CN114770472B - 一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人关节控制技术领域，并具体公开了一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用，其包括固定杯、销轴固定盘、第一楔形凸轮和第二楔形凸轮，销轴固定盘上表面设有八个突出的销轴，四个销轴设置在内圈，另外四个设置在外圈；第一楔形凸轮和第二楔形凸轮均为类S形结构，第一楔形凸轮与第二楔形凸轮镜面相对设置；每个类S形结构中存在两个凹槽，该两个凹槽分别与一个内圈销轴和一个外圈销轴配合；对应的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮之间安装有弹簧；第一楔形凸轮与第二楔形凸轮旋转到一定位置时外侧会与固定杯内壁接触。本发明可实现自锁机构的自锁与解锁功能，使输出板块受力时，无需驱动电机，关节仍然保持不动。

Description

一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用

技术领域

本发明属于机器人关节控制技术领域，更具体地，涉及一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用。

背景技术

在机器人关节控制领域，自锁机构是一种常用的零部件。随着机器人关节的小型化进程，通过电磁控制的锁紧机构虽然可以达到目的，但是往往尺寸庞大；至于机械式方式，目前已有通过齿轮等零件完成锁紧目标，但是其结构复杂、成本高，且同样无法解决尺寸较大的问题。

因此，亟需一种适用于关节的小型化双向自锁机构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用，其目的在于，实现自锁机构的自锁与解锁功能，使输出板块受力时，无需驱动电机，关节仍然保持不动。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，包括固定杯、销轴固定盘、第一楔形凸轮和第二楔形凸轮，其中：

所述销轴固定盘安装在所述固定杯内部，该销轴固定盘上表面设有八个突出的销轴，其中四个销轴周向设置在内圈，另外四个销轴周向设置在外圈；

两个所述第一楔形凸轮设置在一个对角上，两个所述第二楔形凸轮设置在另一个对角上；所述第一楔形凸轮和第二楔形凸轮均为类S形结构，第一楔形凸轮与第二楔形凸轮镜面相对设置；每个所述类S形结构中存在两个凹槽，该两个凹槽分别与一个内圈销轴和一个外圈销轴配合；左侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮之间，以及右侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮之间安装有弹簧；所述第一楔形凸轮与第二楔形凸轮旋转到一定位置时外侧会与所述固定杯内壁接触。

作为进一步优选的，所述类S形结构上的每个凹槽均包括直线段和圆弧段，其中直线段靠近类S形结构中部，圆弧段靠近类S形结构端部。

作为进一步优选的，所述弹簧为压缩螺旋弹簧。

作为进一步优选的，同侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮上相对设置有固定销轴，所述压缩螺旋弹簧两端套设在固定销轴上。

作为进一步优选的，还包括凸轮固定盘，所述类S形结构上端一体成形有连接板，该连接板上安装有凸起的微型法兰轴承，所述凸轮固定盘安装在该凸起的微型法兰轴承上。

作为进一步优选的，所述销轴固定盘的侧面开设有孔，用于从侧面固定输入端轴。

作为进一步优选的，将该双向自锁非后驱离合器安装在电机系统和谐波减速器系统之间，共同实现机器人关节中的旋转运动。

按照本发明的另一方面，提出了一种上述基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器的应用，将该双向自锁非后驱离合器安装在电机系统和谐波减速器系统之间，共同实现机器人关节中的旋转运动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明离合器可以让动力从输入端传递至输出端，但是输出端的负载扭矩不会传递到输入端，而是作用在接地件上，从而使关节输出端承受负载或冲击有反向输入趋势时，关节仍然保持不动，节省了大量的电能，提高了工作效率。且整体离合器结构简单，且无大型器件，可实现关节的小型化、轻量化。

2.本发明通过镜面设置的两组凸轮配合销轴以及弹簧，实现了自锁与解锁功能；且通过凸轮中的凹槽结构与内外两个销轴配合，可保证在锁止的状态下，依靠电机的启动扭矩作用在销轴上的力，克服楔形凸轮与固定杯之间较大的摩擦力，顺利解锁。

3.本发明设计的凸轮与外侧固定杯之间是面接触，大大增加了凸轮与固定杯之间的接触面积，减小了接触表面的压强，使受力更加均匀，当承受压力较大时，避免出现表面压强过大损伤零件表面和打滑等情况，保障自锁效果。

4.本发明设计凹槽中的直线段和圆弧段分别配合销轴固定盘上销轴的临界状态卡死和临界状态过度中的空行程，提高可靠性。

5.采用压缩螺旋弹簧，使楔形凸轮恢复原位，相比于板式弹簧，其设计和加工较为简单，同时便于分析计算反向作用力大小和进行后期调整。

附图说明

图1为本发明实施例双向自锁非后驱离合器结构示意图；

图2为本发明实施例双向自锁非后驱离合器截面示意图；

图3为本发明实施例输入板块整体示意图；

图4为本发明实施例输入板块爆炸俯视图；

图5为本发明实施例输入板块爆炸仰视图；

图6为本发明实施例自锁机构初始状态截面示意图；

图7为本发明实施例自锁机构逆时针旋转5°状态截面示意图；

图8为本发明实施例自锁机逆时针旋转15°状态态截面示意图；

图9为本发明实施例自锁机构顺时针旋转5°状态截面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101-销轴固定盘，102a、102b-“5”形凸轮，103a、103b-“2”形凸轮，104-固定销轴，105-压缩螺旋弹簧，107-凸轮固定盘，108-固定杯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，如图1和图2所示，包括输入板块、自锁与输出板块，其中，输入板块与电机等驱动相连，输出板块与负载或者其下一级传动部件相连。具体的：

所述输入板块包括销轴固定盘101、第一楔形凸轮和第二楔形凸轮，如图3、图4和图5所示，第一楔形凸轮和第二楔形凸轮均包括类S形结构和连接板，连接板固定在类S形结构上，形成凹槽结构，第一楔形凸轮和第二楔形凸轮镜面相对设置。如图6所示，左下和右上的楔形凸轮为凹槽类似“2”形，故称之为“2”形凸轮103a、103b(即上述第一楔形凸轮)，左上和右下的楔形凸轮上层凹槽类似“5”形，故称之为“5”形凸轮102a、102b(即上述第二楔形凸轮)。

所述销轴固定盘101的上表面平台有内四根圆柱台和外四根圆柱台(即销轴)，每一组内外圆柱台分别与上方的“5”形凸轮102a、102b和“2”形凸轮103a、103b相配合，即销轴嵌入到相应的凹槽内，销轴固定盘101的旋转便可以通过圆柱台使得上面的“5”形凸轮102a、102b和“2”形凸轮103a、103b旋转。销轴固定盘101的侧面设计有小孔，可以用来从侧面固定输入端轴。小孔正上方的左边和右边分别是“2”形凸轮103a和“5”形凸轮102a，另外两个凸轮则是中心对称的组合模式。

进一步的，类S形结构上存在两个凹槽，每个凹槽均包括直线段和圆弧段，其中直线段靠近类S形结构中部，圆弧段靠近类S形结构端部。该圆形凹槽和直线凹槽分别是配合了销轴固定盘101上圆柱台的临界状态卡死以及临界状态过度中的空行程。

所述自锁及输出板块包括压缩螺旋弹簧105、微型法兰轴承、凸轮固定盘107和固定杯108，如图1、图2和图6所示，每组楔形凸轮，即“5”形凸轮102a与“2”形凸轮103a之间通过压缩螺旋弹簧105构成一对自锁机构，具体的，“5”形凸轮102a与“2”形凸轮103a相对侧均设有固定销轴104，压缩螺旋弹簧105两侧套设在固定销轴104上；“5”形凸轮102b与“2”形凸轮103b同理。两对自锁机构上方的圆柱凸起用以通过微型法兰轴承连接到凸轮固定盘107，进而连接负载或者与下一级传动部件相连。固定杯108作为接地端通过侧面的孔与销轴固定盘101共同连接到输入端，而其圆柱内侧壁则与两对自锁机构形成的工作模式如下。

(1)逆时针旋转解锁

参见图7，输入端进行逆时针输入时，销轴固定盘带动所连接的两对自锁机构逆时针旋转5°(仅为举例说明，下同)，黑点为接触点，此时为临界解锁状态，销轴固定盘趋向逆时针转动时，内圈销轴会与第一象限和第三象限的“2”形凸轮上凹槽的内侧直线切面接触，使“2”形凸轮绕轴线顺时针转动，离开固定杯内壁；外圈销轴会与第二象限和第四象限的“5”形凸轮上凹槽的外侧直线切面接触，使凸轮绕轴线逆时针转动，脱离固定杯内表面，此时销轴盘处于将要拨动凸轮运动的临界状态。

进一步的，参见图8，当输入端继续进行逆时针输入时，销轴固定盘继续带动所连接的两对自锁机构逆时针旋转10°，即相对于图6的初始状态逆时针旋转15°时候，销轴固定盘上共有四个圆柱体与两对自锁机构的4处圆形凹槽同心接触，此时为完全解锁状态，在输入端动力的推动下，销轴进入楔形凸轮预先设置好的凹槽顶端，凸轮转动一定角度并与固定杯之间完全脱离接触，完成解锁，此时弹簧长度最小。

(2)顺时针旋转解锁

参见图9，当输入端进行顺时针输入时，销轴固定盘带动所连接的两对自锁机构顺时针旋转5°，黑点为接触点，销轴盘处于将要拨动凸轮运动的临界状态。进一步的，当输入端继续进行顺时针输入时，销轴固定盘继续带动所连接的两对自锁机构顺时针旋转10°，即为相对于图6的初始状态顺时针旋转15°时候，销轴进入楔形凸轮预先设置好的凹槽顶端，凸轮转动一定角度并与固定杯之间完全脱离接触。具体状态与(1)中类似，在此不再赘述。

(3)自锁

当输出端或连接负载进行反向输入时，此时将发生锁止。弹簧压缩能够产生对凸轮的支撑力，帮助凸轮恢复到锁止状态。若输出端承受顺时针方向负载转矩时，第一象限和第三象限的楔形凸轮和固定杯发生摩擦自锁；若输出端承受逆时针方向负载转矩时，第二象限和第四象限的楔形凸轮和固定杯发生摩擦自锁。

综上，本发明基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器可实现自锁与解锁的功能，且其小型化、轻量化的特点使其特别适合用于机器人关节，如腕关节，以提供控制前臂旋转的自由度，进一步结合其他运动控制部件可实现关节的多自由度运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，其特征在于，包括固定杯(108)、销轴固定盘(101)、第一楔形凸轮、第二楔形凸轮和凸轮固定盘(107)，其中：

所述销轴固定盘(101)安装在所述固定杯(108)内部，该销轴固定盘(101)上表面设有八个突出的圆柱台，其中四个圆柱台周向设置在内圈，另外四个圆柱台周向设置在外圈；

两个所述第一楔形凸轮设置在一个对角上，两个所述第二楔形凸轮设置在另一个对角上；所述第一楔形凸轮和第二楔形凸轮均为类S形结构，第一楔形凸轮与第二楔形凸轮镜面相对设置；每个所述类S形结构中存在两个凹槽，该两个凹槽分别与一个设置在内圈的圆柱台和一个设置在外圈的圆柱台配合；左侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮之间，以及右侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮之间安装有弹簧；所述第一楔形凸轮与第二楔形凸轮旋转到一定位置时外侧会与所述固定杯(108)内壁接触；

所述类S形结构上端一体成形有连接板，该连接板上安装有凸起的微型法兰轴承，所述凸轮固定盘(107)安装在该凸起的微型法兰轴承上，该凸轮固定盘(107)作为输出端；所述销轴固定盘(101)的侧面开设有孔，用于从侧面固定输入端轴，所述固定杯(108)作为接地端通过侧面的孔与销轴固定盘(101)共同连接到输入端。

2.如权利要求1所述的基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，其特征在于，所述类S形结构上的每个凹槽均包括直线段和圆弧段，其中直线段靠近类S形结构中部，圆弧段靠近类S形结构端部。

3.如权利要求1所述的基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，其特征在于，所述弹簧为压缩螺旋弹簧(105)。

4.如权利要求3所述的基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器，其特征在于，同侧的第一楔形凸轮与第二楔形凸轮上相对设置有固定销轴(104)，所述压缩螺旋弹簧(105)两端套设在固定销轴(104)上。

5.一种基于如权利要求1-4任一项所述的基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器的装置，其特征在于，该双向自锁非后驱离合器安装在电机系统和谐波减速器系统之间，共同实现机器人关节中的旋转运动。