一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于变刚度原理的机器人安全关节装置，主要用来在机器人出现过载等突发事故中对人及机器进行保护。安全关节主要包括转动模块、支撑架、弹性体模块、导向模块、基座模块五部分。本发明专利技术将变刚度机构与机器人关节的概念结合，具有刚柔耦合的效果，通过对凸轮廓线的设计获得良好的受力边界条件，使安全关节具有更高的刚度阈值控制精度以及运行稳定性，采用新型的可加工弹簧，保证了更精准的刚度、更高的强度及更好的稳定性，同时便于整体结构的小型化。结构的小型化。结构的小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置
[0001]
：本专利技术属于精密传动
，涉及一种机构安全保护装置，具体来说，是一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置。
[0002]技术背景：随着工业进程的发展，机器人被大量的使用。目前大多数机械臂采用刚性关节连接以保证其定位精度，但随着机器人趋向于服务化及人机交互的普遍性，在操作失误、人机误碰等状态下刚性安全关节存在着极大风险，其在过载等突发事故中对人及环境的安全保护能力也逐渐进入设计者考虑的范畴。变刚度安全关节是在机器人正常工作状态下，关节呈现刚性状态；一旦出现上述风险状况，关节刚度迅速变为零，以保护人和机器的安全。因此，应设计一种高可靠性、高精度的变刚度安全关节，以满足人
‑
机
‑
环境交互的新的需求。
[0003]相比于主动式变刚度安全关节，被动式安全关节采用纯机械结构，具有尺寸紧凑、可靠性高、制造及维护成本低等优点，因此具有广阔的应用前景。

技术实现思路
：
[0004](1)要解决的技术问题
[0005]本专利技术通过将弹性体与凸轮机构的结合应用，提出一种兼具高精度与高可靠性的回转式变刚度安全关节，使其用于精密仪器、工业机器人等传动结构。
[0006](2)技术方案
[0007]本专利技术提供了一种变刚度安全关节的设计，即关节在正常工作状态下呈现刚性状态，在危险状态下刚度迅速响应至零，利用凸轮装置，将直线型的弹簧回复力转化为扭转型的关节扭矩，利用凸轮机构休止特性实现关节刚度迅速变化的目标。
[0008]可选地，根据关节尺寸和刚度阈值确定弹簧尺寸及材料，并根据凸轮曲线的设计确定其轮廓尺寸。
[0009]可选地，在固定端及转动端支架上设计安装孔，以不影响各刚体相对位置为前提条件，同时保证不会干涉关节转动。
[0010](3)本专利技术的优点
[0011]变刚度安全关节是将变刚度机构与机器人关节的概念结合，具有刚柔耦合的效果；
[0012]通过对凸轮廓线的设计获得良好的受力边界条件，使安全关节具有更高的刚度阈值控制精度以及运行稳定性；
[0013]采用新型的可加工弹簧，保证了更精准的刚度、更高的强度及更好的稳定性，同时便于整体结构的小型化。
附图说明：
[0014]图1为基于变刚度原理的安全关节工作原理图
[0015]图2为本专利技术基于变刚度原理的安全关节爆炸结构示意图
[0016]图3为转动模块爆炸结构示意图
[0017]图4为支撑架结构示意图
[0018]图5为弹性体模块爆炸结构示意图
[0019]图6为可加工弹簧独立单元的结构图
[0020]图7为导向模块爆炸结构示意图
[0021]图8a为基座模块爆炸结构示意图
[0022]图8b为基座结构示意图
[0023]图9安全关节刚性与零刚度状态下滚子与转动盖关系示意图
[0024]图中：
[0025]1‑
转动模块 11
‑
轴向位移限制螺栓 12
‑
轴向位移限制垫片
[0026]13
‑
轴承 14
‑
转动盖 14a
‑
转动盖连接螺纹孔
[0027]2‑
支撑架 21
‑
支撑架轴 2a
‑
轴向位移限制用螺纹孔
[0028]2b
‑
支撑架固定螺纹孔 3
‑
弹性体模块 31
‑
滚子
[0029]32
‑
可加工弹簧 32a
‑
滚子固定连接孔 32b
‑
可加工弹簧固定孔
[0030]33
‑
可加工弹簧固定螺栓 4
‑
导向模块 41
‑
滑块转接头固定螺栓
[0031]42
‑
滑块转接头 42a
‑
滚子固定螺纹孔 42b
‑
滑块转接头固定孔
[0032]43
‑
滑块 43a
‑
滑块转接头固定螺纹孔 44
‑
导轨固定螺栓
[0033]45
‑
导轨 45a
‑
导轨固定孔 5
‑
基座模块
[0034]51
‑
基座 51a
‑
导轨固定螺纹孔 51b
‑
支撑架固定孔
[0035]51c
‑
可加工弹簧固定螺纹孔51d
‑
基座固定孔 52
‑
支撑架固定螺栓
[0036]t1
‑
刚性状态滚子与转动盖位 t2
‑
零刚度状态滚子与转动盖 l
‑
梁长
[0037]置关系 位置关系
[0038]h
‑
梁厚 m
‑
可加工弹簧厚度
具体实施方式：
[0039]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0040](一)基于变刚度原理的安全关节的原理介绍
[0041]如图1所示，其中
[0042]T——外扭矩；
[0043]F
e
——转动盖(14)对滚子(31)的反作用力；
[0044]F
s
——可加工弹簧(32)的弹力
[0045]α——倾斜角；
[0046]O——安全关节的转动中心；
[0047]B——转动盖(14)与滚子(31)的中心距；
[0048]b——F
e
对转动中心的力臂。
[0049]在安全关节实现变刚度的过程中可以将其看成是一系列的平衡状态。在每个平衡状态下都会有一个倾斜角α和安全关节中心与滚子(31)的中心距B。正是通过α和B的变化，保持在刚度突变的过程中安全关节反应出的扭矩保持不变。经过计算推导可以得到输入扭矩与可加工弹簧(32)弹力、安全关节与滚子(31)中心距以及平面接触角α的关系：
[0050][0051]上式中K为可加工弹簧(32)的刚度，e为可加工弹簧(32)的压缩量。
[0052]其中与弹簧弹力是变刚度的关键。弹簧弹力的大小取决于外部扭矩，这是由意外碰撞以及有效载荷产生的。安全关节是否起刚性连接作用取决于在关节上施加的外部扭矩。当外扭矩小于等于预设扭矩时，该安全关节将不会发生相对转动运动，此时安全关节处于刚性；当外扭矩大于预设扭矩时，该安全关节可发生相对转动运动，此时安全关节处于零刚度。
[0053](二)整体结构介绍
[0054]本专利技术公开了一种基于变刚度原理的机器人安全关节，如图2所示，在结构方面，其组成模块有：转动模块(1)、支撑架(2)、弹性体模块(3)、导向模块(4)、基座模块(5)。安全关节整体为回转式结构，在未受到外部载荷或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变刚度原理的安全关节，其特征在包括：在结构方面，其组成模块有：转动模块(1)、支撑架(2)、弹性体模块(3)、导向模块(4)、基座模块(5)。定义安全关节转动轴方向为Z轴，弹簧压缩方向为
‑
Y轴，则与YZ平面垂直的轴为X轴，即构成空间坐标系XYZ。转动模块(1)包括轴向位移限制螺栓(11)、轴向位移限制垫片(12)、轴承(13)和转动盖(14)。其中转动盖(14)和轴承(13)采用过盈配合的方式同心装配；轴向位移限制螺栓(11)和轴向位移限制垫片(12)的作用是限制转动盖(14)和轴承(13)发生轴向运动。转动盖连接孔(14a)是安全关节与外部部件连接的接口，其尺寸、位置、数量可根据连接部件的具体形状、尺寸、作用方式等在转动盖(14)的尺寸范围内任意调整。支撑架(2)为一体成型件，用于转动模块(1)和基座模块(5)的连接。支撑架(2)的轴与转动模块(1)中的轴承(13)尺寸相同，同心配合，用来连接转动模块(1)；支撑架固定螺纹孔(2b)与基座模块(5)中的支撑架固定螺栓(52)之间采用螺纹配合，用来连接基座模块(5)。其形状、尺寸可根据安全关节的整体尺寸以及转动模块(1)和基座模块(5)做调整。轴向位移限制用螺纹孔(2a)与转动模块(1)中的轴向位移限制螺栓(11)规格相同且同心轴装配，以实现转动模块(1)的轴向限制，其尺寸根据所选轴承(13)、轴向位移限制垫片(12)型号确定。支撑架固定螺纹孔(2b)与支撑架固定孔(51c)、支撑架固定螺栓(52)规格相同且同心轴装配，以实现支撑架(2)在基座(51)上的固定。弹性体模块(3)包括滚子(31)、可加工弹簧(32)和可加工弹簧固定螺栓(33)。弹性体模块(3)是安全关节的核心部件，安全关节的变刚度力矩阈值主要受可加工弹簧(32)的刚度影响，因此对其从材料选择、结构设计、加工精度、装配精度有着较高的要求。滚子(31)轴与滚子固定连接孔(32a)、滚子固定螺纹孔(42a)规格相同且同心轴装配，以实现弹性体模块(3)与导向模块(4)的连接，滚子(31)尺寸的选择取决于转动模块(1)中转动盖(14)的外形尺寸。可加工弹簧固定螺栓(33)通过可加工弹簧固定孔(32b)将可加工弹簧(32)与基座模块(5)固连到一起。可加工弹簧(32)是一体成型件，主要加工方法是线切割，其结构、外型、尺寸由安全关节的整体尺寸、所限制力矩的阈值等确定。可加工弹簧(32)的尺寸决定了安全关节整体构型的大小，在满足精确控制峰值力矩和关节角度精度的前提下，要尽可能设计尺寸较小的弹簧。导向模块(4)包括滑块转接头固定螺栓(41)、滑块转接头(42)、滑块(43)、导轨固定螺栓(44)、导轨(45)。导向模块(4)将可加工弹簧(32)受到的压力转化为安全关节对扭矩的限制。滑块转接头(42)的作用是连接滚子(31)和滑块(43)，其中滚子(31)直接与滚子固定螺纹孔(42a)相连，滑块转接头固定螺栓(41)与滑块转接头固定孔(42)、滑块转接头固定螺纹孔(43a)规格相同且同心轴装配将二者固连到一起。滑块(43)和导轨(45) 通过其间的燕尾槽结构进行配合。导轨固定螺栓(44)通过导轨固定孔(45a)将导轨(45)与基座模块(5)固连到一起。滑块(43)与导轨(45)的型号和尺寸根据安全关节的整体尺寸选取。基座模块(5)包括基座(51)和支撑架固定螺栓(52)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏哲，武春农，张容哲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：