一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，包括關節(jié)驅動裝置和轉矩限制裝置，轉矩限制裝置包括軸承基座，軸承基座內套有轉動盤，轉動盤輸入轉矩端與轉矩輸入法蘭的輸出轉矩端固定連接，所述轉矩輸入法蘭與關節(jié)驅動裝置連接；所述轉矩輸入法蘭相對軸承基座轉動，所述軸承基座內側壁上固定限位開關，所述轉動盤上設有若干擋塊，在轉矩輸入法蘭帶動轉動盤轉動而擋塊碰觸到限位開關時，關節(jié)停止運作。轉矩限制裝置能在載荷超過設定的閾值時，觸動限位開關，實現(xiàn)電機的停止運轉。所述的彈簧導桿位置可調，通過調節(jié)彈簧導桿調節(jié)轉動力矩的閾值大?。粡椈煽梢约虞d預緊力，系統(tǒng)剛度可調；具備被動柔性、雙向剛度可調、具有雙向轉矩限制功能。
【專利說明】
一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)
技術領域
[0001]本實用新型屬于機器人技術領域，涉及一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)和機器人技術的發(fā)展，機器人正從工廠的安全圍欄里走出來，在開放的環(huán)境下與工人并肩工作、和諧共處，共同完成任務，這對機器人的安全性提出了很高的要求。
[0003]傳統(tǒng)工業(yè)機器人一般采用剛性關節(jié)，利用電機和減速器等構成驅動單元，對關節(jié)進行精確的位置或速度控制。這種方式雖然運動精度高，但柔順性較差，難以適應人機協(xié)作的工作環(huán)境，當機器人與人和周圍環(huán)境發(fā)生碰撞時，容易對人或者自身造成傷害。
[0004]近年來，人們開始關注柔順或彈性關節(jié)的設計。中國專利CN102626930A具有失電制動與多種感知功能的機械臂模塊化關節(jié)和中國專利CN102218739A具有力位感知功能的機械臂模塊化關節(jié)都是采用力矩感知和主動柔順控制的方法提高關節(jié)柔性，它們通過電機和減速器驅動關節(jié)運動，利用力矩傳感器測量關節(jié)輸出力矩，實現(xiàn)高精度的力控制和與環(huán)境的穩(wěn)定接觸，但是高昂的力/力矩傳感器和復雜的力/位控制算法限制了這種方式的廣泛應用；中國專利CN1275470A機器人控制設備，根據(jù)工作坐標系中的力與力矩的設定值來限制驅動關節(jié)的伺服電動機的生成力矩，在有外力施加與其上時可以靈活地跟隨外力動作，利用這種設備控制機器人關節(jié)，可以提高關節(jié)柔性，但不具備本質安全性。
[0005]通過在關節(jié)上附加彈簧等彈性部件，使其具有被動柔順性，可以提高關節(jié)的柔性，且結構簡單、成本低廉，具有本質安全性。中國專利CN102152319A彈性驅動轉動關節(jié)，采用蝸輪蝸桿傳動，在蝸桿上附加壓縮彈簧使關節(jié)具有緩沖功能，通過墊片調節(jié)彈簧的預緊力，可以改變系統(tǒng)的剛度，但為了實現(xiàn)雙向柔順，在蝸桿兩側均安裝壓縮彈簧，增加了結構復雜度；中國專利CN102632508A—種適用于機器人關節(jié)的平面扭簧，可以嵌入至機器人關節(jié)中，解決機器人與人和環(huán)境安全交互的問題，而且比傳統(tǒng)彈簧更節(jié)省空間；中國專利CN102632509A具有力反饋控制的彈性驅動模塊化關節(jié)利用這種平面扭簧和角度傳感器組成了力信號檢測裝置，可以提供可靠地力矩反饋信號，可變形彈性扭簧又使關節(jié)具有柔順和儲能的機制。這種關節(jié)通過一個平面扭簧實現(xiàn)了雙向柔順，但彈簧不能加載預緊力，系統(tǒng)剛度不可調；中國專利CN102744731A—體化旋轉關節(jié)和確定一體化旋轉關節(jié)零位的方法，利用圓周方向均布的彈簧和增量式編碼器實現(xiàn)了力矩的傳遞及測量，關節(jié)雖然具有柔性和力感知功能，但結構復雜，彈簧預緊力不可調；中國專利CN101973037可調剛度彈性的被動機器人關節(jié)，通過小功率電機調節(jié)平面非接觸渦卷彈簧的有效工作長度，進行剛度的調節(jié)，但只能實現(xiàn)關節(jié)單向的柔順。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，具備被動柔性、雙向剛度可調、具有雙向轉矩限制功能。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0008]—種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，包括關節(jié)驅動裝置和轉矩限制裝置，所述轉矩限制裝置包括軸承基座，所述軸承基座內套有轉動盤，轉動盤輸入轉矩端與轉矩輸入法蘭的輸出轉矩端固定連接，所述轉矩輸入法蘭與關節(jié)驅動裝置連接;所述轉矩輸入法蘭相對軸承基座轉動，所述軸承基座內側壁上固定限位開關，所述轉動盤上設有若干擋塊，在轉矩輸入法蘭帶動轉動盤轉動而擋塊碰觸到限位開關時，關節(jié)停止運作。
[0009]所述關節(jié)驅動裝置包括關節(jié)基座，所述關節(jié)基座的一側與電機固定，關節(jié)基座的另一側與減速器固定連接;所述電機的輸出軸與減速器的輸入端連接，所述減速器的輸出軸與轉矩輸入法蘭的輸入轉矩端固定連接。
[0010]所述轉矩輸入法蘭的凸臺上設有關節(jié)軸承，轉矩輸入法蘭的外側與軸承蓋相配合，軸承蓋給關節(jié)軸承以支撐力。
[0011]所述軸承蓋與軸承基座下部相連接，限制關節(jié)軸承的相對位置。
[0012]所述軸承基座包括環(huán)柱型底座，所述環(huán)柱型底座上固定半環(huán)柱型側壁;所述半環(huán)柱型側壁的內側固定限位開關。
[0013]所述轉動盤包括底圓盤，所述底圓盤上部固定有若干個擋塊；當轉矩過大時，限位開關與擋塊碰觸關節(jié)即可停止運作。
[0014]優(yōu)選的，所述擋塊數(shù)量為兩個及以上，底圓盤上對應于限位開關的一側至少設置一個擋塊，底圓盤上對應于限位開關的另一側至少設置一個擋塊，擋塊遠離限位開關的一側與轉矩閾值設定裝置相接觸配合，轉矩閾值設定裝置可調節(jié)設定關節(jié)轉矩閾值，在關節(jié)轉矩發(fā)生變化時擋塊轉動迫使轉矩閾值設定裝置移動，關節(jié)轉矩平穩(wěn)后轉矩閾值設定裝置帶動擋塊恢復至初始狀態(tài);對關節(jié)兩個方向的轉矩進行限制。
[0015]所述轉矩閾值設定裝置包括彈簧壓板，所述彈簧壓板與軸承基座的半環(huán)柱型側壁相配合，彈簧壓板固定于環(huán)柱型底座上;所述彈簧壓板的內側與彈簧連接，彈簧端部固定在彈簧受力板上;所述彈簧受力板與轉動盤的擋塊相接觸配合，在轉矩發(fā)生變化時擋塊相對軸承基座有轉動，擋塊擠壓彈簧受力板，彈簧受力板相對彈簧壓板移動，同時轉矩平穩(wěn)時彈簧受力板會恢復至初始狀態(tài)。
[0016]所述彈簧壓板為半圓柱型結構，所述彈簧壓板的外側面為圓弧面，內側面為平面；外側面為圓弧面可以與軸承基座相配合成整圓柱形，內側面為平面可以與軸承基座的半環(huán)柱型側壁相配合，且平面上更方便安裝部件。
[0017]所述彈簧壓板側部開設中部通孔，中部通孔內穿有彈簧導桿，彈簧導桿外部套有彈簧，彈簧導桿端部通過調節(jié)片與調節(jié)緊固件連接;調節(jié)緊固件可以調節(jié)彈簧的壓縮情況，進而調節(jié)轉動力矩的閾值大小，在達到轉動力矩的閾值時，擋塊碰觸限位開關，關節(jié)停止運作。
[0018]所述彈簧受力板端部通過導向桿與彈簧壓板側部連接;通過導向桿保證彈簧受力板運動的平穩(wěn)性，彈簧受力板在導向桿和直線軸承的限制作用下運動。
[0019]所述彈簧壓板側部與導向桿相對應處設有通孔，所述通孔內固定有直線軸承，直線軸承與導向桿連接;導向桿在直線軸承內運動，摩擦阻力小，精度高。
[0020]本實用新型的有益效果為:
[0021]本實用新型的轉矩限制關節(jié)采用模塊化關節(jié)，便于安裝、維修和更換，并且采用機械結構形式節(jié)約成本。
[0022]本實用新型的轉矩限制裝置能在轉矩超過設定的閾值時，觸動限位開關，實現(xiàn)電機的停止運轉，從而實現(xiàn)關節(jié)的轉矩限制功能。
[0023]本實用新型通過彈簧壓板和彈簧受力板的設置，可以在轉矩變化時使彈簧受力板跟隨擋塊運轉，在轉矩平穩(wěn)后，彈簧受力板會恢復至初始狀態(tài)，保證關節(jié)的正常工作。
[0024]本實用新型通過調節(jié)緊固件可以調整彈簧導桿位置，通過調節(jié)彈簧導桿調節(jié)轉動力矩的閾值大小;彈簧可以加載預緊力，系統(tǒng)剛度可調;本實用新型關節(jié)具備被動柔性、雙向剛度可調、具有雙向轉矩限制功能。
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的結構不意圖；
[0026]圖2為圖1中的關節(jié)驅動裝置示意圖；
[0027]圖3為圖1中的轉矩限制裝置結構示意圖；
[0028]圖4為圖3的另一角度示意圖；
[0029]圖5為軸承基座結構示意圖；
[0030]圖6轉動盤結構示意圖；
[0031 ]圖7為限位開關的結構示意圖；
[0032]圖8為彈簧壓板的結構示意圖；
[0033]圖9為轉矩輸入法蘭結構示意圖；
[0034]圖中，1、關節(jié)驅動裝置，2、轉矩限制裝置，3、電機，4、關節(jié)基座，5、減速器，6、軸承基座，7、轉動盤，8、限位開關，9、彈簧受力板，10、導向桿，11、彈簧壓板，12、彈簧導桿，13、壓縮彈簧，14、直線軸承，15、轉矩輸入法蘭，16、軸承蓋，17、調節(jié)螺釘。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0036]如圖1所示，一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)是由關節(jié)驅動裝置I和轉矩限制裝置2兩部分組成的。
[0037]如圖2所示，關節(jié)驅動裝置I包括電機3、關節(jié)基座4、減速器5和電機驅動器。轉矩限制裝置2包括軸承基座6、轉動盤7、限位開關8、彈簧受力板9、導向桿10、彈簧壓板11、彈簧導桿12、壓縮彈簧13、直線軸承14、轉矩輸入法蘭15、軸承蓋16、調節(jié)螺釘17、調節(jié)片、交叉滾子軸承。其特征在于:關節(jié)基座4設計有內圈安裝孔和外圈安裝孔，電機3外殼通過內圈安裝孔由螺釘固定在關節(jié)基座4的一側，減速器5外殼通過外圈安裝孔由螺釘固定在關節(jié)基座4的另一側，電機3輸出軸與減速器5輸入端連接，電機3輸出轉矩經(jīng)減速器5放大后傳遞至減速器5輸出軸，電機驅動器安裝與電機3電氣連接。
[0038]如圖3-圖4所示，減速器5輸出軸連接轉矩輸入法蘭15的輸入轉矩端并通過螺釘固定，軸承蓋16安裝在轉矩輸入法蘭15的圓周外側，交叉滾子軸承安裝在轉矩輸入法蘭15的凸臺上，軸承蓋16支撐交叉滾子軸承外殼;轉矩輸入法蘭15的輸出轉矩端連接轉動盤7輸入轉矩端用螺釘固定，轉矩輸入法蘭15相對軸承基座6轉動，軸承蓋16與軸承基座6配合，固定交叉滾子軸承的相對位置。限位開關8安裝在軸承基座6內壁上，位于轉動盤7開口處;彈簧壓板11通過螺釘固定在軸承基座6的蓋體開口處，彈簧導桿12—端安裝在彈簧受力板9中間孔上，壓縮彈簧13安裝在彈簧導桿12上，彈簧導桿12另一端安裝在彈簧壓板11的中間通孔上，調節(jié)片放置在彈簧導桿12后面，調節(jié)片后安裝調節(jié)螺釘17;導向桿10—端安裝在直線軸承14上，直線軸承14安裝在彈簧壓板11兩側的通孔上用螺釘固定，另一端安裝在彈簧受力板9兩側通孔上。
[0039]彈簧壓板11為半圓柱體，圓柱體包括為通孔的直線軸承14安裝孔、彈簧導桿12安裝孔。
[0040]在安裝時，把具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)安裝在傳統(tǒng)形式的機器人關節(jié)上，當機器人關節(jié)所受的轉矩沒有超過設定的轉動力矩時，機器人關節(jié)正常運轉；當關節(jié)所受的轉矩超過該柔順轉動關節(jié)設定的最大值時，該裝置觸動限位開關，使關節(jié)斷電，機器人停止運作。
[0041 ]本實用新型關節(jié)的運作方式是:電機3運轉帶動減速器5運動，減速器5帶動轉矩輸入法蘭15運動。轉矩輸入法蘭15帶動上面的轉矩限制裝置2整體轉動。壓縮彈簧13帶有一定的剛度，當順時針轉動的時候，由圖1中可以看出，彈簧受力板9和彈簧壓板11的相對平面發(fā)生相對移動，上部的擋塊壓迫上部的彈簧受力板9，導向桿10縮入直線軸承14內，彈簧受力板9和彈簧壓板11之間距離變??；當逆時針轉動的時候，下部的擋塊壓迫下部的彈簧受力板9，導向桿10縮入直線軸承14內，彈簧受力板9和彈簧壓板11之間距離變小;在轉矩變化平穩(wěn)后，壓縮彈貪13帶動彈貪受力板9恢復到初始狀態(tài)。
[0042]當電機3突然剛開始運轉的時候，彈簧受力板9不會一開始就達到平衡狀態(tài)，轉動盤會帶動擋塊來回擺動直到達到平衡，每一次轉矩發(fā)生變化的時候都會進行同樣的過程。
[0043]通過調節(jié)螺釘17可以調節(jié)彈簧導桿12的位置，也就可以調整壓縮彈簧13本身的預緊力，進而調節(jié)轉矩的閾值大小。當轉矩超過一定的閾值的時候，也就是彈簧受力板和彈簧壓板相對移動的最大值，此時轉動盤7上的擋塊，觸動限位開關，導致機器斷電，停止運作。通過調節(jié)螺釘17調節(jié)壓縮彈簧13可以調節(jié)轉矩閾值的大小，同時剛度也隨之改變。
[0044]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，包括關節(jié)驅動裝置和轉矩限制裝置，所述轉矩限制裝置包括軸承基座，所述軸承基座內套有轉動盤，轉動盤輸入轉矩端與轉矩輸入法蘭的輸出轉矩端固定連接，所述轉矩輸入法蘭與關節(jié)驅動裝置連接;所述轉矩輸入法蘭相對軸承基座轉動，所述軸承基座內側壁上固定限位開關，所述轉動盤上設有若干擋塊。2.如權利要求1所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述關節(jié)驅動裝置包括關節(jié)基座，所述關節(jié)基座的一側與電機固定，關節(jié)基座的另一側與減速器固定連接；所述電機的輸出軸與減速器的輸入端連接，所述減速器的輸出軸與轉矩輸入法蘭的輸入轉矩端固定連接。3.如權利要求1所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述轉矩輸入法蘭的凸臺上設有關節(jié)軸承，轉矩輸入法蘭的外側與軸承蓋相配合，軸承蓋給關節(jié)軸承以支撐力;所述軸承蓋與軸承基座下部相連接，限制關節(jié)軸承的相對位置。4.如權利要求1或3所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述軸承基座包括環(huán)柱型底座，所述環(huán)柱型底座上固定半環(huán)柱型側壁;所述半環(huán)柱型側壁的內側固定限位開關。5.如權利要求4所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述轉動盤包括底圓盤，所述底圓盤上部固定有若干擋塊。6.如權利要求5所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述擋塊數(shù)量為兩個及以上，底圓盤上對應于限位開關的一側至少設置一個擋塊，底圓盤上對應于限位開關的另一側至少設置一個擋塊，擋塊遠離限位開關的一側與轉矩閾值設定裝置相接觸配合，轉矩閾值設定裝置可調節(jié)設定關節(jié)轉矩閾值，在關節(jié)轉矩發(fā)生變化時擋塊轉動迫使轉矩閾值設定裝置移動，關節(jié)轉矩平穩(wěn)后轉矩閾值設定裝置帶動擋塊恢復至初始狀態(tài)。7.如權利要求6所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述轉矩閾值設定裝置包括彈簧壓板，所述彈簧壓板與軸承基座的半環(huán)柱型側壁相配合，彈簧壓板固定于環(huán)柱型底座上;所述彈簧壓板的內側與彈簧連接，彈簧端部固定在彈簧受力板上;所述彈簧受力板與轉動盤的擋塊相接觸配合。8.如權利要求7所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述彈簧壓板為半圓柱型結構，所述彈簧壓板的外側面為圓弧面，內側面為平面。9.如權利要求8所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述彈簧壓板側部開設中部通孔，中部通孔內穿有彈簧導桿，彈簧導桿外部套有彈簧，彈簧導桿端部通過調節(jié)片與調節(jié)緊固件連接。10.如權利要求7所述的具有轉矩限制功能的柔順轉動關節(jié)，其特征是，所述彈簧受力板端部通過導向桿與彈簧壓板側部連接;所述彈簧壓板側部與導向桿相對應處設有通孔，所述通孔內固定有直線軸承，直線軸承與導向桿連接。
【文檔編號】B25J17/02GK205438612SQ201620007355
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月4日
【發(fā)明人】李倩, 趙永國, 孫潔, 劉廣亮, 劉成業(yè), 程啟良
【申請人】山東省科學院自動化研究所