CN117359690A - 一种关节制动装置及机械臂 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种关节制动装置及机械臂。该装置包括制动齿盘、摩擦块、固定齿盘、电磁铁、第一弹性件和第二弹性件，其中，制动齿盘和摩擦块设置于固定齿盘和电磁铁之间，所述制动齿盘包括凹部，所述摩擦块位于所述制动齿盘的凹部；第一弹性件，设置于所述摩擦块与所述制动齿盘凹部的底壁之间，第二弹性件，设置于所述制动齿盘与所述电磁铁之间；制动时，所述电磁铁断电，所述制动齿盘失去吸附力向所述固定齿盘处移动，所述摩擦块在所述第一弹性件的弹力作用下与所述固定齿盘首先摩擦连接，所述制动齿盘在所述第二弹性件的弹力作用下与所述固定齿盘啮合。本申请通过所述装置及机械臂来实现快速制动，同时进一步减小制动带来的冲击力和噪音。

Description

一种关节制动装置及机械臂

技术领域

本申请一个或多个实施例涉及电机领域，尤其涉及一种关节制动装置及机械臂。

背景技术

随着人机协作机器人技术的不断发展，越来越多的行业开始应用智能协作机器人，这些机器人的特点是与人类高度协同作业，通过安全传感器、网络通信和决策控制等技术，实现机器人与人类的真正互动合作。这种机器人在家政服务、3C电子、汽车零部件等行业领域已经得到广泛应用，而在核能、载人航天、探月等特殊领域也有很大的应用前景。

然而，实现人机协作机器人还面临很多技术挑战。其中，机器人关节作为机械结构的重要组成部分，对于机器人的性能、可靠性和精度都有着重要的影响。尤其是在小型化的机器人中，要求关节具有更小的体积和更高的性能，包括更高的扭矩、更高的精度和更长的使用寿命等。

关节部位的制动在人机协作机器人中起着至关重要的作用，它直接影响着机器人的运动控制、精准定位以及安全性能。因此，本申请提出一种关节制动装置及机械臂以实现快速制动，同时减小制动带来的冲击力及降低噪音。

发明内容

传统的单一制动方式如摩擦制动，适用范围广但制动准确度低，制动时间长，还需要考虑散热和冷却措施，摩擦片的损耗也容易造成制动失败；齿嵌制动采用啮合原理，制动准确度高但在高速制动时，冲击力大，对整体机构破坏性大。本申请提供一种关节制动装置及机械臂，以解决相关技术中的不足。

根据本申请一个或多个实施例的第一方面，提供一种关节制动装置，所述装置包括：

制动齿盘和摩擦块设置于固定齿盘和电磁铁之间，所述制动齿盘包括凹部，所述摩擦块位于所述制动齿盘的凹部；

第一弹性件，设置于所述摩擦块与所述制动齿盘凹部的底壁之间，第二弹性件，设置于所述制动齿盘与所述电磁铁之间；

制动时，所述电磁铁断电，所述制动齿盘失去吸附力向所述固定齿盘处移动，所述摩擦块在所述第一弹性件的弹力作用下与所述固定齿盘首先摩擦连接，所述制动齿盘在所述第二弹性件的弹力作用下与所述固定齿盘啮合。

可选地，所述制动齿盘上设置有与所述固定齿盘啮合的齿纹，所述第一弹性件用于对所述摩擦块施加远离所述制动齿盘凹部的力，所述第二弹性件用于对所述制动齿盘施加远离所述电磁铁的力。

可选地，所述制动齿盘与所述摩擦块活动卡接，所述制动齿盘通过所述卡接结构带动所述摩擦块沿所述第二弹性件轴线方向远离所述电磁铁。

可选地，制动时，由于所述第二弹性件的弹力大于所述第一弹性件的弹力，所述摩擦块上表面先与所述固定齿盘底壁摩擦连接，所述第一弹性件继续被压缩，所述第一弹性件被压缩的力小于所述第二弹性件弹起的力，所述制动齿盘在所述第二弹性件弹力的带动下沿所述第二弹性件轴线方向远离所述电磁铁直至所述制动齿盘与所述固定齿盘间齿盘啮合。

可选地，所述第一弹性件为波簧。

可选地，所述第二弹性件为弹簧阵列。

可选地，所述装置还包括：

电机壳体，与所述固定齿盘固定连接；

电机轴，与所述制动齿盘和所述摩擦块活动连接，所述电机轴带动所述制动齿盘和所述摩擦块进行周向旋转。

可选地，所述电机轴与所述制动齿盘和所述摩擦块配合的部分为方轴，所述方轴通过顶丝固定在所述电机轴上，或者所述方轴通过电机轴开环槽及通过胶粘固定在所述电机轴以实现同步转动。

可选地，所述电磁铁与所述电机壳体固定连接，所述电磁铁包括滑槽，所述第二弹性件沿着所述电磁铁的滑槽转动。

根据本申请一个或多个实施例的第二方面，提供一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包含一种可选的所述关节制动装置。

应用本申请提供的实施例，通过第一弹性件将摩擦块弹起与固定齿盘摩擦连接，第二弹性件将制动齿盘弹起与固定齿盘啮合制动，将关节制动过程分为了两个阶段，减轻了高速制动带来的冲击力和噪音，同时摩擦块设置于固定齿盘的凹部使得整体结构紧凑，有利于电机整体体积的减小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一具体示例性实施例示出的一种关节制动装置结构示意图；

图2是本申请另一具体实施例示出的一种关节制动装置结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。值得说明的是，本申请中所述的结构A在结构B上/下/左/右侧，是相对于执行主体而言，只表示相对位置，并不具有一贯性，同时，顺时针方向或逆时针方向、向前或向后这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，结构A在结构B上侧也可以看作结构B在结构A上侧。

下面将结合附图详细描述本申请的实施例。

本申请实施例提供了一种关节制动装置，参见图1。如图1所示，所述关节制动装置包括：制动齿盘1、摩擦块2、固定齿盘3、电磁铁4、第一弹性件5、第二弹性件6。

在一申请实施例中，制动齿盘1和摩擦块2设置于固定齿盘3和电磁铁4之间，制动齿盘1包括凹部，摩擦块2位于制动齿盘1的凹部，制动齿盘1上设置有与固定齿盘3啮合的齿纹。制动齿盘1呈L型，摩擦块2位于L型的凹部，二者在L型凹部部分重叠配合共同构成制动组件，减少了制动关节的体积，相当于在齿嵌制动的基础上增加了摩擦块进行摩擦制动，提高制动效果的同时没有额外扩大制动组件的体积。

在一具体实施例中，制动齿盘1是磁性材料，能够在电磁铁4通电的情况下吸附在电磁铁4上，此时，第二弹性件6被压缩。电磁铁4断电时，制动齿盘1失去吸附力，第二弹性件6弹起恢复原长，向制动齿盘1施加远离电磁铁4的力。

在一申请实施例中，电磁铁4通电从而吸附制动齿盘1，使制动齿盘1、摩擦块2与固定齿盘3脱离连接，第二弹性件6被压缩。即电磁铁4通电时，吸引制动齿盘1向下压缩第二弹性件6，此时摩擦块2嵌入制动齿盘1中，被制动齿盘1向下带动，使得摩擦块2和制动齿盘1都不与固定齿盘3接触，电机轴9可以正常转动。

在一具体实施例中，电磁铁4断电从而使制动齿盘5不被吸引，第二弹性件6不被压缩，第二弹性件6带动制动齿盘1沿第二弹性件6轴线方向远离电磁铁4。即电磁铁4断电后，制动齿盘1不被吸引，第二弹性件6不被压缩，自身恢复形变，摩擦块2和制动齿盘1被第一弹性件6弹起，一块向上运动。

在一申请实施例中，第一弹性件5，设置于摩擦块2与制动齿盘1凹部的底壁之间，用于对摩擦块2施加远离制动齿盘1凹部的力；第二弹性件6，设置于制动齿盘1与电磁铁4之间，用于对制动齿盘1施加远离电磁铁4的力。双弹性件的设计能够将制动过程分段，固定齿盘在与摩擦块摩擦降速后，与制动齿盘啮合制动。即，在高速阶段，第一弹性件5对摩擦块2施加远离制动齿盘1凹部的力，摩擦块2抵接固定齿盘3进行减速；在降速过程中，第二弹性件6也在对制动齿盘1施加远离电磁铁4的力直到制动齿盘1抵接固定齿盘3，齿盘啮合完成制动。在不同的速度阶段使用不同的减速方式，高速阶段使用摩擦减速降低了冲击力，在一具体实施例中，摩擦块2上表面与固定齿盘3底壁抵接，摩擦制动实现减速，第一弹性件5被压缩，此时，第二弹性件6的向上的力大于第一弹性件6被压缩产生的向下的力，制动齿盘1在第二弹性件6的向上的力作用下继续向上运动，与固定齿盘3啮合进行一个急停制动。也就是说，制动齿盘1在速度降下来后才在第二弹性件6的作用下与固定齿盘3啮合，这时候的速度小，冲击力也小，实现了准确制动，快速止停。

在一具体实施例中，在第一弹性件5不被压缩的情况下，摩擦块2上表面与固定齿盘3底壁间的距离小于制动齿盘1上表面与固定齿盘3底壁间的距离。在另一具体实施例中，第一弹性件5被压缩的情况下，摩擦块2上表面与固定齿盘3底壁间的距离也小于制动齿盘1上表面与固定齿盘3底壁间的距离。通过将摩擦块2优先与固定齿盘3进行摩擦连接，然后通过摩擦制动进行减速，避免了在电机轴高速旋转时硬刹带来的冲击力。

在另一具体实施例中，摩擦块2上表面与固定齿盘3底壁摩擦连接，第一弹性件5被压缩，第一弹性件5被压缩的力小于第二弹性件6弹起的力，制动齿盘1在第二弹性件6的带动下沿第二弹性件6轴线方向远离电磁铁4直至制动齿盘1与固定齿盘3间齿盘啮合。制动齿盘1受到第一弹性件5被压缩产生的向下的力和第二弹性件6弹起的向上的力，通过控制二者的弹力差，确定制动齿盘1与固定齿盘3齿盘啮合的时机，以满足在有限的时间内实现较小冲击力的制动。

在另一具体实施例中，具体电机轴9在与制动齿盘1和摩擦块2配合的部分可选为方轴或者三角轴，方轴可以通过顶丝固定在电机轴上，或者通过电机轴开环槽通过胶粘固定这样实现同步转动。

图2是本申请另一具体实施例示出的一种关节制动装置结构示意图。如图2所示，在一具体实施例中，装置还包括：电机壳体8，与固定齿盘3固定连接；电机轴9，与制动齿盘1和摩擦块2活动连接，电机轴9带动制动齿盘1和摩擦块2进行周向旋转。即，电机壳体8与固定齿盘3不动，电机轴9能带动制动齿盘1、摩擦块2进行周向旋转。制动目标是固定齿盘3与摩擦块2摩擦降速后，固定齿盘3与制动齿盘1啮合，制动齿盘1被卡住不动，与制动齿盘1活动连接的电机轴9也停止旋转。在此基础上，电磁铁4可以与电机壳体8固定连接，电磁铁4包括滑槽，第二弹性件6沿着电磁铁4的滑槽转动。在另一具体实施例中，电磁铁4也可以与电机轴9固定连接，随电机轴9转动而转动，与制动齿盘1保持相对静止。

在另一具体实施例中，所述关节制动装置还包括：电机壳体8，与制动齿盘1和摩擦块2活动连接，与电磁铁4固定连接；电机轴9，与固定齿盘3固定连接，电机轴9带动固定齿盘3进行周向旋转。即，电机壳体8与制动齿盘1、摩擦块2、电磁铁4不动，电机轴9能带动固定齿盘1、摩擦块2进行周向旋转。制动目标是固定齿盘3与摩擦块2摩擦降速后，固定齿盘3与制动齿盘1啮合，固定齿盘3被卡住不动，与固定齿盘3固定连接的电机轴9也停止旋转。

在一具体实施例中，第一弹性件5具体为波簧，其设置于摩擦块2的下表面与制动齿盘1凹部的底壁之间，用于对摩擦块2施加远离制动齿盘1凹部的力。波簧的优点是优化空间，替换普通螺旋弹簧，可以将弹簧高度降低50％，紧凑型设计减小了弹簧腔体积，更加适合紧密的径向和轴向空间，协作机器人这种小型关节上更加具有优势。

在一具体实施例中，第二弹性件6具体为弹簧阵列，其设置于制动齿盘1与电磁铁4之间，用于对制动齿盘1施加远离电磁铁4的力。多个弹簧阵列在电磁铁上，电磁铁4面向制动齿盘1的平面上固定有至少3个弹簧孔，多个弹簧的合力更大，以保证在第一弹性件5接触到固定齿盘3后，第二弹性件6向上的力仍能大于第一弹性件5受压缩向下的力，制动齿盘1还可以继续向上运动。

在另一具体实施例中，第一弹性件5具体为弹簧阵列，同时，第二弹性件6具体为波簧，而其它能起到弹力作用的零件也可以作为第一弹性件5或第二弹性件6，本申请并不对此加以限制，只需要保证在第一弹性件5接触到固定齿盘3后，第二弹性件6向上的力仍能大于第一弹性件5受压缩向下的力，制动齿盘1还可以继续向上运动。

在一具体实施例中，制动齿盘1与摩擦块2活动卡接，制动齿盘1通过卡接结构带动摩擦块沿第二弹性件6轴线方向远离电磁铁4。卡接结构可以具体为S型卡槽，S型卡槽中间的中空有一定宽度以便摩擦块2与制动齿盘1之间有相对运动的空间，在摩擦块2被第一弹性件5弹起到制动齿盘1的S型卡槽与摩擦块2卡合后，制动齿盘1能通过S型卡槽直接带动摩擦块2向上运动。

与前述装置的实施例相对应，本申请实施例还提供了一种机械臂，机械臂包含上述任意一个实施例或其组合所提供的关节制动装置。所述装置包括：

制动齿盘和摩擦块设置于固定齿盘和电磁铁之间，制动齿盘包括凹部，摩擦块位于制动齿盘的凹部；第一弹性件，设置于摩擦块与制动齿盘凹部的底壁之间，第二弹性件，设置于制动齿盘与电磁铁之间；制动时，电磁铁断电，制动齿盘失去吸附力向固定齿盘处移动，摩擦块在第一弹性件的弹力作用下与固定齿盘首先摩擦连接，制动齿盘在第二弹性件的弹力作用下与固定齿盘啮合。

在一具体实施例中，制动齿盘上设置有与固定齿盘啮合的齿纹，第一弹性件用于对摩擦块施加远离制动齿盘凹部的力，第二弹性件用于对制动齿盘施加远离电磁铁的力。

在一具体实施例中，制动齿盘与摩擦块活动卡接，制动齿盘通过卡接结构带动摩擦块沿第二弹性件轴线方向远离电磁铁。

在一具体实施例中，制动齿盘与摩擦块活动卡接，制动齿盘通过卡接结构带动摩擦块沿第二弹性件轴线方向远离电磁铁。

在一具体实施例中，制动时，由于第二弹性件的弹力大于第一弹性件的弹力，摩擦块上表面先与固定齿盘底壁摩擦连接，第一弹性件继续被压缩，第一弹性件被压缩的力小于第二弹性件弹起的力，制动齿盘在第二弹性件弹力的带动下沿第二弹性件轴线方向远离电磁铁直至制动齿盘与固定齿盘间齿盘啮合。

在一具体实施例中，第一弹性件为波簧。

在另一具体实施例中，第二弹性件为弹簧阵列。

在一具体实施例中，所述关节制动装置还包括：电机壳体，与固定齿盘固定连接；电机轴，与制动齿盘和摩擦块活动连接，电机轴带动制动齿盘和摩擦块进行周向旋转。

在一具体实施例中，电磁铁与电机壳体固定连接，电磁铁包括滑槽，第二弹性件沿着电磁铁的滑槽转动。

上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种关节制动装置，其特征在于，包括：

制动齿盘(1)和摩擦块(2)设置于固定齿盘(3)和电磁铁(4)之间，所述制动齿盘(1)包括凹部，所述摩擦块(2)位于所述制动齿盘(1)的凹部；

第一弹性件(5)，设置于所述摩擦块(2)与所述制动齿盘(1)凹部的底壁之间，第二弹性件(6)，设置于所述制动齿盘(1)与所述电磁铁(4)之间；

制动时，所述电磁铁(4)断电，所述制动齿盘(1)失去吸附力向所述固定齿盘(3)处移动，所述摩擦块(2)在所述第一弹性件(5)的弹力作用下与所述固定齿盘(3)首先摩擦连接，所述制动齿盘(1)在所述第二弹性件(6)的弹力作用下与所述固定齿盘(3)啮合。

2.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，所述制动齿盘(1)上设置有与所述固定齿盘(3)啮合的齿纹，所述第一弹性件(5)用于对所述摩擦块(2)施加远离所述制动齿盘(1)凹部的力，所述第二弹性件(6)用于对所述制动齿盘(1)施加远离所述电磁铁(4)的力。

3.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，所述制动齿盘(1)与所述摩擦块(2)活动卡接，所述制动齿盘(1)通过所述卡接结构带动所述摩擦块(2)沿所述第二弹性件(6)轴线方向远离所述电磁铁(4)。

4.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，制动时，由于所述第二弹性件(6)的弹力大于所述第一弹性件(5)的弹力，所述摩擦块(2)上表面先与所述固定齿盘(3)底壁摩擦连接，所述第一弹性件(5)继续被压缩，所述第一弹性件(5)被压缩的力小于所述第二弹性件(6)弹起的力，所述制动齿盘(1)在所述第二弹性件(6)弹力的带动下沿所述第二弹性件(6)轴线方向远离所述电磁铁(4)直至所述制动齿盘(1)与所述固定齿盘(3)间齿盘啮合。

5.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，所述第一弹性件(5)为波簧。

6.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，所述第二弹性件(6)为弹簧阵列。

7.根据权利要求1所述的关节制动装置，其特征在于，所述装置还包括：

电机壳体(8)，与所述固定齿盘(3)固定连接；

电机轴(9)，与所述制动齿盘(1)和所述摩擦块(2)活动连接，所述电机轴(8)带动所述制动齿盘(1)和所述摩擦块(2)进行周向旋转。

8.根据权利要求7所述的关节制动装置，其特征在于，所述电机轴(8)与所述制动齿盘(1)和所述摩擦块(2)配合的部分为方轴，所述方轴通过顶丝固定在所述电机轴(8)上，或者所述方轴通过电机轴(8)开环槽及通过胶粘固定在所述电机轴(8)以实现同步转动。

9.根据权利要求2所述的关节制动装置，其特征在于，所述电磁铁(4)与所述电机壳体(7)固定连接，所述电磁铁(4)包括滑槽，所述第二弹性件(6)沿着所述电磁铁(4)的滑槽转动。

10.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包含如权利要求1-9中任一项所述关节制动装置。