[发明专利]一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置

权利要求书

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(51b)、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(42b)、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；由于滑块(43)和导轨(45)的限制，弹性体模块(3)中的可加工弹簧(32)只能沿着-Y方向压缩；

基座模块(5)包括基座(51)和支撑架固定螺栓(52)；基座(51)的作用是与外部的固定端固连，并连接弹性体模块(3)、支撑架(2)、导向模块(4)；导轨固定螺纹孔(51a)用于导向模块(4)在基座(51)上的固定，支撑架固定孔(51b)用于支撑架(2)在基座(51)上的固定，可加工弹簧固定螺纹孔(51c)用于弹性体模块(3)在基座(51)上的固定，基座固定孔(51d)用于基座(51)与外部固定端的连接；其中，导轨固定螺纹孔(51a)、支撑架固定孔(51b)和可加工弹簧固定螺纹孔(51c)的位置精度直接影响到安全关节的精度和性能，因此对其位置的加工精度有着较高的要求；基座固定孔(51d)的尺寸、位置、数量可根据外部固定端部件的具体形状、尺寸、作用方式在基座(51)的尺寸范围内调整；转动模块(1)中的转动盖(14)与基座(51)之间发生微小的相对运动后，弹性体模块(3)中的滚子(31)会脱离转动盖(14)的凸轮部分，进入休止部分；在休止端运动的滚子(31)受到的作用力的方向通过转动中心，因此安全关节的转动刚度在滚子(31)进入休止端的一瞬间突变为零。