CN105500401B - 一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，包括关节驱动装置和转矩限制装置，转矩限制装置包括轴承基座，轴承基座内套有转动盘，转动盘输入转矩端与转矩输入法兰的输出转矩端固定连接，所述转矩输入法兰与关节驱动装置连接；所述转矩输入法兰相对轴承基座转动，所述轴承基座内侧壁上固定限位开关，所述转动盘上设有若干挡块，在转矩输入法兰带动转动盘转动而挡块碰触到限位开关时，关节停止运作。转矩限制装置能在载荷超过设定的阈值时，触动限位开关，实现电机的停止运转。所述的弹簧导杆位置可调，通过调节弹簧导杆调节转动力矩的阈值大小；弹簧可以加载预紧力，系统刚度可调；具备被动柔性、双向刚度可调、具有双向转矩限制功能。

Description

一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节。

背景技术

随着现代工业和机器人技术的发展，机器人正从工厂的安全围栏里走出来，在开放的环境下与工人并肩工作、和谐共处，共同完成任务，这对机器人的安全性提出了很高的要求。

传统工业机器人一般采用刚性关节，利用电机和减速器等构成驱动单元，对关节进行精确的位置或速度控制。这种方式虽然运动精度高，但柔顺性较差，难以适应人机协作的工作环境，当机器人与人和周围环境发生碰撞时，容易对人或者自身造成伤害。

近年来，人们开始关注柔顺或弹性关节的设计。中国专利CN102626930A具有失电制动与多种感知功能的机械臂模块化关节和中国专利CN102218739A具有力位感知功能的机械臂模块化关节都是采用力矩感知和主动柔顺控制的方法提高关节柔性，它们通过电机和减速器驱动关节运动，利用力矩传感器测量关节输出力矩，实现高精度的力控制和与环境的稳定接触，但是高昂的力/力矩传感器和复杂的力/位控制算法限制了这种方式的广泛应用；中国专利CN1275470A机器人控制设备，根据工作坐标系中的力与力矩的设定值来限制驱动关节的伺服电动机的生成力矩，在有外力施加与其上时可以灵活地跟随外力动作，利用这种设备控制机器人关节，可以提高关节柔性，但不具备本质安全性。

通过在关节上附加弹簧等弹性部件，使其具有被动柔顺性，可以提高关节的柔性，且结构简单、成本低廉，具有本质安全性。中国专利CN102152319A弹性驱动转动关节，采用蜗轮蜗杆传动，在蜗杆上附加压缩弹簧使关节具有缓冲功能，通过垫片调节弹簧的预紧力，可以改变系统的刚度，但为了实现双向柔顺，在蜗杆两侧均安装压缩弹簧，增加了结构复杂度；中国专利CN102632508A一种适用于机器人关节的平面扭簧，可以嵌入至机器人关节中，解决机器人与人和环境安全交互的问题，而且比传统弹簧更节省空间；中国专利CN102632509A具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节利用这种平面扭簧和角度传感器组成了力信号检测装置，可以提供可靠地力矩反馈信号，可变形弹性扭簧又使关节具有柔顺和储能的机制。这种关节通过一个平面扭簧实现了双向柔顺，但弹簧不能加载预紧力，系统刚度不可调；中国专利CN102744731A一体化旋转关节和确定一体化旋转关节零位的方法，利用圆周方向均布的弹簧和增量式编码器实现了力矩的传递及测量，关节虽然具有柔性和力感知功能，但结构复杂，弹簧预紧力不可调；中国专利CN101973037可调刚度弹性的被动机器人关节，通过小功率电机调节平面非接触涡卷弹簧的有效工作长度，进行刚度的调节，但只能实现关节单向的柔顺。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，具备被动柔性、双向刚度可调、具有双向转矩限制功能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，包括关节驱动装置和转矩限制装置，所述转矩限制装置包括轴承基座，所述轴承基座内套有转动盘，转动盘输入转矩端与转矩输入法兰的输出转矩端固定连接，所述转矩输入法兰与关节驱动装置连接；所述转矩输入法兰相对轴承基座转动，所述轴承基座内侧壁上固定限位开关，所述转动盘上设有若干挡块，在转矩输入法兰带动转动盘转动而挡块碰触到限位开关时，关节停止运作。

所述关节驱动装置包括关节基座，所述关节基座的一侧与电机固定，关节基座的另一侧与减速器固定连接；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出轴与转矩输入法兰的输入转矩端固定连接。

所述转矩输入法兰的凸台上设有关节轴承，转矩输入法兰的外侧与轴承盖相配合，轴承盖给关节轴承以支撑力。

所述轴承盖与轴承基座下部相连接，限制关节轴承的相对位置。

所述轴承基座包括环柱型底座，所述环柱型底座上固定半环柱型侧壁；所述半环柱型侧壁的内侧固定限位开关。

所述转动盘包括底圆盘，所述底圆盘上部固定有若干个挡块；当转矩过大时，限位开关与挡块碰触关节即可停止运作。

优选的，所述挡块数量为两个及以上，底圆盘上对应于限位开关的一侧至少设置一个挡块，底圆盘上对应于限位开关的另一侧至少设置一个挡块，挡块远离限位开关的一侧与转矩阈值设定装置相接触配合，转矩阈值设定装置可调节设定关节转矩阈值，在关节转矩发生变化时挡块转动迫使转矩阈值设定装置移动，关节转矩平稳后转矩阈值设定装置带动挡块恢复至初始状态；对关节两个方向的转矩进行限制。

所述转矩阈值设定装置包括弹簧压板，所述弹簧压板与轴承基座的半环柱型侧壁相配合，弹簧压板固定于环柱型底座上；所述弹簧压板的内侧与弹簧连接，弹簧端部固定在弹簧受力板上；所述弹簧受力板与转动盘的挡块相接触配合，在转矩发生变化时挡块相对轴承基座有转动，挡块挤压弹簧受力板，弹簧受力板相对弹簧压板移动，同时转矩平稳时弹簧受力板会恢复至初始状态。

所述弹簧压板为半圆柱型结构，所述弹簧压板的外侧面为圆弧面，内侧面为平面；外侧面为圆弧面可以与轴承基座相配合成整圆柱形，内侧面为平面可以与轴承基座的半环柱型侧壁相配合，且平面上更方便安装部件。

所述弹簧压板侧部开设中部通孔，中部通孔内穿有弹簧导杆，弹簧导杆外部套有弹簧，弹簧导杆端部通过调节片与调节紧固件连接；调节紧固件可以调节弹簧的压缩情况，进而调节转动力矩的阈值大小，在达到转动力矩的阈值时，挡块碰触限位开关，关节停止运作。

所述弹簧受力板端部通过导向杆与弹簧压板侧部连接；通过导向杆保证弹簧受力板运动的平稳性，弹簧受力板在导向杆和直线轴承的限制作用下运动。

所述弹簧压板侧部与导向杆相对应处设有通孔，所述通孔内固定有直线轴承，直线轴承与导向杆连接；导向杆在直线轴承内运动，摩擦阻力小，精度高。

本发明的有益效果为：

本发明的转矩限制关节采用模块化关节，便于安装、维修和更换，并且采用机械结构形式节约成本。

本发明的转矩限制装置能在转矩超过设定的阈值时，触动限位开关，实现电机的停止运转，从而实现关节的转矩限制功能。

本发明通过弹簧压板和弹簧受力板的设置，可以在转矩变化时使弹簧受力板跟随挡块运转，在转矩平稳后，弹簧受力板会恢复至初始状态，保证关节的正常工作。

本发明通过调节紧固件可以调整弹簧导杆位置，通过调节弹簧导杆调节转动力矩的阈值大小；弹簧可以加载预紧力，系统刚度可调；本发明关节具备被动柔性、双向刚度可调、具有双向转矩限制功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的关节驱动装置示意图；

图3为图1中的转矩限制装置结构示意图；

图4为图3的另一角度示意图；

图5为轴承基座结构示意图；

图6转动盘结构示意图；

图7为限位开关的结构示意图；

图8为弹簧压板的结构示意图；

图9为转矩输入法兰结构示意图；

图中，1、关节驱动装置，2、转矩限制装置，3、电机，4、关节基座，5、减速器，6、轴承基座，7、转动盘，8、限位开关，9、弹簧受力板，10、导向杆，11、弹簧压板，12、弹簧导杆，13、压缩弹簧，14、直线轴承，15、转矩输入法兰，16、轴承盖，17、调节螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节是由关节驱动装置1和转矩限制装置2两部分组成的。

如图2所示，关节驱动装置1包括电机3、关节基座4、减速器5和电机驱动器。转矩限制装置2包括轴承基座6、转动盘7、限位开关8、弹簧受力板9、导向杆10、弹簧压板11、弹簧导杆12、压缩弹簧13、直线轴承14、转矩输入法兰15、轴承盖16、调节螺钉17、调节片、交叉滚子轴承。其特征在于：关节基座4设计有内圈安装孔和外圈安装孔，电机3外壳通过内圈安装孔由螺钉固定在关节基座4的一侧，减速器5外壳通过外圈安装孔由螺钉固定在关节基座4的另一侧，电机3输出轴与减速器5输入端连接，电机3输出转矩经减速器5放大后传递至减速器5输出轴，电机驱动器安装与电机3电气连接。

如图3-图4所示，减速器5输出轴连接转矩输入法兰15的输入转矩端并通过螺钉固定，轴承盖16安装在转矩输入法兰15的圆周外侧，交叉滚子轴承安装在转矩输入法兰15的凸台上，轴承盖16支撑交叉滚子轴承外壳；转矩输入法兰15的输出转矩端连接转动盘7输入转矩端用螺钉固定，转矩输入法兰15相对轴承基座6转动，轴承盖16与轴承基座6配合，固定交叉滚子轴承的相对位置。限位开关8安装在轴承基座6内壁上，位于转动盘7开口处；弹簧压板11通过螺钉固定在轴承基座6的盖体开口处，弹簧导杆12一端安装在弹簧受力板9中间孔上，压缩弹簧13安装在弹簧导杆12上，弹簧导杆12另一端安装在弹簧压板11的中间通孔上，调节片放置在弹簧导杆12后面，调节片后安装调节螺钉17；导向杆10一端安装在直线轴承14上，直线轴承14安装在弹簧压板11两侧的通孔上用螺钉固定，另一端安装在弹簧受力板9两侧通孔上。

弹簧压板11为半圆柱体，圆柱体包括为通孔的直线轴承14安装孔、弹簧导杆12安装孔。

在安装时，把具有转矩限制功能的柔顺转动关节安装在传统形式的机器人关节上，当机器人关节所受的转矩没有超过设定的转动力矩时，机器人关节正常运转；当关节所受的转矩超过该柔顺转动关节设定的最大值时，该装置触动限位开关，使关节断电，机器人停止运作。

本发明关节的运作方式是：电机3运转带动减速器5运动，减速器5带动转矩输入法兰15运动。转矩输入法兰15带动上面的转矩限制装置2整体转动。压缩弹簧13带有一定的刚度，当顺时针转动的时候，由图1中可以看出，弹簧受力板9和弹簧压板11的相对平面发生相对移动，上部的挡块压迫上部的弹簧受力板9，导向杆10缩入直线轴承14内，弹簧受力板9和弹簧压板11之间距离变小；当逆时针转动的时候，下部的挡块压迫下部的弹簧受力板9，导向杆10缩入直线轴承14内，弹簧受力板9和弹簧压板11之间距离变小；在转矩变化平稳后，压缩弹簧13带动弹簧受力板9恢复到初始状态。

当电机3突然刚开始运转的时候，弹簧受力板9不会一开始就达到平衡状态，转动盘会带动挡块来回摆动直到达到平衡，每一次转矩发生变化的时候都会进行同样的过程。

通过调节螺钉17可以调节弹簧导杆12的位置，也就可以调整压缩弹簧13本身的预紧力，进而调节转矩的阈值大小。当转矩超过一定的阈值的时候，也就是弹簧受力板和弹簧压板相对移动的最大值，此时转动盘7上的挡块，触动限位开关，导致机器断电，停止运作。通过调节螺钉17调节压缩弹簧13可以调节转矩阈值的大小，同时刚度也随之改变。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，包括关节驱动装置和转矩限制装置，所述转矩限制装置包括轴承基座，所述轴承基座内套有转动盘，转动盘输入转矩端与转矩输入法兰的输出转矩端固定连接，所述转矩输入法兰与关节驱动装置连接；所述转矩输入法兰相对轴承基座转动，所述轴承基座内侧壁上固定限位开关，所述转动盘上设有若干挡块，在转矩输入法兰带动转动盘转动而挡块碰触到限位开关时，关节停止运作；

所述轴承基座包括环柱型底座，所述环柱型底座上固定半环柱型侧壁；所述半环柱型侧壁的内侧固定限位开关；

所述转动盘包括底圆盘，所述底圆盘上部固定有若干挡块；所述挡块数量为两个及以上，底圆盘上对应于限位开关的一侧至少设置一个挡块，底圆盘上对应于限位开关的另一侧至少设置一个挡块，挡块远离限位开关的一侧与转矩阈值设定装置相接触配合，转矩阈值设定装置可调节设定关节转矩阈值，在关节转矩发生变化时挡块转动迫使转矩阈值设定装置移动，关节转矩平稳后转矩阈值设定装置带动挡块恢复至初始状态；

所述转矩阈值设定装置包括弹簧压板，所述弹簧压板与轴承基座的半环柱型侧壁相配合，弹簧压板固定于环柱型底座上；所述弹簧压板的内侧与弹簧连接，弹簧端部固定在弹簧受力板上；所述弹簧受力板与转动盘的挡块相接触配合。

2.如权利要求1所述的具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，所述关节驱动装置包括关节基座，所述关节基座的一侧与电机固定，关节基座的另一侧与减速器固定连接；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出轴与转矩输入法兰的输入转矩端固定连接。

3.如权利要求1所述的具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，所述转矩输入法兰的凸台上设有关节轴承，转矩输入法兰的外侧与轴承盖相配合，轴承盖给关节轴承以支撑力；所述轴承盖与轴承基座下部相连接，限制关节轴承的相对位置。

4.如权利要求1所述的具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，所述弹簧压板为半圆柱型结构，所述弹簧压板的外侧面为圆弧面，内侧面为平面。

5.如权利要求4所述的具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，所述弹簧压板侧部开设中部通孔，中部通孔内穿有弹簧导杆，弹簧导杆外部套有弹簧，弹簧导杆端部通过调节片与调节紧固件连接。

6.如权利要求1所述的具有转矩限制功能的柔顺转动关节，其特征是，所述弹簧受力板端部通过导向杆与弹簧压板侧部连接；所述弹簧压板侧部与导向杆相对应处设有通孔，所述通孔内固定有直线轴承，直线轴承与导向杆连接。