[发明专利]一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置

说明书

本发明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。

技术领域：本发明属于精密传动技术领域，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。

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。

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。

发明内容：

(1)要解决的技术问题

本发明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。

(2)技术方案

本发明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。

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。

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。

(3)本发明的优点

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；

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。

附图说明：

图1为基于变刚度原理的安全关节工作原理图

图2为本发明基于变刚度原理的安全关节爆炸结构示意图

图3为转动模块爆炸结构示意图

图4为支撑架结构示意图

图5为弹性体模块爆炸结构示意图

图6为可加工弹簧独立单元的结构图

图7为导向模块爆炸结构示意图

图8为基座模块爆炸结构示意图

图9为基座结构示意图

图10安全关节刚性与零刚度状态下滚子与转动盖关系示意图

图中：

1-转动模块 11-轴向位移限制螺栓 12-轴向位移限制垫片