运动关节锁定控制机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上。包括关节在内，所述运动关节锁定控制机构由关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3、关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8组成。本实用新型的运动关节锁定控制机构通过关节锁定销与位于前臂上的锁定槽之间的插入配合，来锁定关节前臂绕关节回转轴相对关节上臂的转动；利用丝杆导轨传动，配合锁定槽的特殊形状，实现了在任意关节转角位置对其锁定的功能。本实用新型可以在同等设计尺寸规模下提供远大于摩擦式离合装置所能提供的锁紧力；同时可以提供连续而不只是离散的关节转角锁定位置；同时还是一种十分节能且小巧紧凑的运动关节锁定控制机构。
【专利说明】
运动关节锁定控制机构
技术领域
[0001]本发明涉及一种运动关节锁定控制机构，尤其是用于机器人旋转运动关节的锁定与释放控制，也可用于其它运动机构的旋转运动关节的离合控制。
技术背景
[0002]目前，机器人技术在面对复杂多样的地球环境和人类生产生活任务时，还存在着诸多瓶颈与限制，其中不乏关于运动机构适用性的问题。这激励着人们对机器人运动模式和机构进行大胆的改进与创新，使之更加灵活，能够适应更多任务与环境，而这些新的模式与机构同样也能用于机器人之外的其它领域。
[0003]可重构(Reconfigurable)的机器人机构是上世纪90年代发展起来的新技术之一，早期的可重构机器人机构研究热衷于对不同机构进行对接(docking)，后来人们发现这种做法造价高昂，控制复杂，不同对接模块的标准难以统一，能耗较高，因此实际应用严重受限;近年来，一些学者提出应用可以锁定的运动关节来实现可重构机器人的想法，并进行了相关研究。FarhadAghi Ii等人在2009年提出一种可锁定的伸缩型运动关节来实现机器人重构[1]。其机器人设计基于宇宙空间应用背景，该关节锁定机构包括一个圆筒形的母头和一个插入其内的圆筒形公头。公头插入端为一筒形夹头，筒形夹头外径可沿径向变大或变小。利用弹簧产生的轴向弹性力使一个盘状零件压紧该筒形夹头内壁的斜面，则公头的插入端亦即筒形夹头的外径有变大的趋势，这将使公头外壁与母头内壁间产生正压力继而产生足够的摩擦力，以此锁定关节的轴向运动和旋转运动。当需要该关节运动时，可通过控制集成在关节内的一个螺线管线圈通电，使之产生电磁力，以克服前述弹簧产生的轴向压力，使得公头插入端外径恢复正常，公头与母头之间不再有正压力和摩擦力，于是公母头之间的轴向运动和转动成为可能。类似的关节锁定机构还出现在Patrick Grosch等人在2010年的研究论文中，他们利用可锁定的旋转型运动关节来实现可重构机器人[2]，该关节锁定控制机构同样是利用电磁力和摩擦力的原理，与前者不同的是该设计目的是利用可重构技术降低六杆Stewart并联机器人的作动杆数量，从而降低其机械与控制复杂性，进而降低成本和能耗等。事实上，前述类型的运动关节锁定控制机构的基本原理与普通摩擦式离合器类似，不同的是其设计考虑了机器人关节的特殊性，如需要重量轻且能被容纳在很小的空间内，或者需要在分离时同时允许两个自由度的运动发生(轴向直线运动和转动)。其缺点在于利用摩擦力产生锁紧力时，由于机构尺寸小，导致摩擦面积小，使得关节锁紧力十分有限；在运动过程中，要求对电磁线圈保持通电，以抵消摩擦机构的正压力，使得这种机构在降低能耗方面优势不大。
[0004]为了加强机器人动作的灵活性，多自由度机器人乃至超冗余机器人成为近年来机器人领域的另一研究热点。诸如象鼻机器人、蛇形机器人等都属于超冗余(链式)机器人(hyper-redundant chain robot，简称HRCR)，它们能够提供大数量的运动自由度，适应复杂的地形和生产生活环境。HRCR的机构设计是其最大的挑战，主要难点又在于设计出紧凑的关节机构，因为其关节机构必须具有高机动性和很强的承载能力以平衡自身重量并带动负载。由于HRCR的自由度很多，所需驱动器也就很多，从而导致机构笨重和控制复杂。于是，不少学者提出了旨在减少驱动器数量的新型HRCR设计并得以实现。KeJunNing和FlorentinWorgotter在前人的基础上研制出多自由度共享驱动器(减少驱动器)的HRCR方案，并在一定程度上避免了对机动性和灵活性的影响[3]。在他们的样机中，一种新型双态关节锁定(binary-state locking)控制机构是关键一环;多个这样的关节共享同一个驱动器，并由线绳构成传动系统，该双态关节锁定控制机构事实上和常规离合器应起到的作用类似。但对于HRCR来说，现成的摩擦式或牙嵌式离合器产品在尺寸和重量上将远远超过要求，且二者均直接或间接地依靠摩擦力对关节运动进行锁定，这将使得关节的承载能力受到较大限制，其局限性正如FarhadAghi Ii等人所提出的摩擦式关节锁定机构一样。因此他们不得不采用这种新型双态关节锁定控制机构，其在旋转运动关节的一个连接构件上固连一块带有13个小孔阵列的孔板;在另一连接构件上固连一套插销作动机构，包含一个能够插入前述小孔的销钉，和一个与销钉同轴向安装的直线型音圈电机;前述两个连接构件分别固连于关节上臂与前臂上，因此可以绕关节轴相对旋转。当音圈电机不通电时，销钉在一弹性构件的作用下插入孔板上的某一小孔，阻止了两个臂绕关节轴线的相对旋转，关节处于锁定状态；当音圈电机通电时，产生电磁吸力把销钉从小孔中拔出，两臂可绕关节轴线相对转动，该关节处于解锁状态。只需控制音圈电机的通断电即可完成对关节的双态(锁定或解锁)控制。事实上，早在2000年，ShigeoHirose的研究成果Tr1-StarII机器人中[4]就已经出现了异曲同工的机构设计。不过该受控关节为直线型运动关节，且销钉孔也不存在阵列一说，而只有两个定位位置(即两个孔)。上述双态关节锁定控制机构使用了销结构完成关节锁定工作，而销结构所能提供的最大锁紧力约为销钉头部所能承受的最大剪力，这显然远远大于基于摩擦力的关节锁定装置；另一方面，由于音圈电机所需克服的只是前述弹性构件的反驱弹性力，这也比产生摩擦力所需的正压力小很多，作动距离和时间也不需要很长，所以该机构不但能够做到小巧紧凑重量轻，而且比电磁力控制的摩擦式关节锁定机构更节能。当然，其缺点也是显而易见的，该机构只能提供离散而非连续的转角(或直线)锁定位置，例如KeJun Ning的双态关节锁定控制机构能够提供给转角范围为±27°的关节以4.5°的锁定分辨率，因为其孔板上一共只有13个小孔可供销钉插入。这种机构能够将锁定分辨率提高，但必将以增大关节尺寸或减小极限锁紧力为代价。
[0005]除了机器人以外，运动关节的锁定控制机构在其它类型的机构中也有被使用的例子，不同的是，机器人以外的其它应用领域，对关节锁定的电控精度要求不高。发明专利“关节装置”(2007800094261)中，提出一种制动装置，可以使运动关节上的两个转动部件间制动或锁定，其基本原理与前述摩擦式关节锁定机构一样，只是该机构利用了螺线型弹簧同时提供正压力并产生制动摩擦力，弹簧的压紧可以靠手工提供动力。发明专利“具有定位锁定关节的手工具”( 2003101 181 398)与“采用电致动关节锁定机构的外科器械”(2005100873390)中，分别提出一种运动关节的锁定装置，其锁定部分的基本原理与前述双态关节锁定控制机构类似，不同的是它们的机构都采用一齿形卡沟代替了前述的带小孔阵列的板，一操作销与齿形卡沟的其中一个齿槽对准并啮合即锁定关节于某一角度位置，销槽啮合与分离伴随着外力对工具的操作而发生，动力分别来源于人手和一种电致动功能材料。以上两类机构是目前包括机器人在内的关节锁定控制机构的主流设计原理，摩擦式锁定机构的主要缺点在于锁紧力有限，机构相对笨重和能耗较大;双态式锁定机构的主要缺点是只能提供离散而非连续的转角(或直线)锁定位置，且分辨率的提高必将以增大机构尺寸或减小极限锁紧力为代价。
[0006]参考文献
[0007][ I ]F.Aghi I i and K.Parsa.7/A reconf igurable robot with lockablecylindrical joints"，IEEE Trans.Robotics，vo1.25,n0.4,pp.785-797，2009
[0008][2]Patrick Grosch,Raffaele Di Gregor1,Javier L7 opez,and FedericoThomas."Mot1n Planning for a Novel Reconfigurable Parallel Manipulator withLockable Revolute Joints77Proc.0f the IEEE Int.Conf.0n Rob.and Autom.,pp.4697-4702,2010.
[0009][3]K.J.Ning and F.Worgotter77A novel concept for building a hyper-redundant chain robot77, IEEE Trans.Robot., vol.25 ,n0.6 ,pp.1237-12482009
[0010][4]Shigeo Hirose.〃Variable Constraint Mechanism and Its Applicat1nfor Design of Mobile Robots77The Internat1nal Journal of Robotics Research，Vol.19,N0.11,pp.1126-1138,2000
【发明内容】
[0011]为了克服现有关节锁定机构中，大的极限锁紧力与锁定位置连续可变两大优点难以兼得的困难，本发明提供一种运动关节锁定控制机构，该机构兼具极限锁紧力大、锁定位置连续可变、机构轻便小巧和能耗极低的优点。
[0012]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是:
[0013]—种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上，一个单自由度旋转关节包括关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3。所述运动关节锁定控制机构包括:关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8。关节前臂2可绕关节回转轴3的轴线，相对于关节上臂I发生旋转运动。关节锁定槽4加工布置在关节前臂2上，相对于关节回转轴3沿径向延伸，分布在与关节回转轴3垂直的平面内。丝杆6两端支承于关节上臂I上，丝杆6可绕其自身轴线在关节上臂I上转动，并由固连于关节上臂I上的丝杆驱动器8提供旋转运动的动力;导轨7与丝杆6轴线平行地布置，两端支撑于关节上臂I上。关节锁定控制块5至少包括I个运动块51、I个关节锁定销52、I个锁定销复位弹性装置53、I个锁定销驱动器54。运动块51有与丝杆6形成螺旋运动副配合的内螺纹孔511，并以此与丝杆6形成螺旋运动副配合;运动块51有与导轨7形成轴向直线运动副配合的导轨运动副512，并以此与导轨7形成直线运动副配合;运动块51在这两个运动副的限制下，可以且只能沿导轨7轴线方向作直线平移运动，且该平移运动受丝杆驱动器8的完全控制；该直线平移运动方向与关节锁定槽4所在的与关节回转轴3垂直的平面平行。关节锁定销52上端销体插入运动块51上的孔形直线运动副513并可沿其自身轴线作直线运动。通过所述直线运动，关节锁定销52可以插入关节锁定槽4或从其中拔出。关节锁定销52在运动块51沿导轨7轴线方向作直线平移运动的部分行程中，应至少且只存在一个位置，使关节锁定销52可以插入关节锁定槽4中。锁定销驱动器54为关节锁定销52沿所述拔出方向的直线运动提供动力;锁定销复位弹性装置53为关节锁定销52沿所述插入方向的直线运动提供弹性回复力。
[0014]另外，所述关节锁定槽4包括I条或多条直线形或曲线形轨迹的锁定槽。所述各条锁定槽可以是相对关节回转轴3呈中心对称分布的，也可以是非对称分布的；可以是直线形的槽，也可以是各种曲线形的槽;可以只包括I条槽，也可以包括多条槽。各条锁定槽的法向截面形状与尺寸公差满足:关节锁定销52可以在锁定销复位弹性装置53提供的弹性力作用下顺利地插入槽内。
[0015]另外，所述关节锁定控制块5作为一个整体，随运动块51—起运动。关节锁定销52的上端销体穿过孔形直线运动副513并伸出运动块51上表面，这一端可以插入关节锁定槽4中；关节锁定销52其它部分的至少一点与锁定销复位弹性装置53直接或间接接触;锁定销驱动器54能够提供驱动力，直接或间接作用于关节锁定销52，使之能沿孔形直线运动副513的方向发生直线运动，该运动使锁定销复位弹性装置53发生变形而产生弹性回复力，使之有沿反方向复位的倾向。
[0016]另外，所述丝杆6是能自锁的，亦即不能仅由运动块51的直线运动来驱动丝杆6作旋转运动。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]本发明提供一种运动关节锁定控制机构，尤其是用于机器人旋转运动关节的锁定与释放控制。其对运动关节的锁定力来源于锁定销与槽的插入配合，可以在同等设计尺寸规模下提供远大于摩擦式离合装置所能提供的锁紧力；可以在关节转动到任意角度位置时，对关节运动进行锁定与释放，亦即能提供连续而不只是离散的转角锁定位置。对运动关节进行锁定或释放过程中，锁定销平移所需能量甚小，可采用功率很小的电磁驱动器来驱动丝杆;锁定销拔出只需在极短时间内克服复位弹性元件的回复力并只需维持极短距离，所需消耗的能量也很小，可采用功率很小、作动力较小的电磁驱动器来驱动；因此，本发明可以提供一种十分节能且小巧紧凑的运动关节锁定控制机构。
【附图说明】
[0019]图1是本发明外观立体图，图2为分解立体图。
[0020]图3为关节锁定控制块的外观立体图，图4为其分解立体图。图5为锁定销驱动器不动作时，关节锁定控制块的外观正视图，图6为锁定销驱动器动作时，关节锁定控制块的外观正视图。
[0021]图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13为关节锁定槽在关节前臂的圆形底平面上的多个种类的加工与布置方式图，每一个运动关节锁定控制机构可以根据实际情况使用其中一类或进一步衍生出的加工布置方式。
[0022]图15、图14依次为锁定操作开始时刻本发明的正视图和仰视图。
[0023]图17、图16依次为锁定操作进行过程中某一时刻本发明的正视图和仰视图。
[0024]图19、图18依次为锁定操作结束时本发明的正视图和仰视图。
[0025]图中标记为，关节上臂1、关节上臂上层中心孔11、关节上臂下层中心孔12、关节前臂2、关节前臂中心孔21、关节回转轴3、关节锁定槽4、关节锁定控制块5、运动块51、内螺纹孔511、导轨运动副512、孔形直线运动副513、关节锁定销52、锁定销复位弹性装置53、锁定销驱动器54、连接块55、紧固件56、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8。关节锁定槽4可以由锁定槽411、锁定槽412、锁定槽413、锁定槽414组成，或者由锁定槽421、锁定槽422、锁定槽423组成，或者由锁定槽431、锁定槽432组成，或者由锁定槽441、锁定槽442、锁定槽443、锁定槽444、锁定槽445组成，或者由锁定槽451、锁定槽452、锁定槽453、锁定槽454组成，或者由锁定槽461、锁定槽462、锁定槽463组成，或者由锁定槽471、锁定槽472、锁定槽473、锁定槽474组成等等。
【具体实施方式】
[0026]机器人领域所涉及的机构往往是运动轨迹确定或受控的，换句话说就是机构的自由度与有效动力源(如电机)的数量相等。因此，一个单自由度运动关节的锁定或释放，至少应在机构轨迹确定或受控的情况下进行，亦即此时机构各关节的运动不因微小外力(矩)而偏离预定轨迹，当然也包括正在被锁定或释放的那个关节。另一方面，关节的锁定或释放意味着机器人机构的自由度随之发生变化，人们利用这一过程控制机器人的拓扑改变或特殊运动，以达到节能、化繁为简等目的，类似应用在参考文献[1]、[2]、[3]中都可以看到。为了清楚简洁地说明问题，下面以一个简单的被动旋转关节为实施例，它应该是一个轨迹受控的机器人机构中的一个关节，当需要对它进行锁定或释放操作时，它处于不旋转状态或没有发生旋转运动的趋势，且不会因为微小外力(矩)而改变，参考文献[3]属于本实施例的类似情况。本实施例并不意味着关节在其它形式的受控状态(如关节处于确定和受控的旋转运动状态下)乃至不受控的自由状态下本发明的锁定或释放功能会失效，而仅仅是为了说明问题的方便。
[0027]图1为实施例的外观立体图，图2为分解立体图，主要由关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3、关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8组成。其中，关节上臂1、关节前臂2、关节回转轴3共同组成一个被动关节，关节前臂2可绕关节回转轴3，相对于关节上臂I发生旋转运动。关节锁定槽4、关节锁定控制块5、丝杆6、导轨7、丝杆驱动器8是本机构的主要功能零部件，通过它们可以控制关节的锁定与释放。关节上臂I与关节回转轴3的连接端可做成上下两层，关节回转轴3的两端分别垂直地插入关节上臂上层中心孔11和关节上臂下层中心孔12。关节前臂2与关节回转轴3连接端可做成圆盘状，装配后位于关节上臂I的所述上下两层之间，在其圆形底平面上加工关节锁定槽4，关节回转轴3垂直地插入所述圆盘状连接端的关节前臂中心孔21。关节回转轴3的三个插入处形成关节的单自由度旋转运动副。所述关节上臂I的下层安装一根可自锁的丝杆6和一根导轨7，它们的轴线相互平行，且均与关节下臂2上加工有关节锁定槽4的圆形底平面平行。丝杆驱动器8固连在关节上臂I上，以驱动丝杆6绕其自身轴线旋转；不失一般性，丝杆驱动器8可以是一个微型直流电机或步进电机。关节锁定控制块5安装在丝杆6与导轨7上，仅当丝杆6绕其自身轴线旋转时，关节锁定控制块5会且只能沿导轨7的轴线发生平移运动。
[0028]图3为关节锁定控制块5的外观立体图，图4为其分解立体图，主要由运动块51、关节锁定销52、锁定销复位弹性装置53、锁定销驱动器54、连接块55、紧固件56组成。运动块51上加工有内螺纹孔511和导轨运动副512 (如孔内置直线轴承)；内螺纹孔511与丝杆6形成螺旋运动副配合，导轨运动副512与导轨7形成直线运动副配合。关节锁定控制块5的所有移动或姿态旋转自由度均已被丝杆6和导轨7限制住，因此它只能产生沿导轨7轴线方向的，受丝杆6的旋转运动控制的平移运动。在运动块51上，与内螺纹孔511和孔512垂直的方向上设有一孔形直线运动副513(如孔内置直线轴承)。关节锁定销52安装于锁定销驱动器54上，其上端销体插入孔形直线运动副513并可沿其轴线作直线往复运动。锁定销驱动器54安装于连接块55上，连接块55通过螺钉等紧固件安装于运动块51上，另外还有一个锁定销复位弹性装置53也可以通过螺钉等紧固件与运动块51固连安装。不失一般性，锁定销驱动器54可以是一个音圈电机，相应地，关节锁定销52的部分结构应该是音圈电机的动子;锁定销复位弹性装置53可以是一个“L”形的弹簧片。关节锁定销52的下端销体可以穿过所述音圈电机与连接块55上的功能孔，并与所述“L”形的弹簧片的底部上表面接触。如图5所示，当音圈电机不通电时，在“L”形的弹簧片的弹性回复力作用下，关节锁定销52向上运动并穿出孔形直线运动副513，此时关节锁定销52的上端销体可以插入关节锁定槽4内或者与关节锁定槽4所在的所述圆形底平面保持接触并对该表面形成一定的正压力。如图6所示，当所述音圈电机通电时，音圈电机产生电磁吸力将关节锁定销52向下吸引，关节锁定销52的下端销体克服“L”形的弹簧片的弹性回复力并将弹簧片向下压，上端销体向运动块51的方向缩回，此时关节锁定销52可从关节锁定槽4内完全拔出或与关节锁定槽4所在的所述圆形底平面完全脱离。
[0029]图7为关节锁定槽4在关节前臂2的所述圆形底平面上的加工与布置方式。关节锁定槽4应该包括I条或多条锁定槽加工于所述圆形底平面上，这些锁定槽编号为411、412、413、414或421、422、423或431……。锁定槽的形状均应是以关节回转轴3为中心，在所述圆形底平面上沿径向从内向外延伸。所述各条锁定槽可以是相对关节回转轴3呈中心对称分布，如图7中的锁定槽411、锁定槽412、锁定槽413、锁定槽414，图8中的锁定槽421、锁定槽422、锁定槽423，如图10中的锁定槽441、锁定槽442、锁定槽443、锁定槽444、锁定槽445，如图11中的锁定槽451、锁定槽452、锁定槽453、锁定槽454，如图13中的锁定槽471、锁定槽472、锁定槽473、锁定槽474等;也可以是非对称分布，如图9中的锁定槽431、锁定槽432，如图12中的锁定槽461、锁定槽462、锁定槽463等。所述各条锁定槽可以是直线形的槽，如图7中的锁定槽411、锁定槽412、锁定槽413、锁定槽414，如图8中的锁定槽421、锁定槽422、锁定槽423，如图9中的锁定槽431、锁定槽432，如图1O中的锁定槽441、锁定槽442、锁定槽443、锁定槽444、锁定槽445，如图12中的锁定槽461、锁定槽462、锁定槽463等;也可以是各种曲线形的槽，如图11中的锁定槽451、锁定槽452、锁定槽453、锁定槽454，如图13中的锁定槽471、锁定槽472、锁定槽473、锁定槽474等。所述关节锁定槽4可以只包括I条槽，也可以包括多条槽，其中最典型的数量有3、4、5，例如，图8、图7、图10中的锁定槽数量分别为3、4、5。不失一般性，本实施例需要关节的锁定角度范围覆盖360°，因此按照图7所示中心对称地布置4条直线形锁定槽，分别为锁定槽411、锁定槽412、锁定槽413、锁定槽414。相应地，关节锁定销52可以被设计为随关节锁定控制块5—起，在如图7中的两条平行虚线之间的区域内沿平行于虚线的方向作直线运动，运动路径应该尽可能靠近短虚线;如果运动区域向外超过虚线，则有可能在一定转角范围内无法锁定关节或发生干涉。另外，本实施例将关节锁定销52的所述上端销体设计为圆柱形，相应地，关节锁定槽4的各条槽的截面形状可以是矩形，槽的宽度应该与所述圆柱形截面直径一致并结合应用实际考虑预留间隙。
[0030]下面结合图4说明实施例关节锁定和释放的全过程:
[0031]以关节锁定过程为例说明，关节释放过程恰好与此相反。图15为锁定操作开始时亥IJ，图14为同一时刻图15的仰视图；图14中给出了沿图15中A-A方向的局部剖视图，以方便看到关节锁定销52的所述上端销体相对于关节前臂2的所述圆形底平面及其上的关节锁定槽4的位置。此时，关节锁定控制块5的所述音圈电机未通电，关节锁定销52的上端销体向上穿出孔形直线运动副513，在主视图15中可以看到它高于关节前臂2的所述圆形底平面，而在仰视图中则位于圆形底平面之外。动作开始:使所述音圈电机通电产生电磁吸力将关节锁定销52向下吸引，关节锁定销52的下端销体克服所述“L”形的弹簧片的弹性回复力向下压，上端销体向运动块51的方向缩回至低于所述圆形底平面的位置。随即，所述微型直流电机通电动作，驱动丝杆6旋转并带动关节锁定控制块5整体向右平移。很短时间内，关节锁定销52上端销体截面的一半以上就已进入所述圆形底平面内，此时应将所述音圈电机断电，使关节锁定销52上端销体在“L”形弹簧片的弹性回复力作用下，向上运动并穿出孔形直线运动副513，与所述圆形底平面保持接触并对该表面形成一定的正压力。
[0032]关节锁定销52继续随关节锁定控制块5向右平移，如图16、图17。图17为锁定操作正在进行但尚未完毕的过程中的某一时刻，图16为同一时刻图17的仰视图；图16中给出了沿图17中A-A方向的局部剖视图，以方便看到关节锁定销52的所述上端销体相对于关节前臂2的所述圆形底平面及其上的关节锁定槽4的位置。在此时刻，关节锁定销52上端销体与所述圆形底平面的表面保持接触并对该表面形成一定的正压力;所述销体与底平面在保持接触的情况下发生相对滑动，由于正压力的存在，将在二者之间产生摩擦力，它将对关节前臂2产生相对关节回转轴3的微小力矩。如前所述，本实施例是一个简单的被动旋转关节，它是一个轨迹受控的机器人机构中的一个关节，当需要进行锁定操作时，它处于不旋转的受控状态，该状态不会因为微小外力(矩)而改变。从关节锁定销52的所述上端销体截面的一半以上进入所述圆形底平面开始，直至其达到第一条锁定槽411为止，在这一过程中的任一时刻，关节锁定控制机构各部件的状态均与图16和图17所示的类似。
[0033]图19为锁定操作结束的时刻，图18为同一时刻图19的仰视图；图18中给出了沿图19中A-A方向的局部剖视图，以方便看到关节锁定销52的所述上端销体相对于关节前臂2的所述圆形底平面及其上的关节锁定槽4的位置;图19中给出了沿图18中B-B方向的局部剖视图，以方便看到关节锁定销52的所述上端销体插入锁定槽411的情况。从图17时刻开始，随着关节锁定控制块5继续向右平移，关节锁定销52的所述上端销体将达到第一条锁定槽411，当关节锁定销52的上端销体截面刚好完全进入直线形的锁定槽411内时，在所述“L”形的弹簧片的弹性回复力作用下，上端销体快速向上弹起并插入锁定槽411内。此时丝杆驱动器8需要立即得到反馈信号控制其停止通电动作，实现这一动作的方法很多，如在所述音圈电机或丝杆驱动器8的电路中设置电流突变检测元件，或在关节锁定控制块5上进一步设计行程开关等方案，无论采取何种方案均不影响本发明专利的保护范围。丝杆驱动器8停止动作后，一次完整的关节锁定操作即结束。
[0034]依照本发明的基本技术方案，并参照上述实施例，可以对本发明的【具体实施方式】作许多变化和改进。如采用其它传动方案代替丝杆导轨、各零部件采用其它布置形式、采用不同的检测传感设备、用于非机器人领域等。这些变化或改进，同样落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种运动关节锁定控制机构，可以用于一般单自由度旋转关节上，一个单自由度旋转关节包括关节上臂(I)、关节前臂(2)、关节回转轴(3);所述运动关节锁定控制机构包括:关节锁定槽(4)、关节锁定控制块(5)、丝杆(6)、导轨(7)、丝杆驱动器(8);关节前臂(2)可绕关节回转轴(3)的轴线，相对于关节上臂(I)发生旋转运动;关节锁定槽(4)加工布置在关节前臂(2)上，相对于关节回转轴(3)沿径向延伸，分布在与关节回转轴(3)垂直的平面内；丝杆(6)两端支承于关节上臂(I)上，丝杆(6)可绕其自身轴线在关节上臂(I)上转动，并由固连于关节上臂(I)上的丝杆驱动器(8)提供旋转运动的动力，导轨(7)与丝杆(6)轴线平行地布置，两端支撑于关节上臂(I)上;关节锁定控制块(5)至少包括I个运动块(51)、1个关节锁定销(52)、1个锁定销复位弹性装置(53)、1个锁定销驱动器(54);运动块(51)有与丝杆(6)形成螺旋运动副配合的内螺纹孔(511)，并以此与丝杆(6)形成螺旋运动副配合，运动块(51)有与导轨(7)形成轴向直线运动副配合的导轨运动副(512)，并以此与导轨(7)形成直线运动副配合，运动块(51)在这两个运动副的限制下，可以且只能沿导轨(7)轴线方向作直线平移运动，且该平移运动受丝杆驱动器(8)的完全控制，该直线平移运动方向与关节锁定槽(4)所在的与关节回转轴(3)垂直的平面平行;关节锁定销(52)上端销体插入运动块(51)上的孔形直线运动副(513)并可沿其自身轴线作直线运动;通过这种运动，关节锁定销(52)可以插入关节锁定槽(4)或从其中拔出；锁定销驱动器(54)为关节锁定销(52)沿所述拔出方向的直线运动提供动力，锁定销复位弹性装置(53)为关节锁定销(52)沿所述插入方向的直线运动提供弹性回复力。2.根据权利要求1所述的运动关节锁定控制机构，其特征在于，所述关节锁定槽(4)包括I条或多条直线形或曲线形轨迹的锁定槽;所述各条锁定槽可以是相对关节回转轴(3)呈中心对称分布的，也可以是非对称分布的，可以是直线形的槽，也可以是各种曲线形的槽，可以只包括I条槽，也可以包括多条槽;所述各条锁定槽的法向截面形状与尺寸公差满足:关节锁定销(52)可以在锁定销复位弹性装置(53)提供的弹性力作用下顺利地插入槽内。3.根据权利要求1所述的运动关节锁定控制机构，其特征在于，所述关节锁定控制块(5)作为一个整体，随运动块(51)—起运动;关节锁定销(52)的上端销体穿过孔形直线运动副(513)并伸出运动块(51)上表面，这一端可以插入关节锁定槽(4)中，关节锁定销(52)其它部分的至少一点与锁定销复位弹性装置(53)直接或间接接触，锁定销驱动器(54)能够提供驱动力，直接或间接作用于关节锁定销(52)，使之能沿孔形直线运动副(513)的方向发生直线运动，该运动使锁定销复位弹性装置(53)发生变形而产生弹性回复力，使之有沿反方向复位的倾向。4.根据权利要求1所述的运动关节锁定控制机构，其特征在于，所述丝杆(6)是能自锁的，亦即不能由运动块(51)的直线运动产生丝杆(6)的反驱旋转运动。
【文档编号】B25J17/02GK205630678SQ201620332846
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】张春
【申请人】西南大学