CN104842372B - 一种仿人机器人关节过载保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿人机器人关节过载保护装置，当机器人摔倒或与外物发生碰撞时，若产生的瞬时扭矩超过力矩限制器设定的力矩大小，力矩限制器就会与关节脱开，类似于“脱臼”的现象，保护机器人精密减速机构、伺服电机等部件不被损坏。而在正常力传递情况下，关节具有高刚度，保证动作的精确性。

Description

一种仿人机器人关节过载保护装置

技术领域

本发明是涉及一种仿人机器人关节过载保护装置，属于机器人技术领域。

背景技术

目前，机器人的发展突飞猛进，尤其是服务性机器人的发展越来越受重视，如何提高机器人的环境适应能力和安全交互性一直是国内外研究的重点和难点。

机器人的关节都是由伺服电机、减速器等精密机构构成，仿人机器人应用的精密减速机构主要是谐波减速器，谐波减速器的谐波传动主要是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力，它的体积不大，而且精度很高，但由于谐波加速器是柔性元件，柔轮的使用寿命有限，而且不耐冲击且谐波减速器的造价高昂，刚性与金属件相比又比较差。从数据分析，机器人操作关节安装的谐波减速器所能够承受的最大瞬时扭矩仅为数百牛顿·米，而机器人摔倒时的瞬时冲击力可以达到数千牛顿，如果缺少必要的保护机构，那么谐波减速器有很大几率会遭到破坏。

因机器人面对的环境多种多样，其由于意外摔倒或受到冲击、碰撞也是不可避免，而机器人的关节特别需要加强保护，因此，如何实现机器人关节的过载保护变得尤为重要。

现有的关节过载保护方式存在缺陷。

中国专利CN203269387U提供了一种具有复位功能的力矩限制器，属于电气控制力矩的一种，且应用于随车起重机上，一般的电气控制若反馈慢，反应滞后，当关节受冲击时极易保护不及时，造成关节构件的损坏；

中国专利CN201410027763.5发明了一种主要通过摩擦片来限制力矩的冲击保护装置，但当关节过载时，摩擦片急剧升温，使得磨损量增大，耐磨性降低，而且摩擦时噪音大，磨损材料易生锈；

中国专利CN201420492098.2提供了一种步进式复位力矩限制器，通过在传统摩擦式力矩限制器的基础上增加自动复位功能，并使用串联的蝶形弹簧，通过调节端部螺栓改变预紧力矩大小。因为蝶形弹簧的连接位置在边缘，属于线接触，加载后，可能因力分布不均或受重力作用，导致弹性碟片错位，完全对齐较为困难。

一般的力矩限制器大多应用在重型机构中，结构复杂、尺寸大；一些应用于关节保护的精巧型力矩限制器，传动介质采用圆柱滚子圆周阵列排布，而滚子受力不垂直于侧面，使得滚子不易周向滚动，或周向滚动角度小，而导致输出端运动范围受限，且滚子易磨损。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、轻便、力矩可调、可复位的力矩限制器，能自由调节限制器的力矩大小来提高机器人在危险情况下的安全性能。

本发明采取的技术方案是：

一种力矩限制装置，包括：

输入盘，为带有通孔的圆盘，能够输入力矩；

输出盘，为带有与所述通孔对应的凹槽的圆盘，能够输出力矩；

圆锥滚子，其位于输入端和输出端之间，嵌于所述输入端的通孔和所述输出端的凹槽内，能够传导输入的力矩，亦能够限制力矩；

弹性装置，将输入的力矩转化为弹力，两端分别由一片定位挡板压紧；

限制力矩调节装置，将输出力矩控制在预保护的安全范围内，一端可调节地位于一片定位挡板的一端；另一端可调节地位于力矩限制器的中心盘一端；

当输出盘正常受力时，所述圆锥滚子能够稳定传导力矩；

当输出盘受到冲击时，所述圆锥滚子会从所述输出盘的凹槽里面滚出，输入盘便不再受到输出盘的冲击力矩。

优选地，过渡端的圆锥滚子有一圈，有6个滚子；

优选地，输出盘有复位孔，输入盘有复位销钉；

优选地，圆柱滚子被输入盘和输出盘压紧，预紧力由螺钉旋紧，对输出盘产生一个压力，这个压力通过圆锥滚子传递到输入盘，再传递给弹簧挡板，使得弹簧被压缩，产生一个弹力；

优选地，螺钉和扁螺母可调，通过调节螺钉或者扁螺母，改变预压紧力；

优选地，过渡端没有被隙，因圆锥滚子被输入端输出端压实，之间不存在空隙，使得反转无空回；

优选地，右侧弹簧挡板与圆锥滚子接触的端面外边缘有坡度，其坡度大小与圆锥滚子的锥度大小一样；

优选地，扁螺母、螺钉均为标准件，便于用久后更换；

机器人关节，包括电机、减速器以及与减速器连接的力矩限制装置。

优选地，所述减速器为谐波减速器。

通过采用以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果：当机器人摔倒或与外物发生碰撞时，若产生的瞬时扭矩超过力矩限制器设定的力矩大小，力矩限制器就会与关节脱开，类似于“脱臼”的现象，保护机器人精密减速机构、伺服电机等部件不被损坏。而在正常力传递情况下，关节具有高刚度，保证动作的精确性。

附图说明

图1是本发明的仿人机器人关节过载保护装置的结构剖视图

图2是本发明过渡端圆锥滚子排布

图3本发明某一横截面输入盘及输出盘对于圆锥滚子的连接方式

图中各附图标记的含义如下：

1-中心盘；2-超扁螺母；3-左端弹簧挡板；4-柱状弹簧；5-右端弹簧挡板/圆锥滚子压板；6-输入板；7-圆锥滚子；8-输出板；9-复位销钉；10-轴承；11-螺钉压板；12-可调螺钉；13-圆柱滚子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，一种仿人机器人关节过载保护装置，包括中心盘1，与超扁螺母2锁拧在一起，弹簧左侧挡板3、弹簧4、弹簧右侧挡板

5构成弹性装置，受两端超扁螺母2和一圈6个圆锥滚子7挤压，圆锥滚子的的排布如图2，中心盘1靠一圈4个圆柱滚子13向输入盘6传递力矩，输入盘6有一圈6个梯形限位孔，及一个复位销钉孔，输入盘6通过一圈6个圆柱滚子7将力矩传递给输出盘8，输出盘8有一圈6个梯形凹槽，及一个复位销钉槽，梯形凹槽(如图3)的梯度设计公式为(其中β为梯度，Fs为预压紧力，F为负载力的沿圆锥滚子径向的分力)，梯形凹槽的两侧面与圆锥滚子相切(如图2)，圆锥滚子的锥度设计公式为(α是锥度，b是输入盘梯形孔的下底，l是梯形孔下底距离中心的距离)，输出盘8与中心盘1之间靠轴承10连接，螺钉压板11挡住轴承10的内圈，可调螺钉12穿过螺钉压板11上紧，并通过上紧程度，调节限制力矩的大小。

在正常力传递情况下，弹簧被压缩，使得圆锥滚子7压在输出盘8的梯形凹槽内，电机带动中心盘1转动，中心盘通过圆柱滚子13将力矩传递给输入盘6，输入盘6通过圆锥滚子7将力矩传递给输出盘8。当关节过载时，输出盘8会受到特别大的负载力矩，力传递给圆锥滚子7，当这个力矩圆锥滚子7承受不了时，会从输出盘8的梯形滚槽中滚出，弹簧进一步压缩，此时，输入盘6和输出盘8脱开，输入盘6不受来自输出盘8的传递力矩，保护了伺服电机和谐波。而圆锥滚子7从输出盘8滚出后，会嵌在输入盘6内，随着输入盘6做圆周转动，此时，复位销钉9也从复位孔中脱出，只有当输出盘旋转整周后，才能使复位销钉9重新进入复位孔，或者手动复位。

Claims (7)

1.一种力矩限制装置，包括：

输入盘，为带有梯形通孔的圆盘，能够输入力矩；

中心盘，由电机带动转动，能够将力矩传递给所述输入盘；

输出盘，为带有与所述通孔对应的梯形凹槽的圆盘，能够输出力矩；所述梯形凹槽的梯度设计公式为其中β为梯度，Fs为预压紧力，F为负载力的沿圆锥滚子径向的分力；

圆锥滚子，其位于输入盘和输出盘之间，嵌于所述输入盘的梯形通孔和所述输出盘的梯形凹槽内，能够传导输入的力矩，亦能够限制力矩；所述圆锥滚子的锥度设计公式为其中α是锥度，b是输入盘梯形通孔的下底，l是梯形通孔下底距离输入盘中心的距离；

弹性装置，将输入的力矩转化为弹力，两端分别由一片定位挡板压紧；

限制力矩调节装置，将输出力矩控制在预保护的安全范围内，一端可调节地位于一片定位挡板的一端；另一端可调节地位于力矩限制装置的中心盘一端；

当输出盘正常受力时，所述圆锥滚子能够稳定传导力矩；

当输出盘受到冲击时，所述圆锥滚子会从所述输出盘的凹槽里面滚出，输入盘便不再受到输出盘的冲击力矩；

所述限制力矩调节装置包括螺钉和超扁螺母；所述超扁螺母能够将一端的定位挡板锁紧；所述圆锥滚子被所述输入盘和所述输出盘压紧，预紧力由所述螺钉旋紧，对输出盘产生一个压力，这个压力通过圆锥滚子传递到输入盘，再传递给定位挡板，使得弹性装置被压缩，产生弹力；

通过调节所述螺钉和/或所述超扁螺母，能够改变所述预紧力。

2.根据权利要求1所述的力矩限制装置，其特征在于，所述圆锥滚子沿所述输入盘的圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的力矩限制装置，其特征在于，所述输出盘设置有复位孔，所述输入盘设置有复位销钉。

4.根据权利要求1所述的力矩限制装置，其特征在于，所述圆锥滚子被所述输入盘和所述输出盘压实，之间不存在空隙，使得反转无空回。

5.根据权利要求1所述的力矩限制装置，其特征在于，与圆锥滚子接触的定位挡板的端面外边缘有坡度，其坡度大小与圆锥滚子的锥度大小一样。

6.一种机器人关节，包括电机、减速器以及与减速器连接的根据权利要求1-5中任一项所述的力矩限制装置。

7.根据权利要求6所述的机器人关节，其特征在于，所述减速器为谐波减速器。