CN104552330A - 机器人关节力矩限制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人关节力矩限制装置，其包括：输入圆盘，连接动力输入轴；输出圆盘，与输入圆盘同轴，连接动力输出轴；永磁体，均匀设置在输入圆盘的与输出圆盘相对的端面上，永磁体的磁极朝向输出圆盘，且相邻的永磁体的磁极方向相反；多个球头柱塞，固定设置于输入圆盘的设置有永磁体的端面，球头柱塞的球头露出于该端面；以及多个球窝，数量与球头柱塞的数量相同，均匀设置在输出圆盘与输入圆盘相对的端面上；其中，球头柱塞的球头的直径与对应的球窝的直径相同；当输入圆盘与输出圆盘经由永磁体吸合在一起时，输入圆盘上的球头柱塞的球头与输出圆盘上对应的球窝贴合。本发明结构简单、体积小、传递力矩大、且过载力矩可调。

Description

机器人关节力矩限制装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人关节力矩限制装置。

背景技术

机器人，特别是步行机器人在运动过程中，当地面不平或者落足点与规划落足点不符的时候，机器人的足部往往会受到比较大的冲击，该冲击力传递至各运动关节，及其容易造成关节损坏，尤其是关节减速系统的齿轮啮合部分。目前大部分市场上所售的关节力矩限制器，主要以摩擦力离合器和磁耦合器为主，在传递相同力矩的前提下，体积巨大，不利于机器人关节的小型化。

通过对已有专利的调研发现，几乎所有相关专利都是在已有成熟产品的基础上，为满足特定要求而做的一些局部改进。例如，于2009年6月24日公布的中国专利授权公告号为CN201262200Y的专利文献公开了一种机械式力矩限制器、以及于2014年5月14日公布的中国专利申请公布号为CN103790990A的专利文献公开了一种传递装置间具有力矩限制功能的连接装置，均通过输入盘和输出盘之间形成的摩擦副来实现对传递力矩的限制，与电磁式力矩限制器相比体积和重量有明显减小，但将该类设备用于小型机器人关节力矩限制时，其体积和重量仍然不容忽视。于2013年11月27日公布的中国专利授权公告号为CN203313035U的专利文献公开了一种轴间永磁耦合机构、以及2013年6月19日公布的中国专利授权公告号为CN203014642U的专利文献公开了一种轴间永磁耦合机构则提出了两种不同的永磁耦合机构，虽然该设备体积很小，精度高但传递力矩有限。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于永磁和球头柱塞的力矩限制装置，且限制力矩可调。该发明结构紧凑，装配简单，传递力矩大且可调，可广泛应用于机器人关节力矩限制，特别是中小型机器人的关节力矩限制。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种机器人关节力矩限制装置，其结构简单、体积小、传递力矩大、且过载力矩可调。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机器人关节力矩限制装置，其包括：输入圆盘，连接动力输入轴；输出圆盘，与输入圆盘同轴，连接动力输出轴；永磁体，均匀设置在输入圆盘的与输出圆盘相对的端面上，永磁体的磁极朝向输出圆盘，且相邻的永磁体的磁极方向相反；多个球头柱塞，固定设置于输入圆盘的设置有永磁体的端面，球头柱塞的球头露出于该端面；以及多个球窝，数量与球头柱塞的数量相同，均匀设置在输出圆盘与输入圆盘相对的端面上；其中，球头柱塞的球头的直径与对应的球窝的直径相同；当输入圆盘与输出圆盘经由永磁体吸合在一起时，输入圆盘上的球头柱塞的球头与输出圆盘上对应的球窝贴合。

本发明的有益效果如下：

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置中，永磁体用于使输入圆盘和输出圆盘吸合在一起，球头柱塞用于传递力矩，该装置结构简单、体积小、传递力矩大、且过载力矩可调，可应用于机器人关节的电机以及减速系统的保护，例如，当机器人在不确定条件下，受到外界比较大的冲击的时候，用于机器人关节过载保护。

附图说明

图1为根据本发明的机器人关节力矩限制装置的立体图，其中，输入圆盘与输出圆盘吸合在一起；

图2为根据本发明的机器人关节力矩限制装置的输入圆盘的立体图；

图3为根据本发明的机器人关节力矩限制装置的输出圆盘的立体图；

图4为根据本发明的机器人关节力矩限制装置的输出圆盘的另一实施例的立体图。

其中，附图标记说明如下：

1输入圆盘    3永磁体

11端面       4球头柱塞

2输出圆盘    5球窝

21端面

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的机器人关节力矩限制装置。

参照图1至图4，根据本发明的机器人关节力矩限制装置包括：输入圆盘1，连接动力输入轴(未示出)；输出圆盘2，与输入圆盘1同轴，连接动力输出轴(未示出)；永磁体3，均匀设置在输入圆盘1的与输出圆盘2相对的端面11上，永磁体3的磁极(N极或S极)朝向输出圆盘2，且相邻的永磁体3的磁极方向相反；多个球头柱塞4，固定设置于输入圆盘1的设置有永磁体3的端面11，球头柱塞4的球头露出于该端面11；以及多个球窝5，数量与球头柱塞4的数量相同，均匀设置在输出圆盘2与输入圆盘1相对的端面21上；其中，球头柱塞4的球头的直径与对应的球窝5的直径相同；当输入圆盘1与输出圆盘2经由永磁体3吸合在一起时，输入圆盘1上的球头柱塞4的球头与输出圆盘2上对应的球窝5贴合。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置中，永磁体3用于使输入圆盘1和输出圆盘2吸合在一起，球头柱塞4用于传递力矩，该装置结构简单、体积小、传递力矩大、且过载力矩可调，可应用于机器人关节的电机以及减速系统的保护，例如，当机器人在不确定条件下，受到外界比较大的冲击的时候，用于机器人关节过载保护。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，参照图2和图3(并结合图1)，永磁体3还可均匀设置在输出圆盘2的与输入圆盘1相对的端面21上，永磁体3的磁极朝向输入圆盘1，且相邻的永磁体3的磁极方向相反；输入圆盘1上的永磁体3和输出圆盘2上的永磁体3的数量相同，位置镜像对称。采用该设置会使传递力矩进一步增大。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，输出圆盘2的材料可为导磁材料。在图2和图4示出的例子中，输出圆盘2的材料为导磁材料，由此，输入圆盘1与输出圆盘2经由永磁体3吸合在一起。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，输入圆盘1和输出圆盘2的材料可为导磁材料。在图2和图3示出的例子中，输入圆盘1和输出圆盘2的材料均为导磁材料，此时传递力矩更大。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，球头柱塞4可为螺纹旋入式球头柱塞。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置中，在不考虑磁场力矩的前提下，所述机器人关节力矩限制装置的限制力矩为T_limit，则

$T_{\mathrm{limit}}=F_s\mathrm{DN}\frac{\sqrt{2\mathrm{Rd}-d^2}}{R-d}$

其中，F_s为球头柱塞4完全压缩时弹簧产生的反作用力、D为球头柱塞4的中心轴线到输入圆盘1的中心轴线之间的距离、R为球头柱塞4的球头的半径、d为球头柱塞4的球头的外切面到输入圆盘1的所述端面11之间的距离、N为球头柱塞4的数量。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，通过调整球头柱塞4的球头的外切面到输入圆盘1的所述端面11之间的距离(即上述公式中的d)实现对限制力矩的调整。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，通过调整球头柱塞4的数量(即上述公式中的N)以及球头柱塞4与轴线之间的距离(即上述公式中的D)实现限制力矩的调整。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，机器人关节力矩限制装置的永磁体3的总磁力大于等于球头柱塞4完全压缩时的总反作用力。由此可以防止传递力矩超过限制力矩之前，输入圆盘1和输出圆盘2出现分离的现象。

在根据本发明的机器人关节力矩限制装置的一实施例中，多个球头柱塞4的球头的直径相同。在另一实施例中，多个球头柱塞4的球头的直径不相同。

在具体实施时，首先，根据给定的限制力矩以及按照关节尺寸限制初选得到球头柱塞4，利用上述公式计算所需的球头柱塞4的数量以及球头柱塞4的中心轴线到输入圆盘1的中心轴线之间的距离；接着，根据所选球头柱塞4的截止力及数量，估算所需永磁体3的总磁力，根据结果选择合适的永磁体3；然后，根据计算结果进行设计，加工并组装各部件；最后，通过对球头柱塞4的球头的外切面到输入圆盘1的所述端面之间的距离的微调，实现精确的力矩限制。

Claims (9)

1.一种机器人关节力矩限制装置，包括：

输入圆盘(1)，连接动力输入轴；

输出圆盘(2)，与输入圆盘(1)同轴，连接动力输出轴；

其特征在于，

所述机器人关节力矩限制装置还包括：

永磁体(3)，均匀设置在输入圆盘(1)的与输出圆盘(2)相对的端面(11)上，永磁体(3)的磁极朝向输出圆盘(2)，且相邻的永磁体(3)的磁极方向相反；以及

多个球头柱塞(4)，固定设置于输入圆盘(1)的设置有永磁体(3)的端面(11)，球头柱塞(4)的球头露出于该端面(11)；

多个球窝(5)，数量与球头柱塞(4)的数量相同，均匀设置在输出圆盘(2)与输入圆盘(1)相对的端面(21)上；

其中，球头柱塞(4)的球头的直径与对应的球窝(5)的直径相同；当输入圆盘(1)与输出圆盘(2)经由永磁体(3)吸合在一起时，输入圆盘(1)上的球头柱塞(4)的球头与输出圆盘(2)上对应的球窝(5)贴合。

2.根据权利要求1所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，

永磁体(3)还均匀设置在输出圆盘(2)的与输入圆盘(1)相对的端面(21)上，永磁体(3)的磁极朝向输入圆盘(1)，且相邻的永磁体(3)的磁极方向相反；

输入圆盘(1)上的永磁体(3)和输出圆盘(2)上的永磁体(3)的数量相同，位置镜像对称。

3.根据权利要求1或2所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，输出圆盘(2)的材料为导磁材料。

4.根据权利要求1或2所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，输入圆盘(1)和输出圆盘(2)的材料为导磁材料。

5.根据权利要求1所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，球头柱塞(4)为螺纹旋入式球头柱塞。

6.根据权利要求1所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，在不考虑磁场力矩的前提下，所述机器人关节力矩限制装置的限制力矩为T_limit，则

$T_{\mathrm{limit}}=F_s\mathrm{DN}\frac{\sqrt{2\mathrm{Rd}-d^2}}{R-d}$

其中，F_s为球头柱塞(4)完全压缩时弹簧产生的反作用力、D为球头柱塞(4)的中心轴线到输入圆盘(1)的中心轴线之间的距离、R为球头柱塞(4)的球头的半径、d为球头柱塞(4)的球头的外切面到输入圆盘(1)的所述端面(11)之间的距离、N为球头柱塞(4)的数量。

7.根据权利要求6所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，通过调整球头柱塞(4)的球头的外切面到输入圆盘(1)的所述端面(11)之间的距离实现对限制力矩的调整。

8.根据权利要求6所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，通过调整球头柱塞(4)的数量以及球头柱塞(4)与轴线之间的距离实现限制力矩的调整。

9.根据权利要求1所述的机器人关节力矩限制装置，其特征在于，机器人关节力矩限制装置的永磁体(3)的总磁力大于等于球头柱塞(4)完全压缩时的总反作用力。