CN113874180A - 机械式过载切换机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式过载切换机构(1)，用于在传动系(16)中切断在第一传递构件(2)和在传动状态下与第一传递构件(2)协作的第二传递构件(4)之间的力和/或力矩的传递，过载切换机构具有承载第一传递构件(2)的开关构件(8)，其被可调节地安装在支架(5)中，并且是在过载时根据情况从第一稳定部位(S1)可调节地移动到第二稳定部位(S2)或第三稳定部位(S3)，第一稳定部位通过第一弹簧装置(9)和至少部分地反作用于第一弹簧装置(9)工作的第二弹簧装置(10)的协作来保持，并且在第一稳定部位中第一传递构件(2)为了传递力和/或力矩而与第二传递构件(4)协作；在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，开关构件(8)通过第一弹簧装置(9)移入第二稳定部位；在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，开关构件(8)通过第二弹簧装置(10)移入第三稳定部位。

Description

机械式过载切换机构

技术领域

本发明涉及一种机械式过载切换机构，用于切断力和/或力矩在传动系中在第一传递构件和在传递状态下与第一传递构件协作的第二传递构件之间的传递。

背景技术

专利文献DE202013003594U1描述了一种用于工业机器人的臂单元，该臂单元包括蜗杆元件、与蜗杆元件接合的齿轮元件、和臂元件；蜗杆元件是可转动的，以驱动齿轮元件和移动臂元件，并且蜗杆元件能够在第一位置与第二位置之间运动，其中在第一位置中蜗杆元件是可转动的，以驱动齿轮元件，在第二位置中蜗杆元件与齿轮元件之间的相对运动被阻止；臂单元还包括用于使蜗杆元件在第一位置与第二位置之间移动的气动缸，其中蜗杆元件被保持在可通过所述气动缸运动的平台上，并且其中所述平台保持在基座的上方并能够相对于该基座枢转或转动。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械式过载切换机构，其即使在高传递载荷下也能可靠地切换到其松脱状态，并在松脱之后可靠地保持在松脱状态中。

根据本发明的目的通过一种机械式过载切换机构来实现；该过载切换机构用于在传动系中切断在第一传递构件和在传递状态下与第一传递构件协作的第二传递构件之间的力和/或力矩的传递；该过载切换机构具有承载第一传递构件的开关构件，该开关构件被可调节地安装在支架中，并且更确切地说是在过载时根据情况从第一稳定部位(Stellung)可调节地移动到第二稳定部位或者第三稳定部位，其中，第一稳定部位是通过第一弹簧装置与至少部分地反作用于第一弹簧装置工作的第二弹簧装置的协作来保持，并且在第一稳定部位中第一传递构件为了传递力和/或力矩而与第二传递构件协作；其中在传递力和/或力矩期间，在超过最大力或最大力矩的情况下，开关构件通过第一弹簧装置移入到第二稳定部位中；其中在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，开关构件通过第二弹簧装置移入到第三稳定部位中。

机械式过载切换机构特别是被构造为，在传动系内部监视所传递的一个或多个力和/或所传递的一个或多个转矩是否超过预定义的最大力或最大力矩。如果相应的力超过预定义的最大力或者相应的力矩超过预定义的最大力矩，则机械式过载切换机构切断传动系，从而中断传递，即，力和/或力矩不再能够通过传动系经由机械式过载切换机构被传递。机械式过载切换机构被设计为纯机械地工作，即，机械式过载切换机构被构造为，在没有源自机械式过载切换机构外部的能量供应(例如电、液压或气动能量供应)的情况下工作。机械式过载切换机构仅通过由传动系传导的力或力矩被致动，即，移动开关构件。机械弹簧装置控制和/或支持开关构件的开关进程，或者说通过开关构件的位置(Position)、姿势(Lage)和/或弹簧刚度以及弹簧特性来定义预先给定的最大力或预先给定的最大力矩。就此而言，预先给定的最大力和预先给定的最大力矩确定了机械式过载切换机构切换的极限力或极限力矩。

在最简单的情况下，传动系可以具有推杆，通过该推杆在最简单的情况下仅传递单一的拉力和/或压力。在另一种简单的实施方式中，传动系可以具有杠杆，通过该杠杆在最简单的情况下仅传递单一的力矩。在一种较复杂的实施方式中，传动系可以具有轴，例如传动装置中的轴，通过该轴来传递转矩。

就此而言，第一传递构件和第二传递构件可以例如只是两个用于切换联接的联锁爪，是力配合协作的摩擦元件，或者在传动装置的情况下例如是两个在接合(eingerückt)状态下彼此啮合的齿轮。

就此而言，开关构件可以是开关滑动件(Schaltschieber)或开关摇杆。在开关滑动件的情况下，开关构件至少基本上以平移的方式运动，即线性地运动；在开关摇杆的情况下，开关构件至少基本上以旋转的方式运动，即转动地运动。开关构件也可以在必要时执行叠加运动，该叠加运动不仅具有线性运动分量，而且还具有转动运动分量。

在开关构件的第一稳定部位中，第一传递构件与第二传递构件有效连接，特别是力配合和/或形状配合地接合，使得至少一个力和/或至少一个转矩通过传动系传递。关于机械式过载切换机构的功能，所传递的力和/或所传递的力矩的值小于预先给定的最大力或预先给定的最大力矩。

在第二稳定部位和第三稳定部位中，第一传递构件和第二传递构件均脱离，也就是说，在第二稳定部位和第三稳定部位中，第一传递构件与第二传递构件之间不再存在有效连接，并且通过传动系进行的力和/或力矩传递被禁止。当使致动构件运动触发的最大力或触发的最大力矩沿一个方向作用时，机械式过载切换机构占据第二稳定部位；并且当使致动构件运动触发的最大力或触发的最大力矩沿另一方向、即相反方向作用时，机械式过载切换机构占据第三稳定部位。

第一弹簧装置和第二弹簧装置被构造为，根据起作用的力或力矩，将致动构件保持在第一稳定部位，保持在第二稳定部位，或者保持在第三稳定部位。

在致动构件的第一稳定部位中，第一弹簧装置和第二弹簧装置均作用在致动构件上，以便当所传递的力小于最大力和/或所传递的力矩小于最大力矩时，通过对抗性作用的弹簧装置将致动构件保持在第一稳定部位中。

在致动构件的第二稳定部位中，当最大力和/或最大力矩已经触发致动构件时，仅第一弹簧装置起作用，以便将致动构件保持在第二稳定部位中。第二弹簧装置在第二稳定部位中对致动构件优选地不发挥作用。

在致动构件的第三稳定部位中，当致动构件被相反的最大力和/或相反的最大力矩触发时，仅第二弹簧装置起作用，以便将致动构件保持在第三稳定部位中。第一弹簧装置在第三稳定部位中对致动构件优选地不发挥作用。

支架形成用于可移动的致动构件的支承座。支架优选地与弹簧座刚性地联接，第一弹簧装置和第二弹簧装置支撑在该弹簧座上，更确切地说是在第一弹簧装置或第二弹簧装置的与第一弹簧装置或第二弹簧装置用以联接到致动构件的一侧相对置的一侧。支架可以是机器或传动系的壳体。在本发明的优选的应用中，支架是机器人臂的壳体部件。

开关构件可以通过以下方式被构造为开关摇杆：开关构件借助于四关节组件安装在支架中，其中：开关构件具有第一转动关节，第一摇臂的第一端部部分可枢转地安装在该第一转动关节上；支架具有第二转动关节，第一摇臂的第二端部部分可枢转地安装在第二转动关节上；开关构件具有第三转动关节，第二摇臂的第一端部部分可枢转地安装在第三转动关节上；并且支架具有第四转动关节，第二摇臂的第二端部部分可枢转地安装在第四转动关节上；并且开关构件还具有第一弹簧作用点，第一弹簧装置在第一弹簧作用点上联接到开关构件；并且开关构件具有第二弹簧作用点，第二弹簧装置在第二弹簧作用点上联接到开关构件。

因此，该四关节组件形成了具有四个固体构件的联接传动机构，这些固体构件通过四个转动关节相连接。就此而言，在该联接传动机构中，第一固体构件由支架构成，(对置的)第二固体构件由开关构件、特别是开关摇杆构成，第三固体构件由第一摇臂构成，并且第四固体构件由第二摇臂构成。就此而言，该四关节组件是一种平面联接传动机构，因为四个转动关节的转动轴线被彼此平行地取向。就此而言，通过该四关节组件或者说联接传动机构产生了联接传动机构的典型联接曲线，该联接曲线示出了开关构件、即开关摇杆的运动轨迹。优选地，第一摇臂和第二摇臂是等长的。优选地，第一弹簧装置和第二弹簧装置被对称地布置和/或相同地构造，特别是第一弹簧装置和第二弹簧装置具有相同的弹簧特性、特别是弹簧刚度。

因此，第一摇臂和第二摇臂的杆长，以及第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和第四转动关节的位置和间距可以形成梯形的关节联接组件，当该关节联接组件形成对称的梯形时，其从开关构件的与第二传递构件相对置的一侧开始将开关构件保持在过载切换机构的第一稳定部位。

开关摇杆上的两个转动关节的间距，即第一转动关节与第三转动关节的间距，特别是小于支架上的两个转动关节的间距，即第二转动关节与第四转动关节的间距。该四关节组件特别是与第一传递构件和第二传递构件的接合区域相对置地布置在开关摇杆上。

该梯形关节联接组件的第一摇臂和第二摇臂的杆长以及第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和第四转动关节的位置和间距可以被构造为，在开关摇杆的使第一传递构件与第二传递构件完全脱离的解耦点中，当过载切换机构从第一稳定部位枢转(umschwenken)到第二稳定部位中时，第一转动关节越过第二转动关节与第四转动关节之间的连接线，使得第一转动关节关于该连接线与第三转动关节相对置；并且在开关摇杆的使第一传递构件与第二传递构件完全脱离的解耦点中，当过载切换机构从第一稳定部位枢转到第三稳定部位中时，第三转动关节越过第二转动关节与第四转动关节之间的连接线，使得第三转动关节关于该连接线与第一转动关节相对置。

四关节组件的第一弹簧作用点和第二弹簧作用点可以相对置地布置在开关摇杆上，并且关于位置和间距以及关于第一弹簧装置和第二弹簧装置的力方向布置为，在开关摇杆的使过载切换机构从第一稳定部位枢转到第二稳定部位的临界点上，第一弹簧装置松弛或者与开关摇杆脱离并且第二弹簧装置被最大程度地压缩，其中第二弹簧装置的力方向穿过开关摇杆的瞬时中心(Momentanpol)；或者在开关摇杆的使过载切换机构从第一稳定部位枢转到第三稳定部位的临界点上，第二弹簧装置松弛或者与开关摇杆脱离并且第一弹簧装置被最大程度地压缩，其中第一弹簧装置的力方向穿过开关摇杆的瞬时中心。

在所有的实施方式变型中，四关节组件通常也可以在类似的应用中使用固体关节组件而不是多件式机械框架来实现。固体关节组件可以是一件式的。固体关节组件可以特别是通过相应形状设计的柔性体构成，例如橡胶体或弹性体。

安装在开关构件上的第一传递构件可以通过马达来驱动，该马达被布置在开关构件上，使得马达与第一传递构件在开关构件的开关运动中一起运动。马达用于产生转矩，该转矩通过第一传递构件被导入到第二传递构件中，以便提供通过传动系传递的转矩。马达可以特别是电动马达。马达可以是机器人臂内部的驱动器，其被构造为移动机器人臂的至少一个关节，以便改变机器人臂的该关节的当前部位，即，移动机器人臂。

第一传递构件可以是一传动装置的第一齿轮、特别是驱动齿轮；并且第二传递构件可以是该传动装置的第二齿轮、特别是从动齿轮，过载切换机构被集成到该传动装置中。

该传动装置可以是机器人臂的一部分。特别地，该传动装置可以形成用于使机器人臂的关节运动的传动系的一部分。

该传动装置可以被构造为蜗轮蜗杆传动装置(Schneckengetriebe)，或者该传动装置可以具有蜗轮蜗杆传动级，其中，第一传递构件由蜗轮蜗杆传动装置或蜗轮蜗杆传动级的蜗杆构成，第二传递构件由蜗轮蜗杆传动装置或蜗轮蜗杆传动级的与蜗杆协作的蜗轮构成。

作为该传动装置的替代或补充，第一传递构件也可以是可脱离联接器的第一联接构件，并且第二传递构件在此可以是可脱离联接器的与该第一联接构件协作的第二联接构件，过载切换机构被集成到该联接器中。

过载切换机构可以是传动系中的部件，特别是机器人臂中的关节的驱动器的传动装置或联接器中的部件。

在一种优选的特定实施方式中，第一传递构件可以由蜗轮蜗杆传动装置的蜗杆构成。在此，第二传递构件可以被构造为蜗轮。支架可以例如是机器人臂的壳体。在该特定实施方式中，开关构件可以由开关摇杆构成，蜗杆围绕其蜗杆轴线可转动地安装在该开关摇杆上。在此，第一弹簧装置可以由第一压力弹簧构成，第二弹簧装置可以由第二压力弹簧构成。第一压力弹簧和/或第二压力弹簧可以特别是分别被构造为至少一个弹簧圈或至少一个弹性体-弹簧体

在另一种优选的实施方式中，该机械式过载切换机构可以具有力传感器，特别是秤重单元，其被构造和/或设计用于检测承载蜗杆的轴的轴承装置上的轴向力。就此而言，可以检测或测量联接支座、即开关摇杆中的轴向力。

力流在此描述如下：其从蜗轮出发经过蜗杆进入到蜗杆的轴承中，并从那里出发进入到力传感器或秤重单元的盖中，并在力传感器或秤重单元之后例如经由封板和螺栓连接件进入到联接支座、即开关摇杆中。

由于力传感器或秤重单元通常不能测量拉力，因此在一种优选的实施方式中，蜗杆可以以一半测量区域被预紧。为此，在蜗杆的一轴向侧上，在蜗杆的凸肩与轴承之间布置两个弹簧，例如两个碟簧。这些弹簧例如通过拧紧封板的螺栓连接件被预紧。这形成了所谓的弹性安装(Anstellung)。在特殊情况下，支承是例如通过角接触球轴承来实现。然而，根据负载，也可以使用带有轴环的滑动轴承或深沟球轴承。如果轴向力现在沿弹簧的方向作用，则作用在力传感器或秤重单元上的力会减小。相反，如果轴向力是沿另一方向作用，则力传感器或秤重单元被更强地加载。将轴向力乘以蜗轮的有效圆(Wirkkreises)的半径，就推导出了力矩。

本发明的目的还通过一种用于在关节驱动器的传动系中、特别是机器人臂的关节中断开负载的方法来实现，该方法包括以下步骤：切断力和/或力矩在传动系中在第一传递构件和在传递状态下与第一传递构件协作的第二传递构件之间的传递，其中，在分离和/或联接第一传递构件和第二传递构件的开关构件的第一稳定部位中发生力和/或力矩的传递；在过载时，开关构件根据情况或者在传递力和/或力矩期间超过最大力或最大力矩时移动到第二稳定部位，或者在传递相反的力和/或相反的力矩期间超过相反的最大力或相反的最大力矩时移动到第三稳定部位。

在本方法的一种扩展方案中，在过载时，开关构件可以根据情况或者在传递力和/或力矩期间超过最大力或最大力矩时通过预紧的第一弹簧力移动到第二稳定部位，或者在传递相反的力和/或相反的力矩期间超过相反的最大力或相反的最大力矩时通过预紧的第二弹簧力移动到第三稳定部位。

附图说明

下面将参照附图详细阐述本发明的具体实施例。这些示例性实施例的具体特征可以根据需要被单独或组合地考虑来代表本发明的一般性特征，而与它们在本文中具体哪里被提及无关。其中：

图1示出了示例性的机器人臂，

图2示出了具有根据本发明的机械式过载切换机构的传动系的示意图，

图3示出了示例性蜗轮蜗杆传动装置的透视图，其具有根据本发明的机械式过载切换机构的一种具体实施方式，

图4至图10示出了示例性蜗轮蜗杆传动装置在过载切换机构的脱离时间进程中的各个阶段和状态的侧视图，该蜗轮蜗杆传动装置具有根据本发明的如图3所示具体实施方式的机械式过载切换机构，

图11示出了过载切换机构在过载切换机构沿与图10相反方向脱离的端部部位中的侧视图，

图12示出了联接曲线的三个图示，其中联接支座上的弹簧作用点在此阶段中位于不同的区域，以及

图13示出了具有秤重单元的过载切换机构的剖视图。

具体实施方式

图1示出了机器人，其具有机器人臂7和机器人控制器20。在本实施例中，机器人臂7包括多个依次布置并通过关节21连接的构件22。构件22特别是底座23和相对于底座23围绕竖直延伸的转动轴A1可转动安装的转盘24。摇臂25在下端部上，例如在未详细示出的摇臂轴承头上，围绕优选水平的转动轴A2可枢转地安装在转盘24上。在摇臂25的上端部上，围绕同样优选为水平的转动轴A3可枢转地安装有悬臂26。该悬臂在端侧以其优选为三个的转动轴A4、A5、A6承载机器人手27。在本实施例中，悬臂26具有可枢转地安装在摇臂25上的基臂29。悬臂26的前臂30围绕转动轴A4可转动地安装在基臂29上。在本实施例中，除了底座23、转盘24、摇臂25和基臂29以外，机器人臂7的其它构件还包括优选为多轴的机器人手17的构件22，该机器人手具有被构造连接法兰28的紧固装置，用于紧固未示出的末端执行器，例如工具或夹持器。

图2示意性示出了根据本发明的一般性机械式过载切换机构1，用于在传动系16中切断由马达11产生的力和/或力矩在第一传递构件2和在传动状态中与第一传递构件2协作的第二传递构件4之间的传递；该过载切换机构具有支承第一传递构件2的开关构件8，该开关构件被可调节地安装在支架5(图3)中，更确切地说是能够基于第一稳定部位S1进行调节；第一稳定部位通过第一弹簧装置9和至少部分地反作用于第一弹簧装置9工作的第二弹簧装置10的协作来保持，并且在该第一稳定部位中第一传递构件2为了传递力和/或力矩而与第二传递构件4协作，在过载时根据情况或者移动到第二稳定部位S2，或者移动到第三稳定部位S3，其中，在传递力和/或力矩期间，在超过最大力或最大力矩的情况下，开关构件8通过第一弹簧装置9移动到第二稳定部位；在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，开关构件8通过第二弹簧装置10移动到第三稳定部位。

图3至图13描述了根据本发明的机械式过载切换机构1的具体示例的结构构造。

在该具体实施方式中，第一传递构件2由蜗轮蜗杆传动装置3的蜗杆2a构成。相应地，第二传递构件4被构造为蜗轮4a。支架5可以例如是机器人臂7的壳体6。开关构件8在该示出的具体实施方式中由开关摇杆8a构成，蜗杆2a围绕其蜗杆轴线可转动地安装在该开关摇杆上。第一弹簧装置9由第一压力弹簧9a构成，并且第二弹簧装置10由第二压力弹簧10a构成。

在根据图4的第一稳定部位中，蜗杆2a为了传递力矩而接合到蜗轮4a中，从而在蜗轮蜗杆传动装置3中传递转矩，其中，该第一稳定部位是通过第一压力弹簧9a与至少部分地反作用于第一压力弹簧9a工作的第二压力弹簧10a的协作来保持。

在过载时，过载切换机构1根据情况或者切换到根据图10的第二稳定部位，或者切换到根据图11的第三稳定部位，其中，在传递力和/或力矩期间，在超过最大力或最大力矩的情况下，开关摇杆8a通过第一压力弹簧9a移动到第二稳定部位；在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，开关摇杆8a通过第二压力弹簧10a移动到第三稳定部位。

在下文中，例如将根据开关摇杆8a从图4所示的第一稳定部位到图10所示的第二稳定部位的运动来描述不同的阶段。当通过蜗轮蜗杆传动装置3传导相反的转矩时，例如在转动方向相反的情况下，该描述也类似地适用于开关摇杆8a从图4所示的第一稳定部位到图11所示的第三稳定部位的相反运动。

蜗杆2a例如如图3中所示的那样在驱动侧通过具有上游连接的前传动装置12的电动马达11进行运动。在这种结构中，例如使用最大转速为每分钟32000转的无刷直流电机。为了降低转速，在下游连接减速比为1∶18的两级行星齿轮传动装置。借助于夹紧联接器，该行星齿轮传动装置在从动侧与蜗杆2a连接。通过蜗杆2a与蜗轮4a的1∶50的传动比，在蜗轮4a上产生180°/s的最小速度以及至少25Nm的转矩。因此，例如在串联六轴配置的机器人臂7(图1)中并在第二轴中使用在此所述的传动装置的变型的情况下，在700mm的作用范围中能够实现1kg的载荷。在此所介绍的设计只是许多可能的变型之一。在蜗轮蜗杆传动装置3中，传动比可达1∶100。在驱动侧可以使用各种各样的驱动器，例如步进电机或有刷直流电机。这也适用于可能的中间传动装置或前传动装置12的选择。除了在此所使用的行星齿轮传动装置以外，例如还可以考虑带级或者省略传动装置。

在该示例性的蜗轮蜗杆传动装置3中，安全功能优选通过四关节结构来实现。在此，两个摇臂13.1和13.2形成支架5或机器人结构与联接支座之间的连接，该联接支座又形成蜗杆保持件并且是开关摇杆8a。联接支座、即开关摇杆8a被构造为，其在后续的系列应用中能够以具有成本效益的注塑成型工艺由塑料制成。然而，也可以用铝或其它金属制造。联接支座、即开关摇杆8a用作蜗杆2a及其支承结构的载体以及用于下文中所述部件的力测量。

此外，马达11通过马达支架与联接支座、即开关摇杆8a相连接。因此，由于蜗杆接合所引起的轴向力以及由马达11施加的扭力作用在联接支座上。此外，联接支座必须承受收两个摇臂13.1和13.2的关节力，这两个摇臂根据联接支座的姿势而受到拉力或压力。由于压力往往是更高的，因此联接支座可以被构造为将关节布置在关节窝(Gelenkpfanne)中，由此使得力能够在尽可能大的面积上被引导并直接引导到联接支座中。

两个弹簧力F1和F2作用在联接支座的上侧。在这种结构中，两个压力弹簧9a和10a与机器人结构、即壳体6相连接，并且通过联接支座的脱离而被压缩。在联接支座上有两个圆形成型的凸耳，其负载使两个弹簧力尽可能垂直于表面地作用并能够良好地吸收压力。该四关节结构的几何特征参量根据机构的条件以及所给定的结构空间和单个的构件得出。由此，一方面预先设定了蜗杆2a和蜗轮4a的尺寸以及马达11的结构空间。这意味着构件必须有足够的转动自由度。对于例如作为机器人臂7的结构来说绝对必要的是，机器人臂要吸收关节点处的力并在弹簧点上具有足够的刚性。联接支座又必须关于其平滑的外表面在一平面中被引导，因为该结构是一个二维机构。通过联接支座、即开关摇杆8a的偏转，马达会一起运动，因为马达是与联接支座，即开关摇杆8a刚性连接的。为此，必须注意马达11在这种结构内部的运动自由空间。

在另一种变型中，可以优化关节的结构空间。通过使用不同的蜗杆配对(Schneckenpaarung)，例如通过选择不同的传动比，可以使结构尺寸最小化。

两个弹簧力F1和F2在该示例中也可以实现为弹性体-弹簧元件，如其在例如图3中所示出的那样。然而，也可以使用其它的弹簧类型。例如，可以使用碟簧、压力弹簧或机器人臂7的机器人结构的弹性特征。

如果现在关于安全功能发生了处于机构边界范围内的负载，则将蜗杆2a解耦。在这种状态下，如图10和图11所示，蜗杆2a和蜗轮4a彼此完全分离并且关节不再能传递力矩。

为了使关节再次置于原始状态(Ursprungszustand)中，必须将联接支座再次带回到初始位置。这可以通过手动按压来完成，但也可以电动地操作。在此，蜗杆2a在±0.5个齿的公差范围内再次耦合。然后，过载切换机构再次准备好运行。

特别是如图4所示，过载切换机构1的机构主要包括四个元件，即：两个摇臂13.1和13.2，联接支座、即开关摇杆8a，和支架5，它们通过四个转动关节A0、A、B、B0连接，使得该结构形成没有旋转能力的联接摇臂。摇臂13.1和13.2在此在运行中形成拉压杆

联接支座、即开关摇杆8a支承蜗杆2a和马达11以及所有相关的组件。支架5在此可以对应于机器人臂7的结构部件。该机构被对称地构造并且处于工作点中，即，在联接状态下处于中间姿势，如图4中所示的那样。

在此，有多个运动学(kinematische)点对于联接支座、即开关摆杆8a的功能和运动来说是决定性的。

运动学点A和B支撑联接支座、即开关摇杆8a，并且通过摇臂13.1和13.2来定义联接支座、即开关摇杆8a的运动，并将所有的驱动力和驱动力矩导入到支架5或结构部件中。

运动学接触点K是蜗杆2a在蜗轮4a中的接合点。

运动学点U1和U2形成压力弹簧F1和F2在联接支座上的力导入点。

运动学点Ux1和Ux2形成压力弹簧F1和F2在支架5或机器人臂7的结构部件上的力导入点。

一个有特色的虚拟变量是联接支座的瞬时中心P。该瞬时中心P描述了开关摇杆8a相对于支架5的瞬时转动点。在该瞬时中心P中，开关摇杆8a在所观察的时间点静止并且仅围绕该点执行纯粹的转动。瞬时中心P是根据关节位置产生，并且不仅是相对于支架5，还相对于开关摇杆8a持续地运动(参见专业文献中的瞬心轨迹和空间瞬心轨迹(Rastpol-undGangpolbahn))。

另一个有特色的虚拟变量是瞬心轨迹p。相对于支架5固定、即位置不变的该瞬心轨迹p是空间固定参考系统中的所有空间点的总和，这些空间点在刚性体运动时曾经是瞬时中心。

其它有特色的虚拟变量是点U1和U2相对于支架5的轨迹曲线u1和u2。

虚拟变量a和b是点A和B相对于支架5的轨迹曲线。虚拟变量k是接触点K的联接曲线。

该四关节机构具有一个自由度，该自由度仅根据从外部作用在联接支座上的力来预先设定。

在此，当力可以被平衡为使得作用在联接支座、即开关摇杆8a上的合力或合成力矩变为零时，该系统是稳定的并处于平衡中。如果所述的作用力不能合并为零向量，则保留使联接支座、即开关摇杆8a运动的自由力。在此，联接支座、即开关摇杆8a可以仅在一个自由度上以围绕瞬时中心K转动的形式进行运动。因此，该力是以其到P的间距(从P到力向量的垂直线)作为运动引起的力矩起作用。运动方向由力方向和相对于P的姿势决定。

在此，有以下的力作用在联接支座、即开关摇杆8a上(这里不考虑重力，例如在SCARA结构中)。

力F_Sa是由于蜗轮4a上的从动力矩而作用在蜗杆2a的蜗杆轴上的轴向力。力F_Sr是由于齿螺旋角而引起的横向力分量。力F_S是F_蜗杆_轴向(F_Schnecke_axial)和F_蜗杆_径向(F_Schnecke_radia)的合力。力F1和F2是第一弹簧装置9和第二弹簧装置10的力。力FA和FB是摇臂13.1和13.2的拉力/压力。

在联接支座、即开关摇杆8a的运动过程中区分了六个阶段和三个状态。

图5示出了状态1中的阶段1，其中，联接支座、即开关摇杆8a位于中间姿势的区域中。当从动力矩明显小于过载切换机构1的预定极限力矩时，工作点处于低负荷或正常负荷下。

蜗杆2a与蜗轮4a接合。在此，力F_S作用在联接支座、即开关摇杆8a上，并且是沿解耦方向作用。在此，瞬时中心K位于接合点附近。第一压力弹簧9a通过预紧在点U1中产生沿解耦方向作用的压力。其弹簧力在联接支座、即开关摇杆8a中发生下文所示的偏转时迅速减小。

第二压力弹簧10a通过预紧在点U2中产生反向于解耦方向作用的压力。其弹簧力在联接支座、即开关摇杆8a中发生下文所示的偏转时迅速增大。

第一压力弹簧9a在状态1中随着联接支座的偏转的增加而被进一步卸载。第二压力弹簧10a在状态1中随着联接支座在状态2中的偏转的增加而被进一步加载。然而，两个压力弹簧9a和10a总体上起到复位作用。

图6示出了状态2中的阶段2，其中，联接支座、即开关摇杆8a从中间区域(图5)略微偏转或转动离开。当从动力矩仍低于极限力矩时，工作点处于高负荷下。

蜗杆2a仍与蜗轮4a接合。在此，力F_S作用在联接支座、即开关摇杆8a上并且是沿解耦方向作用。瞬时中心K略微远离接合点。

第一压力弹簧9a被完全卸载或者说不再与联接支座、即开关摇杆8a有接触。因此，通过第一压力弹簧9a不再有力传递到联接支座上，即传递到开关摇杆8a上。

第二压力弹簧10a仍然与联接支座、即开关摇杆8a有接触。在此，预紧力以及附加地还有偏转力作为压力作用在点U2中。第二压力弹簧10a在阶段2中随着联接支座的偏转的增加而被进一步压缩。第二压力弹簧10a继续起到复位作用。

图7示出了状态2中的阶段3。这是临界点。联接支座、即开关摇杆8a从中间区域(图5)偏转或转动离开。当从动力矩刚好低于极限力矩时，工作点处于高负荷下。

蜗杆2a仍然与蜗轮4a接合。在此，力F_S作用在联接支座、即开关摇杆8a上，并且是仍然沿解耦方向作用。瞬时中心K逐渐远离接合点。

第一压力弹簧9a被完全卸载或者说不再与联接支座、即开关摇杆8a有接触。因此，通过第一压力弹簧9a不再有力传递到联接支座上，即传递到开关摇杆8a上。

第二压力弹簧10a仍然与联接支座、即开关摇杆8a接触。然而在此，现在是最大弹簧力F2作用在点U2中。第二压力弹簧10a因此在阶段3中被最大程度地压缩。但是第二压力弹簧F2的力在该状态下既不沿解耦方向作用，也不沿复位方向作用。该力对联接支座、即开关摇杆8a没有影响，因为其非常高的、最大的力会延伸通过瞬时中心P并因此不产生任何由运动引起的力矩。亦即，第二压力弹簧F2是中性地起作用。

图8示出了状态2中的阶段4。这是解耦阶段。联接支座、即开关摇杆8a现在偏转或转动远离中间区域。工作点处于非常高的负荷下，从动力矩在那里达到极限力矩。

蜗杆2a仍然与蜗轮4a接合。在此，力F_S仍然沿解耦方向作用。瞬时中心P进一步远离接合点。

第一压力弹簧9a仍然是完全卸载或者说不再与联接支座、即与开关摇杆8a有接触。因此，通过第一压力弹簧9a不再有力传递到联接支座上，即传递到开关摇杆8a上。

第二压力弹簧10a与联接支座、即开关摇杆8a接触。然而在此，点U2中的弹簧力现在减小。

第二压力弹簧10a的弹簧力在阶段4中减小，然而弹簧力在此又沿运动方向作用并对联接支座、即开关摇杆8a的运动产生影响。该弹簧力现在沿解耦方向作用，即，与蜗杆力相同指向地沿相同的方向作用。

图9示出了状态2中的阶段5。这是解耦点。

联接支座、即开关摇杆8a从中间区域进一步向外偏转或转动。“工作点”现在高于极限力矩或者短时地略微超过极限力矩。蜗杆2a瞬间离开涡轮4a。瞬时中心P进一步远离接合点。

第一压力弹簧9a仍然被完全卸载或者说不再与联接支座、即开关摇杆8a有接触。因此，通过第一压力弹簧9a不再有力传递到联接支座上，即传递到开关摇杆8a上。

第二压力弹簧10a与联接支座、即开关摇杆8a有接触。然而在此，点U2中的弹簧力现在减小。

自阶段5起，蜗杆2a不再与蜗轮4a接合，并因此不再有力能够传递到联接支座、即开关摇杆8a上。只有第二压力弹簧10a的压力仍然沿解耦方向作用。

图10示出了状态3中的阶段6。这是完全解耦的状态，即，联接支座或开关摇杆8a与蜗杆2a一起完全从蜗轮4a翻转离开(weggeklappt)，蜗杆2a与蜗轮4a脱离。瞬时中心P进一步远离接合点。

第一压力弹簧9a仍然是完全卸载或者说不再与联接支座、即开关摇杆8a有接触。因此，通过第一压力弹簧9a不再有力传递到联接支座上，即传递到开关摇杆8a上。

第二压力弹簧10a与联接支座、即开关摇杆8a接触。在此，点U2中弹簧力进一步减小。

自阶段5起，蜗杆2a不再与蜗轮4a接合，并因此不再有力能够传递到联接支座上。只有第二压力弹簧10a仍然沿解耦方向作用。联接支座或开关摇杆8a在端部部位，即第二稳定部位中倾斜，在该第二稳定部位中蜗杆2a不再接触蜗轮4a。该端部部位或者通过止挡件来限定，或者通过第二压力弹簧10a的松弛的终端位置来限定。蜗杆2a的再次耦合可以仅克服第二压力弹簧10a的随后升高的弹簧力F2来实现，然而这只有在相应较高的力耗费的情况下才有可能。就此而言，由此可靠地防止了与传动系中的力和/或力矩的传递的无意耦合。

如果力从蜗轮4a到蜗杆2a反向地指向，即与力矩转动方向相反，则图5至图10的流程类似地适用于另一弹簧侧，即适用于联接支座或开关摇杆8a的另一倾斜方向。因此，在图11中仅示出了类似于图10的脱离的端部部位。

通过这种具有特别选择的尺寸或布置或关系

的特定结构，能够在不使用闭锁元件(Sperrelement)的情况下实现与力相关的脱耦功能，闭锁元件会由于其额外的摩擦而带来不确定性和公差劣化。该系统中的摩擦主要是存在于关节A0、A、B和B0中。然而，由于关节尺寸和姿势的原因，该摩擦对所引起的联接支座力的影响相对较小。

如果联接支座经过阶段4，则所有的外力均沿解耦方向作用，由此使得蜗杆2a完全地且快速地、特别是突然地与蜗轮4a的齿分离。这种效应会由于联接支座的倾斜使得瞬时中心P越来越远离接触点K而放大，从而针对解耦运动出现了力矩增强的效果。

由于该原理在没有闭锁元件的情况下足够敷用，因此也不需要蜗杆2a相对于闭锁面的特殊的(特别是轴向的)松脱行程

蜗杆2a从阶段1到阶段5，也就是在最大负荷下沿切线蜗轮方向仅执行一小部分松脱运动

由此使得蜗杆仅最小地(例如3°)转动直至松脱(例如在约20至25Nm的情况下)。因此，尽管联接支座具有必要的挠性，但是仍然得到相对较高的传动刚度。据此，与四关节结构相结合的弹簧组件具有特征性的降低的刚度。这是有利的，因为“正常”工作区域中的刚度，例如机器人臂7(图1)的机器人关节的刚度在此明显更高，并且机器人因此比在过载区域中明显更加精确，该过载区域例如也可以表征碰到或卡住了人。

以下的详细特征对于正常运行是非常重要的。四关节结构是根据本说明书的。瞬时中心位于对称轴线上的零位(Nullstellung)中，与接合点K间隔开并且位于背对蜗轮4a的一侧。瞬时中心相对于接合点的距离在有负载的情况下，即在联接支座偏转的情况下会增大，由此使得所合成的导致运动的力矩增加。联接曲线u1和u2(从阶段1到阶段6经过其中的各个曲线段)的特殊形状具有下文中所述的特征。

下面将结合图12对区域U1、Ux1、u1的特性加以说明。由于对称的原因，这同样适用于另一侧。

在阶段1和阶段2的范围内，当蜗轮4a上有外部力矩载荷时，联接支座偏转，使得U1和Ux1之间的距离减小。同时，(点U1中的轨迹法线N1与弹簧力作用线、即连接线U1-Ux1之间的)力传递角β1也减小。这意味着，沿曲线u1的切线方向T1的力分量减小。换句话说，联接支座偏转得越多，弹簧力F1就越高。该弹簧力反作用于偏转。尽管力增加了，但是其效果却降低了。

在阶段3的范围内，曲线u1必须有反转点。在该点上，力传递角β1＝0°。这意味着，虽然力在此是最大的，但是其对偏转运动没有影响并且也不会反作用于偏转运动。该力通过瞬时中心P并在点U1处垂直于轨迹线u1的切线T1。

在阶段4至6的范围内，曲线u1再次沿压力F1的方向下降。U1到Ux1的距离增大，力减小，但是沿运动方向作用的分量增大。

综上所述，这意味着四关节结构的运动学和姿势，亦即弹簧的作用线(U1、Ux1以及U2、Ux2)应该被选择为满足(durchlaufen)上述的特性，如图12中示例性示出的那样。

四关节结构的运动学被设计为，使得蜗杆2a至少直至临界点(阶段3)均处于接合中。阶段4描述了蜗杆2a的接合超过该点直至离开(阶段5)。该阶段可以保持得很短，但是可以作为保护措施用于安全结束并且特别是无振颤(ratterfreien)的脱耦过程。

弹簧F1和F2在此处所示的变型中是纯压力弹簧。在一种实施方式中，它们的有效长度受到限制，这意味着，在偏转时，未加载的弹簧在卸载之后不再贴靠并起作用。

在一种实施方式中，两个摇臂13.1或13.2之一可以根据解耦方向在解耦过程中通过止点位置(Totlage)，即瞬时中心P在相应的关节A或B中所处的反转姿势。这可以导致联接曲线s1或s2的所期望的形式。

接触点K的联接曲线k基本上处于中心位置或者很大程度上垂直于蜗轮切线，即，齿的松脱和脱离运动基本上、即很大程度上是直接沿径向方向发生。

允许的弹簧行程必须大于或至少等于联接支座在弹簧的接合点处沿弹簧作用方向的脱离运动。

为了能够实现松脱过程，作用在联接支座上的力的总和不得为零。相应地，解耦作用的力必须始终大于反作用的(entgegenhaltenden)力。

可以考虑使用各种变型来测量关节中的力。可以测量两个摇臂13.1和13.2的杆力或在弹簧安装点上的支承力。此外，可以将测量法兰在从动侧集成在涡轮4a中，或者测量蜗杆2a的轴向力，如图13中示例所示。

为了测量力，原则上要测量受力物体的变形。这可以使用不同的方法来完成。测量原理在此可以是应变片的应用、光学测量原理的应用、以及感应式位移测量，例如测量弹簧的变形。

在图13的示例中，测量是通过秤重单元14进行，该秤重单元测量在联接支座中、即在开关摇杆8a中的蜗杆2a的支承件上的轴向力。

力流在此描述如下：其从蜗轮4a出发经过蜗杆2a进入到蜗杆2a的轴承中，并从那里出发进入到秤重单元14的盖中，并在秤重单元12之后经过封板和螺栓连接件进入到联接支座、即开关摇杆8a中。

由于秤重单元14不能测量拉力，因此螺杆2a是以测量区域的一半被预紧。为此，在蜗杆2a的右侧，在蜗杆2a的凸肩与轴承之间布置两个碟簧15。这些碟簧是通过拧紧封板的螺栓连接件被预紧。由此形成所谓的弹性安装。在这种情况下，例如通过角接触球轴承来实现支承。然而，根据负荷，也可以使用具有轴环的滑动轴承或深沟球轴承。如果轴向力现在沿碟簧15的方向作用，则作用在秤重单元14上的力会减小。相反，如果轴向力是沿另一方向作用，则秤重单元14被更强地加载。将轴向力乘以蜗轮4a的有效圆的半径，就推导出了力矩。

对于过载和由此引起的蜗杆2a的解耦，可以检测秤重单元14上的突然的力下降。因此，该信号可以用于检测过载，并且例如机器人的控制器可以关闭驱动构件。

由于蜗杆2a和蜗轮4a能够彼此完全分离，因此优选提供从动侧的位置确定，因为在耦合之后不能保证接合发生在与分离时相同的位置上。

在此还有各种适用的技术方案。一方面可以选择光学编码器盘，其优点在于大的空心轴，还可以选择基于霍尔原理的线性偏心传感器。为此，可以配置具有许多极对的环形磁体并因此产生非常高的分辨率。一种优选的变型是轴向霍尔编码器，其位于从动侧的机器人结构中。这样做的优点在于其绝对位置是可编程的。同心度的缺点可以通过将电缆经由传感器上方的狭槽从空心轴中引出来避免。除了从动侧的位置确定以外，驱动侧的位置确定也是适宜的。可以使用事先选择的测量原理来实现这一点。然而，也可以设想通过安装在马达11中的霍尔元件，使用马达轴的位置来确定电枢位置。

蜗轮4a的支承通过所安装的支承件实现。该结构由两个交织运行的(ineinanderlaufenden)轴组成，其转动运动在同时力支持(Kraftabstützung)的情况下通过两个深沟球轴承来实现。为了使支承中的间隙保持在较低水平，使用所安装的支承件并且利用夹紧套筒将轴承彼此夹紧。

Claims (10)

1.一种机械式过载切换机构，用于在传动系(16)中切断在第一传递构件(2)和在传递状态下与所述第一传递构件(2)协作的第二传递构件(4)之间的力和/或力矩的传递，所述过载切换机构具有承载所述第一传递构件(2)的开关构件(8)，所述开关构件被可调节地安装在支架(5)中，并且是在过载时根据情况从第一稳定部位(S1)可调节地移动到第二稳定部位(S2)或第三稳定部位(S3)；其中，所述第一稳定部位通过第一弹簧装置(9)与至少部分地反作用于所述第一弹簧装置(9)工作的第二弹簧装置(10)的协作来保持，并且在所述第一稳定部位中所述第一传递构件(2)为了传递力和/或力矩而与所述第二传递构件(4)协作；其中，在传递力和/或力矩期间，在超过最大力或最大力矩的情况下，所述开关构件(8)通过所述第一弹簧装置(9)移入到所述第二稳定部位中；其中，在传递相反的力和/或相反的力矩期间，在超过相反的最大力或相反的最大力矩的情况下，所述开关构件(8)通过所述第二弹簧装置(10)移入到所述第三稳定部位中。

2.根据权利要求1所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述开关构件(8)通过以下方式被构造为开关摇杆(8a)：所述开关构件(8)借助于四关节组件安装在所述支架(5)中，其中，所述开关构件(8)具有第一转动关节，第一摇臂(13.1)的第一端部部分可枢转地安装在该第一转动关节上；所述支架(5)具有第二转动关节，所述第一摇臂(13.1)的第二端部部分可枢转地安装在该第二转动关节上；所述开关构件(8)具有第三转动关节，第二摇臂(13.2)的第一端部部分可枢转地安装在该第三转动关节上；并且所述支架(5)具有第四转动关节，所述第二摇臂(13.2)的第二端部部分可枢转地安装在该第四转动关节上；并且所述开关构件(8)还具有第一弹簧作用点，所述第一弹簧装置(9)在该第一弹簧作用点上联接到所述开关构件(8)；并且所述开关构件(8)具有第二弹簧作用点，所述第二弹簧装置(10)在该第二弹簧作用点上联接到所述开关构件(8)。

3.根据权利要求2所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述第一摇臂(13.1)和所述第二摇臂(13.2)的杆长以及所述第一转动关节、所述第二转动关节、所述第三转动关节和所述第四转动关节的位置和间距形成梯形的关节联接组件，当该关节联接组件形成对称的梯形时，所述关节联接组件从所述开关构件(8)的与所述第二传递构件(4)相对置的一侧开始将所述开关构件(8)保持在所述过载切换机构(1)的第一稳定部位(S1)。

4.根据权利要求2或3所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述梯形的关节联接组件的所述第一摇臂(13.1)和所述第二摇臂(13.2)的杆长以及所述第一转动关节、所述第二转动关节、所述第三转动关节和所述第四转动关节的位置和间距被构造为，在所述开关摇杆(8a)的使所述第一传递构件(2)与所述第二传递构件(4)完全脱离的解耦点中，当所述过载切换机构(1)从所述第一稳定部位(S1)枢转到所述第二稳定部位(S2)时，所述第一转动关节越过所述第二转动关节与所述第四转动关节之间的连接线，使得所述第一转动关节关于该连接线与所述第三转动关节相对置；并且在所述开关摇杆(8a)的使所述第一传递构件(2)与所述第二传递构件(4)完全脱离地解耦点中，当所述过载切换机构(1)从所述第一稳定部位(S1)枢转到所述第三稳定部位(S3)时，所述第三转动关节越过所述第二转动关节与所述第四转动关节之间的连接线，使得所述第三转动关节关于该连接线与所述第一转动关节相对置。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述四关节组件的所述第一弹簧作用点和所述第二弹簧作用点相对置地布置在所述开关摇杆(8a)上，并且关于位置和间距以及关于所述第一弹簧装置(9)和所述第二弹簧装置(10)的力方向布置为，在所述开关摇杆(8a)的使所述过载切换机构(1)从所述第一稳定部位(S1)枢转到所述第二稳定部位(S2)的临界点上，所述第一弹簧装置(9)松弛或者与所述开关摇杆(8a)脱离，并且所述第二弹簧装置(10)被最大程度地压缩，其中，所述第二弹簧装置(10)的力方向穿过所述开关摇杆(8a)的瞬时中心；或者在所述开关摇杆(8a)的使所述过载切换机构(1)从所述第一稳定部位(S1)枢转到所述第三稳定部位(S3)的临界点上，所述第二弹簧装置(10)松弛或者与所述开关摇杆(8a)脱离，并且所述第一弹簧装置(9)被最大程度地压缩，其中，所述第一弹簧装置(9)的力方向穿过所述开关摇杆(8a)的瞬时中心。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机械式过载切换机构，其特征在于，安装在所述开关构件(8)上的所述第一传递构件(2)通过马达(11)来驱动，所述马达被布置在所述开关构件(8)上，使得所述马达(11)与所述第一传递构件(2)在所述开关构件(8)的开关运动中一起运动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述第一传递构件(2)是一传动装置的第一齿轮、特别是驱动齿轮，并且所述第二传递构件(4)是该传动装置的第二齿轮、特别是从动齿轮，所述过载切换机构(1)被集成到该传动装置中。

8.根据权利要求7所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述传动装置被构造为蜗轮蜗杆传动装置，或者所述传动装置具有蜗轮蜗杆传动级，其中，所述第一传递构件(2)由所述蜗轮蜗杆传动装置或所述蜗轮蜗杆传动级的蜗杆(2a)构成，并且所述第二传递构件(4)由所述蜗轮蜗杆传动装置或所述蜗轮蜗杆传动级的与所述蜗杆(2a)协作的蜗轮(4a)构成。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述第一传递构件(2)是一可脱离的联接器的第一联接构件，并且所述第二传递构件是该可脱离的联接器的与所述第一联接构件协作的第二联接构件，所述过载切换机构(1)被集成到该联接器中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的机械式过载切换机构，其特征在于，所述过载切换机构(1)是所述传动系(16)中的部件，特别是所述机器人臂(7)中的关节(21)的驱动器的传动装置或联接器中的部件。

Images