专利名称：平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转动关节，具体讲是涉及一种平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自 由度关节，属于欠驱动机械臂关节锁紧机构。
背景技术：
从上个世纪九十年代开始，随着智能机器人技术、计算机技术、医疗外科技术的迅 速发展，服务机器人，如微创外科机器人技术已成为国内外学者和相关机构关注的国际前 沿研究热点之一。这是一种新型的多学科交叉技术领域，其发展被认为是外科治疗手段的 一种标志性的进步。 目前，医疗手术定位机械臂的关节锁定有如下方式，一是靠每个关节上的电机输 出的伺服保持力矩，其缺点是结构复杂，成本昂贵；二是在每个关节上安装电磁制动器，同 样存在结构复杂成本高的不足，同时机械臂比较笨重；第三是通过给各个关节的楔形推力 结构进行手动加力，实现关节锁紧。这种方式为纯被动方式，锁紧效率低，操作不方便。另 外，现有技术中的关节锁紧机构在关节锁紧后，在关节之间都存在间隙，间隙不为O，造成定 位精度不高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、操作性好、定位精 度高、成本低廉的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，降低锁紧关节的结构复杂 性和成本，提高机械臂的定位精度和安全性。 本发明基于以上考虑，设计一体式2自由度关节。在两个关节上不需要安装电机
(电机在第三个关节上)，通过第三关节上电机推动内部的一个推杆(该推杆与机械臂的第
3关节相连)，可以同时锁紧这两个转动关节，实现这两个关节的无电机或无电磁制动器的
锁紧，使机械臂成为一个欠驱动的机械臂。 为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案 —种平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于包括关节台体、下 关节T形轴和上关节T形轴，所述的关节台体成"L"形，在所述的上关节T形轴的下平面的 上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳为中 空结构，在上关节T形轴的杆部上套装上关节传力滑块，上关节传力滑块中间的圆孔直径 大于上关节T形轴杆部的直径，上关节T形轴的杆部通过轴承安装在上关节外壳中，杆部从 上关节外壳伸出与关节台体的一端螺纹连接，推杆的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，安 装在上关节外壳上，在推杆的端部设有楔形面，与上关节T形轴的楔形面相配合；所述的下 关节T形轴的杆部带外螺纹，通过外螺纹连接在关节台体的另一端的下方，下关节T形轴的 轴线与上关节T形轴的轴线垂直，下关节T形轴的下端安装在下关节封盖中，底部通过轴承 安装在关节支承轴上，下关节封盖与关节支承轴固联，下关节T形轴的杆部为空心，在空心 的底部、下关节T形轴下平面上部的杆部上开有贯通槽；顶杆安装在下关节T形轴的空心结构中，上端伸入上关节外壳，与上关节传力滑块接触，下端通过螺纹固联V形推力块，V形推
力块插在贯通槽中，在V形推力块两侧的下关节T形轴上通过螺栓分别安装有扇形柱面摩
擦片，扇形柱面摩擦片的内侧为与V形推力块配合的形状，外侧为圆柱面。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于所述的顶杆包括
1#顶杆、2#顶杆和连接螺套，所述的连接螺套为中空结构，两端设有内螺纹，1#顶杆和2#顶
杆分别连接在连接螺套的两端，1#顶杆的上端与上关节传力滑块接触，2#顶杆的下端连接
V形推力块。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于在所述的上关节 外壳上与关节台体靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩 擦垫突出上关节外壳端面一定距离。 前述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于在所述的关节台 体上靠近下关节封盖的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫，所述的环形摩擦 垫突出关节台体端面一定距离。 前述的平明摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于所述的扇形柱面 摩擦片上设有螺栓孔，所述的螺栓孔横截面为扁长形。 前述的平明摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于在所述的下关节 T形轴与下关节封盖之间设有下关节轴瓦。 本发明的有益效果是本发明结构简单、关节轻便、关节灵活性好、锁紧后关节刚 性好、定位精度高(关节锁紧后达到0间隙)、成本较低、使用寿命长。可以实现4个关节(6 个自由度，其中一个关节为球关节)的机械臂上只用一个电机，即一个电机完成了6自由度 机械臂4个关节的锁定。可适用于载荷较轻的服务机器人，特别是医疗外科手术机器人的 欠驱动机械臂关节锁紧机构和一体式2自由度关节，在降低结构复杂度和成本的同时，提 高了机械臂的定位精度和安全性，从而为研制外科手术定位的机械臂通用的欠驱动关节， 同时，也为其它用途的机械臂的关节设计提供参考。
图1为本发明的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节的结构示意图；
图2为图1中的关节台体的主视图；
图3为图2的左视图；
图4为图2的仰视图； 图5为图1中的扇形柱面摩擦片的右视图；
图6为图1中的扇形柱面摩擦片的俯视图；
图7为图6中的A-A向剖视图。
附图中主要标记的含义 1、上关节外壳，2、上关节T形轴，3、上关节传力滑块，4、lft顶杆，5、连接螺套，6、推 杆，7、关节台体，8、第一轴承，9、环形摩擦垫，10、2#顶杆，11、V形推力块，12、 1#扇形柱面摩 擦片，13、内六角螺钉，14、第二轴承，15、关节支撑轴，16、下关节封盖，17、下关节轴瓦，18、 2#扇形柱面摩擦片，19、下关节T形轴。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。 图1为本发明的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节的结构示意图；图2 为图1中的关节台体的主视图；图3为图2的左视图；图4为图2的仰视图；图5为图1中 的扇形柱面摩擦片的右视图；图6为图1中的扇形柱面摩擦片的俯视图；图7为图6中的 A-A向剖视图。 如图所示，本发明的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节包括关节台体7、 下关节T形轴19和上关节T形轴2，其中关节台体7成"L"形，在上关节T形轴2的下平面 的上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴2的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳1 为中空结构， 一方面给上关节T形轴2提供配合和安装空间，另一方面给推杆6预留空间。 在上关节T形轴2的杆部上套装上关节传力滑块3，上关节传力滑块3为中空的圆形结构， 它嵌入上关节外壳1中，上关节传力滑块3中间的圆孔直径大于上关节T形轴2杆部的直 径，保证上关节传力滑块3在外力作用下能够沿径向移动。上关节T形轴2的杆部通过第 一轴承8安装在上关节外壳1中，从而使上关节外壳1与关节台体7连接。上关节T形轴2 的杆部从上关节外壳1伸出，与关节台体7的一端螺纹连接。推杆6的轴线与上关节T形 轴2的轴线垂直，安装在上关节外壳1上，在推杆6的下端部设有楔形面，与上关节T形轴 2的楔形面配合使用，从而可以使推杆6的上下运动变为上关节T形轴2的左右移动。
下关节T形轴19的杆部带外螺纹，通过外螺纹连接在关节台体7的另一端的下 方，下关节T形轴19的轴线与上关节T形轴2的轴线垂直，下关节T形轴19的下端安装在 下关节封盖16中，底部通过第二轴承14安装在关节支承轴15上，下关节封盖16与关节支 承轴15固联。下关节T形轴19的杆部为空心，在空心的底部、下关节T形轴19下平面上 部的杆部上开有贯通槽，用于安装V形推力块ll。顶杆安装在下关节T形轴19的空心结 构中，可以上下滑动，上端伸入上关节外壳1，与上关节传力滑块3接触，进行传递推力。下 端通过螺纹固联V形推力块ll，V形推力块11插在贯通槽中，V形推力块11的两侧呈倾斜 式。在V形推力块11两侧的下关节T形轴19上通过螺栓分别安装有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的内侧为倾斜 式，与V形推力块11的倾斜面配合，外侧为圆柱面，与下关节封盖16的内圆柱面配合。
1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18依靠内六角螺栓13与下关节T形 轴19连接。1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18上的螺栓孔的横截面为扁长 形，这样内六角螺栓13可以在扁长形螺栓孔中产生相对移动，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径向滑动，但不能在铅垂方向上运动。
为了使顶杆便于安装和调节，顶杆可以包括1#顶杆4、2#顶杆10和连接螺套5，连 接螺套5为中空结构，两端设有内螺纹，1#顶杆4和2#顶杆10分别连接在连接螺套5的两 端，1#顶杆4的上端与上关节传力滑块3接触，2#顶杆10的下端连接V形推力块11。
另外，为了增加摩擦力和摩擦力矩，在上关节外壳1上与关节台体7靠近的端面 上，可以开有环形槽，用来配置环形摩擦垫9，环形摩擦垫9突出上关节外壳1右端面一定距 离，使上关节外壳1右端面与关节台体7的左端面不直接接触，但允许相对转动。
同时，在关节台体7的下端面与下关节封盖15的上端面同样是通过3#环形摩擦 垫14相互连接接触。
在下关节T形轴19与下关节封盖16之间设有下关节轴瓦17，这样可以保证下关 节T形轴19转动顺畅，减少磨损。 本发明在2#顶杆10的下端通过螺纹固联了一个V形推力块ll，该V形推力块11 推动两个独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)沿径向 远离下关节T形轴19，使1#扇形柱面摩擦片12和2#扇形柱面摩擦片18的外圆柱面沿径 向挤压下关节封盖16的内圆柱面，从而产生周向的摩擦力矩，把下关节锁紧。
本发明的工作原理是当外部作用力垂直向下作用在推杆6上时，靠楔形面结构， 这个力产生一个水平分力，推动上关节T形轴2向左运动，由于上关节T形轴2与关节台体 7固联，则关节台体7的左端面产生正压力，紧压环形摩擦垫9，环形摩擦垫9的端面上产生 摩擦力，以及基于上关节T形轴2的轴线的摩擦力矩。从而使上关节T形轴2与关节台体 之间没有相对运动，上关节锁定。推杆6向下的推力作用在上关节传动滑块3上，使上关节 传动滑块3产生向下的位移，垂直向下挤压1#顶杆4和2#顶杆10， 2#顶杆10带动V形推 力块ll，V形推力块ll向下挤压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向两侧分离，沿水平方向挤压下关节封盖16的 内圆柱面，在水平方向给下关节封盖16 —个正压力，从而产生摩擦力，并在柱面上产生相 对于下关节T形轴19的周向摩擦力矩，使下关节锁紧。 本发明在两个关节上不需要安装电机(电机在第三个关节上)，通过第三关节上 的电机推动内部的一个与机械臂的第3关节相连的推杆，可以同时锁紧这两个转动关节， 实现这两个关节的无电机或无电磁制动器的锁紧，使机械臂成为一个欠驱动的机械臂。本 发明结构简单、关节轻便、关节灵活性好、锁紧后关节刚性好、定位精度高(关节锁紧后达 到0间隙)、成本较低。因此，开发面向载荷较轻的服务机器人，特别是医疗外科手术机器人 的欠驱动机械臂关节锁紧机构和一体式2自由度关节，可以实现4个关节(6个自由度，其 中一个关节为球关节)的机械臂上只用一个电机，即一个电机完成了 6自由度机械臂4个 关节的锁定。在降低结构复杂度和成本的同时，提高了机械臂的定位精度和安全性，从而为 研制外科手术定位的机械臂奠定了基础，同时，也为其它用途的机械臂的关节锁定的设计 开发提供参考。 本发明可适用于末端静态承载不超过10公斤的各类小型机械臂的关节锁定，如 外科手术中用于手术支撑或定位的机械臂的关节锁定等。 以上示意性的对本发明实施方式进行了阐述，该阐述没有局限性。附图中所示的 也只是本发明的基本实施方式，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员或 研究人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它类似拓扑结构、其它类似 2自由度关节，或者只是改变杆件尺寸，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构形 式，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
一种平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于包括关节台体、下关节T形轴和上关节T形轴，所述的关节台体成“L”形，在所述的上关节T形轴的下平面的上侧外缘设有导角，形成楔形面，上关节T形轴的杆部的端部设有外螺纹，上关节外壳为中空结构，在上关节T形轴的杆部上套装上关节传力滑块，上关节传力滑块中间的圆孔直径大于上关节T形轴杆部的直径，上关节T形轴的杆部通过轴承安装在上关节外壳中，杆部从上关节外壳伸出与关节台体的一端螺纹连接，推杆的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，安装在上关节外壳上，在推杆的端部设有楔形面，与上关节T形轴的楔形面相配合；所述的下关节T形轴的杆部带外螺纹，通过外螺纹连接在关节台体的另一端的下方，下关节T形轴的轴线与上关节T形轴的轴线垂直，下关节T形轴的下端安装在下关节封盖中，底部通过轴承安装在关节支承轴上，下关节封盖与关节支承轴固联，下关节T形轴的杆部为空心，在空心的底部、下关节T形轴下平面上部的杆部上开有贯通槽；顶杆安装在下关节T形轴的空心中，上端伸入上关节外壳，与上关节传力滑块接触，下端通过螺纹固联V形推力块，V形推力块插在贯通槽中，在V形推力块两侧的下关节T形轴上通过螺栓分别安装有扇形柱面摩擦片，扇形柱面摩擦片的内侧为与V形推力块配合的形状，外侧为圆柱面。
2. 根据权利要求1所述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于所 述的顶杆包括1#顶杆、2#顶杆和连接螺套，所述的连接螺套为中空结构，两端设有内螺纹， 1#顶杆和2#顶杆分别连接在连接螺套的两端，1#顶杆的上端与上关节传力滑块接触，2#顶 杆的下端连接V形推力块。
3. 根据权利要求1所述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于在 所述的上关节外壳上与关节台体靠近的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦垫， 所述的环形摩擦垫突出上关节外壳端面一定距离。
4. 根据权利要求1或3所述的平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征 在于在所述的关节台体上靠近下关节封盖的端面上开有环形槽，在环形槽中设有环形摩擦 垫，所述的环形摩擦垫突出关节台体端面一定距离。
5. 根据权利要求1所述的平明摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于所 述的扇形柱面摩擦片上设有螺栓孔，所述的螺栓孔横截面为扁长形。
6. 根据权利要求1所述的平明摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，其特征在于在 所述的下关节T形轴与下关节封盖之间设有下关节轴瓦。
全文摘要
本发明涉及一种平面摩擦和柱面摩擦相结合的2自由度关节，上关节T形轴的下平面上侧外缘设有楔形面，杆部上套装上关节传力滑块，杆部与关节台体连接，推杆端部的楔形面与上关节T形轴的楔形面配合；下关节T形轴连接在关节台体的另一端，安装在下关节封盖中，下关节封盖与关节支承轴固联，下关节T形轴的杆部为空心，空心的底部开有贯通槽；顶杆安装在空心结构中，上端与上关节传力滑块接触，下端固联插在贯通槽中的V形推力块，在V形推力块两侧的下关节T形轴上安装扇形柱面摩擦片，扇形柱面摩擦片的外侧为圆柱面。本发明体积小、结构紧凑、重量轻、锁紧力矩大、结构简单、关节间隙为0、使用寿命高，可适用于各类小型机械臂的关节锁定。
文档编号B25J17/02GK101698302SQ20091023393
公开日2010年4月28日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者唐粲, 张建伟, 程胜 申请人:昆山市工业技术研究院有限责任公司