一种三自由度液压关节

1.本发明涉及一种三自由度液压关节，属于液压驱动及伺服控制领域。


背景技术：

2.随着工业技术的发展，机器人的应用也越来越广泛，而机械臂的复杂程度也越来越高。目前绝大多数机械臂回转关节一个回转自由度通过一个执行元件实现，这就决定了目前机械臂结构十分复杂。三自由度关节可以大大减少机器人的关节数量，使机械结构大大简化，并能显著提高其机械刚度。
3.目前液压马达驱动的机械臂每个关节均由一个马达驱动，由于马达占机械臂关节比重较大，多个马达占据了机械臂悬臂部分的很大一部分重量，而且结构上也比较复杂，因此在上述的情况下，采用新型三自由度马达实现单个马达可以控制三个关节的运动，能显著减少机械臂悬臂部分重量，是一种获得更紧凑结构、高功率密度的方法，可以有效提高机械臂的负载能力和驱动精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供具有外转子、中间体摆动叶片和内转子相嵌套、并由液压直接驱动、可以实现三个独立自由度转动的三自由度摆动式液压关节。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种三自由度液压关节，所述一种三自由度液压关节主要包括定子基座、定子上盖、外转子、中间体摆动叶片、内转子；
7.定子基座的上有两对定子基座油孔，定子上盖与定子基座平面配合，且配合处设有密封，定子上盖与定子基座之间形成中空容腔，定子上盖有球面副辅助内转子的输出轴的摆动与转动；
8.内转子中间为球体，一端为内转子输出轴，同时也是三自由度液压关节的输出轴，另一端是内转子叶片，内转子叶片与中间体摆动叶片相嵌套，利用支撑轴承进行运动导向，中间体摆动叶片截面外形为矩形，上下曲面为内球面和外球面，中间体摆动叶片内球面与内转子中间球体外球面形成配合面，中间体摆动叶片外球面与外转子内球面形成配合面，中间体摆动叶片内型腔内设有定子，由此将中间体摆动叶片内型腔分割成第一对工作容腔，可以使内转子绕自身轴线转动；
9.内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体置于外转子的中空容腔内，外转子中空腔底部为内球面，中间体摆动叶片外球面与外转子内球面形成配合面，内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体将外转子中空腔体分割成第二对工作容腔，可以使内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体在外转子内型腔平行面内摆动；
10.外转子主体为具有内外球面中空体，其内外球面的球心与内转子的球心重合，外转子有两个相互平行的扇形侧面，平行的侧面放置滑动轴承，同时平行的扇形侧面的设有
配油槽，配油槽上设有外转子油孔，定子基座上的一对油孔可以通过配油槽分别与外转子油孔相通，为中间体摆动叶片的驱动进行配油；
11.内转子叶片、中间体摆动叶片和外转子互相嵌套形成的组合体放置于定子基座中空腔内，外转子外球面与定子基座的内球面互相配合形成配合面，外转子的组合体将定子基座的中空腔分割为第三对工作容腔，使外转子组合体在定子基座内型腔平行面内摆动。
12.本发明一种三自由度液压关节，所述滑动轴承分别与内转子、外转子，定子基座和定子上盖配合，作为外转子摆动时辅助支撑；支撑轴承分别与内转子、中间体摆动叶片配合，内转子摆动时支撑中间体摆动叶片，确保内转子与中间体摆动叶片只有相对旋转运动。
13.本发明一种三自由度液压关节，所述中间体摆动叶片截面外形为矩形，保证中间体摆动叶片不能在外转子内腔中自旋运动，外转子侧面两平行平面保证外转子不能在定子基座内自旋运动。
14.本发明一种三自由度液压关节，所述第一对工作容腔、第二对工作容腔和第三对工作容腔相互独立。
15.本发明一种三自由度液压关节，所述内转子叶片的驱动油液经输出轴引入，经过中间球体到达内转子叶片的两侧。
16.本发明一种三自由度液压关节，可以实现三个独立自由度运动，可以有效简化对多自由度要求的机械臂或关节的结构，可以大大简化传统的复杂的机械臂或关节的传动链。采用液压驱动的三自由度液压关节相对于电机驱动关节可以获得更大的驱动力矩，能大幅提高系统的功率密度。
附图说明
17.图1是本发明的三自由度液压关节整体结构示意图；
18.图2是本发明的图1沿a-a处的剖视图；
19.图3是本发明的图1沿b-b处的剖视图；
20.图4是本发明的内转子与中间体摆动叶片结构示意图；
21.图5是本发明的外转子结构示意图；
22.图6是本发明的内转子、中层摆动叶片和外转子的爆炸图；
23.图中：1-定子基座；2-中间体摆动叶片；3-外转子；4-密封圈；5-滑动轴承；6-定子上盖；7-螺钉；8-内转子；9-支撑轴承；1-1、1-2、1-3、1-4-定子基座油孔；3-1、3-2-配油槽；3-3、3-4-外转子油孔；8-1-输出轴；8-2-内转子叶片；8-3、8-4-内转子油孔；c、d-内转子工作容腔；e、f-中间体摆动叶片工作容腔；g、h-外转子工作容腔。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
25.实施例一：如图1-6所示，本实施例所涉及的一种三自由度液压关节包括定子基座、定子上盖、内转子、中间体摆动叶片、外转子、支撑轴承、滑动轴承、配油机构和密封组件；
26.内转子与三自由度液压关节输出轴连为一体，与输出轴相连接的为内转子球体，
可以使输出轴实现三个自由度的转动，内转子的另一端部是内转子叶片；内转子叶片与中间体摆动叶片相嵌套，利用支撑轴承进行运动导向，中间体摆动叶片截面外形为矩形，上下曲面为内球面和外球面，中间体摆动叶片内球面与内转子中间球体外球面形成配合面，中间体摆动叶片外球面与外转子内球面形成配合面，中间体摆动叶片内型腔内设有定子，由此将中间体摆动叶片内型腔分割成第一对工作容腔，当其中一个容腔进油，另一个容腔排油时，可以使内转子绕自身轴线转动，也即输出轴绕轴线旋转，实现第一个自由度转动；
27.内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体置于外转子的中空容腔内，外转子中空腔底部为内球面，中间体摆动叶片外球面与外转子内球面形成配合面，内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体将外转子中空腔体分割成第二对工作容腔，当其中一个容腔进油，另一个容腔排油时，可以使内转子叶片与中间体摆动叶片的嵌套组合体在外转子内型腔平行面内摆动，进而使输出跟着摆动，实现第二个自由度转动；
28.外转子主体为具有内外球面中空体，其内外球面的球心与内转子的球心重合，外转子有两个相互平行的扇形侧面，平行的侧面放置滑动轴承，同时平行的扇形侧面设有配油槽，配油槽上设有外转子油孔，定子基座上的一对油孔可以通过配油槽分别与外转子油孔相通，为中间体摆动叶片的驱动进行配油；
29.内转子叶片、中间体摆动叶片和外转子互相嵌套形成的组合体放置于定子基座中空腔内，外转子外球面与定子基座的内球面互相配合形成配合面，外转子的组合体将定子基座的中空腔分割为第三对工作容腔，当其中一个容腔进油，另一个容腔排油时，可使外转子组合体在定子基座内型腔平行面摆动，输出轴也跟随内转子一起沿该方向摆动，实现第三个自由度转动。
30.中间体摆动叶片截面外形为矩形，保证中间体摆动叶片不能在外转子内腔中自旋运动；外转子的两个相互平行侧面，确保外转子只能沿定子基座平行面方向运动时不发生自旋。
31.输出轴上有一对油孔，为内转子叶片的转动提供油液；定子基座有两对油路，一对为中间体摆动叶片摆动提供油液，另一对为外转子转动提供油液。
32.实施例二：如图1-6所示，本实施例所涉及的一种三自由度液压关节主要包括定子基座1、定子上盖6、内转子8、中间体摆动叶片2、外转子3、支撑轴承9、密封圈4和滑动轴承5。
33.内转子8如图6所示，一端为输出轴8-1，中间为球体，另一端为内转子叶片8-2，内转子叶片8-2与中间体摆动叶片2嵌套，支撑轴承9置于其间，内转子叶片8-2与中间体摆动叶片2形成两个工作容腔c、d。通过内转子叶片8-2在中间体摆动叶片2的内型腔内转动来控制伸出轴8-1绕轴线的旋转运动，实现自由度a的转动。
34.中间体摆动叶片2与内转子叶片8-2的组合体内置于外转子3的内型腔内，将外转子3内型腔分割成两个工作容腔e、f。使中间体摆动叶片2组合体在外转子3的内型腔内摆动，带动伸出轴8-1的摆动，中间体摆动叶片2沿外转子内型腔一对平行面方向摆动，实现自由度b的转动。
35.定子基座1、定子上盖6通过密封圈4密封配合，中间形成球形空腔，内转子叶片8-2、中间体摆动叶片2和外转子3的组合体内置于此球形空腔内，外转子3的外球面与定子基座1的内球面配合，将上述球形空腔分割成两个工作容腔g、h。通过控制外转子3的摆动来控制输出轴8-1的摆动，圆心即内转子8的球心，实现与自由度b垂直方向的自由度c的转动。上
述自由度a、自由度b和自由度c三个自由度相互独立。
36.内转子转动的驱动油液是通过输出轴内配油实现的。油液经输出轴上油孔进入内转子油孔8-3、8-4，而后进入内转子叶片8-2两侧的工作容腔c、d，实现内转子的轴内配油。
37.实施例三：如图1-6所示，本实施例所涉及的一种三自由度液压关节的工作过程为：
38.内转子8一端为输出轴8-1，中间为球体，另一端为内转子叶片8-2，内转子8绕着球心转动。内转子叶片8-2与中间体摆动叶片2嵌套，支撑轴承9置于内转子8外球面和中间体摆动叶片2内球面之间，内转子叶片8-2与中间体摆动叶片2形成两个工作容腔c、d如图3所示。当压力油通过输出轴上内转子油孔8-3流入工作容腔c，油液对内转子叶片8-2施加压力，使内转子叶片8-2向工作容腔d摆动，工作容腔d内油液通过内转子油孔8-4排出输出轴。反向摆动即上述油液方向相反流动。由于内转子叶片8-2与输出轴8-1通过内转子中间球体固为一体，输出轴8-1也随之转动，即自由度a；
39.中间体摆动叶片2与内转子叶片8-2组合体内置于外转子3的内型腔内，将外转子3内型腔分割成两个工作容腔e、f，如图1所示。当压力油通过定子基座油孔1-1流入外转子配油槽3-1，配油槽3-1确保外转子3在定子基座1内转动时定子基座油孔1-1与外转子油孔3-3连通，油液通过外转子油孔3-3进入密闭容腔f，压力油液对中间体摆动叶片2施加压力，使中间体摆动叶片2向密闭容腔e摆动，中间体摆动叶片2在支撑轴承9的作用下带动内转子叶片8-2摆动，所以内转子8输出轴8-1也随之摆动。同时工作容腔e的油液通过外转子油孔3-4流入配油槽3-2，之后通过定子基座油孔1-2流出，反向摆动即上述油液方向相反流动，实现了控制沿外转子3内型腔平行面方向的转动，即自由度b；
40.内转子叶片8-2、中间体摆动叶片2和外转子3组合体内置于定子基座1和定子上盖6的型腔内，外转子3可以沿着定子基座1的内球面转动，转动中心为内转子8球心。外转子3与定子基座1形成的工作容腔g、h如图2所示。当压力油通过定子基座油孔1-3流入工作容腔h，通过施加液压力在外转子的侧面上，推动外转子沿着定子基座1的内球面转动，由于内转子8、中间体摆动叶片2和外转子3的嵌套关系，外转子3的转动相当于内转子8也在转动，内转子8的伸出轴8-1则随着内转子8的转动而转动，转动中心为内转子8球心。随着密闭容腔h的容积增加，密闭容腔g的容积随之减少，油液通过定子基座油孔1-4流出，反向转动即上述油液方向相反流动，实现了垂直与自由度b方向的转动，也即自由度c；
41.通过以上内转子叶片相对于中间体摆动叶片的转动，内转子叶片、中间体摆动叶片组合体相对于外转子的转动，以及内转子叶片、中间体摆动叶片和外转子组合体相对于定子基座的转动，实现了该三自由度液压关节的三个不同自由度的转动，且三个自由度相互独立。
42.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。