一种制动机构与制动装置的制作方法

本发明涉及一种制动装置，特别是涉及一种具有安全保护功能的制动装置，属于机器人技术领域。

背景技术：

专利申请号为201580011890.9的发明专利，公开了一种用于机器人关节的刹车装置，该专利利用直接安装在pcb上的电磁铁，在电源掉电的情况下，将棘轮移动成与安装在电机轴上的环形构件结合。该环形构件(摩擦环)可以相对于电机轴旋转，但环形构件与电机轴之间存在较高摩擦。这确保关节的受控暂停，但不会突然暂停关节而导致机械臂超载。牢固地装配在电机轴与环形构件(摩擦环)之间的o形环确保了环形构件与电机轴之间地摩擦。

该发明专利的缺点体现在以下方面：

(1)纯粹利用摩擦来提供电机轴的暂停力，需要提供较大的压力来实现较高摩擦；容易磨损，长期反复暂停后容易导致摩擦元件磨损，磨损会产生粉尘等，危害周围电路板和机械传动部件。

(2)长期磨损会降低压力，从而降低摩擦力，影响电机轴的暂停能力，危害系统安全。

(3)电机轴的暂停，需要合适的暂停力，过小不安全，过大则容易损伤传动系统。摩擦的机理复杂，而且决定摩擦力大小的是摩擦双方的材料、接触面状况及相互之间的压力，在实际操作中不容易控制摩擦力的大小。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：现有机器人关节制动装置耐久性差、安全可靠性差。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通过弹性元件变形来提供旋转、直线或曲线运动所需制动力的装置，尤其适用于机器人关节制动。技术方案如下：

本发明的第一方面，提供了一种制动机构，包括提供驱动的第一部件以及接受驱动并从动的第二部件，第一部件与第二部件至少之一包括可变形部件；制动机构具有第一工作状态与第二工作状态；

其中，可变形部件被配置为：

当制动机构处于第一工作状态时，可变形部件处于初始形状，第一部件驱动第二部件一起同向运动，且第一部件与第二部件保持相对静止；

当制动机构处于第二工作状态时，第一部件与第二部件发生反向相对运动，可变形部件发生变形，第二部件减弱第一部件的惯性运动趋势。

在一些实施例中，第一部件包括第一类型凸起部，第二部件包括第二类型凸起部，第一类型凸起部与第二类型凸起部的至少之一为可变形部件；

当制动机构处于第一工作状态时，第一类型凸起部与第二类型凸起部接触传动；

当制动机构处于第二工作状态时，可变形部件发生变形，致使第二类型凸起部越过第一类型凸起部。

在一些实施例中，第一部件本体为圆环形，第二部件本体为圆环形，第一部件位于第二部件的环内。

在一些实施例中，第一类型凸起部包括第一弹性齿，第二类型凸起部包括第一刚性齿，第一刚性齿与第一弹性齿啮合。

在一些实施例中，多个第一弹性齿布满第一部件的外周面，多组第一刚性齿均匀布置在第一部件的内周面，每组第一刚性齿包括一个或多个第一刚性齿。

在一些实施例中，第一弹性齿包括拱形片，第一部件设有用于容纳拱形片端部的斜槽。

在一些实施例中，第一类型凸起部包括第二刚性齿；第二部件内周面开有凹槽，第二类型凸起部包括弹性圆柱体，弹性圆柱体啮合在凹槽与两个相邻的第二刚性齿之间。

在一些实施例中，第一类型凸起部包括第二弹性齿，第二类型凸起部包括刚性圆片，刚性圆片的侧面与相邻的两个第二弹性齿之间啮合。

在一些实施例中，多个第二弹性齿布满第一部件的外周面，多个刚性圆片均匀布置。

在一些实施例中，第一部件本体为第一圆盘形，第一类型凸起部设置在第一部件的第一表面并呈圆形排布；

第二部件本体为第二圆盘形，第二类型凸起部设置在第二部件的第一表面并呈圆形排布；

第一部件的第一表面与第二部件的第一表面相对，并使第一类型凸起部与第二类型凸起部啮合。

在一些实施例中，第一部件本体为长条形，第二部件本体为长条形。

本发明的第二方面，提供了一种制动装置，制动装置包括：

上文中所述的制动机构；以及，如下部件：

转轴，转轴与第一部件固定连接；

制动环，制动环与第二部件固定连接；制动环带有向外延伸的制动杆；

制动器，制动器包括伸缩部件，伸缩部件被配置为：当伸缩部件缩回时，制动杆能够通过制动器；当伸缩部件伸出时，制动杆被伸缩部件阻挡。

在一些实施例中，转轴的头部设成多边形，第一部件带有与多边形相同的孔，第一部件紧密套装在转轴的头部。

在一些实施例中，转轴的头部设有安装槽，第一部件设有安装齿，安装齿嵌入安装槽以使第一部件紧密连接在转轴的头部。

本发明的有益效果是：

(1)在提供安全制动的前提下，显著降低零部件的磨损情况，提高元器件寿命，减少粉尘产生；

(2)制动装置寿命长，长期使用后部件磨损导致的暂停力变化小；

(3)可以提供较为一致的制动力，提升设备的一致性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1中的制动装置的示意图；

图2是本发明实施例1中的制动机构的示意图；

图3是本发明实施例2中的制动装置的示意图；

图4是本发明实施例2中的制动装置(除去制动环后)的示意图；

图5是本发明实施例2中的制动机构的示意图；

图6是本发明实施例3中的制动装置的示意图；

图7是本发明实施例3中的制动装置另一视角的示意图；

图8是本发明实施例4中的制动机构的示意图；

图9是本发明实施例5中的波形弹簧圈的示意图。

以上各图中的附图标记如下：

110刚性外齿环

111刚性齿

112连接孔

120弹性内齿环

121弹性齿

122环内孔

130转轴

131转轴头

140制动环

141制动杆

150制动器

151弹出件

210刚性外环

211凹槽

212弹性圆柱

213连接孔

220刚性内环

221内环齿

222安装齿

230转轴

231安装槽

240制动环

241制动杆

310刚性圆片

320弹性齿环

321弹性齿

330转轴

340制动环

341制动杆

410刚性外环

411刚性齿

420内环

421斜槽

422弹性凸片

510内环

511波形弹簧圈

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。在本发明的描述中，“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

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。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

实施例1

图1所示是本实施例提供的制动装置的示意图，图2所示是其中的制动结构的示意图。制动装置由制动机构、转轴130、制动器150组成。制动机构固定在转轴130上，制动器150是一个电磁式的制动器，它内含一个伸缩部件151。制动机构带有制动杆141，与伸缩部件151配合工作。

如图2所示的制动机构主要由两个部件组成：刚性外齿环110与弹性内齿环120，这两个环都是圆环。转轴头131带有一个多边形凸起，图中为正八边形。弹性内齿环120内开有一个同样为正八边形的环内孔122，弹性内齿环120依靠这个环内孔122套装在转轴头131。为了安装紧密，弹性内齿环120的正八边形孔尺寸可以稍小于转轴头131的正八边形凸起，利用弹性材料自身的弹性，弹性内齿环120紧紧包裹在正八边形凸起。当然，这个多边形不限于是正八边形，也可以是其他多边形，例如正六边形等。弹性内齿环120由耐磨的弹性材料制成，例如橡胶或硅胶。弹性内齿环120的外周面布满弹性齿121，这些弹性齿121的顶面连续，在弹性内齿环120的外周面形成一个波浪面环。

刚性外齿环110的结构较简单，它的内周面带有刚性齿111，刚性齿111的形状与弹性齿121的形状匹配而啮合在一起。本实施例中，多个刚性齿111分布在刚性外齿环110内周面的三个位置，这三个位置是圆的三等分位，每个位置设置两个刚性齿111。根据需要，可以更多或更少地设定刚性齿安装位置，每个位置处的刚性齿也可以增加或减少。例如，设定四个刚性齿安装位置，每个位置设有一个刚性齿。刚性外齿环110由常见的金属材料加工而成，例如铝合金、钢等。

制动环140的主体也是一个圆环，其上向外延伸出三个制动杆141，制动杆141在圆的三等分位。制动杆141的长度由制动器150的结构与安装位置决定。当伸缩部件151缩回时，制动杆141的头部能够顺利通过制动器150；当伸缩部件151伸出时，制动杆141的头部被阻挡。制动环140以及制动杆141由耐冲击高强度的金属材料制作。制动环140依靠螺钉通过连接孔112固定在刚性外齿环110，这可以方便更换不同长度的制动杆141。根据需要，可以将刚性外齿环、制动环、制动杆集成一个零部件。

以下详细说明本实施例中制动结构的工作原理。

转轴130与电机相连接，驱动力来自电机，转轴130把驱动力传至弹性内齿环120。如果仅分析图2中的制动机构，弹性内齿环120可视为驱动部件，那么刚性外齿环110即为从动部件。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为刚性齿111与弹性齿121啮合，弹性内齿环120驱动刚性外齿环110作同向的旋转运动，例如逆时针转动，弹性内齿环120与刚性外齿环110的转动角速度相同，即两者是相对静止的。这个驱动力比较小，弹性齿121基本不变形。当刚性外齿环110被外力阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时弹性内齿环120继续保持原来的运动或运动惯性趋势，继续逆时针运动。弹性齿121受到很大的力，产生挤压变形，以致刚性齿111越过原先的弹性齿啮合位置，滑到顺时针方向的下一个或数个弹性齿啮合位，即发生了“跳齿”。在此过程中，弹性内齿环120的旋转动能被逐渐转化为刚性齿与弹性齿之间的变形及摩擦产生的热能。

弹性齿与刚性齿的形状、弹性齿与刚性齿啮合的深度、啮合齿数、弹性材料的弹性大小等多个因素共同决定了弹性齿变形需要克服的阻力。可以通过对以上各种不同因素的设计，获得不同的阻力，也即制动力。

本实施例的制动部件中，弹性齿与刚性齿的位置可以互换。例如，在外齿环的内周面设置弹性齿，在内齿环的外周面设置刚性齿。还可以在外齿环内周面与内齿环外周面都设置弹性齿。

以下再结合制动器与制动杆，进一步详细阐述制动装置的工作流程。

本实施例提供的制动装置，基于弹性变形元件(弹性齿121)设计，并利用电磁式开关启动。制动装置有两种工作状态，通过电磁铁和复位弹簧实现不同工作状态的切换。一种是上电模式：正常运行时电磁铁上电，此时电磁铁推动伸缩部件151让开制动杆141，电机转轴130正常旋转。另一种是掉电模式：当发生突发状况时，电磁铁掉电，此时电磁铁推力消失；伸缩部件151被弹簧复位，此时制动杆141被伸缩部件151阻挡，电机转轴130对制动环140产生相对旋转趋势。由于转轴130有很大的动能，刚性外齿环110与弹性内齿环120之间的冲击很大，巨大的冲击作用力促使弹性齿121发生挤压变形，刚性齿111越过原先与之啮合的弹性齿121，实现跳齿。电机转轴130在相对制动环140的反向旋转过程中需要克服这个弹性变形力，转轴130的动能与惯性转动趋势逐渐减弱，直至完全停止转动。这种通过变形部件提供反作用力的方式，会让电机转轴130经历一个停止过程，不会因为突然停止而产生巨大的冲击导致传动系统损伤。

实施例2

图3所示是本实施例提供的制动装置的示意图，图4所示是上述制动装置去除制动环240后的示意图，图5所示是上述制动装置中的制动机构示意图。制动装置由制动机构、转轴230、制动器(图中未示出)组成，制动机构固定在转轴230上。

本实施例的制动机构主要由刚性外环210、刚性内环220以及它们之间的若干个弹性圆柱212组成。刚性外环210与刚性内环220都是圆环。刚性外环210的内周面带有若干个凹槽211，其槽面是圆柱面，直径与弹性圆柱212相同。刚性内环220的外周面带有若干个内环齿221，内环齿221的数量与凹槽211的数量相等，这些内环齿221的上表面形成一圈波浪面。每个弹性圆柱212啮合在凹槽211与相邻的内环齿221间的凹陷处。凹槽211、弹性圆柱212、内环齿221的数量可以根据需要增加或减少，但应不少于三组且等间距分布。刚性外环210与刚性内环220由常见的金属材料加工而成，例如铝合金、钢等。弹性圆柱212由耐磨的弹性材料制成，例如橡胶与硅胶。

如图4所示，转轴230的头部开有三组安装槽，每组包括三个安装槽231。如图5所示，刚性内环220的内周面设有与上述安装槽231匹配的三组安装齿，每组包括三个安装齿222。刚性内环220从开在转轴230端面的安装槽231开口置入安装槽底部，安装齿222与安装槽231过盈配合，这样刚性内环220就与转轴230固定在一起了。刚性内环也可以与转轴是一体成型的结构，但这显然会增加制造成本，且降低维护便利性。制动环240依靠螺钉通过连接孔213固定在刚性外环210。三根制动杆241分别安装在制动环240外周的三等分处。

以下详细说明本实施例中制动结构的工作原理。

转轴230与电机相连接，驱动力来自电机，转轴230把驱动力传至刚性内环220。若把刚性内环220视作驱动部件，那么刚性外环210为从动部件。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为刚性外环210、弹性圆柱212、刚性内环220啮合，刚性内环220驱动刚性外环210作同向的旋转运动，例如逆时针转动，刚性内环220与刚性外环210的转动角速度相同，即两者是相对静止的。这个驱动力比较小，以使弹性圆柱212基本不变形。当制动杆241连同刚性外环210被外力阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时刚性内环220继续保持原来的运动惯性趋势。又因为刚性外环210被外力阻挡而无法运动，那么弹性圆柱212受到很大的力产生挤压变形，以致内环齿221越过一个或多个圆柱体位置，即发生了“跳齿”。在此过程中，刚性内环220的旋转动能被逐渐转化为变形与摩擦产生的热能。

实施例3

图6与图7所示是本实施例提供的制动装置的示意图。制动装置由制动机构、转轴330、制动器(图中未示出)组成，制动机构固定在转轴330上。

如图7所示，制动机构主要由刚性圆片310与弹性齿环320组成。弹性齿环320外围布满弹性齿321，形成一圈波浪面，刚性圆片310的侧面与这个波浪面接触传动。在本例中，刚性圆片310设有三个，分别布置在圆形的三等分处。弹性齿环320固定在转轴330前端，刚性圆片310固定在制动环340上。弹性齿环320由耐磨的弹性材料制成，例如橡胶与硅胶。刚性圆片310由常见的金属材料加工而成，例如铝合金、钢等。

以下详细说明本实施例中制动结构的工作原理。

转轴330与电机相连接，驱动力来自电机，转轴330把驱动力传至弹性齿环320，刚性圆片310为从动部件。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为刚性圆片310与弹性齿环320啮合，弹性齿环320驱动刚性圆片310作同向的旋转运动，它们两者是相对静止的。这个驱动力比较小，保证弹性齿环320基本不变形。当制动杆341被外力阻挡时，刚性圆片310被强行停止，制动机构进入制动工作状态，此时弹性齿环320继续保持原来的运动惯性趋势。又因为刚性圆片310暂时被强行停止了，那么弹性齿321受到很大的力产生挤压变形，以致刚性圆片310越过一个或多个弹性齿位置，即发生了“跳齿”。在此过程中，弹性齿环320的旋转动能的能量被逐渐转化为变形与摩擦产生的热能。

实施例4

图8所示是本实施例提供的制动机构的简化示意图。制动机构主要由刚性外环410、内环420以及安装在内环420上的若干个弹性凸片422组成。内环420的外周面的大部分都是光滑表面，在四等分处左右各开有一个斜槽421。一个弹性凸片422的两个脚分别嵌插在这两个斜槽421中，但不到底，还留有一定的活动空间。弹性凸片422由金属条制作，近似人字形，其中部隆起。弹性凸片422收到挤压力时，中部的隆起降下，两个脚更大程度展开，并被迫分别伸入两个斜槽421的底部深处。本例中弹性凸片422共设置四个，可以按需减少或增加，但最少三个且均匀分布，否则会是内环420产生晃动。

刚性外环410的内周面布满刚性齿411，这些刚性齿411顶面连续，形成一圈波浪面。弹性凸片422的中部隆起，与波浪面的凹陷处形状相同并相互啮合。在替代方案中，刚性外环与内环的形状机构互换，即弹性图片安装在刚性外环的内周面，内环外周面布满刚性齿(或弹性齿)形成一圈波浪面。

图中未示出的其他部件与图3中类似。转轴(图中未示出)与内环420固定，制动杆(图中未示出)与刚性外环410固定。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为刚性外环410与内环420啮合，刚性外环410驱动内环420作同向的旋转运动，刚性外环410与内环420的转动角速度相同，即两者是相对静止的。这个驱动力比较小，弹性凸片422基本不变形。当刚性外环410被外力阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时内环420继续保持原来的运动惯性趋势。因为波浪面的作用，弹性凸片422受到压迫变形，两个脚展开，中部隆起下榻，此时弹性凸片422可以滑过一个或多个刚性齿411，即发生了“跳齿”。在此过程中，内环420的旋转动能被逐渐转化为变形与摩擦产生的热能。在替代方案中，也可以是转轴连接外环，制动杆连接内环。

图8中的弹性凸片422自身是弹性件，可以受迫变形。也可以使用刚性凸片代替弹性凸片，其形状与弹性凸片422近似，也是中部隆起的金属片，但金属片自身不能变形。在隆起部位下再加装弹簧，弹簧的伸展方向在内环420的径向。刚性凸片与弹簧组件的工作流程类似弹性凸片422，再此不需赘述。

实施例5

图9所示是本实施例提供的波形弹簧圈的示意图。波形弹簧圈511是由金属制成的一个圈带，它的部分位置固定在内环510上。图9中未示出外环，其形状可参考图1中的刚性外齿环110，外环的齿与波形弹簧圈511啮合。

转轴(图中未示出)与内环510固定，制动杆(图中未示出)与外环固定。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为外环齿与波形弹簧圈511啮合，内环510驱动外环作同向的旋转运动，外环与内环510的转动角速度相同，即两者是相对静止的。这个驱动力比较小，波形弹簧圈511基本不变形。当制动杆被外力阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时内环510继续保持原来的运动惯性趋势。波形弹簧圈511局部受到外环刚性齿的压迫而变形，外环刚性齿滑过一个或多个波形弹簧圈511的“波峰”位置。

实施例6

以上实施例1～5中阐述的技术方案，外环和内环位于同一个面内，刚性齿与弹性齿呈径向排布。

本实施例中的技术方案，刚性齿与弹性齿呈径向排布在轴向排布。制动机构包括两个平行安装的圆盘，一个驱动，一个从动，它们可以是实心圆盘或者是镂空圆盘。其中一个圆盘的盘面安装一圈弹性齿，另一个圆盘与之相对的盘面安装数个刚性齿，并与弹性齿啮合。

制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，因为刚性齿与弹性齿啮合，两个圆盘作相同的转动。转动驱动力比较小，弹性齿基本不变形。当从动圆盘的旋转被阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时驱动圆盘继续保持原来的运动惯性趋势。弹性齿受到刚性齿的压迫而变形，刚性齿滑过一个或多个弹性齿位置。

实施例7

以上实施例1～6中描述的技术方案，是旋转运动的传递与制动，适用于大部分应用场合。但本专利的设计构思制造的机构与装置，不仅可以用在旋转运动场合的制动，还可以扩展到直线和其它曲线运动轨迹场合的制动。

可以采用如下的技术方案：

在第一个部件的表面布置一排弹性齿，在第二个部件的表面布置一个或多个成排的刚性齿，刚性齿与弹性齿啮合，这样形成了一套制动机构。制动机构具有两个工作状态：传动工作状态与制动工作状态。在传动工作状态中，第一个部件带动第二个部件做直线运动，两者保持相对静止。这个驱动力比较小，弹性齿基本不变形。当第二个部件被外力阻挡时，制动机构进入制动工作状态，此时第一个部件继续保持原来的运动或运动惯性趋势。弹性齿收到压迫而变形，刚性齿滑过一个或多个弹性齿位置，发生了“跳齿”。在此过程中，第一个部件运动的能量被逐渐转化为弹性齿与刚性齿之间变形及摩擦产生的热能，速度逐渐减慢直至停止。

实施例8

以上实施例1～7描述的技术方案，都是从动部件的运动发生异常，制动机构对驱动部件发挥制动作用。

本专利提供的制动机构，除了应用在制动场合，还可以应用在需要过载保护的场合。例如，在正常状态下，两个部件是连接并静止的，可以是绝对静止或者运动中的相对静止。它们之间靠刚性齿与弹性齿连接。当其中一个部件(驱动部件)产生的驱动力超出从动部件所需时，弹性齿受迫形变，吸收多余的能量以保护从动部件，起到过载保护作用，保证整个系统能够较好地抵抗冲击，过载等。

本发明提供的制动装置，与现有的机器人关节制动装置相比较，具有以下几个优势：

(1)采用材料弹性变形的原理提供制动力。在制动过程中，弹性材料被挤压产生极大的反作用力，从而提供制动力。同时，在材料表面光滑的情况下，材料的摩擦磨损会显著降低，元器件寿命提高，而且不会产生粉尘。

(2)因为材料磨损较低了，长时间使用产生的轻微磨损对材料的变形抵抗力影响小，制动力变化也小，可以长期稳定保持期望的制动力，制动装置的使用寿命大为延长。

(3)通过合理的材料选择、弹性变形齿形的设计、啮合的齿数选择等，可以较为精确地控制调整变形产生的反作用力，即制动力大小，适用于不同规格型号电机轴的制动。这样可以提供较为一致的制动力，提升机器人设备的一致性和可靠性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。