CN210061197U - 一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构，包括：转动结构，其包括外圈和内圈，设置于外圈和内圈之间的转动支撑结构；阻尼结构，其连接所述外圈和内圈，用于提供外圈和内圈相对转动的阻尼力；检测装置，其用于检测所述外圈和内圈相对转动量。本实用新型可应用于机器人的关节、机械臂、人形机器人等场景，本实用新型的一种具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构具有结构简单、精度高、承载力大、通用性强、易安装和成本低的优点。

Description

一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构，可应用于机器人的关节、机械臂、人形机器人等场景。

背景技术

随着机器人技术的不断发展和应用普及，越来越多的机器人进入到与人共存环境中，为人类提供多样化的服务，人机安全就成为不容忽视的问题。

目前存在的安全包括主动安全和被动安全，主动式安全主要是通过传感器和控制元件之间的配合实现在碰撞过程中的安全，其存在响应速度较低，制作成本高等问题；被动式安全主要通过弹簧等机械结构工作实现在碰撞过程中的安全，其可通过弹簧实现能量的吸收，响应及时。

实用新型名称为“一种被动式顺应性阻抗机构及机械臂”，专利号为CN103600358A的发明专利中公开了一种阻抗机构，该阻抗机构为常见的被动安全阻抗机构，其主要通过在两个弹簧的压缩实现机构顺时针和逆时针旋转运动过程中阻抗功能。该机构虽然实现了被动安全，但存在机构尺寸大、结构复杂、无检测反馈功能的问题。

发明内容

随着机器人技术的不断发展和应用普及，越来越多的机器人进入到与人共存环境中，为人类提供多样化的服务，人机安全就成为不容忽视的问题。本实用新型针对现有阻抗机构的设计缺点，提出一种具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构，具有尺寸小、安装方便、具有检测与反馈功能的特点。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构，包括：转动结构，其包括外圈和内圈，设置于外圈和内圈之间的转动支撑结构；阻尼结构，其连接所述外圈和内圈，用于提供外圈和内圈相对转动的阻尼力；检测装置，其用于检测所述外圈和内圈相对转动量。

进一步的，所述转动结构为轴承，所述轴承为交叉滚子轴承或四点轴承，还包括滚子和滚子挡块，所述轴承作为所述阻抗机构的基体。

进一步的，所述阻尼结构为弹性装置，所述弹性装置由具有弹性性能的材料制成，可在外力的作用下发生变形并产生恢复弹性力，进而实现所述阻抗机构的阻尼作用。

进一步的，所述检测装置由角度传感器、传感器电路板和电路板法兰组成，检测所述阻抗机构输入与输出的相对转动量。

进一步的，所述外圈的内壁设置有第一环槽，所述内圈外壁设置有第二环槽，所述第一环槽与所述第二环槽形成组合环槽。

进一步的，沿外圈圆周的轴向方向设置有第一通孔，所述第一通孔作为阻抗机构的安装孔，通过螺钉与外部结构的连接，所述外圈作为阻抗机构的输入或输出部分，在外圈的轴向方向的两端面还设置有第一螺纹孔，所述两端面上的第一螺纹孔分别作为电路板法兰和阻尼结构的外环安装孔。

进一步的，所述第一环槽与所述第二环槽均为V型环槽，两个V型环槽形成的组合环槽为矩形环槽。

进一步的，所述滚子挡块作为滚子装入所述矩形环槽的安装孔密封件。

进一步的，所述内圈圆周的轴向方向设置有第二螺纹孔，所述的第二螺纹孔作为弹性装置的内环安装孔和与外部结构的连接孔，所述内圈作为阻抗结构的输出或输入部分。

进一步的，所述弹性装置为扭转弹簧，主要由外环、内环和连接结构组成，所述连接结构连接外环和内环。外环和内环分别固定安装在所述轴承的外圈和内圈上，当阻抗机构的输入与输出发生相对转动时，所述弹性装置的外环和内环也随之发生相对转动，连接在外环和内环上的连接结构发生变形，在变形同时产生恢复的弹性力，实现本实用新型的阻尼作用。

进一步的，所述连接结构可为直线、曲线等多种结构，本实用新型以波浪结构为例，可变形产生弹性力。

进一步的，所述角度传感器为一种圆形码盘，可直接或间接安装在所述轴承内圈上。

进一步的，所述传感器电路板通过电路板法兰安装在所述轴承上，所述角度传感器与传感器电路板分别与阻抗机构的输入与输出连接，在外力作用下，输入与输出发生相对转动时，通过两者配合将转动量进行采集，检测输入与输出的相对转动量，可将检测结果反馈给控制系统，进而可计算相应的阻抗力。

本实用新型的优点和积极效果在于：

(1)结构简单、尺寸小：本实用新型设计的安全阻抗机构将轴承直接作为输入与输出主要连接件，比传统设计减少了结构数量、降低结构厚度，使得阻抗机构更简单，尺寸更小；

(2)一体化设计，提高精度：本实用新型设计的安全阻抗机构将反馈与阻尼一体化设计，比传统的被动式阻抗机构增加检测与反馈功能，将阻抗机构的扭转变形情况直接检测后反馈给控制系统，提高控制精度。

(3)承载大：本实用新型直接采用交叉滚子轴承或四点轴承作为主要承载结构，在满足阻尼结构连接的同时增加承载能力。

(4)通用性强：本实用新型设计的安全阻抗机构可作为独立功能体进行使用，可通过调整弹性装置的连接结构的尺寸和数量即可实现对输出扭力的调整，而不改变本实用新型的外形结构尺寸。

(5)安装方便：本实用新型输入和输出均为端面安装，同时本实用新型设置为中空结构，进一步改善安装性和通用性；

(6)成本低：本实用新型结构简单，所有结构主要为回转体结构，相对于传统结构数量大大减少，整体降低了加工难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构在第一视角中的结构示意图；

图2为本实用新型的具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构在第二视角中的结构示意图；

图3为本实用新型的具有反馈与阻尼的被动式安全阻抗机构的剖面图。

图中：1-外圈；2-内圈；3-滚子；4-弹性装置；5-角度传感器；6-传感器电路板；7-电路板法兰；8-滚子挡块；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2所示，本实用新型提供的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，包括：转动结构，其包括外圈1和内圈2，设置于外圈1和内圈2之间的转动支撑结构；阻尼结构，其连接所述外圈1和内圈2，用于提供外圈1和内圈2相对转动的阻尼力；检测装置，其用于检测所述外圈1和内圈2相对转动量。

所述转动结构为轴承，所述轴承为交叉滚子轴承或四点轴承，作为本实用新型的主体连接与支撑结构，其还包括滚子3和滚子挡块8。

所述阻尼结构为弹性装置4，所述弹性装置由具有弹性性能的材料制成，可在外力的作用下发生变形并产生恢复弹性力，进而实现所述阻抗机构的阻尼作用。

所述检测装置，主要包括角度传感器5、传感器电路板6和电路板法兰7。

所述外圈1的内壁设置有第一环槽，所述内圈2外壁设置有第二环槽，所述第一环槽与所述第二环槽形成组合环槽；进一步作为优选的实施例，所述第一环槽与所述第二环槽均为V型环槽，两个V型环槽形成的组合环槽为矩形环槽。

沿外圈1圆周的轴向方向设置有第一通孔，所述第一通孔作为阻抗机构的安装孔，通过螺钉等标准件实现与外部结构的连接，所述外圈1作为阻抗机构的输入或输出部分。

在外圈1的轴向方向的两端面还设置有第一螺纹孔，所述两端面上的第一螺纹孔分别作为电路板法兰和阻尼结构的外环安装孔。

在内圈2的轴向方向上沿圆周设置有第二螺纹孔，作为弹性装置4的内环安装孔，以及作为阻抗机构的安装孔，通过螺钉等标准件实现与外部结构的连接，整体作为本实用新型的输出或输入部分。进一步的，进一步作为优选的实施例，所述内圈2内部设置有两个台阶面，所述第二螺纹孔设置在外侧台阶面上，内侧台阶面作为所述角度传感器5的定位安装面。

若干所述滚子3安装在所述矩形环槽中，进一步，若干所述滚子在矩形环槽内均匀分布。滚子挡块作为滚子装入所述环槽的安装孔密封件，更进一步的，所述滚子挡块既可安装在所述轴承的外圈、也可安装在所述轴承的内圈。

所述弹性装置4，具有弹簧特性，具体为一种扭转弹簧，主要由外环、内环和连接结构组成，所述连接结构连接外环和内环。外环和内环分别固定安装在所述轴承的外圈1和内圈2上。进一步的，所述外环沿圆周的轴向方向设置有第三通孔，第三通孔与所述外圈1的第一通孔和第一螺纹孔相对应，通过与第一通孔相对应的第三通孔，实现阻抗机构与外部结构的连接安装；通过与第一螺纹孔相对应的第三通孔实现外环与所述外圈1的固定连接。所述内环沿圆周的轴向方向设置有第四通孔，第四通孔与所述内圈2的第二螺纹孔相对应，满足所述内环与所述内圈2的连接及阻尼机构与外部结构的连接安装。

当阻抗机构的输入与输出发生相对转动(即所述外圈1与内圈2发生相对转动)时，与外圈1与内圈2连接的所述弹性装置4的外环和内环也发生相对转动，在外环和内环之间的弹性装置4在转动作用下发生变形，在变形同时产生恢复的弹性力，实现本实用新型的阻尼作用。进一步的，可通过改变弹性装置4的连接结构、尺寸和数量实现不同大小阻抗力的输出。

进一步作为优选的实施例，所述角度传感器5为一种圆形码盘，可直接粘接或间接的安装在所述轴承内圈2上。进一步的，所述角度传感器5不限于安装在内圈2上，也可直接或间接安装在弹性装置4上，满足角度传感器5与传感器电路板6分别安装在输入与输出部分即可。

所述传感器电路板6通过电路板法兰7安装在所述轴承上。进一步的，所述的电路板法兰7沿圆周的轴向方向设置有第五通孔，第五通孔与所述外圈1的第一通孔和第一螺纹孔相对应，通过与第一通孔相对应的第五通孔，实现阻抗机构与外部结构的连接安装；通过与第一螺纹孔相对应的第五通孔实现电路板法兰7与所述外圈1的固定连接。进一步的，作为优选的实施例，在所述电路板法兰7中心设置圆环台阶面，作为传感器电路板6的安装平面。

所述角度传感器5与传感器电路板6分别与阻抗机构的输入与输出连接，在外力作用下，输入与输出发生相对转动时，通过两者配合可实时检测输入与输出的相对转动量，并可将检测结果反馈给控制系统。

所述电路板法兰7中心开设有第六通孔，所述第六通孔作为穿线孔，进一步的可设置缓冲结构，对穿线进行限位和保护。

工作原理：本实用新型在外力作用下，输入与输出发生相对转动，连接在轴承外圈1和内圈2上的弹性装置4在此作用力下发生弹性变形，通过分别与输入和输出连接的角度传感器5和传感器电路板6检测输入与输出的相对转动量，即可检测弹性装置4的变形力，可将检测结果反馈给控制系统，实现对阻抗机构的监测。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各块技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：包括：轴承，其包括外圈和内圈；弹性装置，其连接所述外圈和内圈，用于提供阻尼力；检测装置，其用于检测所述外圈和内圈相对转动量。

2.如权利要求1所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述轴承为交叉滚子轴承或四点轴承，还包括滚子和滚子挡块，所述轴承作为所述阻抗机构的基体。

3.如权利要求2所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述弹性装置由具有弹性性能的材料制成，可在外力的作用下发生变形并产生恢复弹性力，并实现所述阻抗机构的阻尼。

4.如权利要求1所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述检测装置由角度传感器、传感器电路板和电路板法兰组成，检测所述阻抗机构输入与输出的相对转动量。

5.如权利要求2所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述外圈的内壁设置有第一环槽，所述内圈外壁设置有第二环槽，所述第一环槽与所述第二环槽形成组合环槽。

6.如权利要求5所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：沿外圈圆周的轴向方向设置有第一通孔，所述第一通孔作为阻抗机构的安装孔，通过螺钉与外部结构的连接，所述外圈作为阻抗机构的输入或输出部分，在外圈的轴向方向的两端面还设置有第一螺纹孔，所述两端面上的第一螺纹孔分别作为电路板法兰和弹性装置的外环安装孔。

7.如权利要求6所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述第一环槽与所述第二环槽均为V型环槽，两个V型环槽形成的组合环槽为矩形环槽。

8.如权利要求3所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述滚子挡块作为滚子装入环槽的安装孔密封件,所述弹性装置为扭转弹簧，主要由外环、内环和连接结构组成，所述连接结构连接外环和内环，外环和内环分别固定安装在所述轴承的外圈和内圈上，当阻抗机构的输入与输出发生相对转动时，所述弹性装置的外环和内环也随之发生相对转动，连接在外环和内环上的连接结构发生变形，在变形同时产生恢复的弹性力，实现阻抗机构的阻尼作用。

9.如权利要求4所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述角度传感器为圆形码盘，可直接或间接安装在所述轴承内圈上，所述角度传感器与传感器电路板分别安装在阻抗机构的输入与输出结构上。

10.如权利要求4所述的一种具有反馈和阻尼的被动式安全阻抗机构，其特征在于：所述传感器电路板通过电路板法兰安装在所述轴承上，所述角度传感器与传感器电路板分别与阻抗机构的输入与输出连接，在外力作用下，输入与输出发生相对转动时，通过两者配合将转动量进行采集，检测输入与输出的相对转动量，并将检测结果反馈给控制系统，进而可计算相应的阻抗力。

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