[發明專利]一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節

有效

• 申請號: 201610004574.5
• 申請日: 2016-01-04
• 公開（公告）號: CN105500401B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 李倩;趙永國;孫潔;劉廣亮;劉成業;程啟良
• 申請（專利權）人: 山東省科學院自動化研究所
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，涉及一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節。

背景技術

隨著現代工業和機器人技術的發展，機器人正從工廠的安全圍欄里走出來，在開放的環境下與工人并肩工作、和諧共處，共同完成任務，這對機器人的安全性提出了很高的要求。

傳統工業機器人一般采用剛性關節，利用電機和減速器等構成驅動單元，對關節進行精確的位置或速度控制。這種方式雖然運動精度高，但柔順性較差，難以適應人機協作的工作環境，當機器人與人和周圍環境發生碰撞時，容易對人或者自身造成傷害。

近年來，人們開始關注柔順或彈性關節的設計。中國專利CN102626930A具有失電制動與多種感知功能的機械臂模塊化關節和中國專利CN102218739A具有力位感知功能的機械臂模塊化關節都是采用力矩感知和主動柔順控制的方法提高關節柔性，它們通過電機和減速器驅動關節運動，利用力矩傳感器測量關節輸出力矩，實現高精度的力控制和與環境的穩定接觸，但是高昂的力/力矩傳感器和復雜的力/位控制算法限制了這種方式的廣泛應用；中國專利CN1275470A機器人控制設備，根據工作坐標系中的力與力矩的設定值來限制驅動關節的伺服電動機的生成力矩，在有外力施加與其上時可以靈活地跟隨外力動作，利用這種設備控制機器人關節，可以提高關節柔性，但不具備本質安全性。

通過在關節上附加彈簧等彈性部件，使其具有被動柔順性，可以提高關節的柔性，且結構簡單、成本低廉，具有本質安全性。中國專利CN102152319A彈性驅動轉動關節，采用蝸輪蝸桿傳動，在蝸桿上附加壓縮彈簧使關節具有緩沖功能，通過墊片調節彈簧的預緊力，可以改變系統的剛度，但為了實現雙向柔順，在蝸桿兩側均安裝壓縮彈簧，增加了結構復雜度；中國專利CN102632508A一種適用于機器人關節的平面扭簧，可以嵌入至機器人關節中，解決機器人與人和環境安全交互的問題，而且比傳統彈簧更節省空間；中國專利CN102632509A具有力反饋控制的彈性驅動模塊化關節利用這種平面扭簧和角度傳感器組成了力信號檢測裝置，可以提供可靠地力矩反饋信號，可變形彈性扭簧又使關節具有柔順和儲能的機制。這種關節通過一個平面扭簧實現了雙向柔順，但彈簧不能加載預緊力，系統剛度不可調；中國專利CN102744731A一體化旋轉關節和確定一體化旋轉關節零位的方法，利用圓周方向均布的彈簧和增量式編碼器實現了力矩的傳遞及測量，關節雖然具有柔性和力感知功能，但結構復雜，彈簧預緊力不可調；中國專利CN101973037可調剛度彈性的被動機器人關節，通過小功率電機調節平面非接觸渦卷彈簧的有效工作長度，進行剛度的調節，但只能實現關節單向的柔順。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節，具備被動柔性、雙向剛度可調、具有雙向轉矩限制功能。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種具有轉矩限制功能的柔順轉動關節，包括關節驅動裝置和轉矩限制裝置，所述轉矩限制裝置包括軸承基座，所述軸承基座內套有轉動盤，轉動盤輸入轉矩端與轉矩輸入法蘭的輸出轉矩端固定連接，所述轉矩輸入法蘭與關節驅動裝置連接；所述轉矩輸入法蘭相對軸承基座轉動，所述軸承基座內側壁上固定限位開關，所述轉動盤上設有若干擋塊，在轉矩輸入法蘭帶動轉動盤轉動而擋塊碰觸到限位開關時，關節停止運作。

所述關節驅動裝置包括關節基座，所述關節基座的一側與電機固定，關節基座的另一側與減速器固定連接；所述電機的輸出軸與減速器的輸入端連接，所述減速器的輸出軸與轉矩輸入法蘭的輸入轉矩端固定連接。

所述轉矩輸入法蘭的凸臺上設有關節軸承，轉矩輸入法蘭的外側與軸承蓋相配合，軸承蓋給關節軸承以支撐力。

所述軸承蓋與軸承基座下部相連接，限制關節軸承的相對位置。

所述軸承基座包括環柱型底座，所述環柱型底座上固定半環柱型側壁；所述半環柱型側壁的內側固定限位開關。

所述轉動盤包括底圓盤，所述底圓盤上部固定有若干個擋塊；當轉矩過大時，限位開關與擋塊碰觸關節即可停止運作。

優選的，所述擋塊數量為兩個及以上，底圓盤上對應于限位開關的一側至少設置一個擋塊，底圓盤上對應于限位開關的另一側至少設置一個擋塊，擋塊遠離限位開關的一側與轉矩閾值設定裝置相接觸配合，轉矩閾值設定裝置可調節設定關節轉矩閾值，在關節轉矩發生變化時擋塊轉動迫使轉矩閾值設定裝置移動，關節轉矩平穩后轉矩閾值設定裝置帶動擋塊恢復至初始狀態；對關節兩個方向的轉矩進行限制。