一种锁死机构的制作方法

1.本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种锁死机构。


背景技术：

2.随着机器人研究的深入和各方面需求的不断增长，机器人应用领域在不断的扩大，其工作的环境与需求功能越来越复杂，面向的对象越来越多样化。在机器人的实际应用中，可能会遇到较大外载、极端的单向锁死与释放、快速响应等功能需求，这与基础机械原理的棘轮机构原理相结合，可以衍生出相关的机构设计
3.传统的单向锁死辣轮机构可以通过合理地外形设计使机构可以承载较大载荷，而且可以保证单向旋转锁死。但在机器人结构的应用中，很少有小型的、适用于机器人的高速响应指定角度锁死机构，先前的大部分机构设计都是针对于大型设备，或其驱动与控制方式与机器人本身不相符合。


技术实现要素：

4.本实用新型专利的目的：本实用新型为了解决传统的单向锁死辣轮机构的驱动与控制方式与机器人本身不相符合的问题，提出了一种锁死机构。
5.为实现上述目的，一种锁死机构，它包括基座、棘轮、扳机和扳机座；
6.所述棘轮固定设置在基座上，扳机座设置在基座的一侧，扳机与扳机座转动连接，所述棘轮通过驱动装置一驱动进行转动，扳机座通过驱动装置二驱动进行前后位移。
7.进一步地，一种锁死机构，所述扳机座设置在直线导轨上，并与直线导轨滑动连接。
8.再进一步地，一种锁死机构，所述导轨为mgn直线导轨。
9.进一步地，一种锁死机构，所述扳机包括凸起一、凸起二和凸起三，凸起一、凸起二和凸起三沿圆周方向顺时针依次设置在扳机上，凸起一和凸起二之间留有沟槽一，凸起二和凸起三之间留有沟槽二。
10.再进一步地，一种锁死机构，所述凸起二呈“乛”状，所述凸起二的长边所在平面靠近凸起一设置，凸起三的外轮廓最外侧为平面，所述凸起二的长边所在平面与凸起三的外轮廓最外侧平面的夹角≤棘轮的两个相邻棘齿间的角度。
11.进一步地，一种锁死机构，所述凸起二的长边所在平面与凸起三的外轮廓最外侧平面的夹角＝棘轮的两个相邻棘齿间的角度。
12.再进一步地，一种锁死机构，扳机还包括凸起四，凸起四沿顺时针方向设置在凸起三的后方，凸起四通过牵引件与扳机座连接。
13.进一步地，一种锁死机构，所述牵引件为弹性牵引件。
14.再进一步地，一种锁死机构，所述牵引件为皮筋或弹簧。
15.进一步地，一种锁死机构，扳机还包括凸起五，凸起五沿顺时针方向设置在凸起四的后方。
16.有益效果：
17.本方案提供一种小型的，具有指定角度锁死、高速响应的单向锁死机构设计想路，为机器人其他功能机构的设计提供实现基础，本方案所设计的机构可以使用与一些高载荷机器人场景，如机器人对外载冲击的高速响应防御、机器人的快速越障:可以使用于一此具有大能量存储的场景，如机器人的蓄能与释放。
18.通过本方案的研究，机器人的其他功能机构设计可以通过本研究提供的思路完成载荷的有效分散，具有驱动受小载荷、结构受大载荷的特点，且具有控制简单、成本较低、寿命长、维护简单等优点。
19.与传统的机构相比，本方案所设计的机构在现代机器人的应用中，尤其是对尺寸具有比较苛刻要求的前提下，具有更加简便、许用载荷大的优势，对机器人的具体功能机构设计有重要意义。
20.针对先前大型的旋转单向锁死机构存在的体积大,质量大,驱动与控制系统复杂,不适用于机器人等小型场景中等不足,提出了一种基于棘轮与凸轮的旋转锁死机构,结构紧凑, 控制简单,且体积质量小,可靠性高。
21.针对单向旋转锁死机构中存在的锁死回程差问题,提出了以一种新的棘爪设计方案,通过解决零件之间相对转动的问题,保证了棘爪与棘轮啮合过程中的相对转动被转化为不影响机构输出运动的无效转动,同时使锁死条件下限位释放可控。
22.根据直动从动件凸轮的设计原理,提出了一种曲面底的凸轮设计,通过凸轮半径的突变完成高速响应与锁死的功能,
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型装置的立体示意图；
25.图2为本实用新型的主视示意图；
26.图3为本实用新型的扳机机构示意图；
27.图4为本实用新型的凸轮回推方案示意图；
28.图5为本实用新型的固定扳机转动棘轮的运动示意图；
29.图6为本实用新型的棘轮啮合过程的啮合作用部位示意图；
30.图7为本实用新型的参数示意图。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
32.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措
辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
36.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
37.具体实施方式一：一种锁死机构，它包括基座1、棘轮2、扳机3和扳机座4；
38.所述棘轮2固定设置在基座1上，扳机座设置在基座的一侧，扳机3与扳机座4转动连接，所述棘轮2通过驱动装置一5驱动进行转动，扳机座4通过驱动装置二6驱动进行前后位移。
39.本实施方式中：整体机构的驱动选用可以选用双动针形气缸作为驱动装置一(直动从动件),电机或旋转气缸作为驱动装置二(主旋转运动驱动),完成整个机构的运动过程。
40.其中,机构的传动使用简单的传动:主旋转模块为凸棘轮；锁死模块为直动从动件与棘爪一体化的扳机座。
41.装置设置时，驱动装置一和驱动装置二分别处于驱动状态，可选地，驱动装置一驱动在基座上，驱动装置二驱动在实验平台上，所述实验平台即承载基座的平台；当本产品应用于机器人时，驱动装置一和驱动装置二分别驱动在机器人的不同部位，驱动装置二与基座位置相对静止，使扳机座可以相比于基座进行位移移动。
42.具体实施方式二：一种锁死机构，所述扳机座4设置在直线导轨7上，并与直线导轨 7滑动连接。
43.其他实施方式与具体实施方式一相同。
44.具体实施方式三：一种锁死机构，所述导轨7为mgn7直线导轨。
45.其他实施方式与具体实施方式二相同。
46.具体实施方式四：一种锁死机构，所述扳机3包括凸起一3-1、凸起二3-2和凸起三 3-3，凸起一3-1、凸起二3-2和凸起三3-3沿圆周方向顺时针依次设置在扳机3上，凸起一3-1和凸起二3-2之间留有沟槽一，凸起二3-2和凸起三3-3之间留有沟槽二。
47.其他实施方式与具体实施方式一相同。
48.具体实施方式五：一种锁死机构，所述凸起二3-2呈“乛”状，所述凸起二3-2的长边所在平面靠近凸起一3-1设置，凸起三3-3的外轮廓最外侧为平面，所述凸起二3-2的长边所在平面与凸起三3-3的外轮廓最外侧平面的夹角≤棘轮2的两个相邻棘齿间的角度。
49.本实施方式中：如此设置，使凸起二和凸起三刚好卡住棘轮，防止棘轮转动，优选地，所述凸起二3-2的长边所在平面与凸起三3-3的外轮廓最外侧平面的夹角＝棘轮 2的两个相邻棘齿间的角度。
50.其他实施方式与具体实施方式四相同。
51.具体实施方式六:一种锁死机构，所述凸起二3-2的长边所在平面与凸起三3-3的外轮廓最外侧平面的夹角＝棘轮2的两个相邻棘齿间的角度。
52.其他实施方式与具体实施方式五相同。
53.具体实施方式七：一种锁死机构，扳机3还包括凸起四3-4，凸起四3-4沿顺时针方向设置在凸起三3-3的后方，凸起四3-4通过牵引件8与扳机座4连接。
54.其他实施方式与具体实施方式六相同。
55.具体实施方式八：一种锁死机构，所述牵引件8为弹性牵引件。
56.其他实施方式与具体实施方式七相同。
57.具体实施方式九：一种锁死机构，所述牵引件8为皮筋或弹簧。
58.本实施方式中：扳机的初始位置固定可以使用拉簧、扭簧甚至皮筋进行初始位置固定处理,确保了扳机每次起作用时都是位于同一种初始状态下。
59.其他实施方式与具体实施方式八相同。
60.具体实施方式十：一种锁死机构，扳机3还包括凸起五3-5，凸起五3-5沿顺时针方向设置在凸起四3-4的后方。
61.其他实施方式与具体实施方式九相同。
62.工作原理：从机器人结构设计出发，本文主要设计了一种可以在中小型机器人中应用的，可以有效地承载较大力矩、自动锁死、消除回程差，且驱动不直接承载力矩的结构。结构基于棘轮的锁死原理，结合了凸轮机构中直动从动件机构等原理，以针形气缸、小型电机等为驱动，完成了整个机构的单向消除回程差锁死。机构有效地将受力传递给了框架等纯机械结构，并未使驱动直接承载载荷，同时尽可能地减少了驱动的使用，具有体积小、重量轻、许用载荷大、控制简单等特点。
63.在对外形尺寸与运动尺寸要求比较极端的情况下,本章对这种体积小、载荷高、单向卡死、消除回程差、驱动不承担载荷、单向到位快速锁死、限位释放可控回位等功能进行了整理与优化,使得完成了期望功能的同时具有一定的稳定性与寿命。
64.机构在控制上需要实现一个已知的主动旋转机构在旋转指定角度后被动锁死,在需要的时刻,机构还可以进行锁死的直接释放,并对主动的旋转机构进行回转归位运动。为了避免大量冗余的被动机构与复杂、不可靠的机构设计,在原有主动旋转驱动的基础上再加入一个控制限位的驱动为更合适的驱动选择方案。
65.采用棘轮方案，为避免棘爪划入棘轮齿锁死过程中产生的回转(既回程差的产生)，保证棘爪无视回程差划入即锁死,控制的过程可以描述为:在棘轮按照某一方向单向旋转时, 棘爪与设计的被动自由度会在每一个棘轮齿处产生一次无回程差的啮合。到达某一位置后施加载荷,这时机构发生了锁死。移去载荷后,棘爪需要适当的力,仍然使棘轮在不发生旋转的条件下完成锁死释放。标准的棘轮棘爪设计在一般情况下是由多个轴系组成的,但考虑到载荷与结构设计的复杂程度,方案采用将棘爪转换为直动啮合的形式。这样一方面避免了实际载荷传递时对棘爪轴系的应力集中,让载荷通过直动件更均匀的分布在直线导向机架上, 另一方面可以使用直线气缸进行更为简单的控制与限位释放,降低机构的复杂程度。通过对以上方案的总结与分析,设计出了相应的锁死方案,并实现了无回程差的功能。方案将直动的棘爪称为扳机座,而设计的被动啮合件称为扳机,通过棘轮齿顶撞击扳机凸起引起扳机与棘轮齿的相对运动,并完成滑入锁死的过程。
66.图1-3中，旋转的构件为扳机,直动的构件由气缸驱动为扳机座,而右侧的旋转构件为棘轮。图中f1》f2,使得合力方向竖直向下或偏右,完成了啮合锁死,且移去载荷后可以快速抽出实现限位释放。扳机由拉簧进行被动的拉回,保证了下次啮合时机构仍然以同样的状态完成啮合与锁紧。
67.结合凸轮的运动原理,改为了凸轮-棘轮结的形式,以一个零件实现凸棘轮一体,使气缸可以在主动驱动单向转动的情况下被凸轮推回,遇到下一个齿时快速回弹重新啮合,有效地提高了棘轮啮合锁死的稳定性。
68.为了保证凸棘轮在转动时推开从动件保证扳机初始位置不受棘轮转动的影响,凸轮及其从动件的外形设计应大体上满足以下要求:
69.(1)凸棘轮转动过程中,扳机不应受到其转动而改变其初始位置,使得扳机无法在要锁死时失去效果(过度转动)；
70.(2)扳机座回推部分应该具有一定的曲面轮廓设计,确保主动凸棘轮在旋转的过程中对驱动作用的从动力矩(气缸或弹簧提供的回弹力)在许可范围内,驱动可以正常旋转；
71.(3)扳机座具有较好的尺寸设计,既能保证扳机进入棘轮后能正常工作锁死,同时凸棘轮的凸轮面与扳机座脱离,凸轮失效,完全为棘轮工作等。
72.根据以上要求,对凸轮轮廓进行了大概的设计,满足了凸轮棘轮一体化的同时较好的降低了零件的加工成本与复杂度,图4其基本运动规划,可以描述为直动件回推、直动件速进、扳机转动与扳机完全锁死四个阶段。
73.在扳机座的尖顶部位增加一个可以转动的自由度,使两个零件在滑入锁死的过程中产生的相对转动由棘轮转动转化为棘爪转动,即转换了相对转动的零件，如图5所示
74.将会产生不利影响的棘轮转动转化为无关紧要的扳机转动,而转动地过程可以利用类齿轮啮合的思路进行设计。图6表示了以棘轮齿顶与扳机突出齿作为啮合齿进行的啮合转动设计,扳机座在右推的过程中与棘轮齿顶发生了啮合并传递转动。
75.扳机的初始位置固定可以使用拉簧、扭簧甚至皮筋进行初始位置固定处理,确保了扳机每次起作用时都是位于同一种初始状态下。
76.为了使得棘轮旋转驱动承担较小的载荷,可以使扳机座与凸轮尖顶的作用面设计成非平底曲面,这样可以通过改变凸轮尖顶与扳机座曲面底作用的压力角来优化棘轮驱动
的受力情况，
77.由于棘轮的相角为π/3,每转动60
°
便会进入下一次啮合与回推的周期,这使得凸轮推程作用角度范围需要在小于60的合理范围内,本设计选取了50作为凸轮推程角。
78.由于气缸的位置是固定的,其相对于凸棘轮转动中心的距离固定为d,设凸轮尖顶推程接触点到气缸固定点的水平距离为d,凸轮的相关参数如图7示,满足：
79.d rcos(π/3-θ)＝d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
80.取d为凸轮刚开始推动扳机座时,扳机到气缸座的距离；取h()作为扳机座的曲面底在气缸推动方向上的投影,用来描述扳机座曲面底方程,可以将上面的方程仅用θ表述为：
81.d
0-h[rsin(π/3-θ)] rcos(π/3-θ)＝d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0082]
故可以用方程(2)表示不同曲面直动型从动件的基本运动规律。
[0083]
本设计以圆弧曲面底为例,将h(y)表述为：
[0084]
[h(y) h0] [y-y
13
]2＝r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0085]
式中h0为弧面圆心到凸轮尖顶推程接触点的水平距离,y
13
圆心o1到o3的水平距离, 为弧面半径。方程(2)与(3)联立即可以完整表述本设计的直动从动件运动规律。
[0086]
为了保证结构受力的稳定性,本设计使用了2～3个轴支座组合而成的超静定梁,可以有效地将载荷分散给框架。相应地,直动从动件的载荷分散部件则为mgn7系直线导轨,具有相当的稳定性。
[0087]
直动型从动件并非完全从动,从直动驱动上来考虑,比较合适的驱动为双动型微型气缸cjb6～10系,可以根据需求响应速度或主动轴系反推需要承载力矩对直动气缸的参数进行具体选型。
[0088]
主动轴系旋转驱动多种多样,可以简单的选用常用的扭矩输出驱动作为主动驱动,如本设计中选用的crb2bwu系摆动气缸,也可以选用电机驱动。如果根据功能需要改变,如设计蓄能机构,甚至可以将主动驱动改为液压的形式。由于主动轴系可能存在较大扭矩,本设计中使用了空心铝方轴作为扭矩载体,同时具有装配简单的优点。
[0089]
凸棘轮尖顶部分的结构设计可以选择性加入滚子,防止由于过大的滑动模组或静摩擦在较大正压力下发生自锁而无法正确扳机推出归位。
[0090]
机构中承担载荷的零件均可以采用6系或7系铝或45钢等作为材料,非承载零件则可以主要选用碳纤、pla、亚克力等材料。
[0091]
旋转锁死机构的结构设计：根据轻量、小型的空间尺寸限制，无回程差卡死的功能需求，通过对机构进行运动学分析以实现相关的功能。根据单向自动锁死驱动不直接承载载荷，到位快速锁死、释放限位后反向回位等特点，进行了相关驱动的选型，完成了详细的结构设计
[0092]
旋转锁死机构的仿真与性能分析：利用设计的尺寸进行相关的仿真分析验证并对机构的受力情况进行计算，得到机构的相关设计参数与许用载荷.
[0093]
旅转锁死机构的实验验证：通过搭建实验巫台，进行机构的设计功能验证与强度验证、稳定性测试等，包括机构的搭建、控制程序的编写、运动稳定性测试、强度测试等。
[0094]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则
之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。