一种双自由度液压关节

1.本发明涉及一种双自由度液压关节，属于液压驱动及伺服控制领域。


背景技术：

2.现行机器人按结构分类可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型4类。其中关节坐标型具有动作灵活工作空间大、占地面积小等优点。但绝大多数回转关节只有一个回转自由度，两自由度关节能减少机器人的关节数量，可以显著提高刚度。两个回转运动的中心重合，能保证运动精度，使机器人结构更紧凑。
3.传统机械臂的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大部分重量，因此在上述的情况下，采用新的马达实现单个马达可以控制两个关节的运动，可以显著减少机械臂悬臂部分重量，是获得更紧凑结构、高负载自重比的一种方法。


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和内转子相嵌套、并由液压直接驱动、可以实现两个独立自由度转动、结构简洁紧凑的二自由度摆动式液压马达。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种双自由度液压关节，所述一种双自由度液压关节包括内转子、外转子、滑动轴承、定子基座和定子上盖；
7.内转子中间为球体，一端为内转子输出轴，同时也是双自由度液压关节的输出轴，另一端是截面为矩形的内转子叶片，内转子叶片的两侧设有转子叶片密封槽；
8.外转子主体为类半球形，外转子内部叶片槽与内转子叶片嵌套，其球心与内转子的球心重合，外转子有两个相互平行的侧面，两个相互平行的侧面为扇形且扇形圆心处挖孔放置滑动轴承，扇形的面上设有配油槽，配油槽上设有外转子油孔，配油槽的底部设有配油密封槽，外转子内部球面上设有外转子内密封槽使内外转子形成密封面；外转子的外部有外转子外密封槽，外转子外密封槽与定子基座形成密封面；
9.定子基座的四周设有定子基座油孔，定子上盖与定子基座配合中间形成中空容腔，定子上盖有球面副辅助内转子的输出轴的摆动；
10.内转子和外转子互相嵌套形成的组合体安装在定子基座中，外转子的内球面与内转子的外球面相互配合形成密封面，外转子外球面与定子基座的内球面互相配合形成密封面，转子叶片密封槽内设有密封圈使内转子叶片与外转子叶片槽嵌套形成两个密闭容腔，外转子外密封槽内设有密封圈形成两个密封容腔；配油密封槽(19、20)内设有密封圈使配油槽与定子基座形成两个密闭扇形槽。
11.本发明一种双自由度液压关节，所述滑动轴承具有四个表面，分别是球面、圆柱面、两个平面，分别与内转子、外转子，定子基座和定子上盖配合。
12.本发明一种双自由度液压关节，所述内转子叶片截面为矩形，保证内转子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。
13.本发明一种双自由度液压关节，所述转子叶片密封槽使内转子叶片与外转子叶片槽形成两个互相独立的密闭容腔；外转子外密封槽使内外转子组合体与定子基座形成两个密闭容腔相互独立，并且保证叶片槽的两个封闭容腔与其互相独立，从而达到两对密闭容腔均相互独立。
14.本发明一种双自由度液压关节，所述配油槽、外转子油孔、定子基座油孔和配油密封槽组成配油机构。
15.本发明一种双自由度液压关节，显著减少了机械臂的总质量，并且简化了传统的复杂的机械臂传动链。液压驱动相对于电力驱动可以获得更大的驱动力，实现了简洁与效率并存。
附图说明
16.图1是本发明的二自由度液压关节结构示意图(略定子)；
17.图2是本发明的内转子和外转子的爆炸图；
18.图3是本发明的内转子结构示意图；
19.图4是本发明的外转子结构示意图；
20.图5是本发明的定子基座结构示意图；
21.图6是本发明的定子上盖结构示意图；
22.图7是本发明的滑动轴承结构示意图；
23.图8是本发明的内环油腔结构示意图；
24.图9是本发明的外环油腔结构示意图；
25.图中：1-内转子；2-外转子；3-滑动轴承；4-定子基座；5-定子上盖；6、7、8、9-定子基座油孔；10、11-外转子油孔；12-外转子外密封槽；13-转子叶片密封槽；14-外转子内密封槽；15-内转子叶片；16、17-配油槽；18-输出轴；19、20-配油密封槽。
具体实施方式
26.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。
27.实施例一：如图1-9所示，本实施例所涉及的一种双自由度液压关节包括内转子、外转子、滑动轴承、配油机构、密封组件、定子上盖和定子基座，其中内转子与外转子相互嵌套的结构实现两个独立自由度尤为关键；
28.内转子中间为球体，一端为内转子输出轴，同时也是双自由度液压关节输出轴，另一端是截面为矩形的内转子摆动叶片；外转子与内转子叶片相嵌套，形成控制第一个自由度运动的两个容腔，两容腔油液控制内转子叶片的摆动角度，从而控制伸出轴的在第一个自由度上的角度，实现一个自由度转动；
29.外转子主体为类半球形，其球心与内转子的球心重合，有两个相互平行的侧面，内部有叶片槽与内转子叶片嵌套，内部有密封槽使内外转子形成密封面；外转子外部有外转子外密封槽，与定子基座形成密封面；内转子和外转子互相嵌套形成的组合体安装在定子
基座中，与定子基座中空部分形成两个容腔，两容腔油液控制外转子带动内转子一起沿与第一个自由度转动方向相垂直的方向实现第二方自由度运动；外转子带动内转子沿第二个自由度转动时不影响内转子的第一个自由度转动，由此形成两个相互独立的运动，也即两个独立的自由度；
30.外转子通过配油机构，为内转子叶片摆动提供油液，配油方式为，定子基座上的两个油孔，通过外转子侧面配油槽和配油槽上的油孔为内转子叶片摆动供油；
31.定子上盖与定子基座配合中间形成中空，用以嵌套内转子和外转子形成的组合体，定子上盖有球面副用于辅助内转子的伸出轴的摆动；
32.滑动轴承起辅助作用，每个配合面相对于配合的部件有不一样的设计，目的是实现各个部分转动的稳定性，从而提升整体稳定性；
33.内转子与外转子相互嵌套，保证内转子叶片沿着外转子内腔叶片槽的方向摆动，从而保证伸出轴在定子上盖的球面副的辅助作用下实现在外转子叶片槽的方向转动，实现第一个自由度的转动。内转子叶片截面为矩形，确保内转子叶片在外转子内腔摆动时在外传子腔内不发生自旋转动
34.内、外转子形成的组合体嵌套在定子基座上。内、外转子互相嵌套形成的组合体安装在定子基座中，与定子基座中空部分形成两个容腔，两容腔油液控制外转子带动内转子一起沿与第一个自由度转动方向相垂直的方向实现第二方自由度运动。外转子带动内转子沿第二个自由度转动时不影响内转子的第一个自由度转动，由此形成两个相互独立的运动，也即两个独立的自由度。
35.外转子的配油机构所在两面为相互平行的平面，与定子基座内中空部分紧密贴合实现了密封面，外转子的两个相互平行侧面，确保外转子在沿第二方自由度方向运动时不发生自旋。
36.内外转子嵌套实现一个自由度的摆动，与内外转子组合体在定子基座内安装实现另一个自由度的摆动，上述两个自由度的转动相互独立互不影响。
37.内转子叶片截面为矩形，保证内转子不能在外转子内腔中自旋运动，外传子侧面两平行平面保证外转子不能在定子座内自旋运动，这两处对自旋运动的约束保证双自由度液压关节的输出轴只能产生两个独立自由度运动，没有第三个自由度的运动。
38.内转子叶片的密封槽，保证内转子叶片与外转子叶片槽形成两个互相独立的密闭容腔。
39.外转子外部的密封槽，保证内外转子组合体与定子基座形成的两个密闭容腔相互独立，并且保证叶片槽的两个封闭容腔与其互相独立，从而达到四个密闭容腔均相互独立。
40.定子基座两组有四个油路，一组为内转子转动提供油液，另一组为外转子转动提供油液。
41.外转子的配油机构由配油槽、外转子油孔、定子油孔和密封组成。配油槽为有一定深度的扇形槽，周围有密封。配油槽所在件(外转子)转动时(第二自由度，即与外转子叶片槽垂直方向)，由于扇形槽的存在始终保证定子座上的两个第一自由度运动控制油孔始终分别与外转子上的两个油孔相通，保证油液从定子座上进入内转子两个容腔，进而推动内转子叶片进行摆动。
42.滑动轴承四个表面，分别是球面、圆柱面、两个平面，与其他部件配合，为外传子转
动提供一定支撑及密封，使液压关节的外转子能够稳定转动。
43.实施例二：如图1-9所示，本实施例所涉及的一种双自由度液压关节包括内转子1、外转子2、滑动轴承3、定子基座4、定子上盖5。
44.内转子如图3所示，中间1为球体，一端为输出轴18，另一端为截面为矩形的内转子叶片15，内转子叶片15与外转子2的叶片槽嵌套，内转子叶片15上有转子叶片密封槽13，用于放置密封圈实现密封，保证内转子叶片15与外转子叶片槽形成两个密封容腔相互独立。通过内转子叶片15在外转子2的叶片槽内摆动来控制伸出轴的摆动，内转子叶片15沿叶片槽方向的摆动，实现自由度a的转动。内转子伸出轴18和内转子叶片15的轴线都经过内转子1的球心；叶片15的矩形截面保证内转子实现自由度1的转动的同时不发生自旋运动。
45.定子基座4和定子上盖5组合，中间形成球形空腔，内转子1和外转子2的组合体与之嵌套，外转子2的外球面与定子基座的内球面配合，形成密封面。外转子2外球面有密封槽12，为圆弧形，槽中安装密封件，保证外转子2与定子基座形成的密闭容腔相互独立。通过控制外转子2的摆动来控制输出轴18的摆动，圆心即内转子1的球心，实现了沿着与外转子2叶片槽垂直方向的摆动，即实现了与自由度a垂直方向的自由度b的转动；外转子2的侧面有两个平行平面e、f，保证外转子转动时不发生自旋运动。
46.自由度a的转动是由外转子2的叶片槽的限制，使嵌套在其内的内转子1的叶片仅能沿着叶片槽的方向进行摆动，并且受到外转子外密封槽12的密封，使这两个独立容腔a和b不受密闭容腔c和d的影响，实现的自由度独立。与之相似，自由度b的转动是由定子基座4内球面和内平面的限制使外转子只能沿着定子基座4内平面所限制的内球面的方向进行转动，该方向与外转子叶片槽的方向垂直，受到密封槽12的密封，使这两个独立容腔c和d不受密闭容腔a和b的影响，实现的自由度独立，从而实现自由度a和自由度b的相互独立，实现液压关节的双自由度转动；又由于内转子和外转子都不能自旋，所以该双自由度液压关节能限制输出轴不发生第三个自由度的自旋运动，稳定实现两个独立自由度的转动。
47.内转子转动的驱动油液是通过独特的配油机构实现的。油液经定子基座上的油孔6进入带有密封的配油槽16，19、20为配油密封槽，内放密封件，然后通过配油槽16底部的油孔10进入内转子1容腔a。类似的，容腔b中油液经通过配油槽17底部的油孔11进入配油槽17内，然后通过定子基座孔7流出定子基座4。
48.为便于内转子1和外转子2之间的转动不受影响并且使其运动平滑，增加滑动轴承3，滑动轴承3与内转子1接触的一面为球面，球面与内转子1同心。与外转子2接触的一面为圆柱面。与定子上盖接触的一面为平面，平面的作用保证支撑件3与外转子2的接触良好，使其沿着定子基座4的表面，以内转子1中心转动。与定子基座4接触的一面与上同理，目的均是让两个自由度的运动更加平滑，同时也具有一定的密封作用。
49.实施例三：如图1-9所示，本实施例所涉及的一种双自由度液压关节的工作过程为：
50.内转子1中间为球体，内转子1绕着球心转动。球体一端为输出轴18，另一端为内转子叶片15，内转子叶片15嵌套在外转子2的叶片槽内形成油腔如图8所示。油液通过定子基座油孔6流入外转子配油机构，配油机构由配油槽16和外转子油孔10组成，配油槽是保证在外转子在定子基座内球面转动时使定子基座油孔6与外转子油孔10连通，实现正常配油，油液通过外转子油孔10进入密闭容腔a，油液对内转子叶片15施加压力，使内转子叶片15向密
闭容腔b摆动，因为内转子1伸出轴18与内转子1叶片在同一条直线上，所以内转子1输出轴也随之摆动。之后密闭容腔b的油液通过外转子油孔11流入配油槽17，之后通过定子基座油孔7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2叶片槽方向的转动，即自由度a；
51.内外转子组合体嵌套在定子基座4和定子上盖5的中心容腔内可以沿着定子基座5的内球面转动，转动中心为内转子1球心。内转子1、外转子2与定子基座4形成的密闭容腔如图9所示。油液通过定子基座油孔8流入密闭容腔c，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4的内球面转动，由于内转子1与外转子2的嵌套关系，外转子2的转动相当于内转子1也在转动，内转子的伸出轴则随着内转子1的转动而转动，转动中心为内转子1球心。随着密闭容腔c的容积增加，密闭容腔d的容积随之减少，油液通过定子基座油孔9流出，反向摆动即上述油液方向相反流动，实现了控制沿定子基座4内球面的转动，即垂直于与外转子2叶片槽的方向转动，也就是所谓的自由度b；
52.通过以上内转子相对于外转子的转动，以及内、外转子组合体相对于定子基座的转动，实现该双自由度液压关节的两个不同自由度的转动，且两个自由度相互独立。
53.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。