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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113334424A(43)申请公布日2021.09.03(21)申请号202110702488.2(22)申请日2021.06.24(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人赵宏哲武春农张容哲(51)Int.Cl.B25J17/02(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图8页(54)发明名称一种基于变刚度原理的机器人安全关节装置(57)摘要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。CN113334424ACN113334424A权利要求书1/2页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、作用方式等在转动盖(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(51c)、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、所限制力矩的阈值等确定。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,要尽可能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(42)、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。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(2)、支撑架(3)、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,支撑架固定螺纹孔(51b)用于支撑架(2)在基座(