專利名稱：平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)動關節(jié)，具體講是涉及一種平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自 由度關節(jié)，屬于欠驅(qū)動機械臂關節(jié)鎖緊機構。
背景技術：
從上個世紀九十年代開始，隨著智能機器人技術、計算機技術、醫(yī)療外科技術的迅 速發(fā)展，服務機器人，如微創(chuàng)外科機器人技術已成為國內(nèi)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(fā)展被認為是外科治療手段的 一種標志性的進步。 目前，醫(yī)療手術定位機械臂的關節(jié)鎖定有如下方式，一是靠每個關節(jié)上的電機輸 出的伺服保持力矩，其缺點是結(jié)構復雜，成本昂貴；二是在每個關節(jié)上安裝電磁制動器，同 樣存在結(jié)構復雜成本高的不足，同時機械臂比較笨重；第三是通過給各個關節(jié)的楔形推力 結(jié)構進行手動加力，實現(xiàn)關節(jié)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(xiàn)有技術中的關節(jié)鎖緊機構在關節(jié)鎖緊后，在關節(jié)之間都存在間隙，間隙不為O，造成定 位精度不高。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構簡單、操作性好、定位精 度高、成本低廉的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，降低鎖緊關節(jié)的結(jié)構復雜 性和成本，提高機械臂的定位精度和安全性。 本發(fā)明基于以上考慮，設計一體式2自由度關節(jié)。在兩個關節(jié)上不需要安裝電機
(電機在第三個關節(jié)上)，通過第三關節(jié)上電機推動內(nèi)部的一個推桿(該推桿與機械臂的第
3關節(jié)相連)，可以同時鎖緊這兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)，實現(xiàn)這兩個關節(jié)的無電機或無電磁制動器的
鎖緊，使機械臂成為一個欠驅(qū)動的機械臂。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術方案 —種平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于包括關節(jié)臺體、下 關節(jié)T形軸和上關節(jié)T形軸，所述的關節(jié)臺體成"L"形，在所述的上關節(jié)T形軸的下平面的 上側(cè)外緣設有導角，形成楔形面，上關節(jié)T形軸的桿部的端部設有外螺紋，上關節(jié)外殼為中 空結(jié)構，在上關節(jié)T形軸的桿部上套裝上關節(jié)傳力滑塊，上關節(jié)傳力滑塊中間的圓孔直徑 大于上關節(jié)T形軸桿部的直徑，上關節(jié)T形軸的桿部通過軸承安裝在上關節(jié)外殼中，桿部從 上關節(jié)外殼伸出與關節(jié)臺體的一端螺紋連接，推桿的軸線與上關節(jié)T形軸的軸線垂直，安 裝在上關節(jié)外殼上，在推桿的端部設有楔形面，與上關節(jié)T形軸的楔形面相配合；所述的下 關節(jié)T形軸的桿部帶外螺紋，通過外螺紋連接在關節(jié)臺體的另一端的下方，下關節(jié)T形軸的 軸線與上關節(jié)T形軸的軸線垂直，下關節(jié)T形軸的下端安裝在下關節(jié)封蓋中，底部通過軸承 安裝在關節(jié)支承軸上，下關節(jié)封蓋與關節(jié)支承軸固聯(lián)，下關節(jié)T形軸的桿部為空心，在空心 的底部、下關節(jié)T形軸下平面上部的桿部上開有貫通槽；頂桿安裝在下關節(jié)T形軸的空心結(jié)構中，上端伸入上關節(jié)外殼，與上關節(jié)傳力滑塊接觸，下端通過螺紋固聯(lián)V形推力塊，V形推
力塊插在貫通槽中，在V形推力塊兩側(cè)的下關節(jié)T形軸上通過螺栓分別安裝有扇形柱面摩
擦片，扇形柱面摩擦片的內(nèi)側(cè)為與V形推力塊配合的形狀，外側(cè)為圓柱面。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于所述的頂桿包括
1#頂桿、2#頂桿和連接螺套，所述的連接螺套為中空結(jié)構，兩端設有內(nèi)螺紋，1#頂桿和2#頂
桿分別連接在連接螺套的兩端，1#頂桿的上端與上關節(jié)傳力滑塊接觸，2#頂桿的下端連接
V形推力塊。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于在所述的上關節(jié) 外殼上與關節(jié)臺體靠近的端面上開有環(huán)形槽，在環(huán)形槽中設有環(huán)形摩擦墊，所述的環(huán)形摩 擦墊突出上關節(jié)外殼端面一定距離。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于在所述的關節(jié)臺 體上靠近下關節(jié)封蓋的端面上開有環(huán)形槽，在環(huán)形槽中設有環(huán)形摩擦墊，所述的環(huán)形摩擦 墊突出關節(jié)臺體端面一定距離。 前述的平明摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于所述的扇形柱面 摩擦片上設有螺栓孔，所述的螺栓孔橫截面為扁長形。 前述的平明摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于在所述的下關節(jié) T形軸與下關節(jié)封蓋之間設有下關節(jié)軸瓦。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明結(jié)構簡單、關節(jié)輕便、關節(jié)靈活性好、鎖緊后關節(jié)剛 性好、定位精度高(關節(jié)鎖緊后達到0間隙)、成本較低、使用壽命長?？梢詫崿F(xiàn)4個關節(jié)(6 個自由度，其中一個關節(jié)為球關節(jié))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(jié)的鎖定?？蛇m用于載荷較輕的服務機器人，特別是醫(yī)療外科手術機器人的 欠驅(qū)動機械臂關節(jié)鎖緊機構和一體式2自由度關節(jié)，在降低結(jié)構復雜度和成本的同時，提 高了機械臂的定位精度和安全性，從而為研制外科手術定位的機械臂通用的欠驅(qū)動關節(jié)， 同時，也為其它用途的機械臂的關節(jié)設計提供參考。
圖1為本發(fā)明的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)的結(jié)構示意圖；
圖2為圖1中的關節(jié)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中的扇形柱面摩擦片的右視圖；
圖6為圖1中的扇形柱面摩擦片的俯視圖；
圖7為圖6中的A-A向剖視圖。
附圖中主要標記的含義 1、上關節(jié)外殼，2、上關節(jié)T形軸，3、上關節(jié)傳力滑塊，4、lft頂桿，5、連接螺套，6、推 桿，7、關節(jié)臺體，8、第一軸承，9、環(huán)形摩擦墊，10、2#頂桿，11、V形推力塊，12、 1#扇形柱面摩 擦片，13、內(nèi)六角螺釘，14、第二軸承，15、關節(jié)支撐軸，16、下關節(jié)封蓋，17、下關節(jié)軸瓦，18、 2#扇形柱面摩擦片，19、下關節(jié)T形軸。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳述。 圖1為本發(fā)明的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)的結(jié)構示意圖；圖2 為圖1中的關節(jié)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 的扇形柱面摩擦片的右視圖；圖6為圖1中的扇形柱面摩擦片的俯視圖；圖7為圖6中的 A-A向剖視圖。 如圖所示，本發(fā)明的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)包括關節(jié)臺體7、 下關節(jié)T形軸19和上關節(jié)T形軸2，其中關節(jié)臺體7成"L"形，在上關節(jié)T形軸2的下平面 的上側(cè)外緣設有導角，形成楔形面，上關節(jié)T形軸2的桿部的端部設有外螺紋，上關節(jié)外殼1 為中空結(jié)構， 一方面給上關節(jié)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(jié)T形軸2的桿部上套裝上關節(jié)傳力滑塊3，上關節(jié)傳力滑塊3為中空的圓形結(jié)構， 它嵌入上關節(jié)外殼1中，上關節(jié)傳力滑塊3中間的圓孔直徑大于上關節(jié)T形軸2桿部的直 徑，保證上關節(jié)傳力滑塊3在外力作用下能夠沿徑向移動。上關節(jié)T形軸2的桿部通過第 一軸承8安裝在上關節(jié)外殼1中，從而使上關節(jié)外殼1與關節(jié)臺體7連接。上關節(jié)T形軸2 的桿部從上關節(jié)外殼1伸出，與關節(jié)臺體7的一端螺紋連接。推桿6的軸線與上關節(jié)T形 軸2的軸線垂直，安裝在上關節(jié)外殼1上，在推桿6的下端部設有楔形面，與上關節(jié)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?yōu)樯详P節(jié)T形軸2的左右移動。
下關節(jié)T形軸19的桿部帶外螺紋，通過外螺紋連接在關節(jié)臺體7的另一端的下 方，下關節(jié)T形軸19的軸線與上關節(jié)T形軸2的軸線垂直，下關節(jié)T形軸19的下端安裝在 下關節(jié)封蓋16中，底部通過第二軸承14安裝在關節(jié)支承軸15上，下關節(jié)封蓋16與關節(jié)支 承軸15固聯(lián)。下關節(jié)T形軸19的桿部為空心，在空心的底部、下關節(jié)T形軸19下平面上 部的桿部上開有貫通槽，用于安裝V形推力塊ll。頂桿安裝在下關節(jié)T形軸19的空心結(jié) 構中，可以上下滑動，上端伸入上關節(jié)外殼1，與上關節(jié)傳力滑塊3接觸，進行傳遞推力。下 端通過螺紋固聯(lián)V形推力塊ll，V形推力塊11插在貫通槽中，V形推力塊11的兩側(cè)呈傾斜 式。在V形推力塊11兩側(cè)的下關節(jié)T形軸19上通過螺栓分別安裝有1#扇形柱面摩擦片 12和2#扇形柱面摩擦片18，1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18的內(nèi)側(cè)為傾斜 式，與V形推力塊11的傾斜面配合，外側(cè)為圓柱面，與下關節(jié)封蓋16的內(nèi)圓柱面配合。
1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18依靠內(nèi)六角螺栓13與下關節(jié)T形 軸19連接。1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18上的螺栓孔的橫截面為扁長 形，這樣內(nèi)六角螺栓13可以在扁長形螺栓孔中產(chǎn)生相對移動，使得1#扇形柱面摩擦片12 和2#扇形柱面摩擦片18可以再外力的作用下徑向滑動，但不能在鉛垂方向上運動。
為了使頂桿便于安裝和調(diào)節(jié)，頂桿可以包括1#頂桿4、2#頂桿10和連接螺套5，連 接螺套5為中空結(jié)構，兩端設有內(nèi)螺紋，1#頂桿4和2#頂桿10分別連接在連接螺套5的兩 端，1#頂桿4的上端與上關節(jié)傳力滑塊3接觸，2#頂桿10的下端連接V形推力塊11。
另外，為了增加摩擦力和摩擦力矩，在上關節(jié)外殼1上與關節(jié)臺體7靠近的端面 上，可以開有環(huán)形槽，用來配置環(huán)形摩擦墊9，環(huán)形摩擦墊9突出上關節(jié)外殼1右端面一定距 離，使上關節(jié)外殼1右端面與關節(jié)臺體7的左端面不直接接觸，但允許相對轉(zhuǎn)動。
同時，在關節(jié)臺體7的下端面與下關節(jié)封蓋15的上端面同樣是通過3#環(huán)形摩擦 墊14相互連接接觸。
在下關節(jié)T形軸19與下關節(jié)封蓋16之間設有下關節(jié)軸瓦17，這樣可以保證下關 節(jié)T形軸19轉(zhuǎn)動順暢，減少磨損。 本發(fā)明在2#頂桿10的下端通過螺紋固聯(lián)了一個V形推力塊ll，該V形推力塊11 推動兩個獨立的扇形柱面摩擦片(1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18)沿徑向 遠離下關節(jié)T形軸19，使1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18的外圓柱面沿徑 向擠壓下關節(jié)封蓋16的內(nèi)圓柱面，從而產(chǎn)生周向的摩擦力矩，把下關節(jié)鎖緊。
本發(fā)明的工作原理是當外部作用力垂直向下作用在推桿6上時，靠楔形面結(jié)構， 這個力產(chǎn)生一個水平分力，推動上關節(jié)T形軸2向左運動，由于上關節(jié)T形軸2與關節(jié)臺體 7固聯(lián)，則關節(jié)臺體7的左端面產(chǎn)生正壓力，緊壓環(huán)形摩擦墊9，環(huán)形摩擦墊9的端面上產(chǎn)生 摩擦力，以及基于上關節(jié)T形軸2的軸線的摩擦力矩。從而使上關節(jié)T形軸2與關節(jié)臺體 之間沒有相對運動，上關節(jié)鎖定。推桿6向下的推力作用在上關節(jié)傳動滑塊3上，使上關節(jié) 傳動滑塊3產(chǎn)生向下的位移，垂直向下擠壓1#頂桿4和2#頂桿10， 2#頂桿10帶動V形推 力塊ll，V形推力塊ll向下擠壓1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18，使1#扇 形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18向兩側(cè)分離，沿水平方向擠壓下關節(jié)封蓋16的 內(nèi)圓柱面，在水平方向給下關節(jié)封蓋16 —個正壓力，從而產(chǎn)生摩擦力，并在柱面上產(chǎn)生相 對于下關節(jié)T形軸19的周向摩擦力矩，使下關節(jié)鎖緊。 本發(fā)明在兩個關節(jié)上不需要安裝電機(電機在第三個關節(jié)上)，通過第三關節(jié)上 的電機推動內(nèi)部的一個與機械臂的第3關節(jié)相連的推桿，可以同時鎖緊這兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)， 實現(xiàn)這兩個關節(jié)的無電機或無電磁制動器的鎖緊，使機械臂成為一個欠驅(qū)動的機械臂。本 發(fā)明結(jié)構簡單、關節(jié)輕便、關節(jié)靈活性好、鎖緊后關節(jié)剛性好、定位精度高(關節(jié)鎖緊后達 到0間隙)、成本較低。因此，開發(fā)面向載荷較輕的服務機器人，特別是醫(yī)療外科手術機器人 的欠驅(qū)動機械臂關節(jié)鎖緊機構和一體式2自由度關節(jié)，可以實現(xiàn)4個關節(jié)(6個自由度，其 中一個關節(jié)為球關節(jié))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(jié)的鎖定。在降低結(jié)構復雜度和成本的同時，提高了機械臂的定位精度和安全性，從而為 研制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(jié)鎖定的設計 開發(fā)提供參考。 本發(fā)明可適用于末端靜態(tài)承載不超過10公斤的各類小型機械臂的關節(jié)鎖定，如 外科手術中用于手術支撐或定位的機械臂的關節(jié)鎖定等。 以上示意性的對本發(fā)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(fā)明的基本實施方式，實際的結(jié)構并不局限于此。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(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它類似拓撲結(jié)構、其它類似 2自由度關節(jié)，或者只是改變桿件尺寸，不經(jīng)創(chuàng)造性的設計出與該技術方案相似的結(jié)構形 式，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于包括關節(jié)臺體、下關節(jié)T形軸和上關節(jié)T形軸，所述的關節(jié)臺體成“L”形，在所述的上關節(jié)T形軸的下平面的上側(cè)外緣設有導角，形成楔形面，上關節(jié)T形軸的桿部的端部設有外螺紋，上關節(jié)外殼為中空結(jié)構，在上關節(jié)T形軸的桿部上套裝上關節(jié)傳力滑塊，上關節(jié)傳力滑塊中間的圓孔直徑大于上關節(jié)T形軸桿部的直徑，上關節(jié)T形軸的桿部通過軸承安裝在上關節(jié)外殼中，桿部從上關節(jié)外殼伸出與關節(jié)臺體的一端螺紋連接，推桿的軸線與上關節(jié)T形軸的軸線垂直，安裝在上關節(jié)外殼上，在推桿的端部設有楔形面，與上關節(jié)T形軸的楔形面相配合；所述的下關節(jié)T形軸的桿部帶外螺紋，通過外螺紋連接在關節(jié)臺體的另一端的下方，下關節(jié)T形軸的軸線與上關節(jié)T形軸的軸線垂直，下關節(jié)T形軸的下端安裝在下關節(jié)封蓋中，底部通過軸承安裝在關節(jié)支承軸上，下關節(jié)封蓋與關節(jié)支承軸固聯(lián)，下關節(jié)T形軸的桿部為空心，在空心的底部、下關節(jié)T形軸下平面上部的桿部上開有貫通槽；頂桿安裝在下關節(jié)T形軸的空心中，上端伸入上關節(jié)外殼，與上關節(jié)傳力滑塊接觸，下端通過螺紋固聯(lián)V形推力塊，V形推力塊插在貫通槽中，在V形推力塊兩側(cè)的下關節(jié)T形軸上通過螺栓分別安裝有扇形柱面摩擦片，扇形柱面摩擦片的內(nèi)側(cè)為與V形推力塊配合的形狀，外側(cè)為圓柱面。
2. 根據(jù)權利要求1所述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于所 述的頂桿包括1#頂桿、2#頂桿和連接螺套，所述的連接螺套為中空結(jié)構，兩端設有內(nèi)螺紋， 1#頂桿和2#頂桿分別連接在連接螺套的兩端，1#頂桿的上端與上關節(jié)傳力滑塊接觸，2#頂 桿的下端連接V形推力塊。
3. 根據(jù)權利要求1所述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于在 所述的上關節(jié)外殼上與關節(jié)臺體靠近的端面上開有環(huán)形槽，在環(huán)形槽中設有環(huán)形摩擦墊， 所述的環(huán)形摩擦墊突出上關節(jié)外殼端面一定距離。
4. 根據(jù)權利要求1或3所述的平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征 在于在所述的關節(jié)臺體上靠近下關節(jié)封蓋的端面上開有環(huán)形槽，在環(huán)形槽中設有環(huán)形摩擦 墊，所述的環(huán)形摩擦墊突出關節(jié)臺體端面一定距離。
5. 根據(jù)權利要求1所述的平明摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于所 述的扇形柱面摩擦片上設有螺栓孔，所述的螺栓孔橫截面為扁長形。
6. 根據(jù)權利要求1所述的平明摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，其特征在于在 所述的下關節(jié)T形軸與下關節(jié)封蓋之間設有下關節(jié)軸瓦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面摩擦和柱面摩擦相結(jié)合的2自由度關節(jié)，上關節(jié)T形軸的下平面上側(cè)外緣設有楔形面，桿部上套裝上關節(jié)傳力滑塊，桿部與關節(jié)臺體連接，推桿端部的楔形面與上關節(jié)T形軸的楔形面配合；下關節(jié)T形軸連接在關節(jié)臺體的另一端，安裝在下關節(jié)封蓋中，下關節(jié)封蓋與關節(jié)支承軸固聯(lián)，下關節(jié)T形軸的桿部為空心，空心的底部開有貫通槽；頂桿安裝在空心結(jié)構中，上端與上關節(jié)傳力滑塊接觸，下端固聯(lián)插在貫通槽中的V形推力塊，在V形推力塊兩側(cè)的下關節(jié)T形軸上安裝扇形柱面摩擦片，扇形柱面摩擦片的外側(cè)為圓柱面。本發(fā)明體積小、結(jié)構緊湊、重量輕、鎖緊力矩大、結(jié)構簡單、關節(jié)間隙為0、使用壽命高，可適用于各類小型機械臂的關節(jié)鎖定。
文檔編號B25J17/02GK101698302SQ20091023393
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2009年10月21日
發(fā)明者唐粲, 張建偉, 程勝 申請人:昆山市工業(yè)技術研究院有限責任公司