一种具有角度检测功能的复合球铰链

技术领域

本发明涉及球铰链技术领域，尤其涉及一种具有角度检测功能的复合球铰链。

背景技术

在机械领域，各运动机构的杆件间经常需要用到铰链连接，其中球铰链是一种具有三个约束、使被连接两杆件间只能产生三个自由度相对转动的结构，其已经被广泛应用到机器人关节、并联机构等各种机械设备中。

传统的球铰链主要由两部分构成，其中一部分为带有耐磨轴瓦的球窝结构，另一部分为球头结构，球头可以在球窝中进行三个自由度的旋转运动。在工作过程中，由于这种传统球铰链的球头和球窝间为滑动摩擦，摩擦阻力相对较大，容易磨损、寿命较短，随着使用时间的增加，间隙将逐渐增大，导致运动精度降低，并且三个转轴难以相交于一点。此外，还有一种与传统球铰链功能相同的复合球铰链，这种复合球铰链通过将三对能够产生相对一维转动并且转轴两两垂直的零件组合而成。复合球铰链的每个转轴处可以使用滚动轴承，具有摩擦阻力小，寿命长，运动精度高等优点，但是由于其由多个零件嵌套构成，现有复合球铰链的体积和尺寸都较大。

对于具有三个旋转自由度的球铰链来说，输出端零件的角度信息是整个系统控制所需的重要信息。目前，为了实现对输出端零件角度信息的检测，都需要在外部零件上安装各类角度传感器。随着模块化需求的增加以及小型化、集成化的要求，越来越多的使用场景中希望球铰链结构自身就具有角度信息的检测功能。

因此，迫切需要一种结构紧凑、运动精度高并且可以实现对三个转轴旋转角度检测的球铰链。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何解决现有球铰链运动精度低、结构尺寸大、无法实现对三个转轴角度信息检测的问题。有鉴于此，本发明提供一种具有角度检测功能的复合球铰链。

本发明采用的技术方案是，所述具有角度检测功能的复合球铰链，包括：

固定框架，负载框架，内框架内框，内框架中框；

其中，所述固定框架与内框架内框间通过方位轴上半轴、方位轴下半轴连接，方位轴上半轴和方位轴下半轴这两个半轴同轴安装，每个半轴处还各自安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背安装，使得内框架内框能够相对固定框架沿方位轴旋转；

所述内框架内框与内框架中框间通过俯仰轴左半轴、俯仰轴右半轴连接，俯仰轴左半轴和俯仰轴右半轴这两个半轴同轴安装，每个半轴处各自安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背安装，使得内框架中框能够相对内框架内框沿俯仰轴旋转；

所述内框架中框与负载框架间通过横滚轴前半轴、横滚轴后半轴连接，横滚轴前半轴和横滚轴后半轴这两个半轴同轴安装，每个半轴处各自安装有一个角接触球轴承，两个角接触球轴承背对背安装，使得负载框架能够相对内框架中框沿横滚轴旋转；

其中，所述编码器用于检测沿方位轴、俯仰轴、横滚轴中至少之一的旋转角度。

在一个实施方式中，所述编码器还包括：

方位轴编码器、俯仰轴编码器以及横滚轴编码器，每个所述编码器均采用分体式结构。

在一个实施方式中，所述方位轴编码器由方位轴码轮和方位轴检测板构成，方位轴码轮与方位轴下半轴固定，方位轴检测板固定在内框架内框上，用于实现对方位轴的角度检测；

所述俯仰轴编码器由俯仰轴码轮和俯仰轴检测板构成，俯仰轴码轮与俯仰轴左半轴固定，俯仰轴检测板固定在内框架内框上，用于实现对俯仰轴的角度检测；

所述横滚轴编码器将内框架中框作为码轮，横滚轴检测板固定在负载框架板上，用于实现对横滚轴的角度检测功能。

在一个实施方式中，所述复合球铰链还包括：

负载框架板，所述负载框架板与负载框架通过螺钉固定在一起。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明提供的具有角度检测功能的复合球铰链，可以实现三轴角度检测功能，便于直接应用在各需要使用球铰链的场合中。

附图说明

图1为根据本发明实施例的具有角度检测功能的复合球铰链外部结构示意图；

图2为根据本发明实施例的沿图3中A-A面的剖视图；

图3为根据本发明实施例的沿图2中B-B面的剖视图。

附图标记

1-固定框架，2-负载框架板，3-负载框架，4-方位轴轴承，5-俯仰轴左半轴，6-俯仰轴码轮，7-方位轴下半轴，8-方位轴码轮，9-内框架中框，10-俯仰轴轴承，11-俯仰轴右半轴，12-内框架内框，13-方位轴上半轴，14-方位轴检测板，15-横滚轴前半轴，16-横滚轴检测板，17-俯仰轴检测板，18-横滚轴后半轴，19-横滚轴轴承。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

应理解，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

本发明第一实施例提供的具有角度检测功能的复合球铰链，如图1至图3所示，包括：固定框架1，负载框架3，内框架内框12，内框架中框9；

具体地，参考图2至图3，本实施例所提供的复合球铰链具有多个可以一维转动的零件组嵌套而成，固定框架1、内框架内框12、内框架中框9、负载框架3这四个框架间两两分别构成方位轴系、俯仰轴系以及横滚轴系，每个轴系上各安装有一个编码器来检测角度信息，负载框架3最终可以相对固定框架1实现三自由度旋转运动。

固定框架1与内框架内框12间通过方位轴上半轴13、方位轴下半轴7连接，方位轴上半轴13和方位轴下半轴7这两个半轴同轴安装，每个半轴处还各自安装有一个角接触球轴承，两个轴承背对背安装，使得内框架内框12能够相对固定框架1沿方位轴旋转。

内框架内框12与内框架中框9间通过俯仰轴左半轴5、俯仰轴右半轴11连接，俯仰轴左半轴5和俯仰轴右半轴11这两个半轴也同轴安装，每个半轴处也各自安装有一个角接触球轴承，两个轴承也是背对背安装，使得内框架中框9能够相对内框架内框12沿俯仰轴旋转。

内框架中框9与负载框架3间通过横滚轴前半轴15、横滚轴后半轴18连接，横滚轴前半轴15和横滚轴后半轴18这两个半轴也同轴安装，每个半轴处也各自安装有一个角接触球轴承，两个轴承背对背安装，使得负载框架3能够相对内框架中框9沿横滚轴旋转。

内框架内框12能够相对固定框架1沿方位轴旋转，内框架中框9能够相对内框架内框12沿俯仰轴旋转，负载框架3能够相对内框架中框9沿横滚轴旋转，因此使得负载框架3能够相对固定框架1进行三自由度旋转运动。

编码器包括方位轴编码器、俯仰轴编码器以及横滚轴编码器，每个编码器都采用分体式结构以适应狭小空间的安装和角度检测功能，利用自身的光电传感技术在小直径轴上实现高分辨率的旋转角度反馈功能。

方位轴编码器由方位轴码轮8和方位轴检测板14构成，方位轴码轮8与方位轴下半轴7固定，方位轴检测板14固定在内框架内框12上，从而实现对方位轴的角度检测功能。

俯仰轴编码器由俯仰轴码轮6和俯仰轴检测板17构成，俯仰轴码轮6与俯仰轴左半轴5固定，俯仰轴检测板17也固定在内框架内框12上，从而实现对俯仰轴的角度检测功能。

横滚轴编码器直接将内框架中框9作为码轮，横滚轴检测板16固定在负载框架板2上，从而实现对横滚轴的角度检测功能。

负载框架3相对固定框架1的三轴转动信息通过方位轴编码器、俯仰轴编码器以及横滚轴编码器的联合检测来实现。

相较于现有技术，本实施例至少具备以下优点：

1)本实施例提供的具有角度检测功能的复合球铰链，可以实现三轴角度检测功能，便于直接应用在各需要使用球铰链的场合中。

2)本实施例提供的具有角度检测功能的复合球铰链具有很高的运动精度，摩擦阻力小，结构尺寸小，通用性高。

本发明第二实施例，本实施例介绍的是基于第一实施例的一个应用实例，具体内容如下：

本实施例中，提出的具有角度检测功能的复合球铰链采用嵌套式结构，通过将多个框型零件从里到外两两间通过轴来连接，最终使固定框架1与负载框架3之间可以实现三个自由度的旋转运动，每个转轴处都安装有一个微型光电编码器来检测单个轴的角度信息。

复合球铰链采用将固定框架1、内框架内框12、内框架中框9、负载框架3相互嵌套的结构形式构成。

方位轴上半轴13和方位轴下半轴7的一端与固定框架1通过螺钉固定，另一端插入对应的方位轴轴承4的内圈中，方位轴轴承4的外圈安装在内框架内框12的孔中，并且保证方位轴上半轴13和方位轴下半轴7是同轴的，最终使得内框架内框12与固定框架1间可以发生一维的方位旋转运动。

俯仰轴左半轴5和俯仰轴右半轴11的一端与内框架中框9通过螺钉固定，另一端插入对应的俯仰轴轴承10的内圈中，俯仰轴承的外圈安装在内框架内框12的孔中，并且保证俯仰轴左半轴5和俯仰轴右半轴11是同轴的，最终使得内框架内框12与内框架中框9间可以发生一维的俯仰旋转运动。

横滚轴前半轴15的一端与负载框架板2通过螺钉固定，另一端插入对应的横滚轴轴承19的内圈中，横滚轴承的外圈安装在内框架中框9的孔中。横滚轴后半轴18的一端与负载框架3通过螺钉固定，另一端也插入对应的横滚轴轴承19的内圈中，横滚轴承的外圈也安装在内框架中框9的孔中，并且保证横滚轴前半轴15和横滚轴后半轴18是同轴的。负载框架板2与负载框架3通过螺钉固定在一起，负载框架3与内框架中框9间也可以发生一维的横滚旋转运动。

方位轴轴承4、俯仰轴轴承10以及横滚轴轴承19都采用角接触球轴承，采用背对背的方式安装，通过消隙可以使各轴系具有很高的转动精度。由于方位轴、俯仰轴以及横滚轴两两间相互垂直，在将这些零件两两间嵌套安装使得对应的两个零件间可以发生一维转动后，最终使得负载框架3可以相对固定框架1实现三自由度的旋转运动。固定框架1与负载框架3上设有安装螺纹孔，用来与外界其他零件固定连接。

微型光电编码器总共有三个，分别为方位轴编码器、俯仰轴编码器以及横滚轴编码器。

方位轴编码器由方位轴码轮8和方位轴检测板14构成，方位轴码轮8的圆周面上刻有码道，方位轴码轮8与方位轴下半轴7固定在一起，方位轴检测板14被安装在内框架内框12上，当固定框架1与内框架内框12间有相对转动时，彼此之间的角度信息便可以被检测出来。

俯仰轴编码器由俯仰轴码轮6和俯仰轴检测板17构成，俯仰轴码轮6的圆周面上刻有码道，俯仰轴码轮6与俯仰轴左半轴5固定在一起，俯仰轴检测板17也被安装在内框架内框12上，当内框架中框9与内框架内框12间有相对转动时，彼此之间的角度信息便可以被检测出来。

横滚轴编码器的结构形式与其他两个转轴略有不同，为了使复合球铰链的结构尺寸更加紧凑，码道直接被打在内框架中框9的一个圆柱外圆面上，使内框架中框9自身成为码轮，横滚轴检测板16被安装在负载框架板2上，当负载框架板2与内框架中框9间有相对转动时，彼此之间的角度信息便可以被检测出来。根据方位轴编码器、俯仰轴编码器以及横滚轴编码器反馈回来的三个转轴的角度信息，最终可以得到负载框架3相对固定框架1的运动信息。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。