[發明專利]具有偏置輸出的超大工作空間球面鉸鏈

無效

• 申請號: 200810055019.0
• 申請日: 2008-05-29
• 公開（公告）號: CN101307797A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 周玉林;高峰
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: F16C11/06
• 分類號: F16C11/06;B25J11/00
• 代理公司: 秦皇島市維信專利事務所
• 代理人: 鄂長林

技術領域

本發明涉及具有偏置輸出的超大工作空間球面鉸鏈，屬于機構學機器人或機械領域。

背景技術

球面鉸鏈作為一種連接，其本質就是球面副，是機構學中的基本運動單元，構成機構或機械的基本單位。一般它是由輸出桿、球頭與球窩、下支撐桿構成。當一端固定(如下支撐桿)時，另一端則具有三個轉動自由度。

要確保構成球面副的兩要素，無論受到壓力或拉力都能穩定可靠保持接觸，實現球面鉸鏈的功能，工程上還存在一些問題。

目前，常用的球面鉸鏈的典型結構有兩種形式：橫向剖分球窩型。即用垂直于下支撐桿軸線且過球心的橫向剖面把球窩分成兩部分，與支撐桿固聯的半球殼稱為支撐球窩；另一部分稱為約束球窩。安裝形式為：約束球窩套裝于輸出桿上約束球頭，然后，再與支撐球窩固定，從而限制球頭及輸出桿與球窩的分離(見圖6)；縱向剖分球窩型。即通過支撐桿軸線的縱向剖面把球窩分成對稱的兩半，安裝時，兩個球窩扣在一起含住球頭，然后再彼此固聯(見圖7)。

中國專利(公告號：CN?2106260U)公開了一種新型球面鉸鏈，其技術方案是在球(銷)頭與球銷座之間配置了一個由含油聚甲醛材料一次注塑成型的球窩墊，用于改善球面鉸鏈的性能。而球頭與球窩的構成方式與通常的橫向剖分球窩型的球面鉸鏈相同。

現有的球面鉸鏈都存在共同的缺點：輸出桿的擺動范圍小。分析表明：擺動范圍受結構限制，即

其中r輸出桿的半徑，h約束球窩的有效高度，r₀為球半徑，也是支撐球窩，約束球窩半徑。為保證機械強度要求，一般情況下輸出桿半徑、約束球窩的高度不能很小，因此，擺角范圍受其影響而減小。一般不超過±60°。

球面鉸鏈輸出桿的擺動范圍小的問題，一直以來沒有得到很好的解決，給工程應用帶來的影響表現為多方面的，如并聯機床的工作空間在一定程度上因受到其中的球面鉸鏈影響而無法實現更大的工作空間要求；機構學、機器人機構因球面鉸鏈的制約，其實際工作空間較小；人形機器人中的球面(關節)鉸鏈工作空間小而不能滿足肢體運動要求等等。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題與工程上的要求，本發明提供一種具有偏置輸出的超大工作空間球面鉸鏈，該發明工作空間大，解決了球面鉸鏈輸出桿的擺動范圍小等問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：以橫向剖分球窩的球面鉸鏈為原型，利用運動與約束單項分解、交叉匹配方法，將支撐球窩與約束球窩分開，支撐球窩保持不變，而約束球窩半徑r₀增大、使其形成球冠；同時將直輸出桿的運動分解成兩個正交的擺動(如x、y轉動)和繞z軸線轉動。在約束球窩與支撐球窩之間設置過球心的直徑迴轉軸與直輸出桿的一個正交擺動軸重合，使約束球窩、直輸出桿對支撐球窩可擺動；約束球窩上，在輸出桿軸線(也是約束球窩的回轉軸線)與直徑迴轉副軸線構成的平面內，沿圓周方向開長槽；直輸出桿可在其中擺動，釋放直徑迴轉副對輸出桿在該方向運動的約束，從而實現輸出桿的較大的兩方向擺動與繞z軸線的轉動。形成具有較大工作空間的新型球面鉸鏈。

對于傳統的球面鉸鏈，繞x、y方向擺角較小，z方向則不受限制，輸出桿的工作空間為全對稱球缺面，其大小完全由兩方向擺角(繞x、y)決定，而繞z軸的轉動對輸出桿的作用沒有體現出來，或者說繞z軸轉動空間被完全覆蓋；對于具有大工作空間的新型球面鉸鏈，輸出桿的工作空間仍為全對稱球缺面只是比傳統的鉸鏈的大一些，而繞z軸的轉動對輸出桿作用仍沒有體現出來。

事實上，球面鉸鏈輸出桿繞z軸的轉動是不受限制的，這一點是球面鉸鏈的根本優勢。分析發現，繞z軸的轉動對輸出桿作用不能得到體現的根本原因是：輸出桿的軸線始終與z軸重合。

將原輸出桿在中心附近的一部分保留(稱為直輸出桿)，其軸線與z軸?重合，而余下的部分偏折某一角度而使其軸線偏離z軸，這部分輸出桿稱為偏置輸出桿，球面鉸鏈整體輸出桿為彎拐形。偏置輸出桿的軸線與直輸出桿軸線所夾的角稱為偏擺角α_h，變化范圍0～110°，偏置方向為任意的；偏置輸出桿的遠端與球心的連線是實際意義的輸出桿位置，它與直輸出桿軸線的夾角稱為偏置角t。有效可取值范圍0～90°。構建結果是極大地增大了球面鉸鏈的工作空間、改變了空間形狀，形成了新的具有偏置輸出的超大工作空間球面鉸鏈。