CN114810850B - 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

一种基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器及其应用 Download PDF

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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、销轴和楔形凸轮，其中：所述销轴固定盘安装在所述固定杯内部，并与外部动力输入系统连接；四个销轴的下端分别固定在所述销轴固定盘的四角，每个销轴上端安装有楔形凸轮；所述楔形凸轮的大头侧开设有限位槽，所述销轴在该限位槽中活动，进而销轴可带动楔形凸轮旋转，且楔形凸轮旋转到外侧一定位置时会与固定杯内壁接触；左侧的两个楔形凸轮之间以及右侧的两个楔形凸轮之间均安装有弹簧。本发明利用楔形凸轮、销轴和固定杯的配合，通过凸轮在输出端的不同工况，达到自锁与解锁的功能，实现离合器的小型化、轻量化。

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，并实现小型化，使其适用于机器人关节。
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、销轴和楔形凸轮，其中：
所述销轴固定盘安装在所述固定杯内部，并与外部动力输入系统连接；四个所述销轴的下端分别固定在所述销轴固定盘的四角，每个销轴上端安装有楔形凸轮；所述楔形凸轮的大头侧开设有限位槽，所述销轴在该限位槽中活动，进而销轴可带动所述楔形凸轮旋转，且楔形凸轮旋转到外侧一定位置时会与所述固定杯内壁接触；左侧的两个楔形凸轮之间以及右侧的两个楔形凸轮之间均安装有弹簧。
作为进一步优选的，所述弹簧为波形的平面板弹簧。
作为进一步优选的，左侧的两个楔形凸轮相对侧，以及右侧的两个楔形凸轮相对侧均开设有凹槽，波形的平面板弹簧两端安装在该凹槽中。
作为进一步优选的，所述限位槽为V形槽。
作为进一步优选的，还包括凸轮固定盘，所述楔形凸轮的上方均放置有微型法兰轴承，形成四个凸起的圆柱，所述凸轮固定盘整体安装在楔形凸轮该四个突起圆柱上。
作为进一步优选的，其分为锁定状态和活动状态；当销轴固定盘旋转，进而通过销轴带动楔形凸轮外旋时，楔形凸轮的外沿与固定杯相触碰，且由于弹簧的存在，楔形凸轮无法进一步旋转，形成锁定状态；当销轴固定盘旋转，进而通过销轴带动楔形凸轮内旋时，楔形凸轮的外沿与固定杯相远离，则销轴固定盘继续旋转，进而带动传动轴旋转，继续传动，即活动状态。
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。
作为进一步优选的，所述谐波减速器系统通过卸荷板块与机器人关节其他部件连接；所述卸荷板块包括输出轴、轴承外环座、角接触球轴承，其中，所述输出轴两端分别连接所述谐波减速器系统和机器人关节其他部件，所述轴承外环座套设在所述输出轴上，所述角接触球轴承安装在所述输出轴和轴承外环座直接，且被轴承外环座轴向固定。
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.本发明的双向自锁离合器利用楔形凸轮、销轴和固定杯的配合，通过凸轮在输出端的不同工况，达到自锁与解锁的功能，使得可对旋转自由度的方向性进行有效限制，同时又有弹性驱动器的缓冲作用。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，特别适用于腕关节。
2.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。
3.本发明采用了波形的平面板弹簧，相比于其他弹性器件，波形的平面结构可以更加稳定地实现限制及缓冲功能，且不易损坏。
4.本发明中设计的楔形凸轮的V形限位槽，当动力从输入端传入时，无论是逆时针还是顺时针，销轴都会在V形限位槽中进行一定角度(7°左右)的旋转空程，防止突然启动的冲击，且该空程经过减速器后基本可以忽略，不影响实际使用。
附图说明
图1为本发明实施例非后驱自锁动力传动板块示意图；
图2为本发明实施例基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器结构示意图；
图3为本发明实施例双向自锁非后驱离合器正面细节示意图；
图4为本发明实施例双向自锁非后驱离合器反面细节示意图；
图5为本发明实施例双向自锁非后驱离合器原理示意图，其中(a)、(b)分别表示锁定状态、活动状态(弹簧未画)；
图6为本发明实施例卸荷板块示意图；
图7为本发明实施例卸荷板块截面图。
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：接口板-101，非后驱自锁动力传动板块-5，电机系统-501，双向自锁非后驱离合器-502，固定杯-50201，凸轮固定盘-50202，楔形凸轮-50203，左凸轮-50203a，右凸轮-50203b，微型法兰轴承-50204，弹簧-50205，销轴固定盘-50206，销轴-50207，谐波减速器系统-503，电机固定架-504，卸荷板块-6，输出轴-601，轴承外环座-602，角接触球轴承-603，垫片-604。
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2至图4所示，包括固定杯50201、销轴固定盘50206、销轴50207、楔形凸轮50203和凸轮固定盘50202，其中：
所述固定杯50201为环状中空部件，销轴固定盘50206安装在固定杯50201内部；销轴固定盘50206四个角上设有四孔，四根销轴50207在该孔中用来拨动楔形凸轮50203的轴向旋转运动，即销轴50207一端与销轴固定盘50206过盈配合，同时楔形凸轮50203上开设有V形的限位槽，销轴50207另一端套设在该限位槽中。
所述楔形凸轮50203共有四个，其中一个对角线上的一对楔形凸轮为左凸轮50203a，另一对为右凸轮50203b，左凸轮50203a和右凸轮50203b对侧开设有凹槽；所述弹簧50205优选为波形的平面板弹簧，平面板弹簧的两端安装在凹槽中。两对楔形凸轮50203上方分别放置有微型法兰轴承50204，形成两对突起圆柱，凸轮固定盘50202安装在楔形凸轮50203的两对突起圆柱上，固定杯50201包围在整个双向自锁非后驱离合器502内部元件的外部。
具体的，使用时，该双向自锁非后驱离合器502中，销轴固定盘50206为输入端，凸轮固定盘50202为输出端。以下以将该双向自锁非后驱离合器应用于机器人关节时，对其运动状态进行具体说明：
机器人关节中通过非后驱自锁动力传动板块5实现关节的旋转，如图1所示，非后驱自锁动力传动板块5包括电机固定架504以及安装在电机固定架504内的电机系统501、双向自锁非后驱离合器502、谐波减速器系统503。电机系统501选取了Maxon选型好的编码器与电机，谐波减速器系统503也由Maxon选型，电机系统501和双向自锁非后驱离合器502的周围设计有四个孔，可以通过螺栓固定安装在电机固定架504上，电机固定架504的底端同样设计有四孔，由螺栓螺母固定在卸荷板块6上。
参见图6与图7，卸荷板块6中谐波减速器系统503安装在输出轴601一端，而接口板101通过垫片604安装在输出轴601另一端；接口板用于连接机器人关节中的其他部件；输出轴601周围放置了两个角接触球轴承603，其被轴承外环座602所轴向固定，角接触球轴承603可以同时承受径向负荷与轴向负荷。
如图5中(a)、(b)所示，双向自锁非后驱离合器502分为锁定状态和活动状态，当外部动力输入系统(即电机系统501)传入的旋转方向使得与输入件(即销轴固定盘50206)相连的销轴50207活动到楔形凸轮50203的外侧时，会使得楔形凸轮50203的外沿与固定杯50201相触碰，由于弹簧50205的存在，楔形凸轮50203无法进一步旋转，最终造成锁定状态；相反，当电机系统501传入的旋转方向使得与输入件相连的销轴50207活动到两对楔形凸轮50203的内侧时，会使得楔形凸轮50203的外沿与固定杯50201相远离，弹簧50205在其中起到缓冲作用，从而使得电机系统501的传动进一步通过与楔形凸轮相连的输出件(即凸轮固定盘50202)传动到谐波减速器系统503，进行后续传动控制。
进一步的，当机器人关节的运动需要精确控制时，可以增加相应的力、位、角度、加速度等传感器。
综上，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，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 (7)

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(50201)、销轴固定盘(50206)、销轴(50207)、楔形凸轮(50203)和凸轮固定盘(50202)，其中：
所述销轴固定盘(50206)安装在所述固定杯(50201)内部，并与外部动力输入系统连接；四个所述销轴(50207)的下端分别固定在所述销轴固定盘(50206)的四角，每个销轴(50207)上端安装有楔形凸轮(50203)；所述楔形凸轮(50203)的大头侧开设有限位槽，所述销轴(50207)在该限位槽中活动，进而销轴(50207)可带动所述楔形凸轮(50203)旋转，且楔形凸轮(50203)旋转到外侧一定位置时会与所述固定杯(50201)内壁接触；左侧的两个楔形凸轮之间以及右侧的两个楔形凸轮之间均安装有弹簧(50205)；
所述楔形凸轮(50203)的上方均放置有微型法兰轴承(50204)，形成四个凸起的圆柱，所述凸轮固定盘(50202)整体安装在楔形凸轮(50203)该四个凸起的圆柱上；所述销轴固定盘(50206)为输入端，凸轮固定盘(50202)为输出端。
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，所述弹簧(50205)为波形的平面板弹簧。
3.如权利要求2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，左侧的两个楔形凸轮相对侧，以及右侧的两个楔形凸轮相对侧均开设有凹槽，波形的平面板弹簧两端安装在该凹槽中。
4.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，所述限位槽为V形槽。
5.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，其特征在于，其分为锁定状态和活动状态；当销轴固定盘(50206)旋转，进而通过销轴(50207)带动楔形凸轮外旋时，楔形凸轮的外沿与固定杯(50201)相触碰，且由于弹簧(50205)的存在，楔形凸轮(50203)无法进一步旋转，形成锁定状态；当销轴固定盘(50206)旋转，进而通过销轴(50207)带动楔形凸轮内旋时，楔形凸轮的外沿与固定杯(50201)相远离，则销轴固定盘(50206)继续旋转，进而带动传动轴旋转，继续传动，即活动状态。
6.一种机器人关节，其特征在于，如权利要求1-5任一项所述的基于楔形凸轮的双向自锁非后驱离合器安装在电机系统(501)和谐波减速器系统(503)之间，共同实现机器人关节中的旋转运动。
7.如权利要求6所述的机器人关节，其特征在于，所述谐波减速器系统(503)通过卸荷板块(6)与机器人关节其他部件连接；所述卸荷板块(6)包括输出轴(601)、轴承外环座(602)、角接触球轴承(603)，其中，所述输出轴(601)两端分别连接所述谐波减速器系统(503)和机器人关节其他部件，所述轴承外环座(602)套设在所述输出轴(601)上，所述角接触球轴承(603)安装在所述输出轴(601)和轴承外环座(602)之间，且被轴承外环座(602)轴向固定。
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