CN110637170B

CN110637170B - 扭矩限制器

Info

Publication number: CN110637170B
Application number: CN201880031588.3A
Authority: CN
Inventors: A·施米茨; 汪伟; A·C·奥尔加多; 许晋诚; 小林健人; L·J·阿尔瓦雷斯; 王语诗; 菅野重树
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2017-03-19
Filing date: 2018-02-24
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2038-02-24
Also published as: JP6866981B2; US20200025258A1; WO2018173633A1; US11118634B2; JP2018155360A; CN110637170A

Abstract

本发明的扭矩限制器(10)具备与输入侧的驱动装置M相连的输入部(11)和与输出侧的机器人臂(A)相连的输出部(12)。输入部(11)以及输出部(12)具有通过调整它们之间的磁力而能够切换相互连接的连接状态和不相互连接的非连接状态地使输入部(11)以及输出部(12)远离或接近的连结构造。该连结构造包括通过调整施加电压而能够调整磁力的电磁铁(17)，在施加电压为零时设定为所述连接状态，并且在规定的值的施加电压下成为非连接状态，当从该非连接状态起增大施加电压时，成为连接状态，输入部(11)及输出部(12)的接合力增大而使扭矩极限值上升。

Description

扭矩限制器

技术领域

本发明涉及扭矩限制器，更详细而言，涉及使从输入侧向输出侧传递的扭矩的上限值即扭矩极限值可变，并且考虑了停电时等意外的电源丧失或紧急停止时的安全性的扭矩限制器。

背景技术

以往，已知在从输入侧向输出侧传递的扭矩成为超过规定值的过负载状态的情况下，切断该扭矩的传递的扭矩限制器。作为该扭矩限制器，例如，如专利文献1所公开的那样，有使用利用由通电产生的磁力从输入侧向输出侧传递扭矩的电磁离合器的扭矩限制器。

另外，在机器人与人共存的环境下，机器人对该环境的安全对策变得重要。作为该安全对策，重要的是，将机器人设计成，在机器人正在进行所希望的动作的过程中意外地与环境中的人、物体碰撞等情况下，不对该人、物体造成影响。因此，例如考虑设置以下的结构，即，在机器人臂与使该机器人臂动作的马达之间配置扭矩限制器，在它们之间产生过载时，切断马达与机器人臂的扭矩的传递。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-200353号公报

发明内容

发明要解决的课题

可是，在使用了上述专利文献1等的电磁离合器的扭矩限制器中，若成为非通电状态，则电磁离合器从输入侧切断输出侧的动力传递，因此，在停电时等意外的电源丧失或紧急停止时，有可能导致安全性的降低。即，例如在输入侧配置马达，在输出侧配置机器人臂，在利用电磁离合器连结它们的前述的结构的情况下，在电源丧失或紧急停止时，马达与机器人臂断开。其结果是，机器人臂有可能产生因至此为止的动作产生的惯性而进行不希望的动作、或产生由设备的重量引起的意外的落下等使安全性降低的事态。因此，在发生电源丧失或紧急停止时，考虑到机器人臂对周围的环境的安全性，需要另外使机器人臂瞬间停止等安全对策用的某种手段。另外，在上述专利文献1的扭矩限制器中，无法使从输入侧向输出侧传递的扭矩的上限值即扭矩极限值可变，但若能够任意地变更该扭矩极限值，则能够实现用于传递扭矩控制、安全性、直接示教等的各种功能。

本发明是着眼于这样的课题而被做出的，其目的在于提供一种扭矩限制器，其能够使从输入侧向输出侧的扭矩传递时的扭矩极限值可变，并且考虑了停电时等意外的电源丧失或紧急停止时的安全性。

用于解决课题的技术方案

为了实现上述目的，本发明主要采用了以下的结构，即，一种扭矩限制器，配置于输入侧的构件与输出侧的构件之间，以能够电磁性地调整成为从所述输入侧的构件向所述输出侧的构件传递的扭矩的上限值的扭矩极限值的大小，其中，该扭矩限制器具备与所述输入侧的构件连接的输入部和与所述输出侧的构件连接的输出部，所述输入部和所述输出部具有连结构造，该连结构造通过调整所述输入部和所述输出部之间的磁力而能够切换相互连接的连接状态和未相互连接的非连接状态地使所述输入部和所述输出部远离或接近，所述连结构造包括通过调整施加电压而能够调整所述磁力的电磁铁，在所述施加电压为零时被设定为所述连接状态，并且在规定的值的所述施加电压下成为所述非连接状态，当从该非连接状态起增大所述施加电压时，成为所述连接状态，所述输入部与所述输出部的接合力增大，使所述扭矩极限值上升。

发明的效果

根据本发明，能够通过调整施加电压而使扭矩极限值变化，在使用于包括机器人在内的各种机械要素时，能够实现用于传递扭矩控制、安全性、直接示教等的各种功能。另外，在施加电压为零时，在输入部与输出部之间确保连接状态，动力等的输入侧成为非空转的状态，在停电时等意外的电源丧失或紧急停止时，能够提高安全性。即，在将由电源驱动的驱动装置配置于输入侧那样的情况下，由于电源丧失等，驱动装置的驱动也停止，但由于成为输出侧与驱动装置连结的状态，因此，能够利用驱动装置的驱动阻力对输出侧施加制动，不需要其他的紧急制动等另外设置的结构或者使其简化，能够确保电源丧失等意外的事态下的周围的安全性。

附图说明

图1是表示包括第一实施方式的扭矩限制器的动力传递结构的概念图。

图2(A)、(B)是说明上述扭矩限制器的动作的概念图。

图3是表示第一实施方式中的扭矩限制器的施加电压与扭矩极限的关系的曲线图。

图4是表示包括第二实施方式的扭矩限制器的动力传递结构的概念图。

图5是表示第二实施方式中的扭矩限制器的施加电压与扭矩极限的关系的曲线图。

图6是构成电源备用部件的控制电路的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

在图1中示出了表示包括第一实施方式的扭矩限制器的动力传递结构的概念图。在该图中，作为一个例子，上述扭矩限制器10构成为，设置在作为动力源的马达等驱动装置M与通过来自驱动装置M的动力而动作的机器人臂A之间，从驱动装置M向机器人臂A进行扭矩的传递，并在超过成为该扭矩的上限值的扭矩极限值的扭矩作用的情况下，切断上述扭矩的传递。

该扭矩限制器10由电磁式摩擦离合器构成，该电磁式摩擦离合器由与成为输入侧的构件的驱动装置M相连的输入部11和与成为输出侧的构件的机器人臂A相连的输出部12构成，通过磁力的作用使输入部11和输出部12远离或接近，进行它们的摩擦结合或分离，由此进行输入部11与输出部12之间的扭矩的传递、切断。

上述输入部11由通过来自驱动装置M的动力而旋转的输入轴14、和固定于该输入轴14的前端侧并成为与输出部12侧的接合部位的本体15构成。

上述本体15具备通过调整从电源E供给的施加电压而能够调整所产生的磁力的电磁铁17、和利用与输出部12的接触摩擦而能够与该输出部12接合的接合部18。

上述接合部18由位于电磁铁17侧的圆盘状的第一输入板21、配置在比第一输入板21靠输出部12的位置，且在中央形成有孔的呈环形板状的第二输入板22、以及在第一输入板21和第二输入板22的外周侧连接它们的圆筒状的连接构件23构成，在第一输入板21和第二输入板22与连接构件23之间形成输出部12的移动空间S。

上述输出部12具备在第一输入板21与第二输入板22之间能够移动地配置在移动空间S内的圆盘状的输出板25、和将输出板25与机器人臂A之间连结固定的输出轴26。

上述输出板25由能够通过电磁铁17的磁力向第一输入板21侧吸引的材质形成，被配置成分别与第一输入板21和第二输入板22相向，被容许向相对于这些输入板21、22远离或接近的方向的移动。另外，在未进行从电源E向电磁铁17的通电的非通电时，输出板25被配置在图1所示的状态下，即与第一输入板21非接触而与第二输入板22接触的状态下。

此外，虽然省略了图示，但在输入部11与输出部12之间设置有由包括弹簧在内的施力构件等构成的压靠部件，该压靠部件向输出板25赋予使输出板25接近第二输入板22的方向的力。

另外，如后所述，第一输入板21和第二输入板22利用与输出板25的接触摩擦，能够通过相互接触而从输入部11向输出部12传递扭矩，但在这些输入板21、22中，至少与输出板25的接触面由产生能够传递上述扭矩的接触摩擦力的摩擦材料形成。作为这里的摩擦材料，使用不阻止后述的输入部11和输出部12之间的磁力作用的性质的材料。

具有以上结构的扭矩限制器10通过在来自电源E的通电时产生的电磁铁17的磁力，能够进行输出板25相对于第一输入板21和第二输入板22的远离或接近，通过使对电磁铁17的施加电压变化，能够切换基于输入部11与输出部12之间的摩擦接合的它们的连接状态以及输入部11和输出部12的非连接状态。在此，在上述连接状态下，在作为此时的接触摩擦力的接合力以下的扭矩作用于输入部11与输出部12之间的情况下，成为输入部11与输出部12以不能相对旋转的方式连接的连接状态，来自驱动装置M的驱动力被传递至机器人臂A。另一方面，在上述连接状态下，在超过上述接合力的扭矩作用于输入部11与输出部12之间的情况下，输入部11与输出部12能够相对旋转，与上述非连接状态相同，输入部11空转，来自驱动装置M的驱动力不向机器人臂A传递。因此，相当于上述接合力的扭矩成为作为从输入部11向输出部12传递的扭矩的上限值的扭矩极限值。

在该扭矩限制器10中，如以下详细叙述的那样，通过改变对电磁铁17的施加电压，扭矩极限值被设置成可变。

即，首先，在未进行从电源E向电磁铁17的通电的非通电时，如图1所示，输出板25成为与第一输入板21非接触而与第二输入板22接触的上述连接状态，通过此时的摩擦接合，能够进行输入部11与输出部12之间的扭矩传递。若从该状态起向电磁铁17通电，则输出板25被磁力向第一输入板21侧吸引，由此作为与第二输入板22的接触摩擦力的接合力逐渐降低，如图2(A)所示，从第二输入板22分离，之后，在移动空间S内朝向第一输入板21移动。此时，通过增大施加电压，输出板25经由与第一输入板21及第二输入板22都不接触的该图(A)的上述非连接状态，如该图(B)所示，在不与第二输入板22接触的状态下与第一输入板21接触而成为上述连接状态。而且，通过进一步增大施加电压，向第一输入板21的吸引力变大，与第一输入板21的接合力增大。

另外，第二输入板22成为与第一输入板21大致相同的外径，但由于中央的孔的存在，与第一输入板21相比相对于输出板25接触面积小。根据该形状、能够产生的磁力的大小等，将第二输入板22与输出板25接合时的最大的扭矩极限值设定为比第一输入板21与输出板25接触时的最大的扭矩极限值小。

根据该扭矩限制器10，如上所述，通过输入部11与输出部12相对移动，能够得到图3所示的相对于施加电压的扭矩极限值的变化特性。

即，在向电磁铁17非通电时的施加电压为零时，通过第二输入板22与输出板25的面接触，输入部11与输出部12成为连接状态，得到某种程度的扭矩极限值。

并且，通过开始对电磁铁17的通电并增大施加电压，输出板25被向第一输入板21侧吸引，与第二输入板22的接合力逐渐减弱，扭矩极限值逐渐减小，在某个施加电压的值下，输出板25从第二输入板22分离，输入部11与输出部12成为非连接状态，扭矩极限值为零。

然后，通过进一步增大施加电压，输出板25与第一输入板21面接触，输入部11与输出部12再次成为连接状态。而且，若进一步增大施加电压，则第一输入板21中的输出板25的吸引力逐渐提高，它们的接合力增大，扭矩极限值与施加电压的大小成正比地增大。

此外，在上述输入部11和输出部12中，使用电磁铁等通过施加电压来调整它们之间的磁力，能够切换相互连接的连接状态和不相互连接的非连接状态地使上述输入部11和输出部12远离或接近，从而在施加电压为零时被设定为上述连接状态，并且在规定的值的施加电压下成为上述非连接状态，若从该非连接状态起增大上述施加电压，则只要具有成为上述连接状态而使扭矩极限值上升的连结构造，就能够采用各种构造、结构。

接着，对本发明的其他实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，对于与上述第一实施方式相同或同等的构成部分使用相同的附图标记，并省略或简化说明。

(第二实施方式)

如图4所示，本实施方式的扭矩限制器30的特征在于，相对于第一实施方式的扭矩限制器10，使输入部11以及输出部12的一部分不同。

上述输入部11具备上述输入轴14和固定于输入轴14的前端侧并且成为与输出部12接合的接合部位的输入板31。该输入板31由能够根据来自电源E的施加电压的大小而使所产生的磁力变化的电磁铁构成。

上述输出部12具备上述输出轴26和相对于输入板31能够远离或接近地设置的圆盘状的输出板33。该输出板33由钕磁铁等磁性体形成。

另外，虽然省略了图示，但在输入部11与输出部12之间设置有压靠部件，该压靠部件赋予使输入板31与输出板33相互接触的方向的压靠力，通过该压靠部件，与上述第一实施方式同样地，在非通电时，也以某种程度的一定的扭矩极限值使输入部11以及输出部12成为上述连接状态。

作为该压靠部件，由赋予朝向将输出板33向输入板31压靠的方向的力的包括弹簧在内的施力构件等构成，能够进行利用了此时的压靠力的基于输入板31与输出板33的摩擦力的接合。在此，为了调整该摩擦力，也可以在输入板31与输出板33的接触面的至少一方设置前述的摩擦材料。另外，也可以不设置该摩擦材料，或者与该摩擦材料并用，设置在输入板31与输出板33接触时不能相对旋转地相互卡合的卡合构件(省略图示)，或者能够采用在它们的接触面上形成微观的凹凸等的构造。

本实施方式的扭矩限制器30如下那样进行动作。

首先，在未从电源E向由电磁铁构成的输入板31进行通电的非通电时，成为与输入板31和输出板33接触的上述连接状态，能够进行输入部11与输出部12之间的扭矩传递。若从该状态起向输入板31施加正电压，则通过磁力使输出板33对输入板31的吸引力变大，输入板31与输出板33的接合力增大。

另一方面，若从上述非通电时的状态起对输入板31施加负电压，则输入板31中的磁铁的极性相对于正的施加电压时反转，产生输出板33相对于输入板31的排斥力。因此，随着施加于输入板31的负的施加电压在负方向上变大，输出板33与输入板31的接合力逐渐变小，在施加电压为规定的负值以上时，输入部11与输出部12成为图4的上述非连接状态。

如上所述，通过输入部11和输出部12相对移动，能够得到图5所示的相对于施加电压的扭矩极限值的变化特性。即，若从输入部11与输出部12成为非连接状态的规定的负值的施加电压起减小向输入板31的负的施加电压，则通过上述压靠部件使输入部11与输出部12成为连接状态，并且输出板33相对于输入板31的排斥力逐渐变小，扭矩极限值逐渐增大。而且，即使在施加电压为零的非通电时，也能够得到某一定的扭矩极限值。而且，若从该非通电时的状态起对输入板31施加正电压，则输出板33向输入板31的吸引力逐渐提高，扭矩极限值与施加电压成正比地增大。

另外，本实施方式中的施加电压的“正”、“负”的作用并不限定，也可以作为使该极性反转而产生同样的作用效果的设定。即，也能够通过负的施加电压产生上述吸引力，另一方面，以正的施加电压产生上述排斥力。

根据以上的第一以及第二实施方式，不仅能够通过调整对输入部11的施加电压来调整扭矩极限值，而且在非通电时，能够确保输入部11以及输出部12的连接状态以能够得到某一定的扭矩极限值。因此，在停电时等对输入部11的电源丧失或紧急停止时等之际，输入部11以及输出部12不会解除它们的连接状态而维持基于某种程度的扭矩极限值的连接。因此，此时，能够利用由电源丧失等引起的驱动装置M的停止，对机器人臂A的惯性动作施加制动，能够避免由该惯性动作导致的机器人臂A对周围的人、物体的意外的碰撞等，提高安全性。

另外，由于使用通过磁力的作用对输入部11和输出部12进行摩擦结合的电磁式摩擦离合器，因此能够确保高扭矩/质量比和停电时的背向驱动性。

此外，输入部11和输出部12并不限定于上述各实施方式的结构，只要具有在上述各实施方式中采用的以下的连结构造，就能够采用各种结构。

即，作为该连结构造，通过使用电磁铁等以施加电压调整它们之间的磁力，能够切换相互连接的连接状态和未相互连接的非连接状态地使输入部11和输出部12远离或接近，而且，在施加电压为零时成为上述连接状态，在规定的值的施加电压下设为上述非连接状态，若从该非连接状态起增大施加电压，则只要是成为上述连接状态而使扭矩极限值上升的构造，就能够采用各种结构。

另外，相对于上述各实施方式，能够进一步设置在向扭矩限制器10、30的电磁铁17、31供给施加电压的电源E切断时工作的电源备用部件。该电源备用部件由控制电路构成，该控制电路在电源E的通电时被充电，在电源E的切断时，使用上述充电后的电力，代替电源E而对电磁铁17、31进行电力供给。

如图6所示，上述控制电路构成为包括二极管41、电阻42、继电器开关43、电容器44、调整电源E的施加电压的控制器45等。即，在该控制电路中，在通电时，进行向扭矩限制器10、30的电力供给，并且成为利用了电容器44的充电状态。另一方面，当电源E丧失时，继电器开关43被切换到该图中虚线的位置，利用电容器44中的充电，向扭矩限制器10、30进行电力供给。

根据该变形例，在停电时等对输入部11的电源丧失时，能够使用之前充电的电力在短时间内使输入部11和输出部12恢复为比非通电时高的扭矩极限值的状态，即使发生停电等电源丧失，也能够进行机器人臂A的继续动作。

另外，本发明中的扭矩限制器10不限于上述实施方式中的应用例，除了其他结构的机器人之外，还能够应用于机械、设备等所有动力传递系统。

另外，关于上述各实施方式的结构中的输入部11的构成要素和输出部12的构成要素，也能够在上述输入部11以及上述输出部12之间相反地配置。

此外，本发明中的装置各部的结构并不限定于图示结构例，只要起到实质上相同的作用，就能够进行各种变更。

附图标记的说明

10 扭矩限制器

11 输入部

12 输出部

15 本体

17 电磁铁

18 接合部

21 第一输入板

22 第二输入板

25 输出板

30 扭矩限制器

31 输入板

33 输出板

A 机器人臂(输出侧的构件)

E 电源

M 驱动装置(输入侧的构件)

S 移动空间

Claims

1.一种扭矩限制器，配置于输入侧的构件与输出侧的构件之间，以能够电磁性地调整成为从所述输入侧的构件向所述输出侧的构件传递的扭矩的上限值的扭矩极限值的大小，其特征在于，

该扭矩限制器具备与所述输入侧的构件连接的输入部和与所述输出侧的构件连接的输出部，

所述输入部和所述输出部具有连结构造，该连结构造通过调整所述输入部和所述输出部之间的磁力而能够切换相互连接的连接状态和未相互连接的非连接状态地使所述输入部和所述输出部远离或接近，

所述连结构造包括通过调整施加电压而能够调整所述磁力的电磁铁，在所述施加电压为零时被设定为所述连接状态，并且当使所述施加电压从零逐渐增大时，所述扭矩极限值逐渐降低，在规定的值的所述施加电压下成为所述非连接状态，当从该非连接状态起增大规定的值的所述施加电压时，成为所述连接状态，所述输入部与所述输出部的接合力增大，使所述扭矩极限值上升。

2.一种扭矩限制器，配置于输入侧的构件与输出侧的构件之间，以能够电磁性地调整成为从所述输入侧的构件向所述输出侧的构件传递的扭矩的上限值的扭矩极限值的大小，其特征在于，

在所述输入部和所述输出部中的任意一方，配置有通过调整施加电压而能够调整磁力的电磁铁，并且在所述输入部和所述输出部中的任意另一方，配置有通过使所述施加电压的极性变化而使相对于所述电磁铁的吸引力和排斥力的作用反转的磁性体，所述输入部和所述输出部具有连结构造，该连结构造通过调整所述输入部和所述输出部之间的所述磁力而能够切换相互连接的连接状态和未相互连接的非连接状态地使所述输入部和所述输出部远离或接近，

所述连结构造当所述施加电压为零时被设定为所述连接状态，并且当使所述施加电压成为规定的负值时，所述连结构造成为所述非连接状态，当以从该规定的负值向负方向增大的方式使所述施加电压变化时，所述连结构造维持所述非连接状态，另一方面，当使所述施加电压从所述规定的负值朝向零变化时，所述连结构造成为所述连接状态，所述输入部和所述输出部的接合力增大，所述扭矩极限值上升，并且当使所述施加电压在正值的状态下从零向正方向增大时，所述扭矩极限值上升。

3.一种扭矩限制器，配置于输入侧的构件与输出侧的构件之间，以能够电磁性地调整成为从所述输入侧的构件向所述输出侧的构件传递的扭矩的上限值的扭矩极限值的大小，其特征在于，

所述输入部具备能够根据施加电压的大小而使所产生的磁力变化的电磁铁、和通过与所述输出部的接触摩擦而能够与该输出部接合的接合部，

所述接合部具备位于所述电磁铁侧的第一输入板和配置在比该第一输入板靠所述输出部的位置的第二输入板，

所述输出部具备输出板，该输出板被配置成，能够通过所述磁力的变化而在所述第一输入板与所述第二输入板之间移动，

所述输出板被设置成，在所述施加电压为零时与所述第二输入板接触而使所述输入部和所述输出部成为相互连接的连接状态，当使所述施加电压从零增大时，从所述第二输入板分离而被向所述第一输入板侧吸引，经由也不与所述第一输入板接触的非连接状态，与所述第一输入板接触而成为所述连接状态，并且，在与所述第一输入板接触时，越增大对所述电磁铁的施加电压，与所述第一输入板的接合力越增大，而越使所述扭矩极限值上升。

4.根据权利要求3所述的扭矩限制器，其特征在于，

所述输入部被设定成，由所述第二输入板和所述输出板的接触引起的所述连接状态下的最大的扭矩极限值比由所述第一输入板和所述输出板的接触引起的所述连接状态下的最大的扭矩极限值小。

5.一种扭矩限制器，配置于输入侧的构件与输出侧的构件之间，以能够电磁性地调整成为从所述输入侧的构件向所述输出侧的构件传递的扭矩的上限值的扭矩极限值的大小，其特征在于，

所述输入部具备输入板，该输入板由能够根据施加电压的大小而使所产生的磁力变化的电磁铁构成，

所述输出部具备输出板，该输出板由通过使所述施加电压的极性变化而使相对于所述电磁铁的吸引力和排斥力的作用反转由此能够相对于所述输入板远离或接近的磁性体构成，

所述输入板和所述输出板当使所述施加电压成为规定的负值时成为相互非接触的非连接状态，即使以从所述规定的负值向负方向增大的方式使所述施加电压变化，所述输入板和所述输出板也维持所述非连接状态，另一方面，当使所述施加电压从所述规定的负值朝向零变化时，所述输入板和所述输出板成为连接状态，所述输入板和所述输出板的接合力增大，所述扭矩极限值上升，并且当使所述施加电压在正值的状态下从零向正方向增大时，所述扭矩极限值上升。

6.根据权利要求5所述的扭矩限制器，其特征在于，

在所述输入部与所述输出部之间设置有压靠部件，该压靠部件在所述施加电压为零时赋予使所述输入板与所述输出板相互接触的压靠力。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的扭矩限制器，其特征在于，

还设置电源备用部件，该电源备用部件在向所述电磁铁供给所述施加电压的电源切断时工作，

所述电源备用部件由控制电路构成，该控制电路在所述电源通电时被充电，在所述电源切断时，使用所述充电后的电力，代替所述电源对所述电磁铁进行电力供给。