[发明专利]具有大工作空间球面铰链

说明书

技术领域

本发明涉及具有大工作空间球面铰链，属于机构学机器人或机械领域。

背景技术

球面铰链作为一种可转动连接，通常它由连接有输出杆的球头与固连支撑杆的球窝构成。当一端固定时，另一端则具有三个转动自由度。在机构学、机器人领域中，这种可转动连接称为球面副。理论上这两个要素必须稳定可靠保持接触。然而工程上，这种球面副无论受到压力或拉力都不能分开，则必须在结构设计上予以保证。

目前，主要、常用的球面铰链的典型结构有两种形式：横向剖分球窝型。即与支撑杆轴线垂直且过球心的横向剖面把球窝分成两部分，与支撑杆固联的半球壳部分称为支撑球窝，另一部分称为约束球窝。安装时，约束球窝套装于输出杆上、约束球头，再与支撑球窝固定，从而限制球头及输出杆的线位移(见图5)；纵向剖分球窝型，即通过支撑杆轴线的纵向剖面把球窝分成对称的两半，安装时，两半球窝扣在一起含住球头，然后再彼此固联(见图6)。

中国专利(公告号：CN 2106260U)公开了一种新型球型铰链，该发明的技术关键是在球(销)头与球销座之间配置了一个含油聚甲醛材料一次注射成型的球窝衬垫，用于改善球面铰链的运动与摩擦性能。球头与球窝的构成方式与横向剖分球窝型的球面铰链相同；中国专利(公告号：CN1586966A)公开了一种足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其中涉及到的球面铰链，其结构属于横向剖分球窝型。

现有的球面铰链都存在共同的缺点：输出杆的摆动范围小，即：

其中：r输出杆的半径；h约束球窝的高度；r₀为球半径。因此，为保证机械强度要求，一般情况下输出杆半径、约束球窝的高度不能太小，因此摆角范围受到影响而减小，一般不超过±60°。

球面铰链输出杆的摆动范围小的问题，一直以来没有得到很好的解决，给工程应用带来的影响是多方面的，如并联机床的工作空间在一定程度上因受到其中的球面铰链影响而无法实现较大的工作空间要求；机构学、机器人机构因球面铰链的制约，其实际工作空间较小；人形机器人中的球面(关节)铰链工作空间小而不能满足肢体运动要求等等。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题与工程上的要求，本发明提供一种具有大工作空间的球面铰链。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以横向剖分球窝型球面铰链为原型，利用运动与约束单项分解、交叉匹配方法，将支撑球窝与约束球窝彼此分开一定距离，支撑球窝保持不变，而约束球窝半径增大、形成球冠，两者之间通过两个分置在过球心一条轴线上的销轴构成可转动连接，即使约束球窝具有相对支撑球窝单向转动。同时限制约束球窝相对支撑球窝的中心的线位移和其它两个方向转动。以约束球窝中心线与销轴的轴线所构成的平面为对称面，在约束球窝上沿圆周方向、径向内外通透开长槽，将输出杆的运动则分解成正交的三个转动，即x、y、z轴转动。其中转轴y与销轴的轴线重合，输出杆由槽中伸出(穿过)，将另一摆动设置在长槽的对称面内，即输出杆可沿槽壁(即绕x轴)往复摆动，同时可绕自身轴线转动。这样，输出杆便具有绕x轴、与约束球窝一同绕销轴即y轴摆动及自身轴线的转动。为消除构件硬干涉和机械加工方便，将约束球窝多余部分消(削)掉，并改成U形圆柱面，即U形拨叉。最后，在输出杆与约束圆柱面之间设置短圆柱形支撑辊，用于取代原来球头与约束球窝直接接触，限制在拉力作用下输出杆及球头与支撑球窝的脱离。

本发明的有益效果是：增大铰链的摆动工作空间，改善球铰的性能。解决了球铰链在工程上应用受到限制的问题。球面铰链在机构学中就是球面运动副，它是构成机构的基本单元，它的性能的改善对机构学的作用是巨大的和全面的，对改善、提高机构、机器人和并联机床等装备的工作空间和性能，对于扩大民用工程、军工、航空航天等领域球面铰链的应用有重要意义。

附图说明

图1是双耳支架固定型的具有大工作空间的新型球面铰链结构示意图；

图2是双耳支架旋转型的具有大工作空间的新型球面铰链结构示意图；

图3是球/窝换位型的具有大工作空间的新型球面铰链结构示意图；

图4是U形拨叉内置型具有大工作空间的新型球面铰链结构示意图；

图5是常用的横向剖分球窝的球面铰链结构示意图；

图6是常用的纵向剖分球窝的球面铰链结构示意图。

在上述附图中，1.支撑球窝，2、9.销轴，3.U形拨叉，4.球头，5.输出杆，6.旋转支架，(7、7′).支撑销轴，(8、8′).支撑辊，10.双耳支架，11.下支撑杆，12方输出杆，13.活动球窝，14.实心U形拨叉，15.中间支撑滚，16.中空输出杆。