运动关节锁定控制机构制造技术

本发明专利技术公开了一种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上。包括关节在内，所述运动关节锁定控制机构由关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3、关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8组成。本发明专利技术的运动关节锁定控制机构通过关节锁定销与位于前臂上的锁定槽之间的插入配合，来锁定关节前臂绕关节回转轴相对关节上臂的转动；利用丝杆导轨传动，配合锁定槽的特殊形状，实现了在任意关节转角位置对其锁定的功能。本发明专利技术可以在同等设计尺寸规模下提供远大于摩擦式离合装置所能提供的锁紧力；同时可以提供连续而不只是离散的关节转角锁定位置；同时还是一种十分节能且小巧紧凑的运动关节锁定控制机构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种运动关节锁定控制机构，尤其是用于机器人旋转运动关节的锁定与释放控制，也可用于其它运动机构的旋转运动关节的离合控制。技术背景目前，机器人技术在面对复杂多样的地球环境和人类生产生活任务时，还存在着诸多瓶颈与限制，其中不乏关于运动机构适用性的问题。这激励着人们对机器人运动模式和机构进行大胆的改进与创新，使之更加灵活，能够适应更多任务与环境，而这些新的模式与机构同样也能用于机器人之外的其它领域。可重构(Reconfigurable)的机器人机构是上世纪90年代发展起来的新技术之一，早期的可重构机器人机构研究热衷于对不同机构进行对接(docking)，后来人们发现这种做法造价高昂，控制复杂，不同对接模块的标准难以统一，能耗较高，因此实际应用严重受限；近年来，一些学者提出应用可以锁定的运动关节来实现可重构机器人的想法，并进行了相关研究。FarhadAghili等人在2009年提出一种可锁定的伸缩型运动关节来实现机器人重构[1]。其机器人设计基于宇宙空间应用背景，该关节锁定机构包括一个圆筒形的母头和一个插入其内的圆筒形公头。公头插入端为一筒形夹头，筒形夹头外径可沿径向变大或变小。利用弹簧产生的轴向弹性力使一个盘状零件压紧该筒形夹头内壁的斜面，则公头的插入端亦即筒形夹头的外径有变大的趋势，这将使公头外壁与母头内壁间产生正压力继而产生足够的摩擦力，以此锁定关节的轴向运动和旋转运动。当需要该关节运动时，可通过控制集成在关节内的一个螺线管线圈通电，使之产生电磁力，以克服前述弹簧产生的轴向压力，使得公头插入端外径恢复正常，公头与母头之间不再有正压力和摩擦力，于是公母头之间的轴向运动和转动成为可能。类似的关节锁定机构还出现在PatrickGrosch等人在2010年的研究论文中，他们利用可锁定的旋转型运动关节来实现可重构机器人[2]，该关节锁定控制机构同样是利用电磁力和摩擦力的原理，与前者不同的是该设计目的是利用可重构技术降低六杆Stewart并联机器人的作动杆数量，从而降低其机械与控制复杂性，进而降低成本和能耗等。事实上，前述类型的运动关节锁定控制机构的基本原理与普通摩擦式离合器类似，不同的是其设计考虑了机器人关节的特殊性，如需要重量轻且能被容纳在很小的空间内，或者需要在分离时同时允许两个自由度的运动发生(轴向直线运动和转动)。其缺点在于利用摩擦力产生锁紧力时，由于机构尺寸小，导致摩擦面积小，使得关节锁紧力十分有限；在运动过程中，要求对电磁线圈保持通电，以抵消摩擦机构的正压力，使得这种机构在降低能耗方面优势不大。为了加强机器人动作的灵活性，多自由度机器人乃至超冗余机器人成为近年来机器人领域的另一研究热点。诸如象鼻机器人、蛇形机器人等都属于超冗余(链式)机器人(hyper-redundantchainrobot，简称HRCR)，它们能够提供大数量的运动自由度，适应复杂的地形和生产生活环境。HRCR的机构设计是其最大的挑战，主要难点又在于设计出紧凑的关节机构，因为其关节机构必须具有高机动性和很强的承载能力以平衡自身重量并带动负载。由于HRCR的自由度很多，所需驱动器也就很多，从而导致机构笨重和控制复杂。于是，不少学者提出了旨在减少驱动器数量的新型HRCR设计并得以实现。KeJunNing和FlorentinWorgotter在前人的基础上研制出多自由度共享驱动器(减少驱动器)的HRCR方案，并在一定程度上避免了对机动性和灵活性的影响[3]。在他们的样机中，一种新型双态关节锁定(binary-statelocking)控制机构是关键一环；多个这样的关节共享同一个驱动器，并由线绳构成传动系统，该双态关节锁定控制机构事实上和常规离合器应起到的作用类似。但对于HRCR来说，现成的摩擦式或牙嵌式离合器产品在尺寸和重量上将远远超过要求，且二者均直接或间接地依靠摩擦力对关节运动进行锁定，这将使得关节的承载能力受到较大限制，其局限性正如FarhadAghili等人所提出的摩擦式关节锁定机构一样。因此他们不得不采用这种新型双态关节锁定控制机构，其在旋转运动关节的一个连接构件上固连一块带有13个小孔阵列的孔板；在另一连接构件上固连一套插销作动机构，包含一个能够插入前述小孔的销钉，和一个与销钉同轴向安装的直线型音圈电机；前述两个连接构件分别固连于关节上臂与前臂上，因此可以绕关节轴相对旋转。当音圈电机不通电时，销钉在一弹性构件的作用下插入孔板上的某一小孔，阻止了两个臂绕关节轴线的相对旋转，关节处于锁定状态；当音圈电机通电时，产生电磁吸力把销钉从小孔中拔出，两臂可绕关节轴线相对转动，该关节处于解锁状态。只需控制音圈电机的通断电即可完成对关节的双态(锁定或解锁)控制。事实上，早在2000年，ShigeoHirose的研究成果Tri-StarII机器人中[4]就已经出现了异曲同工的机构设计。不过该受控关节为直线型运动关节，且销钉孔也不存在阵列一说，而只有两个定位位置(即两个孔)。上述双态关节锁定控制机构使用了销结构完成关节锁定工作，而销结构所能提供的最大锁紧力约为销钉头部所能承受的最大剪力，这显然远远大于基于摩擦力的关节锁定装置；另一方面，由于音圈电机所需克服的只是前述弹性构件的反驱弹性力，这也比产生摩擦力所需的正压力小很多，作动距离和时间也不需要很长，所以该机构不但能够做到小巧紧凑重量轻，而且比电磁力控制的摩擦式关节锁定机构更节能。当然，其缺点也是显而易见的，该机构只能提供离散而非连续的转角(或直线)锁定位置，例如KeJunNing的双态关节锁定控制机构能够提供给转角范围为±27°的关节以4.5°的锁定分辨率，因为其孔板上一共只有13个小孔可供销钉插入。这种机构能够将锁定分辨率提高，但必将以增大关节尺寸或减小极限锁紧力为代价。除了机器人以外，运动关节的锁定控制机构在其它类型的机构中也有被使用的例子，不同的是，机器人以外的其它应用领域，对关节锁定的电控精度要求不高。专利技术专利“关节装置”(2007800094261)中，提出一种制动装置，可以使运动关节上的两个转动部件间制动或锁定，其基本原理与前述摩擦式关节锁定机构一样，只是该机构利用了螺线型弹簧同时提供正压力并产生制动摩擦力，弹簧的压紧可以靠手工提供动力。专利技术专利“具有定位锁定关节的手工具”(2003101181398)与“采用电致动关节锁定机构的外科器械”(2005100873390)中，分别提出一种运动关节的锁定装置，其锁定部分的基本原理与前述双态关节锁定控制机构类似，不同的是它们的机构都采用一齿形卡沟代替了前述的带小孔阵列的板，一操作销与齿形卡沟的其中一个齿槽对准并啮合即锁定关节于某一角度位置，销槽啮合与分离伴随着外力对工具的操作而发生，动力分别来源于人手和一种电致动功能材料。以上两类机构是目前包括机器人在内的关节锁定控制机构的主流设计原理，摩擦式锁定机构的主要缺点在于锁紧力有限，机构相对笨重和能耗较大；双态式锁定机构的主要缺点是只能提供离散而非连续的转角(或直线)锁定位置，且分辨率的提高必将以增大机构尺寸或减小极限锁紧力为代价。参考文献[1]F.AghiliandK.Parsa.＂Areconfigu本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上，一个单自由度旋转关节不失一般性地包括关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3。所述运动关节锁定控制机构包括：关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8。所述关节上臂、关节下臂并不意味着对其除关节锁定控制机构以外的具体结构或其相对于关节回转轴3的安装位置存在技术限制，而是代表本专利技术对任意一种单自由度旋转关节具有普遍适用性。关节前臂2可绕关节回转轴3的轴线，相对于关节上臂1发生旋转运动。关节锁定槽4加工布置在关节前臂2上，相对于关节回转轴3沿径向延伸，分布在与关节回转轴3垂直的平面内。丝杆6两端支承于关节上臂1上，丝杆6可绕其自身轴线在关节上臂1上转动，并由固连于关节上臂1上的丝杆驱动器8提供旋转运动的动力；导轨7与丝杆6轴线平行地布置，两端支撑于关节上臂1上。关节锁定控制块5至少包括1个运动块51、1个关节锁定销52、1个锁定销复位弹性装置53、1个锁定销驱动器54。运动块51有与丝杆6形成螺旋运动副配合的内螺纹孔511，并以此与丝杆6形成螺旋运动副配合；运动块51有与导轨7形成轴向直线运动副配合的导轨运动副512，并以此与导轨7形成直线运动副配合；运动块51在这两个运动副的限制下，可以且只能沿导轨7轴线方向作直线平移运动，且该平移运动受丝杆驱动器8的完全控制；该直线平移运动方向与关节锁定槽4所在的与关节回转轴3垂直的平面平行。关节锁定销52上端销体插入运动块51上的孔形直线运动副513并可沿其自身轴线作直线运动。通过这种运动，关节锁定销52可以插入关节锁定槽4或从其中拔出。锁定销驱动器54为关节锁定销52沿所述拔出方向的直线运动提供动力；锁定销复位弹性装置53为关节锁定销52沿所述插入方向的直线运动提供弹性回复力。...

【技术特征摘要】
1.一种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上，一个单自由度旋转关节不失一般
性地包括关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3。所述运动关节锁定控制机构包括：关节锁定槽4、关节
锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8。所述关节上臂、关节下臂并不意味着对其除关节锁定控制
机构以外的具体结构或其相对于关节回转轴3的安装位置存在技术限制，而是代表本发明对任意一种单自
由度旋转关节具有普遍适用性。关节前臂2可绕关节回转轴3的轴线，相对于关节上臂1发生旋转运动。
关节锁定槽4加工布置在关节前臂2上，相对于关节回转轴3沿径向延伸，分布在与关节回转轴3垂直的
平面内。丝杆6两端支承于关节上臂1上，丝杆6可绕其自身轴线在关节上臂1上转动，并由固连于关节
上臂1上的丝杆驱动器8提供旋转运动的动力；导轨7与丝杆6轴线平行地布置，两端支撑于关节上臂1
上。关节锁定控制块5至少包括1个运动块51、1个关节锁定销52、1个锁定销复位弹性装置53、1个锁
定销驱动器54。运动块51有与丝杆6形成螺旋运动副配合的内螺纹孔511，并以此与丝杆6形成螺旋运
动副配合；运动块51有与导轨7形成轴向直线运动副配合的导轨运动副512，并以此与导轨7形成直线运
动副配合；运动块51在这两个运动副的限制下，可以且只能沿导轨7轴线方向作直线平移运动，且该平
移运动受丝杆驱动器8的完全控制；该直线平移运动方向与关节锁定槽4所在的与关节回转轴3垂直的平
面平行。关节锁定销52上端销体插入运...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50