一种U副铰链

技术领域

本发明涉及机械零部件领域，其尤其涉及一种U副铰链，其适用于车辆、机器人等需要设置能够在平面内任意转动的部件的领域。

背景技术

在机械设备中，出于其实际运用场景的需要，需要设置能够在平面内的任意转动的U副机构。然而，现有的U副机构在运动过程中，其组成部件之间会发生刚性碰撞的问题。此外，U副机构还存在工作空间小的问题。

文献CN109339606A公开了一种自适应三轴铰链，该三轴铰链能自动适应壳体门盖带和不带密封材料的场景和壳体开合盖的不同过程状态。但是其结构复杂，容易损坏，工作空间较小，且只对一个方向的转动实现了自适应。

文献CN207830353U公开了一种球铰摆动限制结构。在球铰摆动限制结构中，弹性件起到振幅的良好缓冲，其能够减弱刚性冲击，减小磨损。但是由于其结构特点，工作空间较小，并且其只限制了z轴方向的移动，对其他方向的自由度没有限制作用。

发明内容

针对根据现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具备自复位功能的U副铰链，该U副铰链运动过程中，各组成部件中不会发生碰撞。

该目的通过根据本发明以下形式的一种U副铰链来实现。该U副铰链包括上平台、球铰、弹性件和下平台。其中所述上平台的下端面设有球铰限位槽和环绕所述球铰限位槽的第一环形限位槽。球铰的上端固定于所述球铰限位槽。所述弹性件包围所述球铰的周向外围，且上端面抵接所述第一环形限位槽。下平台的上端面设有用于容纳所述弹性件的下端面的第二环形限位槽，且所述球铰的下端固定于所述下平台的上端面。

当所述球铰的上端面固定于所述上平台且下端面固定于所述下平台时，所述弹簧处于自然伸展状态。

根据上述形式的U副铰链，设置的球铰能够保证上平台相对于下平台绕球铰的转动中心转动，因此可以保证U副铰链可实现相对z轴方向的一定角度的转动，即具有冗余自由度。套设于球铰外围的弹性件则可使得U副铰链具有自复位功能。

根据本发明的一种优选实施方式，所述弹性件为弹簧。

根据本发明的一种优选实施方式，弹性件的上端面呈平面状，且所述第一环形限位槽具有与所述弹性件的上端面相适配的第一平面部。

根据本发明的一种优选实施方式，弹性件的下端面呈平面状，且所述第二环形限位槽具有与所述弹性件的下端面相适配的第二平面部。

根据本发明的一种优选实施方式，所述第一环形限位槽还具有第一台阶部，且所述第一台阶部被构造成，当所述弹性件的上端面贴合所述第一平面部时，所述弹性件的沿其螺旋方向的一个端面抵接所述第一台阶部。

根据本发明的一种优选实施方式，所述第二环形限位槽还具有第二台阶部，且所述第二台阶部被构造成，当所述弹性件的下端面贴合所述第二平面部时，所述弹性件的沿其螺旋方向的另一个端面抵接所述第二台阶部。

根据本发明的一种优选实施方式，所述球铰包括由上至下依次分布的球头件、球槽件，其中，所述球头件的下端为球头，所述球槽件的上端具有与所述球头适配的球槽。

根据本发明的一种优选实施方式，所述球头件的上端具有非圆形横截面，且所述球铰限位槽具有与所述球头件的上端适配的横截面，使得当所述球头件的上端容纳于所述球铰限位槽时，所述球头件无法相对于所述球铰容纳槽转动。

根据本发明的一种优选实施方式，所述弹簧的中心轴线与所述球铰的中心轴线同轴或平行。

根据本发明的一种优选实施方式所述第一平台的上端面具有凸台，所述第二平台的下端面具有与所述凸台适配的凹槽。

根据本发明的U副铰链有益效果在于：U副铰链具备自复位功能，且具有冗余自由度，也即具有相对于z轴方向的较大角度范围的转动的功能。在将多个U副铰链进行组合后，铰链组将具有明显增大的工作空间。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的优选实施方式的U副铰链的总体结构示意图；

图2、3是图1所示U副铰链的上平台的结构示意图，其中，图2、3分别从不同角度示出了上平台；

图4是图1所示U副铰链的球铰的结构示意图；

图5是图1所示U副铰链的弹簧的结构示意图；

图6、7是图1所示U副铰链的下平台的结构示意图，其中，图6、7分别从不同角度示出了下平台；

图8是示出了不同于图1的状态的U副铰链的结构示意图；

图9示出了组合了2个图1所示U副铰链的铰链组的结构示意图。

附图标记说明：

U副铰链：100；上平台：110；

球铰限位槽：111；第一环形限位槽：112

凸台：113；第一平面部：114；

第一台阶部：115；球铰：120；

球头件：121；球头：122；

球槽件：123；弹簧：130；

弹簧的上端面：131；下平台：140；

第二环形限位槽：141；凹槽：142；

第二平面部：143；第二台阶部：144。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

各附图中的部件仅为示意性部件，各部件之间的比例关系不应限制为对权利要求的解释。

图1示出了根据本发明的优选实施方式的U副铰链100。如图1所示，U副铰链100具有上平台110、球铰120、诸如弹簧130的弹性件和下平台140等。

参见图2-3，其中图2示出了近似于图1视角方向的上平台110，图3从上平台110的底部视角方向示出了上平台110。如图3所示，上平台110的下端面设有球铰限位槽111和环绕球铰限位槽111的第一环形限位槽112。

参见图4，其以大致与图1的相同视角方向示出了球铰120。球铰120的上端固定于球铰限位槽111。球铰120包括由上至下依次分布的球头件121、球槽件123，其中，球头件121的下端为球头122，球槽件123的上端具有与球头122适配的球槽。

优选地，球头件121的上端具有非圆形横截面，且球铰限位槽111具有与球头件121的上端适配的横截面，由此，当球头件121的上端容纳于球铰限位槽111时，球头件121将无法相对于球铰限位槽111转动。

在图4的示例中，球头件121的上端具有近似于椭圆形的横截面形状，事实上，根据本发明，上端的横截面还可以是三角形等多边形，或者其他不规则形状。

参见图5，其示出了根据本发明的弹簧130。参见图5并结合图3、1，图5所示的弹簧130包围球铰120的周向外围，且上端面131抵接第一环形限位槽112。优选地，弹簧130的上端面131被加工成平面状，且第一环形限位槽112具有与弹簧130的上端面131相适配的第一平面部114。有利地，当弹簧130的上端面131贴合第一平面部114时，在自然状态下，弹簧130的中心轴线与球铰120的轴线同轴。

参见图6-7，其中，图6示出了近似于图1视角方向的下平台140，图7从下平台140的底部视角方向示出了下平台140。如图7所示，下平台140的上端面设有用于容纳弹簧130的下端面的第二环形限位槽141，且球铰120的下端固定于下平台140的上端面。

与上述结构类似，优选地，弹簧130的下端面也被加工成与弹簧130的上端面相似的平面构造。对应地，与弹簧130的下端面配合的第二环形限位槽141上设有对应的第二平面部143。由此，在图1所示的U副铰链100的自然状态下，自然状态下的弹簧130的中心轴线与球铰120轴线同轴。

在图1-6的示例中，为了保证上平台110、球铰120、下平台140三者之间的固定关系，球铰120的相应端面上设有螺纹孔，上平台110、下平台140的相应位置设有与螺纹孔连通的通孔，通过螺钉，即可将三者连接成一体。

参见图8，其示出了处于某一工作状态下的U副铰链100，在安装至相应的其他部件上后，受外界部件的作用，上平台110相对于下平台140绕球铰120的转动中心转动，因此可以保证U副铰链100可实现相对z轴方向(即竖轴方向)的一定角度的转动，即具有冗余自由度。弹簧130随着上平台110(或下平台140)弯曲一定角度后，受弹性作用，上平台110(或下平台140)被自动恢复至图1状态。在弹簧130的上端面131、下端面设置成呈平面状后，上平台110相对于下平台140朝任意角度偏转后，均能对中地恢复至图1的状态。

当球铰120的上端面固定于上平台110且下端面固定于下平台140时，该弹簧130被布置成处于自然伸展状态。

在图1、8的实施方式中，U副铰链100具有单一的弹簧130，该弹簧130具有与球铰120相同的轴线，该实施方式的弹簧130具有较大的刚性，其适用于承受相对较大力量的U副铰链100中。事实上，U副铰链100还可以设置有具有如图5所示的多个弹簧130。具体地，各个弹簧130的上端面分别镶嵌在第一环形限位槽112中，下端面镶嵌在第二环形限位槽141中。此时，各弹簧130的中心轴线彼此相互平行，且与球铰120的中心轴线平行。这种实施方式适用于承受较小力量的U副铰链100中，根据所需承受的外界力量，弹簧130的数量以及弹簧130的线径可适当调整。

为了避免U副铰链100在动作过程中，弹簧130发生不必要的绕自身轴线的转动而影响U副铰链100的工作性能，进一步地，第一环形限位槽112设有第一台阶部115。当弹性件的上端面贴合第一平面部114时，弹性件的沿其螺旋方向的一个端面132抵接第一台阶部115。

类似地，在第二环形限位槽141设有第二台阶部144，且当弹簧130的下端面贴合第二平面部143时，弹簧130的沿其螺旋方向的另一个端面抵接第二台阶部144。应当理解，当弹簧130的沿其螺旋方向的一个端面抵接第一台阶部115，弹簧130的沿其螺旋方向的另一个端面可恰好抵接第二台阶部144。

以上形式的第一台阶部115、第二台阶部144可使得弹簧130无法相对于上平台110、下平台140顺时针、逆时针转动。

参见图2及图7，为了进一步提高U副机构的工作空间，优选地，在上平台110的上端面设有凸台113，在下平台140的下端面设有与凸台113适配的凹槽142。据此，一个U副铰链100的上平台110的凸台113嵌入另一个U副铰链100的下平台140的凹槽142中而形成图9所示的U副铰链100组。可以理解的是，图9只是示例性的U副铰链组，根据需要，U副铰链组还可具有更多组的U副铰链100。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。