一种机械臂关节抱闸系统及其控制方法与流程

本发明涉及机械臂制动技术领域，尤其是涉及一种机械臂关节抱闸系统及其控制方法。

背景技术：

工业机械臂在因故障或停机失电时，各关节会在重力作用下坠落，导致机械臂发生碰撞而损坏，因此需要一种刹车技术，使得机械臂各关节在失电时能够及时制动，并且在上电时能够快速解除制动力矩，从而关节能够自由旋转。

关节抱闸在工业领域目前已得到成熟应用，主要形式为两种，一是摩檫力制动式，在失电状态下，金属材质的摩擦片在弹簧力的作用下与电机动子轴向端面压紧，此时作用于电机动子的摩擦力矩与重力矩平衡，机械臂达到制动效果；在上电状态下，电磁线圈产生的电磁力作用于摩擦片，摩擦片克服弹簧弹力与电机动子分离，电机动子得以自由转动，另一种是卡槽制动式，电机动子连接圆形制动盘，制动盘沿圆周均布若干卡槽，在失电状态下，电磁铁推出，卡在卡槽中使关节制动，在上电状态下，电磁铁回收，电机动子自由转动。但对于形式一，机械臂在运行过程中电磁线圈长时间处于通电状态，会使关节温度上升，增加关节扇热设计的难度，同时电磁线圈产生的磁场会对电机磁场产生干扰，降低结构的精度和稳定性，对于形式二，由于卡槽的分布间距，电机从失电到制动存在延迟，会增大机械臂的制动误差，并且由于结构问题，制动力全部由电磁铁承受，受力不合理，长时间使用后易导致电磁铁的损坏；以上两种方式，均需要在电机后方添加占较大体积的装置，增加了机械臂的长度，严重影响了机械臂关节的灵活性。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种机械臂关节抱闸系统及其控制方法。

一方面，本发明提供一种机械臂关节抱闸系统，包括关节端盖、连接螺钉、铁心、刹车环、永磁铁、电磁线圈以及若干压缩弹簧；

所述关节端盖通过连接螺钉与电机定子同轴安装，所述铁心与关节端盖通过止口同轴度固定连接；所述铁心远离关节端盖的一端缠绕有电磁线圈，所述永磁铁为圆筒形结构，与所述铁心同轴，所述永磁铁与刹车环固定连接；所述若干压缩弹簧一端呈环形、均匀设置于关节端盖上，另一端与电机动子接触；所述电机动子内表面和刹车环外表面均为环形锥面；

当电磁线圈无电流时，所述刹车环在压缩弹簧的作用力下压紧电机动子，此时关节电机制动；当电磁线圈通电时，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力朝关节端盖移动，所述刹车环与电机动子脱离接触，此时关节进入自由状态；当关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，所述刹车环向电机动子端移动，所述刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动。

进一步地，所述机械臂关节抱闸系统还包括若干锁止弹簧以及与锁止弹簧数量相同的锁止钢珠；所述锁止弹簧一端与所述关节端盖连接、另一端与锁止钢珠焊接；所述锁止弹簧沿周向均布在所述关节端盖的安装孔中，所述锁止钢珠一半的球面位于关节端盖内表面之上；所述刹车环沿圆周有均布锁止孔，所述锁止孔的数量与锁止弹簧数量相同；

当电磁线圈通电时，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力朝关节端盖移动，当所述刹车环的锁止槽与锁止钢珠对齐时，锁止钢珠在锁止弹簧的作用下弹出，卡入锁止槽，刹车环与电机动子脱离接触，之后切断电磁线圈电流，此时刹车环保持位置不变，关节进入自由状态；

当关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，刹车环向电机动子端移动，并将锁止钢珠顶出锁止槽，刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动。

进一步地，所述机械臂关节抱闸系统还包括电磁控制电路，所述电磁控制电路与电机控制电路互相通信，所述电磁控制电路用于控制所述电磁线圈的电流流向和大小。

进一步地，所述刹车环和电机动子的接触外边面，均由摩擦系数大的金属材料形成，所述锁止槽与锁止钢珠的接触面为弧面。

另一方面，本发明还提供了一种如上述任一技术方案所述的机械臂关节抱闸系统的控制方法，包括机械臂关节抱闸制动状态控制方法和机械臂关节抱闸自由状态控制方法；

所述机械臂关节抱闸制动状态控制方法，包括以下步骤，电磁线圈不通电流时，所述刹车环在压缩弹簧的作用力下压紧电机动子，此时关节电机制动；或者，关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，所述刹车环向电机动子端移动，所述刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动；

所述机械臂关节抱闸自由状态控制方法，包括以下步骤，将电磁线圈通电，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力朝关节端盖移动，刹车环与电机动子脱离接触，此时关节进入自由状态。

进一步地，关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，所述刹车环向电机动子端移动，所述刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动，具体包括，

当关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，刹车环向电机动子端移动，并将锁止钢珠顶出锁止槽，刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动；

将电磁线圈通电，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力朝关节端盖移动，刹车环与电机动子脱离接触，此时关节进入自由状态，具体包括，

将电磁线圈通电，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力朝关节端盖移动，当所述刹车环的锁止槽与锁止钢珠对齐时，锁止钢珠在锁止弹簧的作用下弹出，卡入锁止槽，刹车环与电机动子脱离接触，之后切断电磁线圈电流，此时刹车环保持位置不变，关节进入自由状态。

进一步地，所述机械臂关节抱闸系统的控制方法还包括，通过电磁控制电路控制电磁线圈的电流流向和大小，以使电磁线圈通电，并使电磁线圈与永磁铁产生斥力。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过所述关节端盖通过连接螺钉与电机定子同轴安装，所述铁心与关节端盖通过止口同轴度固定连接；所述铁心远离关节端盖的一端缠绕有电磁线圈，所述永磁铁为圆筒形结构，与所述铁心同轴，所述永磁铁与刹车环固定连接；所述若干压缩弹簧一端呈环形、均匀设置于关节端盖上，另一端与电机动子接触；使得，当电磁线圈无电流时，所述刹车环在压缩弹簧的作用力下压紧电机动子，此时关节电机制动；当电磁线圈通电时，所述电磁线圈与永磁铁产生斥力，所述斥力推动刹车环克服压缩弹簧的弹力超关节端盖移动，所述刹车环与电机动子脱离接触，此时关节进入自由状态；当关节失电时，电机动子在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈，所述刹车环向电机动子端移动，所述刹车环与电机动子压紧，此时关节电机制动；实现了制动到自由状态之间的及时转换，避免制动延迟的同时减小了机械臂关节的长度。

附图说明

图1是本发明实施例所述的关节抱闸制动状态轴向剖面图；

图2是本发明实施例所述的关节抱闸制动状态轴向剖面图；

图3是本发明实施例所述的关节端盖的透视图；

图4是本发明实施例所述的刹车环结构图结构图；

图5是本发明实施例所述的刹车环与电机动子表面的局部放大图。

附图标记：1-电机动子；2-电机定子；21-滑槽；3-连接螺钉；4-关节端盖；5-锁止弹簧；6-锁止钢珠；7-锁止槽；8-铁心；9-刹车环；10-压缩弹簧；11-胶；12-永磁铁；13-电磁线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明的实施例提供了一种机械臂关节抱闸系统，包括关节端盖4、连接螺钉3、铁心8、刹车环9、永磁铁12、电磁线圈13以及若干压缩弹簧10；

所述关节端盖4通过连接螺钉3与电机定子2同轴安装，所述铁心8与关节端盖4通过止口同轴度固定连接；所述铁心8远离关节端盖4的一端缠绕有电磁线圈13，所述永磁铁12为圆筒形结构，与所述铁心8同轴，所述永磁铁12与刹车环9固定连接；所述若干压缩弹簧10一端呈环形、均匀设置于关节端盖4上，另一端与电机转子1接触；所述电机转子1内表面和刹车环9外表面均为环形锥面；

当电磁线圈13无电流时，所述刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1，此时关节电机制动；当电磁线圈13通电时，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力超关节端盖4移动，所述刹车环9与电机转子1脱离接触，此时关节进入自由状态；当关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，所述刹车环9向电机转子1端移动，所述刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动。

如图1所示，为关节抱闸制动状态轴向剖面图，如图2所示，为关节抱闸自由状态轴向剖面图；关节端盖4通过连接螺钉3与电机定子2同轴安装，铁心8与关节端盖4固定连接，并通过止口保证同轴度，铁心8由高导磁率材料制成，根据关节结构需要可制成空心轴或者实心轴，铁心8轴端缠绕有电磁线圈13。

所述电机转子1内表面和刹车环9外表面均为环形锥面，刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1时，二者紧密贴合。

如图3所示，为关节端盖4的透视图，21为滑槽，与端盖本体同轴心，且加工有润滑槽21填充油脂，两端有油封密封，压缩弹簧10沿圆周均布安装，用与给刹车环9提供推力，锁止弹簧5与锁止钢珠6焊接，沿周向均布在安装孔中，且在压缩弹簧10自由状态时，保证接近一半的球面位于内表面之上；刹车环9与关节端盖4同轴安装，且保证其能与滑槽21相互配合并自由滑动；

刹车环9结构图，如图4所示，其沿圆周向加工有均布锁止孔31，通孔直径略小于关节端盖4中锁止钢珠6直径。永磁铁12通过耐高温胶11与刹车环9粘结。

如图1所示，为抱闸制动状态，当电磁线圈13无电流时，所述刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1，此时关节电机制动，锁止钢珠6和锁止弹簧5处于压缩状态；如图2所示，为抱闸解除制动状态，此时电磁线圈13无电流，弹簧10被压缩，锁止钢珠66弹出并卡入刹车环9上的锁止孔31，刹车环9在锁止力的作用下克服弹簧10弹力，保持自由状态，此时，刹车环9外表面和电机转子1内表面分离，存在间隙，如图5所示，所述图5为刹车环9与电机转子1表面的局部放大图。

优选的，所述机械臂关节抱闸系统还包括若干锁止弹簧5以及与锁止弹簧5数量相同的锁止钢珠6；所述锁止弹簧5一端与所述关节端盖4连接、另一端与锁止钢珠6焊接；所述锁止弹簧5沿周向均布在所述关节端盖4的安装孔中，所述锁止钢珠6一半的球面位于关节端盖4内表面之上；所述刹车环9沿圆周有均布锁止孔，所述锁止孔的数量与锁止弹簧5数量相同；

当电磁线圈13通电时，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力朝关节端盖4移动，当所述刹车环9的锁止槽7与锁止钢珠6对齐时，锁止钢珠6在锁止弹簧5的作用下弹出，卡入锁止槽7，刹车环9与电机转子1脱离接触，之后切断电磁线圈13电流，此时刹车环9保持位置不变(此时锁止力与弹簧力保持平衡)，关节进入自由状态；

当关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，使其对永磁铁12产生吸力，打破自由状态下锁止力与弹簧力的平衡关系，刹车环9向电机转子1端移动，并将锁止钢珠6顶出锁止槽7，刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动。

现对具体实施时各组件的关系进行说明，关节端盖4通过连接螺钉3与电机定子2固接，关节端盖4中心加工有滑槽21，刹车环9可在滑槽21中自由滑动，刹车环9为环形金属件，且外表面具有一定锥度，其锥面与电机转子1内侧锥面相互配合，刹车环9内表面通过耐高温胶与环形磁铁粘合，电磁线圈13缠绕与铁心8上，与磁铁端面保持一定间隙，铁心8与关节端盖4固接，关节端盖4端面安装有压缩弹簧10，并将弹簧力作用于刹车环9端部，并在沿圆周方向均布若干个锁止弹簧5，锁止弹簧5端部分别连接有锁止钢珠6，刹车环9于关节端盖4的滑动配合面上加工有适合锁止钢珠6直径大小的锁止槽7；一个具体实施例中锁止钢珠6和锁止弹簧5的数量分别为3个；

优选的，所述机械臂关节抱闸系统还包括电磁控制电路，所述电磁控制电路与电机控制电路互相通信，所述电磁控制电路用于控制所述电磁线圈13的电流流向和大小。

具体的，电磁控制电路与电机控制电路相互通信，以保证电磁线圈13与电机的逻辑控制关系，当电机上电时，电磁线圈13同时上电，以使得关节进入自由状态；当电机为未上电时，电磁线圈13同时为未上电状态，保证了关节的制动，平衡机械臂重力矩，防止系统坠落。

优选的，所述刹车环9和电机转子1的接触外边面，均由摩擦系数大的金属材料形成，所述锁止槽7与锁止钢珠6的接触面为弧面。

需要说明的是，刹车环9与电机转子1的接触外边面需选用摩擦系数大的金属材料制造，并还需要提高表面粗糙度以增大其摩擦接触面积；由于电机转子1为粉末粘结制造而成，表面质量较低，需确保刹车环9行程，保证最大间隙，使其在自由状态时，转子转动不受影响；根据工况选用合适的压缩弹簧10，在制动状态时，弹簧对刹车环9提供的推力可产生足够大的摩擦力矩；在自由状态时，弹簧推力不至于过大，需和锁止力相互平衡；锁止槽7与锁止钢珠6的接触面需加工成适合钢珠直径的弧面，以确保锁止时为面接触，需设计接触面斜度，保证轴向锁止分力能够与弹簧力平衡；

具体实施时，由于电磁线圈13通电时间短，可在系统由制动状态向自由状态过渡时短时通过较大电流，驱动刹车环9快速到达自由位置，通电时间需大于刹车环9运动所需时间，以具体工况为准；同时，关节失电时，若反电动势产生的电流不足打破自由状态的力平衡关系，可使用外接电容增大电磁线圈13电流，以达到增大吸力的目的；

需要注意是，本发明适用于机器人关节电机，其电机转子为空心结构；对于转子为实心的传统电机不适用。

实施例2

本发明实施例提供了一种如上述任一实施例所述的机械臂关节抱闸系统的控制方法，包括机械臂关节抱闸制动状态控制方法和机械臂关节抱闸自由状态控制方法；

所述机械臂关节抱闸制动状态控制方法，包括以下步骤，电磁线圈13不通电流时，所述刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1，此时关节电机制动；或者，关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，所述刹车环9向电机转子1端移动，所述刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动；

所述机械臂关节抱闸自由状态控制方法，包括以下步骤，将电磁线圈13通电，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力朝关节端盖4移动，刹车环9与电机转子1脱离接触，此时关节进入自由状态。

优选的，关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，所述刹车环9向电机转子1端移动，所述刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动，具体包括，

当关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，刹车环9向电机转子1端移动，并将锁止钢珠6顶出锁止槽7，刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动；

将电磁线圈13通电，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力朝关节端盖4移动，刹车环9与电机转子1脱离接触，此时关节进入自由状态，具体包括，

将电磁线圈13通电，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力朝关节端盖4移动，当所述刹车环9的锁止槽7与锁止钢珠6对齐时，锁止钢珠6在锁止弹簧5的作用下弹出，卡入锁止槽7，刹车环9与电机转子1脱离接触，之后切断电磁线圈13电流，此时刹车环9保持位置不变，关节进入自由状态。

优选的，所述机械臂关节抱闸自由状态控制方法还包括，通过电磁控制电路控制电磁线圈13的电流流向和大小，以使电磁线圈13通电，并使电磁线圈13与永磁铁12产生斥力。

本发明公开了一种机械臂关节抱闸系统及其控制方法，通过所述关节端盖4通过连接螺钉3与电机定子2同轴安装，所述铁心8与关节端盖4通过止口同轴度固定连接；所述铁心8远离关节端盖4的一端缠绕有电磁线圈13，所述永磁铁12为圆筒形结构，与所述铁心8同轴，所述永磁铁12与刹车环9固定连接；所述若干压缩弹簧10一端呈环形、均匀设置于关节端盖4上，另一端与电机转子1接触；

所述机械臂关节抱闸系统还包括若干锁止弹簧5以及与锁止弹簧5数量相同的锁止钢珠6；所述锁止弹簧5一端与所述关节端盖4连接、另一端与锁止钢珠6焊接；所述锁止弹簧5沿周向均布在所述关节端盖4的安装孔中，所述锁止钢珠6一半的球面位于关节端盖4内表面之上；所述刹车环9沿圆周有均布锁止孔，所述锁止孔的数量与锁止弹簧5数量相同；

使得，当电磁线圈13无电流时，所述刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1，此时关节电机制动；当电磁线圈13通电时，所述电磁线圈13与永磁铁12产生斥力，所述斥力推动刹车环9克服压缩弹簧10的弹力朝关节端盖4移动，当所述刹车环9的锁止槽7与锁止钢珠6对齐时，锁止钢珠6在锁止弹簧5的作用下弹出，卡入锁止槽7，刹车环9与电机转子1脱离接触，之后切断电磁线圈13电流，此时刹车环9保持位置不变(此时锁止力与弹簧力保持平衡)，关节进入自由状态；

当关节失电时，电机转子1在惯性的作用下继续做旋转运动，并切割磁力线产生反电动势，将反电动势电流导入电磁线圈13，使其对永磁铁12产生吸力，打破自由状态下锁止力与弹簧力的平衡关系，刹车环9向电机转子1端移动，并将锁止钢珠6顶出锁止槽7，刹车环9与电机转子1压紧，此时关节电机制动；实现了制动到自由状态之间的及时转换，避免制动延迟的同时减小了机械臂关节的长度；相比现有技术方案，本发明在关节的长度上仅仅增加了一个关节端盖4，长度仅为传统方案的1/4到1/6，为关节的小型化提供了便利。

当电磁线圈13通电时，锁止钢珠6在锁止弹簧5的作用下弹出，卡入锁止槽7，刹车环9与电机转子1脱离接触，之后切断电磁线圈13电流；与现有技术相比，本发明的电磁线圈13并未长时间处于通电状态，当钢珠卡入锁止槽7后线圈即断电，相比现有抱闸须在全程保持电磁线圈13通电而言，本发明线圈发热量小，电磁干扰小，有利于关节的扇热设计；由于所述电机转子1内表面和刹车环9外表面均为环形锥面，刹车环9在压缩弹簧10的作用力下压紧电机转子1时，二者紧密贴合，使得本发明的摩擦制动方式为环形锥面摩擦制动，相比传统的端面摩擦制动，摩擦面积更大，作用正压力更强，制动效果更好。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。