机器人液压关节的制作方法

本发明专利涉及一种机器人液压关节，属于机器人技术领域。

背景技术：

机器人的抓举部件包括手部、臂部和机器人关节，机器人关节作为机器人的重要部件，对机器人体积、重量、动作灵活性、抓举力量大小等指标起着非常重要的作用。目前，机器人关节的驱动方式包括电机减速机驱动、气动人工肌肉驱动和液压驱动。气动人工肌肉驱动具有重量轻、价格低、易维护等特点，但其控制精度低，应用受限；电机减速机驱动具有成本低、控制简单、体积小等优点，但是其最大问题是功率质量比低，刚性太大缺乏柔性，在运动过程中容易损坏等缺点；相比之下，液压驱动的最大优点是功率质量比高，运动柔性好，所以，近年来液压驱动关节正在越来越多的应用到机器人中，液压驱动机器人已成为机器人研究的重要方向和趋势。

但是，目前的液压驱动机器人关节采用都是集中式液压分布系统，通过一个大功率、大流量的液压泵作为中央液压源，再通过配置各种阀门和控制系统把压力分配到各个需要动作的部位，所带来的问题是动力系统结构笨重、功耗大，由于阀门所增加的零件数量多从而导致系统的体积很大、产生的能耗损失很大。

球形泵是一种全新结构的变容式机构，较小的体积就可以实现很高的压力，球形泵用于机器人动力系统有很多优势，可以使机器人动力系统的体积减小、重量减轻、能耗降低。

技术实现要素：

本发明的目的就是设计一种机器人液压关节，采用最新发明球形泵技术，用电液驱动摆动油缸，以提高液压关节的功率质量比、提高关节的响应速度和柔性、降低能耗、减小重量和体积。

本发明的技术方案是，机器人液压关节，其特征是：包括设置在外壳内的电液一体球形泵动力系统、摆动油缸及控制系统，在外壳上设置有基座，其中：

所述电液一体球形泵动力系统是由具有正反转功能的球形泵、电机定子和电机转子构成，转子连接体为一端开口的圆筒型结构，球形泵置于转子连接体的圆柱内腔内，转子连接体的外圆柱面与电机转子的内圆柱面固定连接，电机定子和连接板固定在外壳圆柱内腔的内圆柱面上；连接板的一侧中央向内凹入一与缸盖顶端圆柱凸台相配的圆柱空腔，在连接板的另一侧中央向外伸出一中心轴；在中心轴和缸盖内设置有液压油路；球形泵泵壳的顶端法兰端面与连接板的一侧端面贴合并通过螺钉固定在连接板的该侧端面上，缸盖顶端伸出泵壳的圆柱凸台插入连接板上的圆柱空腔后，缸盖顶端圆柱凸台的端面与连接板凹入的圆柱空腔的底面紧密贴合，缸盖上的两个进排油孔与连接板上的两个进排油孔分别接通，缸盖上的两个溢流通道与连接板上的两个溢流通道分别接通；转子连接体的底端向内凸出一驱动轴与球形泵的转盘连接，在转子连接体的内圆柱面与球形泵的泵壳外圆柱面之间设置有C轴承，转子连接体的底端向外伸出一支撑轴，在支撑轴上连接有D轴承和轴承压盖，轴承压盖固定在壳体上，转子连接体以C轴承和D轴承作为旋转支撑；在轴承压盖的外侧端面上设置有电器端盖，弹性储油器设置在轴承压盖与电器端盖所形成的封闭容腔内，弹性储油器与电机定子与泵壳之间的容腔接通；

所述摆动油缸设置在连接板上伸出中心轴的一侧，摆动油缸包括摆动缸套、动叶片、定叶片，摆动缸套环绕在中心轴上，动叶片固定在摆动缸套的内圆周上，定叶片固定在中心轴的中间圆柱面上，在摆动缸套连接动叶片一侧的圆环端面上通过螺钉连接有缸套端盖，缸套端盖、摆动缸套、中心轴的中间圆柱凸台的圆柱面、动叶片、定叶片组合构成摆动油缸的两个封闭工作腔，两个封闭的工作腔分别与设置在中心轴的中间圆柱面上的进排油孔的开口接通，在中心轴的根部的圆柱凸台圆柱面和摆动缸套之间设置有A轴承，在中心轴端部圆柱凸台圆柱面与缸套端盖之间设置有B轴承；在缸套端盖上设置有连接环，连接环与机器人手部、臂部或者其它液压关节的基座连接；

所述控制系统包括控制器、传感器和刹车系统；刹车系统和传感器设置在摆动缸套与连接板侧面之间，刹车系统用于摆动油缸停摆控制，传感器用于感知摆动缸套的转动角度、转动速度等信息；控制器设置在轴承压盖与电器端盖形成的空腔内，控制器与电机、传感器和刹车系统电连接，用于接收传感器信号、控制电机的运转、刹车系统的启停等；

进一步的，中心轴是一从连接板端面中央伸出的直径依次变小的三个同轴心的圆柱凸台，在中心轴内设置有两个进排油孔和两个溢流通道，中心轴上的两个进排油孔和两个溢流通道的一端开口位于连接板圆柱空腔的底部端面上；两个进排油孔的另一端开口设置在中心轴的中间圆柱凸台的外圆柱面上，分别与摆动油缸两个工作腔的液压油进出口接通；中心轴内的两个溢流通道为盲孔，其中一个溢流通道的盲端与中心轴内的一个进排油孔接通，另一个溢流通道的盲端与中心轴内的另一个进排油孔接通，在每个溢流通道口部设置有单向阀，液压油从连接板上溢流通道的口部经单向阀可进入中心轴内的进排油孔；在缸盖顶部凸起的圆柱凸台圆柱面上设置有两个溢流孔，在连接板和泵壳的结合面上相应的设置两个溢流槽，缸盖上每个溢流孔的一端与缸盖上的溢流通道接通，另一端与溢流槽接通；每个溢流槽的一端与溢流孔连通，另一端与泵壳与电机定子之间的空腔接通；

进一步的，刹车系统包括环形的刹车盘、环形的电磁铁和环形的衔铁，刹车盘设置在连接板中心轴根部圆柱凸台的外圆周上，通过螺钉连接在连接板的侧面上，电磁铁安装固定在刹车盘端面上的环形凹槽内，衔铁通过弹簧、销钉和螺栓压持在摆动缸套与刹车盘相对的端面上，衔铁随同摆动缸套旋转；

进一步的，在刹车系统的刹车盘的外圆周与外壳内圆周之间的环形空腔内设置有传感器，传感器包括读卡器和磁性环，读卡器固定在刹车盘与外壳之间的环形空腔内，与固定在摆动缸套的外圆周侧面上的环形磁性环相对且之间留有间隙。

本发明的优点是：

1、液压关节功率质量比大，扭矩大，关节柔性好；

2、由于球形泵独特的原理优势，具有体积小、振动小的特点，而且球形泵具有可正向和反向旋转的特点，从而驱动摆动油缸的摆动缸套，机器人的液压系统采用分布式液压源方案，省掉了繁杂的高压油管和电磁液压换向阀，可大幅减小系统的重量、体积和功耗，大幅简化了控制系统；

3、在溢流通道中设置单向阀，通过弹性储油器与整个液压系统形成液压回路，保证了球形泵溢流油池始终为低压，并能使溢流油池的液压油循环流动；同时弹性储油器保证了封闭的系统的液压油因温度变化引起的体积调节。

附图说明

图1：本发明所述机器人液压关节实施例结构剖面图；

图2：本发明所述机器人液压关节实施例结构外形图；

图3：图1所示结构中去掉缸套端盖后的右视图；

图4：球形泵结构放大示意图(从缸盖端看)；

图5：图4中A-A剖面图；

图6：图4中B-B剖面图；

图7：转子连接体主视图；

图8：转子连接体俯视图；

图9：摆动缸套结构示意图；

图10：连接板结构主视图；

图11：连接板结构左视图；

图12：刹车盘结构示意图；

图13：泵外壳结构示意图；

图14：活塞结构示意图；

图15：转盘结构示意图；

图16：缸盖结构主视图；

图17：缸盖结构仰视图；

图18：缸盖结构俯视图；

图19：本专利所示液压关节液压原理图；

图中：1-外壳；2-转子连接体；3-电机定子；4-电机转子；5-C轴承；6-泵壳；7-连接板；8-刹车盘；9-电磁铁；10-读卡器；11-磁性环；12-衘铁；13-摆动缸套；14-缸套端盖；15-A轴承；16-进排油孔；17-限位螺钉；18-B轴承；19—动叶片；20-定叶片；21-基座；22-缸盖；23-活塞；24-销轴；25-转盘；26-缸体；27-控制器；28-电器端盖；29-D轴承；30-轴承压盖；31-弹性储油器；32-进排油通道；33-泵工作腔；34-中心轴；35-溢流通道；36-溢流槽；37-滑靴；38-滑槽；39-单向阀；40-球形泵；41-摆动油缸；42-驱动轴；43-支撑轴；44-溢流孔。

具体实施方式

如图1到图2所示，本发明所述机器人液压关节包括设置在外壳1内的电液一体球形泵动力系统、摆动油缸41及控制系统，外壳1为圆筒状结构，在外壳1的外圆柱面上设置有基座21，基座21上设置有连接环，液压关节通过基座21上的连接环安装在固定物上或者其它液压关节的缸套端盖14的连接环上；外壳1的一侧端部固定安装有电器端盖28，另一侧端部为摆动油缸41的缸套端盖14，缸套端盖14通过螺钉连接在摆动缸套13上，缸套端盖14随摆动油缸41的摆动缸套13摆动，在缸套端盖14上设置有连接环，液压关节通过缸套端盖14上的连接环与机器人手部、臂部或者其它的液压关节的基座1连接。

所述电液一体球形泵动力系统是由具有正反转功能的球形泵40、转子连接体2、电机定子3和电机转子4构成，如图7、图8所示，转子连接体2为一端开口的圆筒型结构，球形泵40置于转子连接体2的圆柱内腔内，在转子连接体2的圆柱内壁与球形泵40的泵壳6外圆周之间所设置有C轴承5，C轴承5为滚针轴承，转子连接体2的外圆周与电机转子4的内圆周通过热压的方式紧配合固定连接，连接时先把电机转子4加热使电机转子4的内圆直径增大或者把转子连接体2冷冻使转子连接体2的外圆直径收缩变小，装配后到室温后，电机转子4就牢牢的箍在转子连接体2上固定；电机定子3固定在外壳1圆柱内壁上；转子连接体2的底端向外伸出一支撑轴43，在支撑轴43的轴颈上连接有D轴承29，D轴承29为滚动轴承；轴承压盖30通过螺钉连接在外壳1的端面上，轴承压盖30的中心设置有与D轴承29相配的轴承座，轴承压盖30压持在D轴承29的外圈上；转子连接体2以轴承压盖30与支撑轴43之间的D轴承29和泵壳6与转子连接体2之间的C轴承5作为旋转支撑；连接板7固定在外壳1的内圆柱面上；如图16、图18所示，球形泵40的两个进排油孔16的开口和两个溢流通道35的开口设置在缸盖22顶端凸出的圆柱凸台的端面上；如图10、图11所示，连接板7朝向球形泵40的一侧端面中央向内凹入一与缸盖22顶端圆柱凸台相配的圆柱空腔，在连接板7的另一侧端面中央向外伸出一中心轴34，中心轴34是一从连接板7端面中央凸出的直径依次变小的三个同轴心的圆柱凸台，在中心轴34内也设置有两个进排油孔16和两个溢流通道35，连接板7上的两个进排油孔16和两个溢流通道35的一端开口位于圆柱空腔的底部端面上并与缸盖22顶端凸出的圆柱凸台的端面上的两个进排油孔16和两个溢流通道35相对应；连接板7上的两个进排油孔16的另一端开口设置在连接板7的中心轴34的中间圆柱凸台的外圆柱面上，分别与摆动油缸41的工作腔液压油进出口接通。

如图13所示，球形泵40的泵壳6为顶端带有法兰的圆筒状结构，在泵壳6法兰内设置有缸盖22顶端圆柱凸台通过的定位台阶，缸盖22顶端凸出的圆柱凸台从泵壳6顶端的法兰孔中伸出，泵壳6的顶端法兰端面与连接板7朝向球形泵40的一侧端面贴合并通过螺钉固定在连接板7的该侧端面上，缸盖22顶端伸出泵壳6的圆柱凸台插入连接板7上的圆柱空腔后，缸盖22顶端凸出的圆柱凸台端面与连接板7凹入的圆柱空腔的底面紧密贴合，缸盖22上的两个进排油孔16与连接板7上的两个进排油孔16分别接通，缸盖22上的两个溢流通道35与连接板7上的两个溢流通道35分别接通；连接板7上的两个溢流通道35为盲孔，其中一个溢流通道35的盲端与连接板7上的一个进排油孔16接通，另一个溢流通道35的盲端与连接板7上的另一个进排油孔16接通，在每个溢流通道35口部设置内螺纹，单向阀39通过螺纹连接在溢流通道35的口部，液压油从连接板7上溢流通道35的口部经单向阀39可进入连接板7上的进排油孔16；在缸盖22顶部凸起的圆柱凸台圆柱面上设置有两个溢流孔44，在连接板7和泵壳6的结合面上相应的设置两个溢流槽36，缸盖22上每个溢流孔44的一端与缸盖22上的溢流通道35接通，另一端与溢流槽36接通；每个溢流槽36的一端与溢流孔44连通，另一端与泵壳6与电机定子3之间的空腔接通。

轴承压盖30、壳体1和连接板7把球形泵40封闭在一个密封单元，在电机定子3与泵壳6之间的间隙作为球形泵40的集油腔，球形泵40运行过程中泄漏的液压油汇集在该集油腔内。在轴承压盖30的外侧端面上设置有电器端盖28，在电器端盖28与轴承压盖30之间形成一容腔，弹性储油器31设置在轴承压盖30与电器端盖28所形成的封闭容腔内，所述弹性储油器31是一段具有弹性的乳胶管，乳胶管的一端通过螺纹管接头连接在轴承压盖30的端面上，另一端封闭，弹性储油器31与球形泵40的集油腔接通(即与电机定子3与球形泵40之间的容腔接通)。

如图1、图3、图4、图9所示，摆动油缸41设置在连接板7上伸出中心轴34的一侧，摆动油缸41包括摆动缸套13、动叶片19、定叶片20和中心轴34，摆动油缸41以连接板7伸出的中心轴34作为固定轴，摆动缸套13的一侧为安装动叶片的圆柱空腔，另一侧端面上有安装环形衔铁12的环形槽和安装环形磁性环11的环形空间，摆动缸套13的中心孔活动连接在连接板7的中心轴34上，在中心轴34与摆动缸套13的中心孔配合部分设置有动态密封环，动叶片19通过螺钉固定连接在摆动缸套13的内圆周上，定叶片20通过螺钉固定连接在连接板7上的中心轴34的中间圆柱面上，在摆动缸套13的叶片一侧圆柱内腔的环形端面上通过螺钉连接有缸套端盖14，缸套端盖14、摆动缸套13、中心轴34的中间圆柱凸台的圆柱面、动叶片19、定叶片20组合构成摆动油缸41的两个封闭工作腔，两个封闭的工作腔分别与设置在连接板7的中心轴34的中间圆柱凸台圆柱面上的进排油孔16的开口接通，在中心轴34的根部的圆柱凸台圆柱面和摆动缸套13之间设置有A轴承15，在连接板7中心轴34端部圆柱凸台圆柱面与缸套端盖14之间设置有B轴承18；摆动缸套13通过缸套端盖14与中心轴34之间的B轴承18和摆动缸套13与中心轴34之间的A轴承15形成旋转支撑；摆动缸套13、缸套端盖14绕中心轴34的轴线摆动，两个工作腔随着摆动缸套13摆动其体积不变交替变化；球形泵40正向旋转时，高压液压油经一个进排油孔16进入摆动油缸41的一个工作腔，此时另外一个工作腔压力较低，所以缸套端盖14随同摆动缸套13相对于连接板7正向摆动，当球形泵40反向旋转，则高压液压油经另一个进排油孔16进入摆动油缸41的另一个工作腔，此时原来的高压的工作腔压力已经变低，所以摆动油缸41的摆动缸套13和缸套端盖14相对于连接板7反向摆动；在缸套端盖14上设置有连接环，液压关节通过设置在摆动缸套13上的连接环与机器人手部或者臂部或者其它液压关节的基座21连接；在缸套端盖14的端面中心设置有螺钉通过孔，在连接板7中心轴34最外端圆柱凸台的端面中心设置有螺钉螺纹孔，限位螺钉17穿过缸套端盖14上的螺钉通过孔后连接在中心轴34的端部螺纹上，限位螺钉17的大端头部内侧端面位于缸套端盖14端面外侧，通过限位螺钉17的头部内侧端面防止缸套端盖14及摆动缸套13沿轴向脱开连接板7，缸套端盖14可绕限位螺钉17旋转，在缸套端盖14与限位螺钉17之间设置有动态密封。

所述控制系统包括控制器27、传感器和刹车系统；在摆动缸套13与连接板7的端面之间设置刹车系统，如图1、图12所示，刹车系统包括环形的刹车盘8、环形的电磁铁9和环形的衔铁12，刹车盘8设置在连接板7的中心轴34根部圆柱凸台的外圆周上，通过螺钉连接在连接板7的一侧端面上，电磁铁9安装固定在刹车盘8端面上的环形凹槽内，衔铁12通过弹簧、销钉和螺栓压持在摆动缸套13与刹车盘8相对的端面上，衔铁12随同摆动缸套13旋转，当刹车系统的电磁铁9得电工作时，电磁铁9产生的吸力克服弹簧对衔铁12的压力，从而使衔铁12与刹车盘8连接吸合，转动停止；摆动缸套13需要摆动时，电磁铁9失电、在弹簧的作用下(弹簧回弹)与衔铁12脱开，衔铁12随同摆动缸套13动作；在刹车盘8的外圆周与外壳1内圆周之间的环形空腔内设置有传感器，传感器包括读卡器10和磁性环11，读卡器10固定在刹车盘8与外壳1之间的环形空腔内，与固定在摆动缸套13的外圆周侧面上的环形磁性环11相对且之间留有间隙，传感器用于感知摆动缸套的转动角度、转动速度等信息；在轴承压盖30与电器端盖28形成的空腔内还设置有控制器27，控制器27与电机、传感器和刹车系统电连接，用于接收传感器信号、控制电机的运转、刹车系统的启停等；

如图5到图8所示，球形泵40是由缸体26、缸盖22、泵壳6、活塞23、转盘25、销轴24和转子连接体2构成，缸体26和缸盖22具有半球形内表面和圆柱外表面，缸体26与缸盖22固定连接形成球形泵40的球形内腔，泵壳6为顶端带有法兰的圆筒状，球形泵40的缸体26、缸盖22的外圆柱面与泵壳6的内圆柱面通过热装的方式固定连接，在泵壳6法兰内设置有缸盖22顶端圆柱凸台通过的定位台阶，缸盖22顶端凸出的圆柱凸台从泵壳6顶端的法兰孔中伸出；如图14所示，活塞23具有球形顶面、球形顶面中央伸出一活塞轴、两个成一定角度的侧面，在活塞23两侧面下部形成的活塞销座，活塞销座为半圆柱结构，半圆柱的中部有凹槽，在其轴线方向上有贯通的活塞销孔；如图16到图18所示，缸盖22上设置有活塞轴孔，活塞轴的轴径大小与活塞轴孔相配，活塞轴插入活塞轴孔中形成转动配合，活塞23可绕活塞轴的轴线在球形内腔中自由转动，活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合；在缸盖22的内球面上设置有两个进排油通道32，在缸盖22顶部凸起的圆柱凸台圆柱面上设置有两个溢流孔44，在缸盖22顶部凸起的圆柱凸台端面上设置有两个溢流通道35和两个进排油孔16，缸盖22上每个溢流孔44的一端与缸盖22上的溢流通道35接通，每个进排油通道32与连通缸外的相应进排油孔16连通；缸盖22上的每个进排油孔16的一端与缸盖22内球面上的一个进排油通道32接通，每个进排油孔16的另一端设置在缸盖22顶端凸出的圆柱凸台的端面上，并与连接板7上的进排油孔16接通。利用活塞23的旋转以及活塞23的球形表面与缸盖22的半球形内表面的配合，作为进排油通道32与两个泵工作腔33连通或者关闭的基本运动要素，从而实现进油和排油控制。

如图15所示，转盘25具有转盘轴、转盘球面和转盘销座，在转盘轴的端部设置有滑靴37；缸体26和缸盖22构成的球形内腔与转盘球面具有相同的球心，转盘球面紧贴球形内腔形成密封动配合；转盘25的转盘销座的两端为半圆柱凹槽，中部为凸起的半圆柱；在半圆柱的轴线方向上有贯通的转盘销孔。在缸体26上设置有转盘轴通过孔；转子连接体2为一端开口的圆筒型结构，缸体26、缸盖22和泵壳6置于转子连接体2的圆柱内腔内，转子连接体2的底端向筒内凸出一驱动轴42，在驱动轴42的端面上设置有与转盘轴上滑靴37相配的滑槽38，驱动轴42伸入球形泵40的缸体26内与球形泵40的转盘轴连接推动转盘轴旋转，同时转盘轴的滑靴37在转子连接体2端面上的滑槽38内往复滑动；在转子连接体2的内圆柱面与泵壳6外圆周之间设置有C轴承5，转子连接体2的底端向外伸出一支撑轴43；上述活塞轴和转盘轴及转子连接体2的驱动轴42的轴线都通过缸体26和缸盖22构成的球形内腔的球心，并且活塞轴和转盘轴的轴线与驱动轴42的轴线形成相同的夹角α；销轴24插入活塞23的活塞销孔和转盘25的转盘销孔中形成柱面铰链，活塞23与转盘25通过柱面铰链形成密封动连接，并把球形内腔形成分割成两个容积交替变化的泵工作腔33。转子连接体2转动时驱动转盘25，转盘25带动活塞23运动；活塞23的运动是唯一的绕活塞轴的轴线的转动，转盘25在绕自身轴线的转动的同时，转盘轴上的滑靴37在转子连接体2上驱动轴42端面上的滑槽38内往复滑动；以上空间机构的运动都是旋转性质的运动，故没有高振动运动件，这种空间运动的合成结果为：活塞23和转盘25有一周期性的相对摆动。

从缸体26、转盘25、活塞23及转子连接体2各配合部分泄漏的液压油汇集到泵壳6与电机定子3之间的空间形成的集油腔，若不排出这部分泄漏油，不可避免的会因泄漏油不断增加导致集油腔内产生高压力，为此把集油腔与弹性储油器31和溢流通道35接通，并通过单向阀39与主循环油路接通，当集油腔和弹性储油器31内的液压油压力高于单向阀39设定的导通压力时，就会把集油腔和弹性储油器31内的高压油导入液压主回路，从而降低集油腔内油的压力，同时给主循环油路补油，也调整由于温度变化导致油循环系统的总体积变化。如图19所示为本发明的液压原理图，球形泵40正向旋转，高压油从球形泵40上的一个进排油孔16排出进入摆动油缸41的一个工作腔，摆动油缸41的另一个工作腔中的油被压出后通过另一个进排油孔16回流到球形泵40，并被吸入到球形泵40的一个工作腔中，摆动缸套13摆动；球形泵40反向旋转，油路反向，摆动缸套13反向摆动；球形泵40正向和反向旋转形成两个油流向相反的主油路循环。