旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构与其使用方法

1.本发明涉及到机械臂旋转关节的技术领域，具体涉及到旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构与其使用方法。


背景技术：

2.随着超高压、特高压输电系统及电力行业的大力发展，为保证高压输电线路的安全运行，线路巡检机器人等应运而生，线路机器人代替人工作业的应用越来越普及，线路机器人往往沿高压线进行行走及作业，其机械臂上的行走轮在行走过程中需要根据线路的轨迹进行作业状态的切换，由于机械臂的工作需要和线路巡检机器人工作环境的危险性，其机械臂旋转角度需要进行限制，与此同时机械臂为适应复杂工作环境，如线路巡检机器人翻越不同障碍时，其机械臂可旋转的角度范围需要根据工作环境实时调整。
3.现有技术中对于限制机械臂旋转关节的旋转角度，常设置有软限位和硬限位来进行双重保护，以此来防止机械臂旋转关节出现超程而导致碰撞损坏，软限位便是通过参数化的方法来限制其运动范围，而硬限位则是通过一些特定的机械结构来实现对机械臂旋转关节运动范围的限制。
4.然而现有的硬限位方式只能单一的限制机器臂旋转关节的工作范围，并不能根据机器人的工作状态对限位范围进行实时调整，授权公告号为cn107511845b的中国专利提供了一种旋转关节定位锁止机构、工作方法以及线路机器人，在该专利中，导向夹卡住转轴，转轴处于锁止状态时，转轴不转；导向夹远离转轴，转轴处于解锁状态时，转轴的转角范围由固定设置的限位块限定，即转角范围不能调节，因而设计一款既可调节旋转关节的摆角极限的限位、又能够定位锁止旋转关节位置的机构具有现实意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构，包括固定在旋转关节的固定端上的基座和固定在所述旋转关节的转轴上的转盘，所述基座包括一对平行侧板和动力组件，两个所述侧板之间设有拉板，所述动力组件驱动所述拉板在两个所述侧板之间移动；所述拉板两端均套设有拉杆，所述拉杆与挠性传动带连接，所述挠性传动带绕设在所述转盘上，所述挠性传动带与所述转盘之间通过设置固定点实现同步转动；所述拉杆远离所述挠性传动带的一端设有弹性限位装置，所述弹性限位装置与所述拉板间距的范围决定所述拉杆的移动范围；通过调整所述拉板与所述转盘的轴心的间距改变所述转盘可旋转的最大角度的范围。
8.通过调整所述拉板与所述转盘的轴心的间距改变所述转盘可旋转的最大角度的范围，从而控制所述旋转关节的旋转范围，实现了对所述旋转关节的旋转范围进行实时调
整的功能，使得所述旋转关节能够适应复杂多变的工作环境。
9.所述动力组件可以精确控制所述拉板的移动距离，并根据所述拉板的移动距离和所述转盘的周长得出所述转盘向顺时针或逆时针方向可以旋转的最大角度，从而精确控制所述旋转关节的旋转范围。
10.所述弹性限位装置始终对所述转盘施加有力矩，且所述拉板不会发生旋转，当所述丝杠停止转动时所述拉板可以自锁，当所述旋转关节突然失去动力时，所述弹性限位装置将通过所述拉杆驱动所述转盘使其接近或等于零，所述拉板在动力组件停机时仍能限制所述旋转关节的旋转范围，避免所述旋转关节失去动力后不受控制。
11.优选地，所述转盘的轴心与所述转轴重合，设所述转盘的圆形轮廓的周长为s，所述拉板与所述转盘的轴心的最远间距为l0，此时所述拉板位于a点，所述轴心位于o点，所述拉板由a点向o点移动的任意距离为l2，所述转盘向顺时针或逆时针方向可以旋转的最大角度为β，则
12.由于所述转盘发生旋转时，所述固定点沿所述转盘的圆形轮廓所移动的距离等于l2，且根据所述固定点沿所述转盘的圆形轮廓所移动的距离与s的比值可以确定所述固定点的摆角大小，因此l2与s的比值可以确定所述固定点的摆角的极值，而所述固定点的摆角相当于所述转盘的旋转角度，因此l2与s的比值可以确定β。
13.优选地，所述拉板由a点向o点移动的最大距离为l1，0≤l2≤l1＜l0，当l2＝l1时β达到其极值α，因此0≤β≤α。
14.由于所述拉板与所述轴心间还有所述侧板和所述转盘，因此l0一定大于l1。
15.优选地，所述动力组件包括驱动电机、电机支架、联轴器和丝杠，所述驱动电机通过所述电机支架固定在所述基座上，所述驱动电机通过所述联轴器连接所述丝杠并驱动所述丝杠旋转，所述丝杠穿过所述拉板中部与所述拉板螺纹连接。
16.所述驱动电机采用步进电机，确保所述驱动电机可精确控制所述丝杠的转动圈数，以精确控制所述拉板的移动距离；
17.由于所述拉板的两端分别套设有所述拉杆，而所述转轴与所述拉板垂直设置，因此所述转盘转动不会使所述拉板绕所述丝杠转动，确保了所述驱动电机不工作，所述拉板也不会沿所述丝杠移动。
18.优选地，所述基座还包括底板和导杆，两个所述侧板之间通过所述底板固定在一起，两个所述侧板之间还设有所述导杆，所述导杆与所述丝杠平行设置，所述导杆穿过所述拉板并与所述拉板滑动连接。
19.所述导杆可协助所述丝杠引导所述拉板移动，确保所述拉板沿所述丝杠移动，防止所述拉板发生旋转。
20.优选地，所述弹性限位装置包括台肩和弹簧，所述台肩固定在所述拉杆远离所述挠性传动带的一端，所述弹簧设置在所述台肩与所述拉板之间，所述弹簧套接在所述拉杆上，所述弹簧两端分别与所述台肩和所述拉板连接。
21.所述台肩与所述拉板共同配合以压缩或拉伸所述弹簧，所述弹簧可以为所述拉杆提供缓冲，使所述转盘在旋转过程中时刻受到弹簧的拉力或压力，若所述转盘以恒定转矩旋转时，所述转盘旋转角度越接近其最大旋转角度，所述转盘角速度越慢；
22.所述旋转关节所提供的旋转力矩因故障突然消失时，被压缩的所述弹簧将推动所述台肩使所述拉杆回到初始位置，被拉伸的所述弹簧将拉动所述台肩使所述拉杆回到初始位置，两侧的所述弹簧共同配合使所述转盘的旋转角度接近或等于零。
23.优选地，所述弹性限位装置还包括套筒，所述套筒设置在所述台肩与所述拉板之间并套接在所述弹簧外，所述套筒固定在所述台肩上，所述套筒长度等于所述台肩与所述拉板的最小间距。
24.当所述转盘顺时针或逆时针旋转时，所述套筒与所述拉板抵接可阻止所述转盘继续旋转，避免所述拉板与所述台肩频繁将所述弹簧压缩至极限，影响所述弹簧工作寿命，同时所述弹簧可防止所述拉板与所述套筒之间发生严重碰撞。
25.优选地，所述挠性传动带采用同步皮带或链条，采用所述同步皮带时，所述转盘外侧设置有对应所述同步皮带的齿形槽，采用所述链条时所述转盘外侧设置有与所述链条配合的链齿。
26.优选地，所述拉杆通过联接头与所述挠性传动带连接，所述转盘外侧设有一圈导槽，所述挠性传动带设置在所述导槽内。
27.所述导槽用于防止所述挠性传动带脱离所述转盘，所述转盘与所述挠性传动带通过所述固定点固定在一起，避免所述转盘与所述挠性传动带之间打滑，所述挠性传动带进一步采用防滑的同步皮带或链条，确保所述挠性传动带与所述转盘同步旋转。
28.优选地，旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构的使用方法如下：
29.(1)：所述旋转关节处于锁止状态时，所述拉板位于a点，此时所述弹性限位装置阻止所述拉杆移动，使得所述挠性传动带无法转动，从而将所述旋转关节锁定；
30.(2)：所述旋转关节需要在一定范围内旋转时，所述动力组件驱动所述拉板由a点向o点移动l2后停止，此时所述旋转关节可在2β范围内自由旋转，当所述旋转关节向顺时针或逆时针方向的转动角度达到β时，所述弹性限位装置将阻止所述挠性传动带一侧的所述拉杆移动，从而限制所述旋转关节的旋转范围；
31.(3)：所述旋转关节需要在最大范围内旋转时，所述动力组件将驱动所述拉板直到所述拉板与a点的间距为l1时停止，此时所述旋转关节可在2α范围内自由旋转，当所述旋转关节向顺时针或逆时针方向的转动角度达到α时，所述弹性限位装置将阻止所述挠性传动带一侧的所述拉杆移动，从而限制所述旋转关节的旋转范围。
32.(4)：所述旋转关节需要重回锁止状态时，所述动力组件将驱动所述拉板回到a点，随后利用所述拉板固定所述拉杆以锁定所述旋转关节。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
34.(1)本发明通过调整拉板与转盘的轴心的间距改变转盘可旋转的最大角度的范围，从而控制旋转关节的旋转范围，实现了对旋转关节的旋转范围进行实时调整的功能，使得旋转关节能够适应复杂多变的工作环境。
35.(2)本发明可利用动力组件精确控制拉板的移动距离，并根据拉板的移动距离和转盘的周长得出转盘向顺时针或逆时针方向可以旋转的最大角度，从而精确控制旋转关节的旋转范围。
36.(3)本发明在工作过程中，弹性限位装置始终对转盘施加有力矩，且拉板不会发生旋转，当丝杠停止转动时拉板可以自锁，当旋转关节突然失去动力时，弹性限位装置将通过
拉杆驱动转盘使其旋转角度接近或等于零，拉板在动力组件停机时仍能限制旋转关节的旋转范围，避免旋转关节失去动力后不受控制。
附图说明
37.图1为本发明处于第一种顺时针限位状态时的结构示意图；
38.图2为本发明处于第一种逆时针限位状态时的结构示意图；
39.图3为本发明处于定位锁止状态时的结构示意图；
40.图4为本发明处于第二种顺时针限位状态时的结构示意图；
41.图5为本发明处于第二种逆时针限位状态时的结构示意图；
42.图中：1、基座；101、第一侧板；102、第二侧板；2、驱动电机；201、电机支架；202、联轴器；3、丝杠；301、螺母副；4、导杆；401、导套；5、拉板；6、第一拉杆；601、第一台肩；602、第一联接头；7、第二拉杆；701、第二台肩；702、第二联接头；8、第一弹簧；801、第一套筒；9、第二弹簧；901、第二套筒；10、挠性传动带；11、转轴；1101、转盘；1102、导槽；1103、固定点。
具体实施方式
43.下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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。
45.如图1～5所示，实施例1的具体方案如下：旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构，包括固定在旋转关节的固定端上的基座1和固定在旋转关节的转轴11上的转盘1101，基座1包括一对平行侧板和动力组件，两个侧板之间设有拉板5，动力组件驱动拉板5在两个侧板之间移动；拉板5两端均套设有拉杆，拉杆与挠性传动带10连接，挠性传动带10绕设在转盘1101上，挠性传动带10与转盘1101之间通过设置固定点1103实现同步转动；拉杆远离挠性传动带10的一端设有弹性限位装置，弹性限位装置与拉板5间距的范围决定拉杆的移动范围；通过调整拉板5与转盘1101的轴心的间距改变转盘1101可旋转的最大角度的范围。
46.具体地，旋转关节的固定端与旋转关节的转轴11通过轴承转动连接。
47.具体地，旋转关节位于锁止状态、拉板5位于a点时，固定点1103在拉板5运动方向的延长线上，此时旋转关节的旋转角度为零时的基准点为固定点1103，以固定点1103为基准点便于确认和理解旋转关节的旋转角度，固定点1103与转盘1101的轴心之间的连线为摆线，摆线与拉板5运动方向的延长线的夹角为旋转关节的摆角，旋转关节的摆角等同于旋转关节的旋转角度。
48.具体地，转盘1101的轴心与转轴11重合，设转盘1101的圆形轮廓的周长为s，拉板5与转盘1101的轴心的最远间距为l0，此时拉板5位于a点，轴心位于o点，拉板5由a点向o点移
动的任意距离为l2，转盘1101向顺时针或逆时针方向可以旋转的最大角度为β，则
49.具体地，拉板5由a点向o点移动的最大距离为l1，0≤l2≤l1＜l0，当l2＝l1时β达到其极值α，0≤β≤α。
50.具体地，固定点1103以转轴11为圆心作圆周运动所移动的距离为挠性传动带10移动的距离，也就是说拉板5移动l2时固定点1103作圆周运动所移动的距离为l2，如果l2与s相等时，固定点1103绕转盘1101旋转一周；因此l2与β的值成正比，且l2与s的比值等于β与360
°
的比值，通过精确控制l2即可精确控制β，从而实现精确控制旋转关节可调节摆角限位。
51.具体地，动力组件包括驱动电机2、电机支架201、联轴器202和丝杠3，驱动电机2通过电机支架201固定在基座1上，驱动电机2通过联轴器202连接丝杠3并驱动丝杠3旋转，丝杠3上设置有螺母副301，螺母副301固定在拉板5中部，丝杠3通过螺母副301与拉板5螺纹连接。
52.具体地，基座1的两个侧板分别为第一侧板101和第二侧板102，基座1还包括底板和导杆4，第一侧板101和第二侧板102之间通过底板固定在一起，第一侧板101和第二侧板102之间还固定有导杆4，导杆4与丝杠3平行设置，导杆4穿过拉板5并与拉板5滑动连接。
53.具体地，在丝杠3两侧对称设置有两根导杆4，拉板5上固定有导套401，拉板5通过导套401与导杆4滑动连接。
54.具体地，弹性限位装置包括第一台肩601、第二台肩701、第一弹簧8和第二弹簧9，第一台肩601和第二台肩701分别固定在第一拉杆6和第二拉杆7靠近拉板5的一端，第一弹簧8设置在第一台肩601和拉板5之间，第二弹簧9设置在第二台肩701和拉板5之间，第一弹簧8和第二弹簧9分别套接在第一拉杆6和第二拉杆7上，第一弹簧8两端分别固定在第一台肩601与拉板5上，第二弹簧9两端分别固定在第二台肩701与拉板5上。
55.具体地，弹性限位装置还包括第一套筒801和第二套筒901，第一套筒801设置在第一台肩601与拉板5之间并套接在第一弹簧8外，第二套筒901设置在第二台肩701与拉板5之间并套接在第二弹簧9外，第一套筒801一端固定在第一台肩601上、另一端与拉板5抵接，第二套筒901一端固定在第二台肩701上、另一端与拉板5抵接。
56.具体地，挠性传动带10采用同步皮带或链条，采用同步皮带时，转盘1101外侧设置有对应同步皮带的齿形槽，采用链条时转盘1101外侧设置有与链条配合的链齿。
57.具体地，第一拉杆6和第二拉杆7分别通过第一联接头602和第二联接头702与挠性传动带10连接，转盘1101外侧设有一圈导槽1102，挠性传动带10设置在导槽1102内。
58.具体地，旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构的工作原理如下：
59.锁止状态见图3，此时拉板5与转盘1101的轴心间距为l0，拉板5位于为a点，拉板5左侧与第一套筒801和第二套筒901的右端接触，拉板5通过第一套筒801和第二将第一拉杆6和第二拉杆7及其牵引着的挠性传动带10两端向左拉紧，转盘1101上的固定点1103位置位于丝杠3轴线的延长线上，设该位置为旋转关节与转盘1101的初始位置；
60.旋转关节需要在最大范围内旋转时，见图1和图2，驱动电机2正向转动，通过丝杠3驱动螺母副301带动拉板5向右移动到达b点，a点与b点间距为l1；
61.此时旋转关节及转盘1101允许的顺时针或逆时针转动的最大角度为2α；
62.在旋转关节及转盘1101顺时针转动时，见图1，挠性传动带10将上方的第一拉杆6向右逐渐拉出，下方的第二拉杆7在第二弹簧9的作用下向左拉回，上方的第一弹簧8不断的被压缩，直到上方的第一套筒801的右端抵住拉板5左侧，此时旋转关节及转盘1101顺时针转动的最大旋转角度为α；
63.在旋转关节及转盘1101逆时针转动时，见图2，挠性传动带10将下方的第二拉杆7向右逐渐拉出，上方的第一拉杆6在第一弹簧8的作用下向左拉回，下方的第二弹簧9不断的被压缩，直到下方的第二套筒901的右端抵住拉板5左侧，此时旋转关节及转盘1101逆时针转动的最大旋转角度为α；
64.旋转关节需要在一定范围内旋转时，见图4和图5，驱动拉板5向右移动任意距离到达c点，此时a点与c点间距为l2，此时旋转关节及转盘1101允许的顺时针或逆时针转动的最大旋转角度为2β；
65.由于0≤l2≤l1＜l0，0≤β≤α，即可以通过驱动电机2调节控制拉板5所处的位置来控制调节旋转关节及转盘1101允许的最大旋转角度，当拉板5位于最左极限位置a点时，旋转关节及转盘1101允许的旋转角度为0，即旋转关节和转盘1101处于被定位锁止状态。
66.旋转关节在向顺时针方向的旋转过程中失去转动力矩时，上方的第一弹簧8从压缩状态开始反弹并推动第一拉杆6向左运动，下方的第二弹簧9从拉伸状态开始收缩并拉动第二拉杆7向右运动，第一拉杆6与第二拉杆7共同拉动挠性传动带10使其逆时针旋转，挠性传动带10带动转盘1101及旋转关节逆时针旋转，在旋转过程中挠性传动带10与转盘1101之间的摩擦力以及第一弹簧8和第二弹簧9自身的阻尼将消耗各个弹簧恢复原有形态的势能，最终第一弹簧8和第二弹簧9都会静止，转盘1101及旋转关节的旋转角度接近或等于零。
67.具体地，旋转关节可调节摆角限位及定位锁止机构的使用方法如下：
68.(1)旋转关节处于锁止状态时，拉板5位于a点，此时弹性限位装置阻止拉杆移动，使得挠性传动带10无法转动，从而将旋转关节锁定；
69.(2)旋转关节需要在一定范围内旋转时，动力组件驱动拉板5由a点向o点移动l2后停止，此时旋转关节可在2β范围内自由旋转，当旋转关节向顺时针或逆时针方向的转动角度达到β时，弹性限位装置将阻止挠性传动带10一侧的拉杆移动，从而限制旋转关节的旋转范围；
70.(3)旋转关节需要在最大范围内旋转时，动力组件将驱动拉板5直到拉板5与a点的间距为l1时停止，此时旋转关节可在2α范围内自由旋转，当旋转关节向顺时针或逆时针方向的转动角度达到α时，弹性限位装置将阻止挠性传动带10一侧的拉杆移动，从而限制旋转关节的旋转范围。
71.(4)旋转关节需要重回锁止状态时，动力组件将驱动拉板5回到a点，随后利用拉板5固定拉杆以锁定旋转关节。
72.实施例2：本实施例2与实施例1的区别在于：
73.具体地，动力组件采用液压缸或气缸，液压缸或气缸固定在基座1上，液压缸或气缸的活塞与拉板5中部连接，液压缸或气缸通过伸缩活塞控制拉板5移动，从而控制旋转关节最大旋转角度与锁定旋转关节位置。
74.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。