[发明专利]一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节。

背景技术

随着现代工业和机器人技术的发展，机器人正从工厂的安全围栏里走出来，在开放的环境下与工人并肩工作、和谐共处，共同完成任务，这对机器人的安全性提出了很高的要求。

传统工业机器人一般采用刚性关节，利用电机和减速器等构成驱动单元，对关节进行精确的位置或速度控制。这种方式虽然运动精度高，但柔顺性较差，难以适应人机协作的工作环境，当机器人与人和周围环境发生碰撞时，容易对人或者自身造成伤害。

近年来，人们开始关注柔顺或弹性关节的设计。中国专利CN102626930A具有失电制动与多种感知功能的机械臂模块化关节和中国专利CN102218739A具有力位感知功能的机械臂模块化关节都是采用力矩感知和主动柔顺控制的方法提高关节柔性，它们通过电机和减速器驱动关节运动，利用力矩传感器测量关节输出力矩，实现高精度的力控制和与环境的稳定接触，但是高昂的力/力矩传感器和复杂的力/位控制算法限制了这种方式的广泛应用；中国专利CN1275470A机器人控制设备，根据工作坐标系中的力与力矩的设定值来限制驱动关节的伺服电动机的生成力矩，在有外力施加与其上时可以灵活地跟随外力动作，利用这种设备控制机器人关节，可以提高关节柔性，但不具备本质安全性。

通过在关节上附加弹簧等弹性部件，使其具有被动柔顺性，可以提高关节的柔性，且结构简单、成本低廉，具有本质安全性。中国专利CN102152319A弹性驱动转动关节，采用蜗轮蜗杆传动，在蜗杆上附加压缩弹簧使关节具有缓冲功能，通过垫片调节弹簧的预紧力，可以改变系统的刚度，但为了实现双向柔顺，在蜗杆两侧均安装压缩弹簧，增加了结构复杂度；中国专利CN102632508A一种适用于机器人关节的平面扭簧，可以嵌入至机器人关节中，解决机器人与人和环境安全交互的问题，而且比传统弹簧更节省空间；中国专利CN102632509A具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节利用这种平面扭簧和角度传感器组成了力信号检测装置，可以提供可靠地力矩反馈信号，可变形弹性扭簧又使关节具有柔顺和储能的机制。这种关节通过一个平面扭簧实现了双向柔顺，但弹簧不能加载预紧力，系统刚度不可调；中国专利CN102744731A一体化旋转关节和确定一体化旋转关节零位的方法，利用圆周方向均布的弹簧和增量式编码器实现了力矩的传递及测量，关节虽然具有柔性和力感知功能，但结构复杂，弹簧预紧力不可调；中国专利CN101973037可调刚度弹性的被动机器人关节，通过小功率电机调节平面非接触涡卷弹簧的有效工作长度，进行刚度的调节，但只能实现关节单向的柔顺。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，具备被动柔性、双向刚度可调、具有双向转矩限制功能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有转矩限制功能的柔顺转动关节，包括关节驱动装置和转矩限制装置，所述转矩限制装置包括轴承基座，所述轴承基座内套有转动盘，转动盘输入转矩端与转矩输入法兰的输出转矩端固定连接，所述转矩输入法兰与关节驱动装置连接；所述转矩输入法兰相对轴承基座转动，所述轴承基座内侧壁上固定限位开关，所述转动盘上设有若干挡块，在转矩输入法兰带动转动盘转动而挡块碰触到限位开关时，关节停止运作。

所述关节驱动装置包括关节基座，所述关节基座的一侧与电机固定，关节基座的另一侧与减速器固定连接；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出轴与转矩输入法兰的输入转矩端固定连接。

所述转矩输入法兰的凸台上设有关节轴承，转矩输入法兰的外侧与轴承盖相配合，轴承盖给关节轴承以支撑力。

所述轴承盖与轴承基座下部相连接，限制关节轴承的相对位置。

所述轴承基座包括环柱型底座，所述环柱型底座上固定半环柱型侧壁；所述半环柱型侧壁的内侧固定限位开关。

所述转动盘包括底圆盘，所述底圆盘上部固定有若干个挡块；当转矩过大时，限位开关与挡块碰触关节即可停止运作。

优选的，所述挡块数量为两个及以上，底圆盘上对应于限位开关的一侧至少设置一个挡块，底圆盘上对应于限位开关的另一侧至少设置一个挡块，挡块远离限位开关的一侧与转矩阈值设定装置相接触配合，转矩阈值设定装置可调节设定关节转矩阈值，在关节转矩发生变化时挡块转动迫使转矩阈值设定装置移动，关节转矩平稳后转矩阈值设定装置带动挡块恢复至初始状态；对关节两个方向的转矩进行限制。