雙平面摩擦一體式2自由度關節的製作方法

2023-06-07 22:32:51

專利名稱：雙平面摩擦一體式2自由度關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉動關節，具體講是涉及一種雙平面摩擦一體式2自由度關節， 屬於欠驅動機械臂關節鎖緊機構。
背景技術：
從上個世紀九十年代開始，隨著智慧機器人技術、計算機技術、醫療外科技術的迅 速發展，服務機器人，如微創外科機器人技術已成為國內外學者和相關機構關注的國際前 沿研究熱點之一。這是一種新型的多學科交叉技術領域，其發展被認為是外科治療手段的 一種標誌性的進步。 目前，醫療手術定位機械臂的關節鎖定有如下方式一是靠每個關節上的電機輸 出的伺服保持力矩，其缺點是結構複雜，成本昂貴；二是在每個關節上安裝電磁製動器，同 樣存在結構複雜成本高的不足，同時機械臂比較笨重；第三是通過給各個關節的楔形推力 結構進行手動加力，實現關節鎖緊。這種方式為純被動方式，鎖緊效率低，操作不方便。另 外，現有技術中的關節鎖緊機構在關節鎖緊後，在關節之間都存在間隙，間隙不為O，造成定 位精度不高。

發明內容
為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種結構簡單、操作性好、定位精 度高、成本低廉的雙平面摩擦一體式2自由度關節，降低鎖緊關節的結構複雜性和成本，提 高機械臂的定位精度和安全性。 為達到上述目的，本發明是通過以下的技術方案來實現的 —種雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於包括關節臺體、下關節T形軸和 上關節T形軸，所述的關節臺體成"L"形，在所述的上關節T形軸的下平面的上側外緣設 有導角，形成楔形面，上關節T形軸的杆部的端部設有外螺紋，上關節外殼為中空結構，在 上關節T形軸的杆部上套裝上關節傳力滑塊，上關節傳力滑塊中間的圓孔直徑大於上關節 T形軸杆部的直徑，上關節T形軸的杆部通過軸承安裝在上關節外殼中，杆部從上關節外殼 伸出與關節臺體的一端螺紋連接，推桿的軸線與上關節T形軸的軸線垂直，安裝在上關節 外殼上，在推桿的端部設有楔形面，與上關節T形軸的楔形面相配合；所述的下關節T形軸 為杆部帶外螺紋的空心軸，通過外螺紋連接在關節臺體的另一端的下方，下關節T形軸的 軸線與上關節T形軸的軸線垂直，下關節T形軸的下端通過軸承安裝在下關節封蓋中，下關 節封蓋與關節支承軸固聯；頂杆安裝在下關節T形軸中，下端與關節支承軸的上端面接觸， 上端伸入上關節外殼，與上關節傳力滑塊接觸。 前述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於所述的頂杆包括1#頂杆、2# 頂杆和連接螺套，所述的連接螺套為中空結構，兩端設有內螺紋，1#頂杆和2#頂杆分別連 接在連接螺套的兩端，1#頂杆的上端與上關節傳力滑塊接觸，2#頂杆的下端與關節支承軸 接觸。
前述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的上關節外殼上與關 節臺體靠近的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環形摩擦墊突出上 關節外殼端面一定距離。 前述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的下關節封蓋上與下 關節T形軸靠近的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環形摩擦墊突 出下關節封蓋端面一定距離。 前述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的關節臺體上靠近下 關節封蓋的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環形摩擦墊突出關節 臺體端面一定距離。 本發明的有益效果是本發明在兩個關節上不需要安裝電機(電機在第三個關節 上)，通過第三關節上的電機推動內部的一個與機械臂的第3關節相連的推桿，可以同時鎖 緊這兩個轉動關節，實現這兩個關節的無電機或無電磁製動器的鎖緊，使機械臂成為一個 欠驅動的機械臂。本發明結構簡單、關節輕便、關節靈活性好、鎖緊後關節剛性好、定位精度 高(關節鎖緊後達到0間隙)、成本較低。可以實現4個關節(6個自由度，其中一個關節 為球關節)的機械臂上只用一個電機，即一個電機完成了6自由度機械臂4個關節的鎖定。 可適用於末端靜態承載不超過10公斤的各類小型機械臂的關節鎖定，如外科手術中用於 手術支撐或定位的機械臂的關節鎖定等。在降低結構複雜度和成本的同時，提高了機械臂 的定位精度和安全性，從而為研製外科手術定位的機械臂奠定了基礎，同時，也為其它用途 的機械臂的關節鎖定的設計開發提供參考。


圖1為本發明的雙平面摩擦一體式2自由度關節的結構示意圖； 圖2為圖1中的關節臺體的主視圖； 圖3為圖2的左視圖； 圖4為圖2的仰視圖； 圖5為圖1中的上關節T形軸的主視圖； 圖6為圖5的右視圖； 圖7為圖1中的下關節T形軸的主視圖； 圖8為圖7的俯視圖。 附圖中主要標記的含義 1、上關節外殼，2、上關節T形軸，3、上關節傳力滑塊，4、lft頂杆1，5、連接螺套，6、 推桿，7、關節臺體，8、第一軸承1 ， 9、 1#環形摩擦墊，10、第二軸承2， 11 、2#環形摩擦墊，12、 下關節T形軸，13、2#頂杆，14、3#環形摩擦墊，15、下關節封蓋，16、關節支撐軸。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳述。 圖1為本發明的雙平面摩擦一體式2自由度關節的結構示意圖；圖2為圖1中的 關節臺體的主視圖；圖3為圖2的左視圖；圖4為圖2的仰視圖；圖5為圖1中的上關節T 形軸的主視圖；圖6為圖5的右視圖；圖7為圖1中的下關節T形軸的主視圖；圖8為圖7的俯視圖。 如圖所示，本發明的雙平面摩擦一體式2自由度關節包括關節臺體7、下關節T形 軸12和上關節T形軸2，其中關節臺體7成"L"形，在上關節T形軸2的下平面的上側外緣 設有導角，形成楔形面，上關節T形軸2的杆部的端部設有外螺紋，上關節外殼1為中空結 構， 一方面給上關節T形軸2提供配合和安裝空間，另一方面給推桿6預留空間。在上關節 T形軸2的杆部上套裝上關節傳力滑塊3，上關節傳力滑塊3中間的圓孔直徑大於上關節T 形軸2桿部的直徑，保證上關節傳力滑塊3在外力作用下能夠沿徑向移動。上關節T形軸 2的杆部通過第一軸承8安裝在上關節外殼1中，從而使上關節外殼1與關節臺體7連接。 上關節T形軸2的杆部從上關節外殼1伸出，與關節臺體7的一端螺紋連接。推桿6的軸 線與上關節T形軸2的軸線垂直，安裝在上關節外殼1上，在推桿6的下端部設有楔形面， 與上關節T形軸2的楔形面配合使用，從而可以使推桿6的上下運動變為上關節T形軸2 的左右移動。 下關節T形軸12為杆部帶外螺紋的空心軸，通過外螺紋連接在關節臺體7的另一 端的下方，下關節T形軸12的軸線與上關節T形軸2的軸線垂直，下關節T形軸12的下端 通過第二軸承10安裝在下關節封蓋15中，下關節封蓋15與關節支承軸16固聯。頂杆安 裝在下關節T形軸12的空心結構中，下端與關節支承軸16的上端面接觸，上端伸入上關節 外殼1，與上關節傳力滑塊3接觸。 為了使頂杆便於安裝和調節，頂杆可以包括1#頂杆4、2#頂杆13和連接螺套5，連 接螺套5為中空結構，兩端設有內螺紋，1#頂杆4和2#頂杆13分別連接在連接螺套5的兩 端，1#頂杆4的上端與上關節傳力滑塊3接觸，2#頂杆13的下端與關節支承軸16接觸。
另外，為了增加摩擦力和摩擦力矩，在上關節外殼1上與關節臺體7靠近的端面 上，可以開有環形槽，用來配置1#環形摩擦墊9， 1#環形摩擦墊9突出上關節外殼1右端面 一定距離，使上關節外殼1右端面與關節臺體7的左端面不直接接觸，但允許相對轉動。
同樣的，下關節T形軸12位於下關節封蓋15內，其上端面不與下關節封蓋15的 下端面直接接觸，在上述兩個端面之間的下關節封蓋15上開設有一個環形槽，在環形槽中 設有2#環形摩擦墊11，2#環形摩擦墊11突出下關節封蓋15下端面一定距離，使下關節封 蓋15下端面與下關節T形軸12的上端面不直接接觸。 同時，在關節臺體7的下端面與下關節封蓋15的上端面同樣是通過3#環形摩擦 墊14相互連接接觸。 本發明的工作原理當外部作用力垂直向下作用在推桿6上時，靠楔形面結構，這 個力產生一個水平分力，推動上關節T形軸2向左運動，由於上關節T形軸2與關節臺體7 固聯，則關節臺體7的左端面產生正壓力，緊壓1#環形摩擦墊9， 1#環形摩擦墊9的端面上 產生摩擦力，以及基於上關節T形軸2的軸線的摩擦力矩。從而使上關節T形軸2與關節 臺體7之間沒有相對運動，上關節鎖定。推桿6向下的推力作用在上關節傳力滑塊3上，使 上關節傳力滑塊3產生向下的位移，垂直向下擠壓1#頂杆4、2#頂杆13， 2#頂杆13推動下 關節T形軸12和關節支撐軸16沿鉛垂方向相對分離，因為下關節封蓋15與關節支撐軸16 剛性固聯，所以，在鉛垂方向給2#環形摩擦墊11 一個正壓力，從而產生摩擦力和相對於下 關節T形軸12的軸線的摩擦力矩，使下關節鎖緊。 本發明在兩個關節上不需要安裝電機(電機在第三個關節上，圖中未給出)，通過第三關節上的電機推動內部的一個與機械臂的第3關節相連的推桿，可以同時鎖緊這兩個 轉動關節，實現這兩個關節的無電機或無電磁製動器的鎖緊，使機械臂成為一個欠驅動的 機械臂。本發明結構簡單、關節輕便、關節靈活性好、鎖緊後關節剛性好、定位精度高(關節 鎖緊後達到0間隙)、成本較低。因此，開發面向載荷較輕的服務機器人，特別是醫療外科 手術機器人的欠驅動機械臂關節鎖緊機構和一體式2自由度關節，可以實現4個關節(6個 自由度，其中一個關節為球關節)的機械臂上只用一個電機，即一個電機完成了6自由度機 械臂4個關節的鎖定。在降低結構複雜度和成本的同時，提高了機械臂的定位精度和安全 性，從而為研製外科手術定位的機械臂奠定了基礎，同時，也為其它用途的機械臂的關節鎖 定的設計開發提供參考。 以上示意性的對本發明實施方式進行了闡述，該闡述沒有局限性。附圖中所示的 也只是本發明的基本實施方式，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的技術人員或 研究人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，採用其它類似拓撲結構、其它類似 2自由度關節，或者只是改變杆件尺寸，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構形 式，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於包括關節臺體、下關節T形軸和上關節T形軸，所述的關節臺體成「L」形，在所述的上關節T形軸的下平面的上側外緣設有導角，形成楔形面，上關節T形軸的杆部的端部設有外螺紋，上關節外殼為中空結構，在上關節T形軸的杆部上套裝上關節傳力滑塊，上關節傳力滑塊中間的圓孔直徑大於上關節T形軸杆部的直徑，上關節T形軸的杆部通過軸承安裝在上關節外殼中，杆部從上關節外殼伸出與關節臺體的一端螺紋連接，推桿的軸線與上關節T形軸的軸線垂直，安裝在上關節外殼上，在推桿的端部設有楔形面，與上關節T形軸的楔形面相配合；所述的下關節T形軸為杆部帶外螺紋的空心軸，通過外螺紋連接在關節臺體的另一端的下方，下關節T形軸的軸線與上關節T形軸的軸線垂直，下關節T形軸的下端通過軸承安裝在下關節封蓋中，下關節封蓋與關節支承軸固聯；頂杆安裝在下關節T形軸中，下端與關節支承軸的上端面接觸，上端伸入上關節外殼，與上關節傳力滑塊接觸。
2. 根據權利要求1所述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於所述的頂杆包 括1#頂杆、2#頂杆和連接螺套，所述的連接螺套為中空結構，兩端設有內螺紋，1#頂杆和2# 頂杆分別連接在連接螺套的兩端，1#頂杆的上端與上關節傳力滑塊接觸，2#頂杆的下端與 關節支承軸接觸。
3. 根據權利要求1所述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的上關 節外殼上與關節臺體靠近的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環形 摩擦墊突出上關節外殼端面一定距離。
4. 根據權利要求1或3所述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的 下關節封蓋上與下關節T形軸靠近的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所 述的環形摩擦墊突出下關節封蓋端面一定距離。
5. 根據權利要求1或3所述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的 關節臺體上靠近下關節封蓋的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環 形摩擦墊突出關節臺體端面一定距離。
6. 根據權利要求4所述的雙平面摩擦一體式2自由度關節，其特徵在於在所述的關節 臺體上靠近下關節封蓋的端面上開有環形槽，在環形槽中設有環形摩擦墊，所述的環形摩 擦墊突出關節臺體端面一定距離。
全文摘要
本發明涉及一種雙平面摩擦一體式2自由度關節，在上關節T形軸的下平面的上側外緣設有楔形面，杆部上套裝圓孔直徑大於杆部直徑的上關節傳力滑塊，杆部通過軸承安裝在上關節外殼中，並從上關節外殼伸出與關節臺體一端螺紋連接，推桿端部的楔形面與上關節T形軸的楔形面配合；下關節T形軸通過外螺紋連接在關節臺體另一端的下方，下關節T形軸通過軸承安裝在下關節封蓋中，下關節封蓋與關節支承軸固聯；頂杆安裝在下關節T形軸的空心結構中，下端與關節支承軸的上端面接觸，上端與上關節傳力滑塊接觸。本發明所具有體積小、結構緊湊、重量輕、鎖緊力矩大、結構簡單、鎖緊後關節間隙為0、使用壽命高等特點。可適用於各類小型機械臂的關節鎖定。
文檔編號B25J17/00GK101695837SQ20091023393
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者唐粲, 張建偉, 程勝 申請人:崑山市工業技術研究院有限責任公司;