專利名稱：可變構(gòu)型虎克鉸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于基于串、并聯(lián)機構(gòu)的醫(yī)療機器人，仿生機器人，類人機器人，虛擬軸機床及其它需要變構(gòu)型的機器人或機械設(shè)備的虎克鉸，屬于機器人機構(gòu)研究領(lǐng)域，具體涉及一種可變構(gòu)型的兩自由度胡克鉸鏈。
背景技術(shù)：
機器人是機、電、計算機相結(jié)合的產(chǎn)物，其應(yīng)用幾乎涉及現(xiàn)代尖端技術(shù)的各個領(lǐng)域，如仿人、仿生機器人、數(shù)控加工中心、運載工具模擬器、航天設(shè)備、醫(yī)療手術(shù)機器人、家庭娛樂機器人及工業(yè)機器人等。機構(gòu)是機器和機器人的基本組成。傳統(tǒng)的機器人在基本機構(gòu)學(xué)鉸鏈(轉(zhuǎn)動副，移動副，虎克鉸等)及桿件的連接下，具有確定的運動學(xué)構(gòu)型和自由度?；⒖算q，又稱Cardan鉸鏈，由一對相交成一定角度的轉(zhuǎn)動副連接而成，兩個轉(zhuǎn)動副的軸線相交成一個T形的連接件，所以該鉸鏈通常又被稱為T鉸，通過T鉸連接的兩個桿件相互之間可有兩個轉(zhuǎn)動的自由度。當(dāng)T鉸被固定后，其兩個轉(zhuǎn)動副的軸線也相對于各自桿件被固定了。虎克鉸的應(yīng)用最早可以追溯到2000年前中國古代用于在各種姿勢下平衡蠟燭的燭臺或稱平衡環(huán)。在工業(yè)設(shè)備中，胡克鉸多用于旋轉(zhuǎn)運動的傳動，如汽車車輪的動力傳動，飛機發(fā)動機動力的傳動及其它加工制造設(shè)備的動力傳動等。在機器人機構(gòu)學(xué)研究中，由于其簡單的結(jié)構(gòu)及具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的特點，虎克鉸成為常用的基本鉸鏈?，F(xiàn)有的虎克鉸一直保持著自其出現(xiàn)時的形態(tài)，只是在不同應(yīng)用的場合尺寸及連接件的形狀有所變化，兩旋轉(zhuǎn)自由度的運動形式均保持不變。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的多樣化及社會需求的快速變化，具有可變構(gòu)型和可變自由度的機器人在現(xiàn)代化及自動化的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成為一個重要的研究方向。因此，目前急需開發(fā)一種具有可變構(gòu)型能力的虎克鉸，可以改變傳統(tǒng)機構(gòu)組裝后具有固定的構(gòu)型和自由度的情況，使新機構(gòu)具有可變構(gòu)型和自由度的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有變構(gòu)型和變自由度的功能的可變構(gòu)型虎克鉸。本發(fā)明的可變構(gòu)型虎克鉸，它包括帶有長短軸的十字形連接件，一個U形件的兩個頂部開口端各自通過軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的長軸的兩端分別轉(zhuǎn)動相連，在所述的U形件的底部中間固定連接有一個U形件連桿，它還包括環(huán)形件，兩個滑塊各自通過滑塊軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的短軸的兩端轉(zhuǎn)動相連，所述的兩滑塊通過連接件能夠固定連接在所述的環(huán)形件的內(nèi)環(huán)側(cè)壁任意位置上，在所述的環(huán)形件的外環(huán)側(cè)壁上固定連接有環(huán)形件連桿。與傳統(tǒng)虎克鉸相比，本發(fā)明提出的可變構(gòu)型虎克鉸(Reconfigurable Hooke Joint)具有以下有益效果1.本發(fā)明通過引入帶有內(nèi)槽的環(huán)形件，它能夠任意角度改變兩個旋轉(zhuǎn)自由度中的一個軸線與其構(gòu)件的相對方向。
2.本發(fā)明通過引入可改變旋轉(zhuǎn)軸線相對方向的特性，能夠增加鉸鏈整體的靈活性并調(diào)整其兩旋轉(zhuǎn)自由度形成的工作空間，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境需求。3.本發(fā)明專利通過其緊湊的內(nèi)槽和旋轉(zhuǎn)軸線的配置，保持了傳統(tǒng)虎克鉸結(jié)構(gòu)簡單和具有兩個垂直相交的旋轉(zhuǎn)自由度的特點。4.本發(fā)明通過引入可改變旋轉(zhuǎn)軸線相對方向的特性，可以改變該鉸鏈所在機構(gòu)支鏈的幾何約束狀態(tài)及整個機構(gòu)的自由度，使機構(gòu)具有可變構(gòu)型和變自由度的功能。


圖1為一種可變構(gòu)型虎克鉸的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種可變構(gòu)型虎克鉸的各組成部分的示意圖；圖3-1——3-2為本發(fā)明可變構(gòu)型虎克鉸兩旋轉(zhuǎn)自由度的運動形式；圖4為本發(fā)明滑塊沿環(huán)形件內(nèi)槽轉(zhuǎn)動改變旋轉(zhuǎn)軸線的相對位置的運動形式；圖5-圖6為本發(fā)明所特有的幾種典型的構(gòu)型形式。其中I-U形件2-帶有長短軸的十字形連接件3-滑塊4-帶有內(nèi)槽的環(huán)形件5-環(huán)形件端蓋101-U形件連桿102-軸承蓋103-軸承蓋固定螺釘201-U形件軸承301-滑塊軸承401-環(huán)形凹槽402-環(huán)形件連桿501-端蓋固定螺釘502-滑塊固定螺栓
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明本發(fā)明基于機構(gòu)學(xué)幾何約束的研究。圖1、圖2分別為本發(fā)明一種可變構(gòu)型虎克鉸的總體結(jié)構(gòu)示意圖和各組成部分的示意圖。本發(fā)明的可變構(gòu)型虎克鉸，它包括帶有長短軸的十字形連接件2，一個U形件1的兩個頂部開口端各自通過軸承轉(zhuǎn)動副(U形件軸承201，軸承上通過軸承蓋固定螺釘103設(shè)置有軸承蓋10 與所述的帶有長短軸的十字形連接件2的長軸的兩端分別轉(zhuǎn)動相連，在所述的U形件1的底部中間固定連接有一個U形件連桿101，它還包括環(huán)形件4，兩個滑塊3 各自通過滑塊軸承轉(zhuǎn)動副(滑塊軸承301)與所述的帶有長短軸的十字形連接件2的短軸的兩端轉(zhuǎn)動相連，所述的兩滑塊3通過連接件能夠固定連接在所述的環(huán)形件4的內(nèi)環(huán)側(cè)壁任意位置上，在所述的環(huán)形件4的外環(huán)側(cè)壁上固定連接有環(huán)形件連桿402。所述的連接件可以為螺釘或螺栓等常規(guī)緊固件。在使用中為了保持清潔，環(huán)形件4可以通過端蓋固定螺釘 501與環(huán)形件端蓋5固定連接。優(yōu)選的在所述的環(huán)形件4的內(nèi)環(huán)側(cè)壁上沿其圓周方向上開有環(huán)形凹槽，所述的兩滑塊能夠沿環(huán)形凹槽滑動并通過連接件固定連接在所述的環(huán)形凹槽內(nèi)任意位置，這樣可以使滑塊位置調(diào)整方便，定位準(zhǔn)確。環(huán)形件的環(huán)形凹槽401與滑塊3構(gòu)成以帶有長短軸的十字形連接件2的長軸為中心的轉(zhuǎn)動副，滑塊3通過滑塊固定螺栓502及滑塊3上的定位孔與環(huán)形件4上的定位孔固定，從而固定滑塊在環(huán)形件的環(huán)形凹槽401中的位置。如圖3-1、圖3-2所示，當(dāng)滑塊固定在環(huán)形件的環(huán)形凹槽401中的一個位置后，U形件連桿101與環(huán)形件連桿402具有繞帶有長短軸的十字形連接件2的長短軸轉(zhuǎn)動的兩自由度相對運動，環(huán)形件連桿402與帶有長短軸的十字形連接件2的短軸具有固定的相對位置。 如圖4所示，當(dāng)滑塊3沿環(huán)形件的環(huán)形凹槽401旋轉(zhuǎn)任意角度到另一個位置固定后，環(huán)形件連桿402與帶有長短軸的十字形連接件2的短軸將會有新的相對位置，U形件連桿101與環(huán)形件連桿402繞帶有長短軸的十字形連接件2的長短軸轉(zhuǎn)動的兩自由度相對運動的工作空間也有所變化。由此在傳統(tǒng)的虎克鉸的基礎(chǔ)上，本發(fā)明通過增加一個帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件4與滑塊3形成的轉(zhuǎn)動副實現(xiàn)了帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件4的轉(zhuǎn)動副軸線(帶有長短軸的十字形連接件2 的短軸)相對環(huán)形件連桿402任意調(diào)整的功能，這是本發(fā)明的最大特點。當(dāng)把該鉸鏈通過U形件連桿101和環(huán)形件連桿402裝配到機器人機構(gòu)中后，可以通過調(diào)整帶有長短軸的十字形連接件2的短軸來改變鉸鏈的帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件4的轉(zhuǎn)動副軸線相對于環(huán)形件連桿402的方向，從而改變該鉸鏈所在機構(gòu)支鏈的幾何約束狀態(tài)及整個機構(gòu)的自由度，使機構(gòu)具有可變構(gòu)型和變自由度的功能。圖5、圖6所示為本發(fā)明的兩個典型構(gòu)型。其中圖5所示，帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件 4的轉(zhuǎn)動副軸線(帶有長短軸的十字形連接件2的短軸)與環(huán)形件連桿402互相垂直，此構(gòu)型與傳統(tǒng)虎克鉸相似。圖6所示，帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件4的轉(zhuǎn)動副軸線(帶有長短軸的十字形連接件2的短軸)與環(huán)形件連桿402共線，此為一特殊構(gòu)型，傳統(tǒng)虎克鉸沒有見過類似構(gòu)型。本發(fā)明中，帶有環(huán)形凹槽的環(huán)形件4的轉(zhuǎn)動副軸線(帶有長短軸的十字形連接件2的短軸)與環(huán)形件連桿402可以成任意角度，如圖4所示為一任意位置，因此，可以根據(jù)實際需要改變此位置。本發(fā)明的虎克鉸保持了傳統(tǒng)虎克鉸的結(jié)構(gòu)簡單和兩旋轉(zhuǎn)自由度的特點，可用作需要變構(gòu)型的機器人和機械設(shè)備的關(guān)鍵部件，也可作為獨立的機器人機構(gòu)使用。以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它形式的零件構(gòu)型以及連接方式不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.可變構(gòu)型虎克鉸，它包括帶有長短軸的十字形連接件，一個U形件的兩個頂部開口端各自通過軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的長軸的兩端分別轉(zhuǎn)動相連， 在所述的U形件的底部中間固定連接有一個U形件連桿，其特征在于它還包括環(huán)形件，兩個滑塊各自通過滑塊軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的短軸的兩端轉(zhuǎn)動相連，所述的兩滑塊通過連接件能夠固定連接在所述的環(huán)形件的內(nèi)環(huán)側(cè)壁任意位置上，在所述的環(huán)形件的外環(huán)側(cè)壁上固定連接有環(huán)形件連桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變構(gòu)型虎克鉸，其特征在于在所述的環(huán)形件的內(nèi)環(huán)側(cè)壁上沿其圓周方向上開有環(huán)形凹槽，所述的兩滑塊能夠沿環(huán)形凹槽滑動并通過連接件固定連接在所述的環(huán)形凹槽內(nèi)任意位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了可變構(gòu)型虎克鉸，它包括帶有長短軸的十字形連接件，一個U形件的兩個頂部開口端各自通過軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的長軸的兩端分別轉(zhuǎn)動相連，在U形件的底部中間固定連接有一個U形件連桿，它還包括環(huán)形件，兩個滑塊各自通過滑塊軸承轉(zhuǎn)動副與所述的帶有長短軸的十字形連接件的短軸的兩端轉(zhuǎn)動相連，兩滑塊通過連接件能夠固定連接在所述的環(huán)形件的內(nèi)環(huán)側(cè)壁任意位置上，在環(huán)形件的外環(huán)側(cè)壁上固定連接有環(huán)形件連桿。采用本裝置虎能夠任意角度改變兩個旋轉(zhuǎn)自由度中的一個軸線與其構(gòu)件的相對方向，能夠增加鉸鏈整體的靈活性并調(diào)整其兩旋轉(zhuǎn)自由度形成的工作空間，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境需求。
文檔編號B25J9/08GK102152303SQ20111005483
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者戴建生, 甘東明 申請人:天津大學(xué)