一種液壓關節及由其構成的機器人的制作方法

本發明涉及工業機器人技術領域，涉及一種工業機器人液壓關節及由其構成的機器人，尤其是指一種工業機器人液壓轉動關節或擺動關節及由其構成的機器人。

背景技術：

隨著機器人技術的不斷發展，機器人在機械裝備、汽車制造、等行業領域被廣泛應用。目前，工業機器人的各個運動關節，普遍采用控制精度高的伺服電機帶動RV減速機或諧波減速機，對機器臂實施驅動的結構，這種結構形式占據工業機器人將近的四分之一以上的成本，硬件投入資金高，技術難度大，對于控制精度要求不高且動作簡單的自動化裝置，這種結構形式的機器人投入成本過于昂貴，顯得大材小用，造成不必要的浪費。

針對這個問題，有采用直線液壓缸驅動曲柄滑塊擺動機構，以驅動機械臂動作的結構被設計出來，由于結構采用液壓伺服驅動，同樣能制造實現性能良好的工業機器人，而且對比伺服電機帶動RV減速機或諧波減速機驅動機器臂動作的結構，具有結構更加簡單、輸出負載能力強和功率比大的優點。但是目前液壓驅動機器人是采用擺動液壓缸作為其關節提供旋轉運動，結構復雜，精度較低，制造成本高，關節部件的整體性不好。并且由于采用獨立一端輸出動力，使得液壓缸的直線運動轉化為旋轉運動的過程存在傳動效率低和傳動力輸出小而導致輸出的旋轉運動的加速度小的問題。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于解決現有液壓驅動機器人是采用獨立一端輸出動力，使得液壓缸的直線運動轉化為旋轉運動的過程存在傳動效率低和傳動力輸出小而導致輸出的旋轉運動的加速度小的問題，提供一種兩端運動輸出、輸出力矩大和傳動效率高，同時關節中的滾動軸承即支承旋轉軸又支承機械臂的液壓關節。

本發明的目的之二在于提供一種液壓關節構成的機器人，采用該液壓關節的機器人傳動效率和控制精度高，消除了機器人液壓關節結構復雜，精度較低，制造成本高的缺陷。

本發明的目的之一可采用以下技術方案來達到：

一種液壓關節，包括油缸，可滑動套設于所述油缸內的第一中空活塞和第二中空活塞，用于限制第一中空活塞和第二中空活塞轉動的限位機構，以及與所述第一中空活塞和第二中空活塞連接且安裝于所述油缸內的轉動機構；所述轉動機構包括固定套設于所述第一中空活塞的第一螺母套和第二螺母套，與所述第一螺母套和第二螺母套螺紋傳動連接的螺桿，套設于油缸兩端內的軸承，以及套設于軸承上且固定安裝于所述螺桿兩端的旋轉座；所述第一螺母套和第二螺母套的螺紋旋向相反，形成雙活塞驅動結構；

進一步地，所述第一中空活塞和第二中空活塞沿油缸的中心軸線的方向將油缸內部分隔為第一油腔、第二油腔和第三油腔，所述第一油腔、第二油腔和第三油腔的壁上開有第一油孔、第二油孔和第三油孔；當第一油腔和第三油腔進油時，所述第二油腔出油，且所述第一中空活塞和第二中空活塞相向滑動而同時通過第一螺母套和第二螺母套驅動螺桿正向轉動；當第二油腔進油時，所述第一油腔和第三油腔進油，且所述第一中空活塞和第二中空活塞背向滑動而同時通過第一螺母套和第二螺母套驅動螺桿反向轉動。

進一步地，所述第一中空活塞和第二中空活塞的兩側設有第二軸肩和第三軸肩，所述第一中空活塞和第二中空活塞的第二軸肩與油缸的內壁分別形成第一油腔和第三油腔，所述第一中空活塞和第二中空活塞的第三軸肩與油缸的內壁形成第二油腔；所述第一中空活塞和第二中空活塞通過密封件與所述油缸密封連接。

過一步地，所述限位機構包括銷軸、彈性件和帶有外螺紋的蓋體，所述第一中空活塞和第二中空活塞上開有凹槽，所述油缸上開有與所述凹槽位置相對應的螺紋孔；所述蓋體中心開有槽孔，所述銷軸的一端可滑動套設于所述槽孔內，另一端伸入所述凹槽內；所述蓋體螺紋安裝于所述螺紋孔內，且所述彈性件安裝于所述銷軸和蓋體之間。

作為一種優選的方案，所述旋轉座的內側面上套設有鎖緊套，所述鎖緊套設有第一軸肩，所述第一軸肩頂壓軸承的內圈，所述鎖緊套通過連接件與所述旋轉座固定連接，且所述鎖緊套與旋轉座之間具有間隙。

作為一種優選的方案，所述螺桿的端面開有螺紋孔，且通過連接鍵與所述鎖緊套連接；所述旋轉座的中心開有通孔，所述螺桿伸入所述通孔內，且通過連接件與所述旋轉座連接，所述螺桿的端面與旋轉座內端面之間具有間隙。

作為一種優選的方案，所述第二中空活塞的一端可滑動套設于所述第一中空活塞內，且通過密封件與所述第一中空活塞密封連接。

進一步地，所述油缸的兩端面上可拆卸安裝有擋蓋，所述油缸的兩端設有第四軸肩，所述軸承的外圈一側面頂壓所述第四軸肩，另一側面頂壓擋蓋。

作為一種優選的方案，所述螺桿通過滾珠與所述第一螺母套和第二螺母套螺紋傳動連接。

進一步地，所述第一油孔、第二油孔和第三油孔上設有用于外接油管的接頭。

本發明的目的之二可采用以下技術方案來達到：

一種機器人，所述的液壓關節，以及底座和機械臂，所述底座與所述油缸固定連接，所述機械臂固定連接于所述旋轉座形成簡支梁承載結構，所述機械臂相對于底座擺動。

實施本發明，具有如下有益效果：

1、本發明通過第一中空活塞和第二中空活塞，以及對第一中空活塞和第二中空活塞上的第二軸肩和第三軸肩的設計，使得油缸內部被分隔為第一油腔、第二油腔和第三油腔，巧妙地通過控制三個油腔之間的液壓油流動方向，對螺桿進行雙重驅動，使螺桿同時受到兩扭力的作用而使得旋轉的反應更加快速，提高了轉動輸出的傳動力和傳動效率，保持工作的穩定可靠性。

2、本發明在工作時，由于第一螺母套和第二螺母套的螺紋旋向相反，第一中空活塞和第二中空活塞在油缸內相向或背向滑動并分別帶動第一螺母套和第二螺母套做相向或背向的直線運動，實現同時驅動與第一螺母套和第二螺母套螺紋傳動連接的螺桿進行旋轉，從而帶動與螺桿固定連接的旋轉座進行轉動。在第一中空活塞和第二中空活塞的雙重驅動下，壓液力轉化為扭力轉動輸出的傳動力和傳動效率得到大大的提高，使得旋轉運動的加速度增大，防止出現旋轉座轉動延時的情況，從而提高了旋轉運動控制的精度和工作穩定性。

3、在工作時，銷軸在彈性件的彈力作用下伸入凹槽內，防止第一中空活塞和第二中空活塞轉動而導致出現螺桿轉動角度不準確的情況。由于彈性件的可變形量大的特性，在第一中空活塞和第二中空活塞滑動的過程中，第一中空活塞和第二中空活塞可通過銷軸壓縮彈性件，使銷軸向上滑動，從而減小銷軸與第一中空活塞和第二中空活塞的摩擦力，從而保證工作的流暢和穩定進行。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明液壓關節的第一結構示意圖；

圖2是本發明液壓關節的第二結構示意圖；

圖3是沿圖1的A-A方向的剖視圖；

圖4是本發明液壓關節的裝配圖；

圖5是本發明機器人的底座和機械臂結構示意圖；

圖6是本發明機器人沿液壓關節的中心軸線的剖視圖；

圖7是本發明機器人的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例

參照圖1和圖2，本實施例涉及液壓關節，包括油缸1，可滑動套設于所述油缸1內的第一中空活塞2和第二中空活塞3，與所述第一中空活塞2和第二中空活塞3連接且安裝于所述油缸1內的轉動機構，以及用于限制第一中空活塞和第二中空活塞轉動的限位機構；所述轉動機構包括固定套設于所述第一中空活塞2的第一螺母套41和第二螺母套42，與所述第一螺母套41和第二螺母套42螺紋傳動連接的螺桿43，套設于油缸1兩端內的軸承44，以及套設于軸承44上且固定安裝于所述螺桿43兩端的旋轉座45；所述第一螺母套41和第二螺母套42的螺紋旋向相反，形成雙活塞驅動結構。

在工作時，由于第一螺母套41和第二螺母套42的螺紋旋向相反，第一中空活塞2和第二中空活塞3在油缸1內相向或背向滑動并分別帶動第一螺母套41和第二螺母套42做相向或背向的直線運動，實現同時驅動與第一螺母套41和第二螺母套42螺紋傳動連接的螺桿43進行旋轉，從而帶動與螺桿43固定連接的旋轉座45進行轉動。在第一中空活塞2和第二中空活塞3的雙重驅動下，壓液力轉化為扭力轉動輸出的傳動力和傳動效率得到大大的提高，使得旋轉運動的加速度增大，防止出現旋轉座45轉動延時的情況，從而提高了旋轉運動控制的精度和工作穩定性。

由于第一中空活塞2和第二中空活塞3的運動距離與所述旋轉座45的旋轉角度成正比線性關系，因此，隨著第一中空活塞2和第二中空活塞3的直線運動距離的增大，旋轉座45的轉運角度隨著增大，在本實施例中，旋轉座45的旋轉角度為0～540度，在該范圍內的液壓關節具有工作精度高和工作穩定性好的優點。

在該結構中，第一螺母套41和第二螺母套42對螺桿43的軸向作用力相反，使得螺桿43兩端的軸承44受到的軸向力小，因此，軸承44可采用深溝球軸承即可滿足使用要求，無需采用結構復雜且昂貴的推力軸承，既實現了兩端動力輸出，提高了傳動的效率，又降低了生產成本。

所述第一中空活塞2和第二中空活塞3沿油缸1的中心軸線的方向將油缸1內部分隔為第一油腔11、第二油腔12和第三油腔13，所述第一中空活塞2和第二中空活塞3的兩側設有第二軸肩23和第三軸肩24，所述第一中空活塞2和第二中空活塞3的第二軸肩23與油缸1的內壁分別形成所述的第一油腔11和第三油腔13，所述第一中空活塞2和第二中空活塞3的第三軸肩24與油缸1的內壁形成第二油腔12；所述第一中空活塞2和第二中空活塞3通過密封件8與所述油缸1密封連接。該油缸1在第二軸肩23和第三軸肩24的分隔下形成三油腔的結構，實現了對第一中空活塞2和第二中空活塞3進行相向或背向驅動的目的，從而形成雙活塞驅動結構。

如圖1至圖4所示，所述第一油腔11、第二油腔12和第三油腔13的壁上開有第一油孔111、第二油孔112和第三油孔113；當第一油腔11和第三油腔13進油時，所述第二油腔12出油，此時，液壓油作用于第二軸肩23上，從而推動所述第一中空活塞2和第二中空活塞3相向滑動而同時通過第一螺母套41和第二螺母套42驅動螺桿43正向轉動；當第二油腔12進油時，所述第一油腔11和第三油腔13進油，此時，液壓油作用于第三軸肩24上，從而推動所述第一中空活塞2和第二中空活塞3背向滑動而同時通過第一螺母套41和第二螺母套42驅動螺桿43反向轉動。

本發明通過第一中空活塞2和第二中空活塞3，以及對第一中空活塞2和第二中空活塞3上的第二軸肩23和第三軸肩24的設計，使得油缸1內部被分隔為第一油腔11、第二油腔12和第三油腔13，巧妙地通過控制三個油腔之間的液壓油流動方向，對螺桿43進行雙重驅動，使螺桿43同時受到兩扭力的作用而使得旋轉的反應更加快速，提高了轉動輸出的傳動力和傳動效率，保持工作的穩定可靠性。

所述旋轉座45的內側面上套設有鎖緊套5，所述鎖緊套5設有第一軸肩51，所述第一軸肩51頂壓軸承44的內圈，所述鎖緊套5通過連接件與所述旋轉座45固定連接，且所述鎖緊套5與旋轉座45之間具有間隙。該鎖緊套5將旋轉座45固定安裝于軸承44的內圈上，對旋轉座45的中心軸線方向進行約束，保證旋轉座45的工作穩定性。

所述螺桿43的端面開有螺紋孔，且通過連接鍵6與所述鎖緊套5連接；所述旋轉座45的中心開有通孔，所述螺桿43伸入所述通孔內，且通過連接件7與所述旋轉座45連接，所述螺桿43的端面與旋轉座45內端面之間具有間隙431。在螺桿43旋轉時，螺桿43通過連接鍵6將扭力傳遞到鎖緊套5上，并驅動與鎖緊套5固定連接的旋轉座45進行旋轉。在該連接鍵6的作用下，防止旋轉座45轉運時產生的打滑的情況，保持旋轉座45轉動的精確度，使旋轉座45在圓周方向上與螺桿43保持同步轉動狀態，保證了動力輸出的控制精度。

所述第二中空活塞3的一端可滑動套設于所述第一中空活塞2內，且通過密封件8與所述第一中空活塞2密封連接。該結構使第二油腔12內的液壓油無法與第一螺母套41、第二螺母套42和螺桿43相連接，可防止螺桿43由于旋轉摩擦產生的鐵屑污染到液壓油，可保證液壓油的清潔度，提高液壓油的使用壽命。

所述油缸1的兩端面上可拆卸安裝有擋蓋9，所述油缸1的兩端設有第四軸肩14，所述軸承44的外圈一側面頂壓所述第四軸肩14，另一側面頂壓擋蓋9。軸承44的外圈兩側面在第四軸肩14和擋蓋9的頂壓下被固定安裝于油缸1的兩端上，使軸承44起到支撐旋轉座45轉動的作用。

所述螺桿43通過滾珠與所述第一螺母套41和第二螺母套42螺紋傳動連接。減小了螺桿43與第一螺母套41和第二螺母套42之間的摩擦阻力，提高了螺桿43運動的精度和傳動效率高的特點。

所述第一油孔111、第二油孔112和第三油孔113上設有用于外接油管的接頭。通過接頭使液壓油進入或流出油腔可以對第一中空活塞2和第二中空活塞3的運動方向進行控制。

如圖1和圖3所示，所述限位機構包括銷軸91、彈性件92和帶有外螺紋的蓋體93，所述第一中空活塞2和第二中空活塞3上開有凹槽25，所述油缸1上開有與所述凹槽25位置相對應的螺紋孔14；所述蓋體93中心開有槽孔931，所述銷軸91的一端可滑動套設于所述槽孔931內，另一端伸入所述凹槽25內；所述蓋體93螺紋安裝于所述螺紋孔14內，且所述彈性件92安裝于所述銷軸91和蓋體93之間。在工作時，銷軸91在彈性件92的彈力作用下伸入凹槽25內，防止第一中空活塞2和第二中空活塞3轉動而導致出現螺桿43轉動角度不準確的情況。由于彈性件92的可變形量大的特性，在第一中空活塞2和第二中空活塞3滑動的過程中，第一中空活塞2和第二中空活塞3可通過銷軸91壓縮彈性件92，使銷軸91向上滑動，從而減小銷軸91與第一中空活塞2和第二中空活塞3的摩擦力，從而保證工作的流暢和穩定進行。

對于該液壓關節的動力傳動介質來說，除了使用液壓油作為介質外，還可以使用水或氣體作為介質作為動力的傳動介質。

另外，本實施例還提供一種機器人，如圖5至圖7所示，所述機器人包括所述的液壓關節，以及底座100和機械臂101，所述底座100與所述油缸1固定連接，所述機械臂101固定連接于所述旋轉座45形成簡支梁承載結構，所述機械臂101相對于底座100擺動。使用時，底座100的下端被安裝于基座上而被完全約束固定，然后通過往油孔中輸入或輸出液壓油形成液壓驅動回路，以驅動螺桿43進行轉動，進而帶動與旋轉座45固定連接的機械臂101擺動，從而實現機械臂101的擺動運動的準確和穩定運行。采用該液壓關節的機器人具有傳動效率和控制精度高的優點，消除了機器人液壓關節結構復雜，精度較低和制造成本高的問題。

以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。