[发明专利]具有偏置输出的超大工作空间球面铰链

说明书

技术领域

本发明涉及具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，属于机构学机器人或机械领域。

背景技术

球面铰链作为一种连接，其本质就是球面副，是机构学中的基本运动单元，构成机构或机械的基本单位。一般它是由输出杆、球头与球窝、下支撑杆构成。当一端固定(如下支撑杆)时，另一端则具有三个转动自由度。

要确保构成球面副的两要素，无论受到压力或拉力都能稳定可靠保持接触，实现球面铰链的功能，工程上还存在一些问题。

目前，常用的球面铰链的典型结构有两种形式：横向剖分球窝型。即用垂直于下支撑杆轴线且过球心的横向剖面把球窝分成两部分，与支撑杆固联的半球壳称为支撑球窝；另一部分称为约束球窝。安装形式为：约束球窝套装于输出杆上约束球头，然后，再与支撑球窝固定，从而限制球头及输出杆与球窝的分离(见图6)；纵向剖分球窝型。即通过支撑杆轴线的纵向剖面把球窝分成对称的两半，安装时，两个球窝扣在一起含住球头，然后再彼此固联(见图7)。

中国专利(公告号：CN 2106260U)公开了一种新型球面铰链，其技术方案是在球(销)头与球销座之间配置了一个由含油聚甲醛材料一次注塑成型的球窝垫，用于改善球面铰链的性能。而球头与球窝的构成方式与通常的横向剖分球窝型的球面铰链相同。

现有的球面铰链都存在共同的缺点：输出杆的摆动范围小。分析表明：摆动范围受结构限制，即

其中r输出杆的半径，h约束球窝的有效高度，r₀为球半径，也是支撑球窝，约束球窝半径。为保证机械强度要求，一般情况下输出杆半径、约束球窝的高度不能很小，因此，摆角范围受其影响而减小。一般不超过±60°。

球面铰链输出杆的摆动范围小的问题，一直以来没有得到很好的解决，给工程应用带来的影响表现为多方面的，如并联机床的工作空间在一定程度上因受到其中的球面铰链影响而无法实现更大的工作空间要求；机构学、机器人机构因球面铰链的制约，其实际工作空间较小；人形机器人中的球面(关节)铰链工作空间小而不能满足肢体运动要求等等。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题与工程上的要求，本发明提供一种具有偏置输出的超大工作空间球面铰链，该发明工作空间大，解决了球面铰链输出杆的摆动范围小等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以横向剖分球窝的球面铰链为原型，利用运动与约束单项分解、交叉匹配方法，将支撑球窝与约束球窝分开，支撑球窝保持不变，而约束球窝半径r₀增大、使其形成球冠；同时将直输出杆的运动分解成两个正交的摆动(如x、y转动)和绕z轴线转动。在约束球窝与支撑球窝之间设置过球心的直径迴转轴与直输出杆的一个正交摆动轴重合，使约束球窝、直输出杆对支撑球窝可摆动；约束球窝上，在输出杆轴线(也是约束球窝的回转轴线)与直径迴转副轴线构成的平面内，沿圆周方向开长槽；直输出杆可在其中摆动，释放直径迴转副对输出杆在该方向运动的约束，从而实现输出杆的较大的两方向摆动与绕z轴线的转动。形成具有较大工作空间的新型球面铰链。

对于传统的球面铰链，绕x、y方向摆角较小，z方向则不受限制，输出杆的工作空间为全对称球缺面，其大小完全由两方向摆角(绕x、y)决定，而绕z轴的转动对输出杆的作用没有体现出来，或者说绕z轴转动空间被完全覆盖；对于具有大工作空间的新型球面铰链，输出杆的工作空间仍为全对称球缺面只是比传统的铰链的大一些，而绕z轴的转动对输出杆作用仍没有体现出来。

事实上，球面铰链输出杆绕z轴的转动是不受限制的，这一点是球面铰链的根本优势。分析发现，绕z轴的转动对输出杆作用不能得到体现的根本原因是：输出杆的轴线始终与z轴重合。

将原输出杆在中心附近的一部分保留(称为直输出杆)，其轴线与z轴 重合，而余下的部分偏折某一角度而使其轴线偏离z轴，这部分输出杆称为偏置输出杆，球面铰链整体输出杆为弯拐形。偏置输出杆的轴线与直输出杆轴线所夹的角称为偏摆角α_h，变化范围0～110°，偏置方向为任意的；偏置输出杆的远端与球心的连线是实际意义的输出杆位置，它与直输出杆轴线的夹角称为偏置角t。有效可取值范围0～90°。构建结果是极大地增大了球面铰链的工作空间、改变了空间形状，形成了新的具有偏置输出的超大工作空间球面铰链。