连接块将两个转环组件的内环连接起来，可以完成三维空间的旋转运动，相对于现有的多个关节的组合，结构紧凑而节省很大空间，而且灵活度高、动作执行非常方便，大大降低了三维空间旋转的关节的复杂性，同时也大大降低了自身重量，能够满足特定环境下(如太空作业)机械臂的作业需求。
[0040]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种机械臂偏心关节机构，其特征在于，包括两个转环组件和至少两个连接块，所述转环组件包括外环、内环和两个轴承，所述外环同轴套在所述内环的外侧，两个所述轴承分别连接在所述外环和所述内环的两端以使所述外环和所述内环之间可同轴相对转动;两个所述转环组件相互垂直且相互套合，并通过至少两个所述连接块连接。2.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述轴承包括外圈、内圈和多个滚珠，所述多个滚珠设置在所述外圈的内侧面和所述内圈的外侧面的滚珠槽内，所述外环的两端分别与两个所述轴承的所述外圈通过螺钉固定连接，所述内环的两端分别与两个所述轴承的所述内圈通过螺钉固定连接;优选地，所述外圈和所述内圈分别由两个半圈组成。3.根据权利要求2所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述外圈和所述内圈的其中一个端面是台阶圆柱面，所述外环的两端分别与两个所述轴承的所述外圈的台阶圆柱面为第一配合关系，所述内环的两端分别与两个所述轴承的所述内圈的台阶圆柱面为第二配合关系，其中所述第一配合关系和所述第二配合关系均为过渡配合、或者其中一个为过渡配合且另一个为过盈配合。4.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述外环是底座和缺口角度为100?160°的圆环的组装件，所述圆环与所述底座的贴合面处通过螺钉固定连接，优选地，所述底座上设有法兰盘。5.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述内环由两个半圈组成，其中一个半圈的角度为100?180°，另一个半圈的角度为260?180°。6.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述内环的外侧设有动力绳道，用于将绳子穿过所述动力绳道以拉动所述内环正向旋转或反向旋转。7.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述内环上设有两个圆周刹车道，两个所述圆周刹车道分别设置在所述内环的外侧的两端处;在所述外环上分别设有四块圆周刹车片，每两块所述圆周刹车片分别对应设置在一个所述圆周刹车道内。8.根据权利要求7所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述外环上分别开有四个销孔，所述圆周刹车片的上端通过销轴连接在所述外环的所述销孔内，每个所述圆周刹车道内的两块所述圆周刹车片的下端通过弹簧连接;在所述圆周刹车片的下端还设有绳孔，在每个所述圆周刹车道内，绳子依次穿过其中一块所述圆周刹车片下端的所述绳孔、所述弹簧和另外一块所述圆周刹车片下端的所述绳孔。9.根据权利要求1所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述内环的外壁上设有磁栅，所述外环上设有与所述磁栅相配合的磁性感应探头。10.根据权利要求1至9任一项所述的机械臂偏心关节机构，其特征在于，所述连接块的数量为四个，四个所述连接块分别固定连接在两个所述转环组件的两端;优选地，所述连接块包括两个相互垂直的平面部以及连接两个所述平面部的连接部，两个所述平面部分别固定连接在两个所述转环组件的所述内环上。
【文档编号】B25J17/02GK105904482SQ201610437163
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】梁斌, 李成, 王学谦, 李鹏志, 王培明, 李郑发
【申请人】清华大学深圳研究生院