[發(fā)明專利]尤其用于機器人的多軸關(guān)節(jié)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010241432.3
• 申請日: 2010-04-19
• 公開（公告）號: CN101992467A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·巴納士;L·內(nèi)瑟;F·布拉澤
• 申請（專利權(quán)）人: IGUS有限公司
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 朱立鳴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種尤其用于機器人的多軸關(guān)節(jié)，該多軸關(guān)節(jié)具有遠端關(guān)節(jié)段和近端關(guān)節(jié)段，通過至少一個轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和至少一個與該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)的轉(zhuǎn)動的擺動關(guān)節(jié)使這些關(guān)節(jié)段以能夠彼此相對旋轉(zhuǎn)和擺動的方式相連接，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)具有旋轉(zhuǎn)軸線，并且所述擺動關(guān)節(jié)具有垂直于該旋轉(zhuǎn)軸線延伸的擺動軸線。

背景技術(shù)

這種多軸關(guān)節(jié)使得可自由活動的遠端關(guān)節(jié)段能夠在兩個自由度上相對于與該遠端關(guān)節(jié)端相對固定的近端關(guān)節(jié)段進行運動。這兩個關(guān)節(jié)段可用于固定多軸關(guān)節(jié)，和/或用于安裝其它部件，也可用于安裝其它多軸關(guān)節(jié)。可以將這些關(guān)節(jié)段設(shè)計成銷軸形狀，或者設(shè)計成軸套或凹腔形式，并且允許進行形狀配合連接或摩擦配合連接。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)均為單獨的可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，均可允許圍繞相關(guān)的軸線、旋轉(zhuǎn)軸線和擺動軸線作純粹的旋轉(zhuǎn)運動。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種盡可能緊湊的多軸關(guān)節(jié)。

通過使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)套疊成為一個結(jié)構(gòu)單元，就能使以上所述的多軸關(guān)節(jié)具有簡單的結(jié)構(gòu)，從而解決本發(fā)明的這一任務(wù)。

通過使擺動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)套疊，即可產(chǎn)生其中一個(旋轉(zhuǎn)或擺動)關(guān)節(jié)至少部分地包圍另一個(擺動或旋轉(zhuǎn))關(guān)節(jié)的緊湊的結(jié)構(gòu)單元。

還可以通過以下可以任意組合的附加特征進一步改進這種緊湊的結(jié)構(gòu)形式。

為了能夠利用本發(fā)明所述的多軸關(guān)節(jié)來模仿例如手肘關(guān)節(jié)的運動，擺動軸線以垂直于遠端關(guān)節(jié)段與近端關(guān)節(jié)段之間的連線的方式延伸，并且旋轉(zhuǎn)軸線朝遠端關(guān)節(jié)段的方向延伸。擺動軸線因此導(dǎo)致遠端關(guān)節(jié)段相對于近端關(guān)節(jié)段的彎曲和伸展，而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)導(dǎo)致遠端關(guān)節(jié)段相對于近端關(guān)節(jié)段的旋轉(zhuǎn)或旋后與旋前。就這種設(shè)計方案而言，遠端關(guān)節(jié)段尤其可以作為多點支承軸，尤其可作為空心軸。

在另一種有益的設(shè)計方案中，擺動關(guān)節(jié)可以包括叉形段，該叉形段具有至少兩個用于圍繞擺動軸線支承旋轉(zhuǎn)軸承的支承元件，以便吸收遠端關(guān)節(jié)段在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的扭力。為此，這些支承元件尤其可以在擺動軸承的擺動軸線的方向上彼此相隔一定的距離。可轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在這兩個支承元件之間延伸。就這種設(shè)計方案而言，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)被移動到擺動關(guān)節(jié)的支承元件之間。

如果將多軸關(guān)節(jié)用作主動的動態(tài)操作的關(guān)節(jié)以例如使荷載運動，則優(yōu)選使用摩擦較小的軸承，例如滾動軸承或滑動軸承。

如果被動地使用多軸關(guān)節(jié)，即從外側(cè)使多軸關(guān)節(jié)進入所希望的位置，然后保持靜止，則也可以使用摩擦系數(shù)較大的軸承。對于被動使用而言，作為替代或補充方案，也可以將止動裝置整合在多軸關(guān)節(jié)之中，可通過這些止動裝置固定擺動關(guān)節(jié)和/或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這些止動裝置可以包括制動器或者鎖止裝置以及張緊和夾緊元件。

按照另一種有益的設(shè)計方案，將擺動軸承的至少一個支承元件設(shè)計成至少局部包圍旋轉(zhuǎn)軸承的環(huán)形軸承，就能使所追求的結(jié)構(gòu)形式進一步減小。就這種設(shè)計方案而言，可以將旋轉(zhuǎn)軸承基本上安裝在擺動軸承內(nèi)部。環(huán)形軸承的直徑至少近似等于旋轉(zhuǎn)軸承在環(huán)形軸承區(qū)域內(nèi)的直徑。

如果環(huán)形軸承的尺寸足夠大，則由于單位面積壓力比較小而可以用塑料來制成環(huán)形軸承，而不會影響載荷能力。在另一種設(shè)計方案中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以穿過由環(huán)形軸承定義的平面，從而實現(xiàn)特別緊湊的結(jié)構(gòu)。

使用較大且相應(yīng)穩(wěn)定的環(huán)形軸承，尤其當(dāng)環(huán)形軸承與叉形的擺動關(guān)節(jié)組合使用時，并且當(dāng)環(huán)形軸承在擺動軸線方向上從兩側(cè)圍住旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時，就可以賦予多軸關(guān)節(jié)很高的強度。例如家具腳輪領(lǐng)域所采用的就是這種叉狀的環(huán)形軸承，盡管用來制造環(huán)形軸承元件的是成本低廉的塑料，但也能實現(xiàn)很高的荷載能力。

可以將多軸關(guān)節(jié)大致設(shè)計成球形，多軸關(guān)節(jié)例如可以包括優(yōu)選空心球形的外殼，該外殼至少呈殼形或膠囊形地圍住旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這種形式的外殼能夠賦予多軸關(guān)節(jié)額外的強度，因為這可以起到薄殼支承結(jié)構(gòu)的作用。球形能夠在外殼之內(nèi)形成有利于強度的應(yīng)力分布，因此即使壁厚很小，也能吸收很大的作用力。此外還可以通過外殼防止被圍住的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)弄臟。

無論外殼的形狀如何，該外殼均可以是遠端或者近端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)段的一部分。在第一種情況下，殼形外殼相對于近端關(guān)節(jié)段以能夠圍繞擺動軸線旋轉(zhuǎn)的方式支承于擺動關(guān)節(jié)的支承元件之中。在后一種情況下，外殼相對于近端關(guān)節(jié)段固定，且在外殼中必須設(shè)置至少一個凹槽以供遠端關(guān)節(jié)段作擺動運動，或者將擺動關(guān)節(jié)容納在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之中。

如果旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線與擺動關(guān)節(jié)的擺動軸線相交，則有利于執(zhí)行精確的運動控制，而無需補償運動。利用這一措施可保證旋轉(zhuǎn)軸線始終相對于擺動軸線沿徑向延伸。