本發(fā)明涉及清障機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

目前，城市配網(wǎng)線路基本沿城市道路架設(shè)，大部分線路延伸于樹林里穿行。雖然架空線路使用的多是絕緣導(dǎo)線，但由于大多穿行于樹林，運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生絕緣導(dǎo)線被樹枝磨破絕緣皮而發(fā)生放電打火及斷線故障，尤其在遇到大雨大風(fēng)等特殊天氣時(shí)此類問題尤為突出。為了降低配網(wǎng)跳閘率，樹木清障是各供電公司每年重要生產(chǎn)任務(wù)。由于工作安全性的要求，大部分清障需要線路停電并且由人工實(shí)施，另外部分線路段人工實(shí)施樹木清障也難以進(jìn)行。

基于上述問題，清障機(jī)械臂等清障機(jī)器人在配網(wǎng)清障領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，其能夠替代人工在惡劣環(huán)境及帶電情況下進(jìn)行樹木清障。而由于清障機(jī)械臂工作環(huán)境差，當(dāng)落下較大樹干砸中機(jī)械臂時(shí)，瞬間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的扭矩大大超出額定荷載，嚴(yán)重?fù)p壞了機(jī)械臂的臂身和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

然而從仿生學(xué)角度考慮，當(dāng)人或動(dòng)物的關(guān)節(jié)在受到強(qiáng)大外力時(shí)，關(guān)節(jié)就會(huì)脫臼，這是對(duì)其他部位骨骼的一種保護(hù)。因此受其啟發(fā)，在清障機(jī)器人上也可以設(shè)置這樣一種可脫臼關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的保護(hù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)，能夠提高清障機(jī)器人在惡劣環(huán)境下工作的安全性和可靠性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)，安裝于機(jī)器人的兩節(jié)臂身之間，所述關(guān)節(jié)包括機(jī)械本體、伺服控制系統(tǒng)；

機(jī)械本體包括U型的鎖止盤卡槽、鎖止盤、第一鎖止盤安裝法蘭、第二鎖止盤安裝法蘭、伺服電機(jī)、減速機(jī)、減速機(jī)輸出法蘭，鎖止盤卡槽上設(shè)有液壓驅(qū)動(dòng)裝置，鎖止盤由兩片圓盤同軸連接而成，并伸入鎖止盤卡槽內(nèi)，鎖止盤安裝法蘭位于鎖止盤的軸上，第二鎖止盤安裝法蘭與鎖止盤卡槽固定在第二節(jié)臂身的外殼上，第一鎖止盤安裝法蘭固定在減速機(jī)輸出法蘭的法蘭面上，伺服電機(jī)與減速機(jī)安裝在第一節(jié)臂身的殼體內(nèi)；

伺服控制系統(tǒng)包括控制器、伺服電動(dòng)缸、電源板、與控制器相連的傳感器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端與伺服電動(dòng)缸相連，電源板的輸出端與控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，液壓驅(qū)動(dòng)裝置用于協(xié)助鎖止盤實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)脫臼，其包括伺服電動(dòng)缸、液壓管道、液壓油、活塞，鎖止盤卡槽的兩端口由活塞封口，其腔體內(nèi)填充有液壓油，液壓管道的一端設(shè)置在鎖止盤卡槽的腔體一側(cè)、另一端與伺服電動(dòng)缸連接。

進(jìn)一步的，活塞外部設(shè)有摩擦片，摩擦片與鎖止盤上部的兩側(cè)面相接觸，可增加鎖止盤與鎖止盤卡槽之間的摩擦力，使得關(guān)節(jié)復(fù)位后更加牢固。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，傳感器包括位于臂身中部腔體內(nèi)的震動(dòng)傳感器、位于液壓管道上的液體壓強(qiáng)傳感器、鑲在鎖止盤卡槽內(nèi)外邊沿的鎖止盤光標(biāo)傳感器。震動(dòng)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中對(duì)機(jī)械臂臂身的沖擊外力，液體壓強(qiáng)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)伺服電動(dòng)缸的液壓油壓強(qiáng)；鎖止盤光標(biāo)傳感器通過發(fā)射與接收光線來(lái)監(jiān)測(cè)鎖止盤兩個(gè)圓盤的相對(duì)位置。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，鎖止盤的左片圓盤上嵌入有棱鏡光標(biāo)，棱鏡光標(biāo)用于反射鎖止盤光標(biāo)傳感器發(fā)射的光標(biāo)信號(hào)。

進(jìn)一步的，鎖止盤的材質(zhì)為鋼材，強(qiáng)度大。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接伺服電機(jī)，電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接伺服電動(dòng)缸。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在鎖止盤卡槽的頂部還設(shè)有換油閥門。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，電源板提供的電壓等級(jí)包括24V、48V，24V電壓為控制器供電，48V電壓為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，伺服控制系統(tǒng)可靠性好、控制精度高、操作維護(hù)簡(jiǎn)單；其具有的仿生關(guān)節(jié)脫臼功能，能夠解決清障機(jī)器人在惡劣環(huán)境下工作容易損壞關(guān)節(jié)的問題，有效保護(hù)清障機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的安全；具有的關(guān)節(jié)主動(dòng)復(fù)位功能，能夠使清障機(jī)器人連續(xù)進(jìn)行清障作業(yè)，從而大大提高了清障機(jī)器人清障作業(yè)的可靠性和安全性，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是所述伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；

附圖中各部件的標(biāo)記如下：1、鎖止盤卡槽，2、活塞，3、摩擦片，4、鎖止盤卡槽腔體，5、鎖止盤，6、減速機(jī)，7、伺服電機(jī)，8、第一鎖止盤安裝法蘭，10、第二鎖止盤安裝法蘭，9、減速機(jī)輸出法蘭，11、鎖止盤光標(biāo)傳感器，12、第一節(jié)臂身，13、第二節(jié)臂身，14、液壓管道，15、換油閥門，16、左片圓盤，17、右片圓盤。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例包括：

一種仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)，安裝于機(jī)器人的兩節(jié)臂身之間，為描述方便，分別定義為第一節(jié)臂身12和第二節(jié)臂身13，所述關(guān)節(jié)包括機(jī)械本體、伺服控制系統(tǒng)。

機(jī)械本體包括U型的鎖止盤卡槽1、鎖止盤5、第一鎖止盤安裝法蘭8、第二鎖止盤安裝法蘭10、伺服電機(jī)7、減速機(jī)6、減速機(jī)輸出法蘭9。鎖止盤卡槽1上設(shè)有液壓驅(qū)動(dòng)裝置，液壓驅(qū)動(dòng)裝置用于協(xié)助鎖止盤5實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)脫臼，其包括伺服電動(dòng)缸(圖中未示出)、液壓管道14、液壓油、活塞2。鎖止盤卡槽1的兩端口相對(duì)，并由活塞2封口，活塞2部設(shè)有摩擦片3，鎖止盤卡槽1的腔體4內(nèi)填充有液壓油，在鎖止盤卡槽1的頂部還設(shè)有換油閥門15，液壓管道14的一端設(shè)置在鎖止盤卡槽1的腔體4一側(cè)、另一端與伺服電動(dòng)缸連接。腔體4一側(cè)設(shè)有液壓管道14，在鎖止盤卡槽1的頂部還設(shè)有換油閥門15。鎖止盤5由兩片圓盤同軸連接而成，分別為左片圓盤16、右片圓盤17，并伸入鎖止盤卡槽1內(nèi)，其上部?jī)蓚?cè)面與摩擦片3相接觸，摩擦片3增加了鎖止盤5與鎖止盤卡槽1之間的摩擦力，使得關(guān)節(jié)復(fù)位后更加牢固。鎖止盤5的材質(zhì)為鋼材，兩片圓盤組裝完畢后軸心固定，可以相互滑動(dòng)但不能分開。鎖止盤安裝法蘭位于鎖止盤5的軸上，第二鎖止盤安裝法蘭10與鎖止盤卡槽1固定在第二節(jié)臂身13的外殼上，液壓管道14、伺服電動(dòng)缸安裝在第二節(jié)臂身13的殼體內(nèi)，第一鎖止盤安裝法蘭8固定在減速機(jī)輸出法蘭9的法蘭面上，伺服電機(jī)7與減速機(jī)6安裝在第一節(jié)臂身12的殼體內(nèi)。

結(jié)合圖2，伺服控制系統(tǒng)采用PLC伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，其包括控制器(PLC)、伺服電動(dòng)缸、電源板、與控制器相連的傳感器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端與伺服電動(dòng)缸相連，電源板的輸出端與控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連。控制器位于第二節(jié)臂身13內(nèi)部。電源板提供的電壓等級(jí)包括24V、48V，24V電壓為控制器供電，48V電壓為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，與清障機(jī)器人為共同的電源板。伺服電動(dòng)缸作為液壓驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，具有動(dòng)作迅速、噪音低、節(jié)能、干凈、高剛性、超長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，并且能在惡劣環(huán)境下無(wú)故障工作，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP65。傳感器包括位于臂身中部腔體內(nèi)的震動(dòng)傳感器、位于液壓管道14上的液體壓強(qiáng)傳感器、鑲在鎖止盤卡槽1內(nèi)外邊沿的鎖止盤光標(biāo)傳感器11。優(yōu)選的，震動(dòng)傳感器位于右側(cè)臂身即第二節(jié)臂身13中部腔體內(nèi)，其用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中對(duì)機(jī)械臂臂身的沖擊外力，液體壓強(qiáng)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)伺服電動(dòng)缸的液壓油壓強(qiáng)；鎖止盤光標(biāo)傳感器11通過發(fā)射與接收光線來(lái)監(jiān)測(cè)鎖止盤5兩個(gè)圓盤的相對(duì)位置，相應(yīng)的，在鎖止盤5的左片圓盤16上嵌入有棱鏡光標(biāo)(圖中未示出)，棱鏡光標(biāo)用于反射鎖止盤光標(biāo)傳感器11發(fā)射的光線，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)復(fù)位。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接伺服電機(jī)7(圖2中標(biāo)示為M1)，電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接伺服電動(dòng)缸(圖2中標(biāo)示為M2)。

所述仿生脫臼機(jī)器人關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)脫臼和復(fù)位的具體步驟如下：

(1)機(jī)械臂本體或關(guān)節(jié)受到外力沖擊時(shí)，震動(dòng)傳感器采樣其撞擊動(dòng)能值；

(2)控制器根據(jù)震動(dòng)傳感器傳輸來(lái)的撞擊動(dòng)能值換算出扭矩值，若超過機(jī)械臂本體或關(guān)節(jié)設(shè)定的瞬間極限值，控制器控制電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使M2運(yùn)行；

(3)伺服電動(dòng)缸工作，液壓油壓強(qiáng)下降，活塞2放松，鎖止盤5的左片圓盤16和右片圓盤17能夠以E為軸線相向旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)脫臼功能；

(4)確認(rèn)安全后，伺服電機(jī)7開始轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)輸出法蘭9驅(qū)動(dòng)鎖止盤5的左片圓盤16開始旋轉(zhuǎn)，尋找傳感器位置，尋到位時(shí)鎖止盤光標(biāo)傳感器11反饋信號(hào)至PLC，伺服電動(dòng)缸反推，活塞2夾緊，鎖止盤5定位，關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)M1使該關(guān)節(jié)復(fù)位。

液壓油壓強(qiáng)P值的設(shè)定應(yīng)滿足活塞2產(chǎn)生的壓力，使得左片圓盤16和右片圓盤17之間的靜摩擦力所傳遞的關(guān)節(jié)扭矩約等于減速機(jī)6的瞬時(shí)最大扭矩。當(dāng)有更大的動(dòng)能撞擊或加速度更大的沖擊波破壞時(shí)控制器來(lái)不及運(yùn)算，錯(cuò)過峰值，此刻左片圓盤16和右片圓盤17會(huì)相向滑動(dòng)，即關(guān)節(jié)被動(dòng)式脫臼。

本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，伺服控制系統(tǒng)可靠性好、控制精度高、操作維護(hù)簡(jiǎn)單；其具有的仿生關(guān)節(jié)脫臼功能，能夠解決清障機(jī)器人在惡劣環(huán)境下工作容易損壞關(guān)節(jié)的問題，有效保護(hù)清障機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的安全；具有的關(guān)節(jié)主動(dòng)復(fù)位功能，能夠使清障機(jī)器人連續(xù)進(jìn)行清障作業(yè)，從而大大提高了清障機(jī)器人清障作業(yè)的可靠性和安全性，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。