CN117245639A - 一种具有自锁功能的机械臂、控制方法及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种具有自锁功能的机械臂、控制方法及机器人，包括：机械臂包括关节轴、制动挡盘和自锁机构，自锁机构包括驱动件和锁止件，驱动件以正向或反向转动方式驱动导向部运动，以使锁止部随着所述导向部的运动而在第一位置和第二位置之间往复移动；第一位置为解锁的位置，第二位置为锁定的位置。本发明通过驱动件在锁定和解锁后都停止运动，避免了一直通电的状态导致内部关节温度升高，会对传感器及控制/驱动电路等造成不利影响；在机械臂断电后还能借关节电机的电流完成转动锁定；且自锁机构整体体积较小，利于机械臂关节小型化。

Description

一种具有自锁功能的机械臂、控制方法及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种具有自锁功能的机械臂、控制方法及机器人。

背景技术

机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，运用于工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域。

近年来，随着机器人技术的发展，应用高速度、高精度、高负载自重比的机器人结构受到关注。机械臂在工作中需要不停的变换运动角度，但在不工作时需要锁止，现有的机械臂自锁装置，主要采用电磁铁插销式抱闸，在机械臂工作时，需要依靠电磁铁持续吸附插销，直到断电时，电磁铁消磁，插销弹出锁止关节。由于机械臂工作时，电磁铁一直处于通电状态，导致内部关节温度升高，会对传感器及控制/驱动电路等造成不利影响。并且传统电磁铁插销式抱闸需要占用相对较多的空间，影响关节的整体体积，不能达到小型化目的。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的是提供一种体积较小、适用场景多的具有自锁功能的机械臂、控制方法及机器人。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种具有自锁功能的机械臂，所述机械臂包括关节轴、制动挡盘和自锁机构，所述关节轴与所述制动挡盘连接；

所述自锁机构包括驱动件和锁止件，所述锁止件包括导向部和锁止部；

所述驱动件与所述锁止件连接，所述驱动件以正向或反向转动方式驱动所述导向部运动，以使所述锁止部随着所述导向部的运动而在第一位置和第二位置之间往复移动；

其中，所述第一位置为锁止部对所述制动挡盘解锁的位置，所述第二位置为所述锁止部对所述制动挡盘锁定的位置。

本发明的另一方面，优选地，所述锁止部包括主体部和设置在所述主体部上的第一卡接部，所述制动挡盘具有第二卡接部，所述第一卡接部与所述第二卡接部卡接配合以对所述制动挡盘锁定。

本发明的另一方面，优选地，所述机械臂还包括与所述锁止部滑动配合的容纳构件，所述容纳构件的内壁形成有至少一个导向肋，所述锁止部上形成有与所述导向肋一一对应配合的导向槽，所述导向肋的长度方向和所述导向槽的长度方向均与所述锁止部的轴线平行。

本发明的另一方面，优选地，

所述驱动件包括空杯电机，所述锁止件包括螺杆和锁止滑块；或者，

所述驱动件包括空杯电机和蜗轮，所述锁止件包括蜗杆、传动杆和锁止滑块；或者，

所述驱动件包括空杯电机和齿轮，所述锁止件包括齿条和锁止滑块，所述齿条和锁止滑块为一体或分体。

本发明的另一方面，优选地，所述自锁机构还包括限位件，所述限位件设置于所述容纳构件靠近所述驱动件的一端，所述锁止部运动到第一位置时对所述锁止部限位。

本发明的另一方面，优选地，所述制动挡盘还包括圆盘部，所述第二卡接部包括若干个突出部，所述突出部均布设置于所述圆盘部的外周壁。

本发明的另一方面，优选地，所述容纳构件设置有与所述第一卡接部相适配的凸台。

本发明的另一方面，优选地，一种具有自锁功能的机械臂的控制方法，用于控制如上所述的机械臂，所述控制方法包括：

接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

控制所述自锁机构执行锁定动作，

检测所述驱动件的工作电流；

当所述驱动件的工作电流大于或等于设定阈值时，完成锁定，停止向所述驱动件供电。

本发明的另一方面，优选地，一种具有自锁功能的机械臂的控制方法，用于控制如上所述的机械臂，所述控制方法包括：

接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

利用关节电机断电后惯性转动产生的电流对所述自锁机构供电，

控制所述自锁机构执行锁定动作，

所述锁止部移动至所述第二位置时，所述关节电机停止转动；完成锁定。

本发明的另一方面，优选地，一种机器人，所述机器人包括如上所述的机械臂。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明通过设置制动挡盘和锁止件，制动挡盘与关节轴连接，锁定时制动挡盘能快速有效的通过关节轴对机械臂锁定，自锁机构设置了驱动件和锁止件，驱动件以正向或反向转动方式驱动导向部第一位置和第二位置之间往复运动，达到解锁和锁定的目的，驱动件在锁止和解锁后都停止运动，避免了一直通电的状态导致内部关节温度升高，会对传感器及控制/驱动电路等造成不利影响；在机械臂断电后还能借关节电机的电流完成转动锁定；且自锁机构整体体积较小，利于机械臂关节小型化。

附图说明

图1是本发明一个实施例的整体结构剖视图；

图2是本发明一个实施例的机械臂径向剖视图；

图3是本发明另一个实施例的整体结构剖视图；

附图标记：

1：关节轴；2：制动挡盘；3：自锁机构；4容纳构件；2-1：圆盘部；2-2：第二卡接部；3-1：驱动件；3-2：锁止件；3-3：限位件；3-2-1：导向部；3-2-2：锁止部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

实施例一

一种具有自锁功能的机械臂，图1示出了本发明一个实施例的整体结构图，如图1所示，所述机械臂包括关节轴1、制动挡盘2和自锁机构3，所述关节轴1与所述制动挡盘2连接；

此处不限制所述机械臂的具体结构，例如可以是三轴、四轴、五轴、六轴或七轴机械臂；也不限制所述机械臂的应用场景，可以是用在医疗场景、也可以是用在工业场景也可以用在商业或服务场景；

此处也不限制关节轴1的具体结构，可以是曲轴、直轴、软轴、实心轴、空心轴、刚性轴或挠性轴，也不限制关节轴1的具体材料，可选的，可以是碳素钢也可以是合金钢等；

此处也不限制所述制动挡盘2的具体结构，可选的，可以是多层结构，也可以是单层结构，也可以是齿轮结构，也可以是鼓式结构；可选的，本实施例中，图2示出了本发明一个实施例的机械臂径向剖视图，如图2所示，所述制动挡盘2包括圆盘部2-1和第二卡接部2-2，所述第二卡接部2-2包括若干个突出部，所述突出部均布设置于所述圆盘部2-1的外周壁，此处不限制圆盘部2-1与第二卡接部2-2的具体的比例关系，也不限制第二卡接部2-2的具体结构和第二卡接部2-2的若干个突出部的具体数量，可选的，所述突出部可以是锥形、可以是矩形也可以是半圆形等；

此处也不限制所述关节轴1与所述制动挡盘2连接的具体方式和连接部位，可选的，连接部位可以是关节轴1的一端与所述制动挡盘2连接，也可以是所述制动挡盘2套设在所述关节轴1上，连接方式可以是螺接、卡接或者焊接等，此处也不限制两者之间是直接连接还是间接连接，两者之间可以有垫片或者其他零部件；

所述自锁机构3包括驱动件3-1和锁止件3-2，所述锁止件3-2包括导向部3-2-1和锁止部3-2-2；

此处不限制所述驱动件3-1的具体内容，可选的，可以包括电机，可以是单独一个电机，也可以是多个电机的组合，此处不限制电机的种类和型号，可选的，可以是直流电机、交流电机、三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等，可选的，本实施例中，电机为空杯电机，属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，是高效率的能量转换装置；

此处也不限制所述锁止件3-2的具体结构，也不限制所述导向部3-2-1和锁止部3-2-2的具体结构，导向部3-2-1作用是带动所述锁止部3-2-2运动，所述驱动件3-1与所述锁止件3-2连接，所述驱动件3-1以正向或反向转动方式驱动所述导向部3-2-1运动，以使所述锁止部3-2-2随着所述导向部3-2-1的运动而在第一位置和第二位置之间往复移动；

其中，所述第一位置为锁止部3-2-2对所述制动挡盘2解锁的位置，所述第二位置为所述锁止部3-2-2对所述制动挡盘2锁定的位置。

此处不限制所述驱动件3-1以正向转动方式驱动所述导向部3-2-1运动时是从第一位置运动到第二位置，还是从第二位置运动到第一位置，也不限制是在第一位置运动到第二位置的过程中锁定还是到达第二位置时锁定。

本实施例通过设置制动挡盘和锁止件，制动挡盘与关节轴连接，锁定时制动挡盘能快速有效的通过关节轴对机械臂锁定，自锁机构设置了驱动件和锁止件，驱动件以正向或反向转动方式驱动导向部第一位置和第二位置之间往复运动，达到解锁和锁定的目的，驱动件在锁定和解锁后都停止运动，避免了一直通电的状态导致内部关节温度升高，会对传感器及控制/驱动电路等造成不利影响；在机械臂断电后还能借关节电机的电流完成转动锁定；且自锁机构整体体积较小，利于机械臂关节小型化。

本发明的一个实施例中，进一步，所述锁止部3-2-2包括主体部和设置在所述主体部上的第一卡接部，所述制动挡盘2具有第二卡接部，所述第一卡接部与所述第二卡接部卡接配合以对所述制动挡盘2锁定。此处不限制所述第一卡接部设置在所述主体部的具体位置，也不限制两者的尺寸比例关系，可选的，所述第一卡接部可以设置在所述主体部的顶端部分，也可以设置在所述主体部中间部分，可选的，本实施例中，如图1所示，所述第一卡接部可以设置在所述主体部的顶端部分，第一卡接部设置为圆环状，套设在所述主体部的端部。将第一卡接部套设在所述主体部的顶端部分，可以提高空间利用率，减小自锁机构的整体结构，达到小型化的目的。

进一步，本实施例中，所述机械臂还包括与所述锁止部3-2-2滑动配合的容纳构件4，此处不限制所述容纳构件4的具体结构，可以是与所述锁止部3-2-2相适配的结构，也可以是不完全适配的结构，本领域技术人员能够理解，只要能够容纳所述锁止部3-2-2滑动即可。此处不限制容纳构件4设置的具体位置，也不限制所述容纳构件4与所述机械臂的连接方式，可以是一体化的，也可以是通过螺接、卡接等方式与所述机械臂连接。进一步的，所述容纳构件4设置有与所述第一卡接部相适配的凸台，用于第一卡接部运动到第二位置时，对锁止部3-2-2进行限位，防止越过第二位置继续运动。

进一步的，本实施例中，所述容纳构件4的内壁形成有至少一个导向肋，所述锁止部3-2-2上形成有与所述导向肋一一对应配合的导向槽，所述导向肋的长度方向和所述导向槽的长度方向均与所述锁止部3-2-2的轴线平行。此处不限制所述导向肋的具体结构，可选的，可以是径向截面是圆弧形状的，也可以是径向截面是三角形的，也可以径向截面是矩形的，可选的，本实施例中，所述导向肋径向截面是圆弧形状的，此处也不限制导向槽的具体结构，可以是与所述导向肋的形状相适配的，也可以是与所述导向肋的形状不相适配，但可以容纳所述导向肋的形状，可选的，本实施例中，所述导向肋与所述导向槽相适配，导向肋与导向槽可以对锁止部3-2-2的运动进行导向，防止锁止部3-2-2在运动过程中的除了轴向方向上的移动。

进一步的，本实施例中，所述驱动件3-1包括空杯电机，所述锁止件3-2包括螺杆和锁止滑块；空杯电机可以实现在达到锁定和解锁状态后，空杯电机的电流瞬间增大，可将此大电流信号作为停止信号；停止后空杯电机不通电，解决传统电磁铁插销式抱闸长时间通电导致内部关节温度升高问题，电磁铁一直处于通电状态，导致内部关节温度升高，会对传感器及控制/驱动电路等造成不利影响。

进一步的，本实施例中，利用关节的电机作为电源控制，当关节的电机突然断电后，其在惯性作用下成为发电机，产生电流足以驱动空杯电机转动，当空杯电机转动带动自锁机构转动，关节的电机电流消失，空杯电机断电停转，解决机械臂断电后无法完成转动锁定的问题，弥补缺陷。

此处不限制螺杆和锁止滑块的具体结构，可选的，锁止滑块可以是一个外轮廓可以是圆形一端封闭的结构，也可以是一个螺母形两端开口的结构，可选的，本实施例中，锁止滑块可以是一个外轮廓可以是圆柱体形一端封闭的结构，进一步的，圆柱体为空心圆柱体，空心圆柱体的内周壁设置有第一螺纹，螺杆外周壁设置有第二螺纹，第一螺纹和第二螺纹相适配，此处也不限制第一螺纹轴向尺寸，可选的，第一螺纹可以是覆盖整个空心圆柱体的内壁，也可以是覆盖空心圆柱体的内壁的一部分，覆盖空心圆柱体的内壁的一部分时，可以是偏向一端覆盖，也可是在中心覆盖，驱动件3-1带动螺杆旋转，利用第一螺纹和第二螺纹带动锁止滑块沿螺杆的轴向在第一位置和第二位置间往复运动，达到解锁和锁定的目的，结构简单，体积较小。

进一步的，本实施例中，图3示出了本发明另一个实施例的整体结构，如图3所示，所述驱动件3-1包括空杯电机和蜗轮，所述锁止件3-2包括蜗杆、传动杆和锁止滑块；蜗杆、传动杆和锁止滑块三者可以是一体成型，也可以是后期装配，蜗杆、传动杆和锁止滑块三者沿轴向方向依次连接，所述蜗杆的外周面设置有第三螺纹，所述蜗轮设置为与第三螺纹相适配的齿轮，空杯电机带动蜗轮旋转，蜗轮带动蜗杆、传动杆和锁止滑块三者一起沿轴向方向在第一位置和第二位置间往复运动，达到解锁和锁定的目的，结构简单，体积较小。

进一步的，本实施例中，所述驱动件3-1包括空杯电机和齿轮，所述锁止件3-2包括齿条和锁止滑块，所述齿条与齿轮相适配，所述齿条和锁止滑块为一体或分体；空杯电机带动齿轮旋转，齿轮通过齿条的齿带动齿条和锁止滑块一起沿轴向方向在第一位置和第二位置间往复运动，达到解锁和锁定的目的，结构简单，体积较小。

进一步，本发明一个实施例中，所述自锁机构3还包括限位件3-3，所述限位件3-3设置于所述容纳构件4靠近所述驱动件3-1的一端，所述锁止部3-2-2运动到第一位置时对所述锁止部3-2-2限位，此处不限制限位件3-3的具体结构，也不限制限位件3-3的具体位置，可选的，本实施例中，所述限位件3-3设置于所述容纳构件4靠近所述驱动件3-1的一端，所述限位件3-3的作用是防止所述导向部3-2-1在朝向驱动件3-1方向运动时脱落；此处不限制限位件3-3的具体结构，可以是一个块状结构，也可以是圆弧形结构，可以是一个单独设置，也可以是多个均布设置，可选的，本实施例中，所述限位件3-3设置在靠近机械臂内壁位置，可以达到轻量化的目的；当所述第一卡接部与所述限位件3-3抵接时为第一位置，当所述第一卡接部与所述限位件3-3远离时为第二位置。限位件的设置可以防止锁止部运动到第一位置时脱落。

实施例二

一种具有自锁功能的机械臂的控制方法，用于控制如上所述的机械臂，所述控制方法包括：

接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

控制所述自锁机构执行锁定动作，

检测所述驱动件的工作电流；进一步，在所述空杯电机运转的过程中，检测所述空杯电机的电流；

当所述驱动件的工作电流大于或等于设定阈值时，完成锁定，停止向所述驱动件供电。如果所述空杯电机的电流小于所述设定阈值，则控制所述空杯电池持续运转。此处不限制设定阈值的具体内容，

进一步，本实施例中，接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

利用关节电机断电后惯性转动产生的电流对所述自锁机构供电，控制所述自锁机构执行锁定动作，所述锁止部移动至所述第二位置时，所述关节电机停止转动；完成锁定。

本实施例能够在机械臂断电后完成转动锁定，且不需要一直处于通电状态，不会导致机械臂关节内温度过高，提高传感器及控制/驱动电路等的使用寿命和精度。

实施例三

一种机器人，所述机器人包括如上所述的机械臂。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有自锁功能的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括关节轴（1）、制动挡盘（2）和自锁机构（3），所述关节轴（1）与所述制动挡盘（2）连接；

所述自锁机构（3）包括驱动件（3-1）和锁止件（3-2），所述锁止件（3-2）包括导向部（3-2-1）和锁止部（3-2-2）；

所述驱动件（3-1）与所述锁止件（3-2）连接，所述驱动件（3-1）以正向或反向转动方式驱动所述导向部（3-2-1）运动，以使所述锁止部（3-2-2）随着所述导向部（3-2-1）的运动而在第一位置和第二位置之间往复移动；

其中，所述第一位置为锁止部（3-2-2）对所述制动挡盘（2）解锁的位置，所述第二位置为所述锁止部（3-2-2）对所述制动挡盘（2）锁定的位置。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述锁止部（3-2-2）包括主体部和设置在所述主体部上的第一卡接部，所述制动挡盘（2）具有第二卡接部，所述第一卡接部与所述第二卡接部卡接配合以对所述制动挡盘（2）锁定。

3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括与所述锁止部（3-2-2）滑动配合的容纳构件（4），所述容纳构件（4）的内壁形成有至少一个导向肋，所述锁止部（3-2-2）上形成有与所述导向肋一一对应配合的导向槽，所述导向肋的长度方向和所述导向槽的长度方向均与所述锁止部（3-2-2）的轴线平行。

4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于，

所述驱动件（3-1）包括空杯电机，所述锁止件（3-2）包括螺杆和锁止滑块；或者，

所述驱动件（3-1）包括空杯电机和蜗轮，所述锁止件（3-2）包括蜗杆、传动杆和锁止滑块；或者，

所述驱动件（3-1）包括空杯电机和齿轮，所述锁止件（3-2）包括齿条和锁止滑块，所述齿条和锁止滑块为一体或分体。

5.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述自锁机构（3）还包括限位件（3-3），所述限位件（3-3）设置于所述容纳构件（4）靠近所述驱动件（3-1）的一端，所述锁止部（3-2-2）运动到第一位置时对所述锁止部（3-2-2）限位。

6.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述制动挡盘（2）还包括圆盘部（2-1），所述第二卡接部（2-2）包括若干个突出部，所述突出部均布设置于所述圆盘部（2-1）的外周壁。

7.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述容纳构件（4）设置有与所述第一卡接部相适配的凸台。

8.一种具有自锁功能的机械臂的控制方法，用于控制如权利要求1-7任一项所述的机械臂，其特征在于，所述控制方法包括：

接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

控制所述自锁机构执行锁定动作，

检测所述驱动件的工作电流；

当所述驱动件的工作电流大于或等于设定阈值时，完成锁定，停止向所述驱动件供电。

9.一种具有自锁功能的机械臂的控制方法，用于控制如权利要求1-7任一项所述的机械臂，其特征在于，所述控制方法包括：

接收对所述机械臂进行自锁的控制信号，

利用关节电机断电后惯性转动产生的电流对所述自锁机构供电，

控制所述自锁机构执行锁定动作，

所述锁止部移动至所述第二位置时，所述关节电机停止转动；完成锁定。

10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括权利要求1-7中任一项所述的机械臂。