仿生脱臼机器人关节的制作方法

本发明涉及清障机器人领域，特别是涉及一种仿生脱臼机器人关节。

背景技术：

目前，城市配网线路基本沿城市道路架设，大部分线路延伸于树林里穿行。虽然架空线路使用的多是绝缘导线，但由于大多穿行于树林，运行中经常发生绝缘导线被树枝磨破绝缘皮而发生放电打火及断线故障，尤其在遇到大雨大风等特殊天气时此类问题尤为突出。为了降低配网跳闸率，树木清障是各供电公司每年重要生产任务。由于工作安全性的要求，大部分清障需要线路停电并且由人工实施，另外部分线路段人工实施树木清障也难以进行。

基于上述问题，清障机械臂等清障机器人在配网清障领域应运而生，其能够替代人工在恶劣环境及带电情况下进行树木清障。而由于清障机械臂工作环境差，当落下较大树干砸中机械臂时，瞬间机械臂关节的扭矩大大超出额定荷载，严重损坏了机械臂的臂身和关节结构。

然而从仿生学角度考虑，当人或动物的关节在受到强大外力时，关节就会脱臼，这是对其他部位骨骼的一种保护。因此受其启发，在清障机器人上也可以设置这样一种可脱臼关节来实现对机械臂的保护。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种仿生脱臼机器人关节，能够提高清障机器人在恶劣环境下工作的安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种仿生脱臼机器人关节，安装于机器人的两节臂身之间，所述关节包括机械本体、伺服控制系统；

机械本体包括U型的锁止盘卡槽、锁止盘、第一锁止盘安装法兰、第二锁止盘安装法兰、伺服电机、减速机、减速机输出法兰，锁止盘卡槽上设有液压驱动装置，锁止盘由两片圆盘同轴连接而成，并伸入锁止盘卡槽内，锁止盘安装法兰位于锁止盘的轴上，第二锁止盘安装法兰与锁止盘卡槽固定在第二节臂身的外壳上，第一锁止盘安装法兰固定在减速机输出法兰的法兰面上，伺服电机与减速机安装在第一节臂身的壳体内；

伺服控制系统包括控制器、伺服电动缸、电源板、与控制器相连的传感器、伺服电机驱动器，伺服电机驱动器的输出端与伺服电动缸相连，电源板的输出端与控制器、伺服电机驱动器相连。

在本发明一个较佳实施例中，液压驱动装置用于协助锁止盘实现关节脱臼，其包括伺服电动缸、液压管道、液压油、活塞，锁止盘卡槽的两端口由活塞封口，其腔体内填充有液压油，液压管道的一端设置在锁止盘卡槽的腔体一侧、另一端与伺服电动缸连接。

进一步的，活塞外部设有摩擦片，摩擦片与锁止盘上部的两侧面相接触，可增加锁止盘与锁止盘卡槽之间的摩擦力，使得关节复位后更加牢固。

在本发明一个较佳实施例中，传感器包括位于臂身中部腔体内的震动传感器、位于液压管道上的液体压强传感器、镶在锁止盘卡槽内外边沿的锁止盘光标传感器。震动传感器用来监测环境中对机械臂臂身的冲击外力，液体压强传感器用来监测伺服电动缸的液压油压强；锁止盘光标传感器通过发射与接收光线来监测锁止盘两个圆盘的相对位置。

在本发明一个较佳实施例中，锁止盘的左片圆盘上嵌入有棱镜光标，棱镜光标用于反射锁止盘光标传感器发射的光标信号。

进一步的，锁止盘的材质为钢材，强度大。

在本发明一个较佳实施例中，伺服电机驱动器包括关节伺服电机驱动器、电动缸伺服电机驱动器，关节伺服电机驱动器的输出端连接伺服电机，电动缸伺服电机驱动器的输出端连接伺服电动缸。

在本发明一个较佳实施例中，在锁止盘卡槽的顶部还设有换油阀门。

在本发明一个较佳实施例中，电源板提供的电压等级包括24V、48V，24V电压为控制器供电，48V电压为伺服电机驱动器供电。

本发明的有益效果是：本发明机械结构稳固，伺服控制系统可靠性好、控制精度高、操作维护简单；其具有的仿生关节脱臼功能，能够解决清障机器人在恶劣环境下工作容易损坏关节的问题，有效保护清障机器人本体结构的安全；具有的关节主动复位功能，能够使清障机器人连续进行清障作业，从而大大提高了清障机器人清障作业的可靠性和安全性，具有很高的经济价值。

附图说明

图1是本发明仿生脱臼机器人关节一较佳实施例的结构示意图；

图2是所述伺服控制系统的系统框图；

附图中各部件的标记如下：1、锁止盘卡槽，2、活塞，3、摩擦片，4、锁止盘卡槽腔体，5、锁止盘，6、减速机，7、伺服电机，8、第一锁止盘安装法兰，10、第二锁止盘安装法兰，9、减速机输出法兰，11、锁止盘光标传感器，12、第一节臂身，13、第二节臂身，14、液压管道，15、换油阀门，16、左片圆盘，17、右片圆盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种仿生脱臼机器人关节，安装于机器人的两节臂身之间，为描述方便，分别定义为第一节臂身12和第二节臂身13，所述关节包括机械本体、伺服控制系统。

机械本体包括U型的锁止盘卡槽1、锁止盘5、第一锁止盘安装法兰8、第二锁止盘安装法兰10、伺服电机7、减速机6、减速机输出法兰9。锁止盘卡槽1上设有液压驱动装置，液压驱动装置用于协助锁止盘5实现关节脱臼，其包括伺服电动缸(图中未示出)、液压管道14、液压油、活塞2。锁止盘卡槽1的两端口相对，并由活塞2封口，活塞2部设有摩擦片3，锁止盘卡槽1的腔体4内填充有液压油，在锁止盘卡槽1的顶部还设有换油阀门15，液压管道14的一端设置在锁止盘卡槽1的腔体4一侧、另一端与伺服电动缸连接。腔体4一侧设有液压管道14，在锁止盘卡槽1的顶部还设有换油阀门15。锁止盘5由两片圆盘同轴连接而成，分别为左片圆盘16、右片圆盘17，并伸入锁止盘卡槽1内，其上部两侧面与摩擦片3相接触，摩擦片3增加了锁止盘5与锁止盘卡槽1之间的摩擦力，使得关节复位后更加牢固。锁止盘5的材质为钢材，两片圆盘组装完毕后轴心固定，可以相互滑动但不能分开。锁止盘安装法兰位于锁止盘5的轴上，第二锁止盘安装法兰10与锁止盘卡槽1固定在第二节臂身13的外壳上，液压管道14、伺服电动缸安装在第二节臂身13的壳体内，第一锁止盘安装法兰8固定在减速机输出法兰9的法兰面上，伺服电机7与减速机6安装在第一节臂身12的壳体内。

结合图2，伺服控制系统采用PLC伺服闭环控制系统，其包括控制器(PLC)、伺服电动缸、电源板、与控制器相连的传感器、伺服电机驱动器，伺服电机驱动器的输出端与伺服电动缸相连，电源板的输出端与控制器、伺服电机驱动器相连。控制器位于第二节臂身13内部。电源板提供的电压等级包括24V、48V，24V电压为控制器供电，48V电压为伺服电机驱动器供电，与清障机器人为共同的电源板。伺服电动缸作为液压驱动装置的动力机构，具有动作迅速、噪音低、节能、干净、高刚性、超长寿命等优点，并且能在恶劣环境下无故障工作，防护等级可以达到IP65。传感器包括位于臂身中部腔体内的震动传感器、位于液压管道14上的液体压强传感器、镶在锁止盘卡槽1内外边沿的锁止盘光标传感器11。优选的，震动传感器位于右侧臂身即第二节臂身13中部腔体内，其用来监测环境中对机械臂臂身的冲击外力，液体压强传感器用来监测伺服电动缸的液压油压强；锁止盘光标传感器11通过发射与接收光线来监测锁止盘5两个圆盘的相对位置，相应的，在锁止盘5的左片圆盘16上嵌入有棱镜光标(图中未示出)，棱镜光标用于反射锁止盘光标传感器11发射的光线，从而实现关节复位。伺服电机驱动器包括关节伺服电机驱动器、电动缸伺服电机驱动器，关节伺服电机驱动器的输出端连接伺服电机7(图2中标示为M1)，电动缸伺服电机驱动器的输出端连接伺服电动缸(图2中标示为M2)。

所述仿生脱臼机器人关节实现脱臼和复位的具体步骤如下：

(1)机械臂本体或关节受到外力冲击时，震动传感器采样其撞击动能值；

(2)控制器根据震动传感器传输来的撞击动能值换算出扭矩值，若超过机械臂本体或关节设定的瞬间极限值，控制器控制电动缸伺服电机驱动器使M2运行；

(3)伺服电动缸工作，液压油压强下降，活塞2放松，锁止盘5的左片圆盘16和右片圆盘17能够以E为轴线相向旋转滑动，即实现了关节脱臼功能；

(4)确认安全后，伺服电机7开始转动，减速机输出法兰9驱动锁止盘5的左片圆盘16开始旋转，寻找传感器位置，寻到位时锁止盘光标传感器11反馈信号至PLC，伺服电动缸反推，活塞2夹紧，锁止盘5定位，关节伺服电机驱动器驱动M1使该关节复位。

液压油压强P值的设定应满足活塞2产生的压力，使得左片圆盘16和右片圆盘17之间的静摩擦力所传递的关节扭矩约等于减速机6的瞬时最大扭矩。当有更大的动能撞击或加速度更大的冲击波破坏时控制器来不及运算，错过峰值，此刻左片圆盘16和右片圆盘17会相向滑动，即关节被动式脱臼。

本发明机械结构稳固，伺服控制系统可靠性好、控制精度高、操作维护简单；其具有的仿生关节脱臼功能，能够解决清障机器人在恶劣环境下工作容易损坏关节的问题，有效保护清障机器人本体结构的安全；具有的关节主动复位功能，能够使清障机器人连续进行清障作业，从而大大提高了清障机器人清障作业的可靠性和安全性，具有很高的经济价值。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。