用于机器人的安全关节装置.pdf

本发明提供一种用于机器人的安全关节装置，其包括具有中空部的管形固定器以及可旋转地插入到所述固定器的中空部的旋转构件。另外，多个弹性构件各自以其第一侧固定到所述固定器并且以其第二侧固定到联接器以形成预定的角度。所述联接器提供用于所述旋转构件。

权利要求书
1.  一种用于机器人的安全关节装置，其特征在于，包括：
管形固定器，其形成有中空部；
旋转构件，其可旋转地插入到所述固定器的中空部；以及
多个弹性构件，其中每个弹性构件的第一侧固定到所述固定器并且第 二侧固定到联接器以形成预定的角度，所述联接器提供用于所述旋转构件。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定器具有在所 述固定器的内周面上形成的多个螺纹，并且所述旋转构件具有在所述旋转 构件的外表面上形成的多个螺纹，以使所述固定器的螺纹和所述旋转构件 的螺纹相啮合。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转构件具有杆 形形状，并且包括横穿所述固定器的支承件。

4.  根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支承件具有沿所 述固定器形成为弧形的、且与所述固定器接触的端部。

5.  根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋转构件包括多 个支承件。

6.  根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支承件具有十字 形的顶部。

7.  根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋转构件具有形 成为向下方延伸的延伸件。

8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述旋转构件具有“T” 形的横截面。

9.  根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弹性构件联接到 所述旋转构件的两侧。

10.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当冲击发生时，所述 旋转构件随着旋转运动通过螺纹线性地移动。

11.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述联接器具有在垂 直方向形成的杆形形状，并被所述弹性构件拉向所述旋转构件。

12.  根据权利要求11所述的装置，其特征在于，多个止动器在每个 联接器的下侧形成，并且所述联接器与所述止动器接触以防止向彼此移动。

说明书用于机器人的安全关节装置
技术领域
本发明总体上涉及用于机器人的安全关节装置，更具体地，涉及用 于在碰撞时保护机器人的关节的用于机器人的安全关节装置。
背景技术
随着机器人的应用范围的扩大以及各种技术的发展，服务型机器人 已经变得更加发达和广泛使用。这种服务型机器人通常包括：用于非制 造业，诸如医疗护理、福利事业、建筑行业的机器人；用于高风险作业 环境中的机器人；以及作为对人友好的支持机器人的个人机器人。这种 机器人有望在将来呈现更多种形式。
同时，机器人，诸如服务型机器人和人形机器人，与人类共存时所 需的先决条件是“人类安全”。然而，随着人类与机器人共享的活动空间 增加，无意的干扰可能会发生，可能导致意外事故。各种用于同时满足 安全性和性能的研究目前正在积极地进行，用以提高这些机器人的安全 性。为了以这种方式确保安全性，正在进行可变刚度单元的研究。然而， 由于尺寸、重量和控制的复杂性，最安全的关节机构限于应用到商业化 机器人。进一步地，使用电子主动控制系统防止可造成损坏的碰撞的机 构通常需要相对昂贵的传感器模块和复杂的控制算法。进一步地，响应 速度取决于传感器和致动器的灵敏度。
现有技术中用于机器人的安全关节装置包括固定器以及可旋转地联 接到所述固定器的旋转单元。所述旋转单元包括安装成从所述旋转单元 的中心突出的凸轮单元。所述固定器包括多个随动器，各随动器的一端 可旋转地联接并且另一端与所述凸轮单元接触；以及弹性单元，其施加 弹性力给随动器，以限制所述旋转单元的旋转运动。当等于或大于临界 转矩的力施加到所述旋转单元时，所述凸轮单元与随动器分离。然而， 这种安全关节装置具有复杂的结构，并且难以控制。
上文仅仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在表示本发明落 入本领域技术人员已知的现有技术的范围之内。
发明内容
因此，本发明提供一种用于机器人的安全关节装置，其提供简化的 结构，并且在碰撞时最大限度地减少机器人以及其撞击物的损坏。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，一种用于机器人的安 全关节装置可以包括：管形固定器，其形成有中空部(例如，穿过固定 器的孔)；旋转构件，其可旋转地插入到所述固定器的中空部；以及弹性 构件，其中每个弹性构件的第一侧可以固定到所述固定器并且第二侧固 定到联接器以形成预定的角度。所述联接器可以提供用于所述旋转构件。
特别地，所述固定器可以具有在其内周面上形成的螺纹，并且所述 旋转构件可以具有在其外表面上形成的螺纹，以使固定器的螺纹和旋转 构件的螺纹相啮合。进一步地，所述旋转构件可以具有杆形形状，并且 包括横穿固定器的支承件。此外，所述支承件可以具有沿固定器形成为 弧形的、且与固定器紧密接触的端部。所述旋转构件可以包括多个支承 件并且每个支承件可以具有十字形的顶部。所述旋转构件可以具有形成 向下方延伸的延伸件并且可以具有“T”形的横截面。进一步地，所述弹性 构件可以联接到旋转构件的两侧。当冲击发生时，所述旋转构件可以随 着旋转运动通过螺纹线性移动。所述联接器可以具有在垂直方向形成的 杆形形状，并可以被弹性构件拉向旋转构件。此外，可以在每个联接器 的下侧形成多个止动器，并且所述联接器可以与所述止动器接触以防止 向彼此移动。
根据具有如上所述的结构的用于机器人的安全关节装置，所述弹性 构件可以以预定的角度固定，并且可以对该装置提供可变刚度，从而吸 收碰撞时的冲击。这种可变刚度可通过调节弹性构件的角度来获得。因 此，设计的自由度可增加，并且冲击可被进一步吸收。因此，基本上平 顺的减震是可能的，并且机器人的关节可以得到安全地保护以免受外部 冲击。最小机械部件可以用于实现简单的结构、减少空间、简化维护并 降低成本。安全关节装置可以直接应用到机器人的关节部分。进一步地， 安全关节装置可以应用到交通工具的安全铰链，并且可以开发包括安全 关节的模块化关节驱动机构。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征和其他优点结合附图从下面的具 体实施方式中将可以更清楚地理解，其中：
图1示出根据本发明的示例性实施例的用于机器人的示例性安全关 节装置；
图2和图3示出图1中的旋转构件根据本发明的示例性实施例逆时 针和顺时针旋转的示例性状态；
图4示出根据本发明的示例性实施例的可变刚度的示例性图表；
图5示出当根据本发明示例性的实施例的安全关节装置应用到机器 人时的示例性图表；以及
图6和图7示出根据现有技术的用于机器人的示例性传统安全关节 装置。
具体实施方式
应该理解，本文使用的术语“交通工具”或“交通工具的”或其 他类似术语总体上包括机动交通工具，例如包括运动型多用途车 (SUV)的乘用车，公共汽车，卡车，各种商用车，包括各种小船和 轮船的船只，飞机等，并且包括混合动力交通工具，电动交通工具， 燃料交通工具，可充电混合动力交通工具，氢动力交通工具和其他替 代燃料(例如衍生自非石油资源的燃料)交通工具。
本文所用专业术语仅为描述特定实施例，并不旨在限制本发明。除 非上下文另有明确说明，如本文所用的，单数形式“一种/个(a/an)”、 以及“该”也应包括复数对象。应该进一步理解，当在本说明书中使用 时，术语“包括”和/或“包含”指存在所述特性、整数、步骤、操作、 要素、和/或部件，但不排除或多个其他特性、整数、步骤、操作、要素、 部件和/或其集合的存在或添加。如本文所用的，术语“和/或”包括一 个或多个相关列出条目的任何及所有组合。
除非上下文特别指明或可从上下文明显看出，如本文所用的术语 “约”应理解为在本领域正常公差的范围之内，例如在平均值的两个 标准偏差之内。“约”可理解为在设定值的10％、9％、8％、7％、6％、 5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％，或0.01％之内。除非 另有明确的上下文，本文提供的所有数值皆可用术语“约”修饰。
在下文中，根据本发明的示例性实施例的用于机器人个安全关节装 置将参考附图详细进行说明。图1示出根据本发明的示例性实施例的用 于机器人的示例性安全关节装置。图2和图3示出图1中的旋转构件逆 时针和顺时针旋转的示例性状态。图4示出可变刚度的示例性图表。图5 示出当安全关节装置应用到机器人时的示例性图表。此外，图6和图7 示出用于机器人的示例性传统安全关节装置。
根据本发明的示例性实施例的用于机器人的安全关节装置可以包 括：管形固定器100，其形成有中空部110(例如，穿过固定器的孔)； 旋转构件300，其可旋转地插入到所述固定器100的中空部110；以及多 个弹性构件500，其中每个弹性构件可以以其第一侧固定到所述固定器 100并且以其第二侧固定到联接器370以形成预定的角度θ，其中所述联 接器370可以提供用于所述旋转构件300。
此外，固定器100可以具有预定的高度，并可以具有含中空部110 的管形形状，并且旋转构件300可以联接到所述中空部110。旋转构件 300可以包括上部支承件330和下部延伸件350。旋转构件300的支承件 330可具有杆形形状，并且可以形成以横穿固定器100，特别地，使得支 承件330通过固定器100的中心轴线。进一步地，支承件330的一个末 端可以沿固定器100的内周表面形成弧形，并且可以以预定的深度垂直 地插入固定器100的内部或从其中抽出。固定器100的内周表面可以包 括多个螺纹130，并且旋转构件300的外表面可以包括多个螺纹310。固 定器100的螺纹130和旋转构件300的螺纹310可以彼此啮合。因此， 根据旋转构件300的旋转的垂直线性运动可以更系统地进行。
此外，可以形成多个支承件330。在该示例性实施例中，两个支承件 330可形成为相对于彼此具有约90度的角度。因此，这两个支承件330 可以形成具有十字形状的顶部。另外，所述旋转构件300可具有形成为 由其向下延伸的延伸件350，并且所述旋转构件300的横截面可以具有 “T”形。因此，当旋转构件300因碰撞旋转时延伸件350可以用作大致 重心。
每个弹性构件500可以联接到固定器100和旋转构件300。如图1 所示，弹性构件500的第一端可以固定到固定器100的下侧，并且所述 弹性构件500的第二端可以固定到提供用于旋转构件300的联接器370 的上侧。因此，弹性构件500可以具有相对于所述固定器100的底部的 预定的角度θ。或者，这种预定的角度θ可以根据弹性构件500联接的位 置来确定。例如，弹性构件500可以联接到固定器100的上侧和联接器 370的下侧。弹性构件500可以联接到旋转构件300的每个支承件330 的两侧。然而，在该示例性实施例中，其仅仅表明，弹性构件500联接 到设置在旋转构件300的每个支承件330的两侧的联接器370。然而，该 结构可以根据设计和环境无限制地变化。
每个联接器370可以垂直地形成杆形或板形形状。联接器370可以 被弹性构件500向旋转构件300拉动，并且可以被弹性地支承。止动器 390可以在每个联接器370的下侧形成，并且可向延伸件350延伸，以防 止每个联接器370在预定的距离内变窄。另外，当旋转构件300由于冲 击而旋转时，联接器370可以被延伸件350在旋转方向按压和推挤，并 且因此弹性构件500可被压缩。在图1中示出联接器370可以平行移动。 然而，联接器370可设计成与旋转构件300紧密接触并移动以具有与旋 转构件300大约相同的角度。
图2示出旋转构件300以预定的角度Φ逆时针旋转的状态。如从图 2看到，旋转构件300可以被向图1的正常状态施加的冲击逆时针方向旋 转，并且旋转构件300可以通过固定器100的螺纹130和旋转构件300 的螺纹310线性地向上移动。与图1的基准线相比较，旋转构件300的 支承件330的顶部可以相对于正常状态下的支承件330的顶部向上移动。
作为上述运动的结果，相对于所述旋转构件300的中心轴设置在右 上侧和左下侧的弹性构件500可以通过联接器370保持在无冲击的状态 下，即在正常的状态下，并且旋转构件300向上移动。然而，与那些保 持在正常状态下的弹性构件500相比，设置在左上侧和下右侧的弹性构 件500可以因旋转构件300的旋转运动和直线运动而被压缩，并且因此 可形成小于预定角度θ的角度(其在附图中示为几乎0度的角度以容易 理解)。因此，减震量可以增加。
对比图2，图3示出旋转构件300以预定角度Φ顺时针旋转的状态。 如从图3可以看出，旋转构件300可以被向图1的正常状态施加的冲击 顺时针方向旋转，并且旋转构件300可以通过固定器100的螺纹130和 旋转构件300的螺纹310线性地向下移动。与图1的基准线相比较，旋 转构件300的支承件330的顶部可以相对于正常状态下的支承件330的 顶部向下移动。
作为上述运动的结果，相对于所述旋转构件300的中心轴设置在左 上侧和右下侧的弹性构件500可以通过联接器370保持在正常状态下， 并且旋转构件300可以向下移动。然而，与那些保持在正常状态的弹性 构件500相比，设置在右上侧和左下侧的弹性构件500可以因旋转构件 300的旋转运动和直线运动而被压缩，并且因此可形成小于预定角度θ 的角度(其在附图中示为几乎0度的角度以容易理解)。因此，减震量可 以增加。
如从图2和图3看到，当冲击发生时，旋转构件300通过以预定的 角度θ形成的弹性构件500呈现可变刚度特性，以使旋转构件300随着 由冲击所引起的旋转运动通过螺纹进行线性移动，并且因此更平稳的减 震和省空间的减震此外可能。此外，相比现有技术，弹性构件500的压 缩量可以增加，并且因此减震的量可以增加。
由于弹性构件500可以具有相对于所述固定器100的底部的预定的 角度θ，在转矩方向上施加的用以抵消冲击的弹性构件500的恢复力可以 是横向力，并且可以定义为FT。在纵向方向上施加的弹性构件500的恢 复力可以定义为FS。那么，cosθ＝FT/FS。因此，恢复力FT的值可通过方 程式FT＝FScosθ方程来获得。如图4所示，基于该方程式，本发明的弹性 构件500的恢复力不呈现现有的线性特性B，而是呈现曲线图A的余弦 曲线的行为。
图5示出安全关节装置应用于机器人的状态。当在旋转运动过程中 冲击施加给机器人的可动连杆时，强度与所施加的冲击大致相同的反作 用冲击可由于作用和反作用定律施加到与机器人相撞的撞击物。由于传 统的弹性构件50的恢复力具有线性特性B，在碰撞时传统的弹性构件50 相比本发明的那些弹性构件可以具有较少量的减震。因此，更强大的冲 击会施加于传统机器人的关节，并且反作用冲击可以同样地传递到撞击 机器人的撞击物。因此，机器人和其撞击物会损坏。
然而，在根据本发明的示例性实施例的用于机器人的安全关节装置 中，所述弹性构件500可以以预定的角度固定，以具有可变刚度。因此， 在碰撞时比现有技术更平顺的减震是可能的。此外，由于所需的刚度可 以通过调整弹性构件500的角度提供，该安全关节装置可以设计为具有 可变刚度。因此，设计的自由度可增加，并且冲击可以通过可变刚度最 小化。因此，更平顺的减震是可能的，并且机器人的关节可以受到更安 全地保护以免受外部冲击。优点在于，最小机械部件可以用于实现简单 的结构并且也减少安装空间、简化维护并降低成本。此外，该安全关节 装置可以直接应用到机器人的关节部分。
在如图6和图7所示的传统的安全关节机构中，弹性构件50联接在 处于同一高度的联接器和固定器10之间。当冲击发生时，旋转构件30 仅在固定器10中旋转，并且因此冲击由线性的恢复力B吸收，该恢复力 B为弹性构件50的独特特性。
然而，在根据本发明的示例性实施例的用于机器人的安全关节装置 中，弹性构件500可联接形成预定的角度θ。当冲击发生时，旋转构件 300可以随着旋转运动经受垂直线性运动。由于恢复力表现出具有曲线A 的余弦曲线的特性的行为，安全关节装置比传统结构可具有更大量的减 震。一个优点在于，刚度可通过改变由弹性构件500形成的角度而改变， 并且因此更平顺的减震是可能的。此外，一个优点在于，安全关节装置 可以应用于车辆的安全铰链，并且可以开发包括安全关节的模块化关节 驱动机构。
虽然本发明的示例性实施例已经出于说明目的而加以描述，本领域 技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求书公开的本发明的范围和精 神的情况下，各种修改、添加和替换都是可能的。