本發明涉及清障機器人領域，特別是涉及一種仿生脫臼機器人關節。

背景技術：

目前，城市配網線路基本沿城市道路架設，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線，但由于大多穿行于樹林，運行中經常發生絕緣導線被樹枝磨破絕緣皮而發生放電打火及斷線故障，尤其在遇到大雨大風等特殊天氣時此類問題尤為突出。為了降低配網跳閘率，樹木清障是各供電公司每年重要生產任務。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施，另外部分線路段人工實施樹木清障也難以進行。

基于上述問題，清障機械臂等清障機器人在配網清障領域應運而生，其能夠替代人工在惡劣環境及帶電情況下進行樹木清障。而由于清障機械臂工作環境差，當落下較大樹干砸中機械臂時，瞬間機械臂關節的扭矩大大超出額定荷載，嚴重損壞了機械臂的臂身和關節結構。

然而從仿生學角度考慮，當人或動物的關節在受到強大外力時，關節就會脫臼，這是對其他部位骨骼的一種保護。因此受其啟發，在清障機器人上也可以設置這樣一種可脫臼關節來實現對機械臂的保護。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種仿生脫臼機器人關節，能夠提高清障機器人在惡劣環境下工作的安全性和可靠性。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種仿生脫臼機器人關節，安裝于機器人的兩節臂身之間，所述關節包括機械本體、伺服控制系統；

機械本體包括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、減速機、減速機輸出法蘭，鎖止盤卡槽上設有液壓驅動裝置，鎖止盤由兩片圓盤同軸連接而成，并伸入鎖止盤卡槽內，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臂身的外殼上，第一鎖止盤安裝法蘭固定在減速機輸出法蘭的法蘭面上，伺服電機與減速機安裝在第一節臂身的殼體內；

伺服控制系統包括控制器、伺服電動缸、電源板、與控制器相連的傳感器、伺服電機驅動器，伺服電機驅動器的輸出端與伺服電動缸相連，電源板的輸出端與控制器、伺服電機驅動器相連。

在本發明一個較佳實施例中，液壓驅動裝置用于協助鎖止盤實現關節脫臼，其包括伺服電動缸、液壓管道、液壓油、活塞，鎖止盤卡槽的兩端口由活塞封口，其腔體內填充有液壓油，液壓管道的一端設置在鎖止盤卡槽的腔體一側、另一端與伺服電動缸連接。

進一步的，活塞外部設有摩擦片，摩擦片與鎖止盤上部的兩側面相接觸，可增加鎖止盤與鎖止盤卡槽之間的摩擦力，使得關節復位后更加牢固。

在本發明一個較佳實施例中，傳感器包括位于臂身中部腔體內的震動傳感器、位于液壓管道上的液體壓強傳感器、鑲在鎖止盤卡槽內外邊沿的鎖止盤光標傳感器。震動傳感器用來監測環境中對機械臂臂身的沖擊外力，液體壓強傳感器用來監測伺服電動缸的液壓油壓強；鎖止盤光標傳感器通過發射與接收光線來監測鎖止盤兩個圓盤的相對位置。

在本發明一個較佳實施例中，鎖止盤的左片圓盤上嵌入有棱鏡光標，棱鏡光標用于反射鎖止盤光標傳感器發射的光標信號。

進一步的，鎖止盤的材質為鋼材，強度大。

在本發明一個較佳實施例中，伺服電機驅動器包括關節伺服電機驅動器、電動缸伺服電機驅動器，關節伺服電機驅動器的輸出端連接伺服電機，電動缸伺服電機驅動器的輸出端連接伺服電動缸。

在本發明一個較佳實施例中，在鎖止盤卡槽的頂部還設有換油閥門。

在本發明一個較佳實施例中，電源板提供的電壓等級包括24V、48V，24V電壓為控制器供電，48V電壓為伺服電機驅動器供電。

本發明的有益效果是：本發明機械結構穩固，伺服控制系統可靠性好、控制精度高、操作維護簡單；其具有的仿生關節脫臼功能，能夠解決清障機器人在惡劣環境下工作容易損壞關節的問題，有效保護清障機器人本體結構的安全；具有的關節主動復位功能，能夠使清障機器人連續進行清障作業，從而大大提高了清障機器人清障作業的可靠性和安全性，具有很高的經濟價值。

附圖說明

圖1是本發明仿生脫臼機器人關節一較佳實施例的結構示意圖；

圖2是所述伺服控制系統的系統框圖；

附圖中各部件的標記如下：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，7、伺服電機，8、第一鎖止盤安裝法蘭，10、第二鎖止盤安裝法蘭，9、減速機輸出法蘭，11、鎖止盤光標傳感器，12、第一節臂身，13、第二節臂身，14、液壓管道，15、換油閥門，16、左片圓盤，17、右片圓盤。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

請參閱圖1，本發明實施例包括：

一種仿生脫臼機器人關節，安裝于機器人的兩節臂身之間，為描述方便，分別定義為第一節臂身12和第二節臂身13，所述關節包括機械本體、伺服控制系統。

機械本體包括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7、減速機6、減速機輸出法蘭9。鎖止盤卡槽1上設有液壓驅動裝置，液壓驅動裝置用于協助鎖止盤5實現關節脫臼，其包括伺服電動缸(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，并由活塞2封口，活塞2部設有摩擦片3，鎖止盤卡槽1的腔體4內填充有液壓油，在鎖止盤卡槽1的頂部還設有換油閥門15，液壓管道14的一端設置在鎖止盤卡槽1的腔體4一側、另一端與伺服電動缸連接。腔體4一側設有液壓管道14，在鎖止盤卡槽1的頂部還設有換油閥門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，其上部兩側面與摩擦片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，使得關節復位后更加牢固。鎖止盤5的材質為鋼材，兩片圓盤組裝完畢后軸心固定，可以相互滑動但不能分開。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固定在第二節臂身13的外殼上，液壓管道14、伺服電動缸安裝在第二節臂身13的殼體內，第一鎖止盤安裝法蘭8固定在減速機輸出法蘭9的法蘭面上，伺服電機7與減速機6安裝在第一節臂身12的殼體內。

結合圖2，伺服控制系統采用PLC伺服閉環控制系統，其包括控制器(PLC)、伺服電動缸、電源板、與控制器相連的傳感器、伺服電機驅動器，伺服電機驅動器的輸出端與伺服電動缸相連，電源板的輸出端與控制器、伺服電機驅動器相連。控制器位于第二節臂身13內部。電源板提供的電壓等級包括24V、48V，24V電壓為控制器供電，48V電壓為伺服電機驅動器供電，與清障機器人為共同的電源板。伺服電動缸作為液壓驅動裝置的動力機構，具有動作迅速、噪音低、節能、干凈、高剛性、超長壽命等優點，并且能在惡劣環境下無故障工作，防護等級可以達到IP65。傳感器包括位于臂身中部腔體內的震動傳感器、位于液壓管道14上的液體壓強傳感器、鑲在鎖止盤卡槽1內外邊沿的鎖止盤光標傳感器11。優選的，震動傳感器位于右側臂身即第二節臂身13中部腔體內，其用來監測環境中對機械臂臂身的沖擊外力，液體壓強傳感器用來監測伺服電動缸的液壓油壓強；鎖止盤光標傳感器11通過發射與接收光線來監測鎖止盤5兩個圓盤的相對位置，相應的，在鎖止盤5的左片圓盤16上嵌入有棱鏡光標(圖中未示出)，棱鏡光標用于反射鎖止盤光標傳感器11發射的光線，從而實現關節復位。伺服電機驅動器包括關節伺服電機驅動器、電動缸伺服電機驅動器，關節伺服電機驅動器的輸出端連接伺服電機7(圖2中標示為M1)，電動缸伺服電機驅動器的輸出端連接伺服電動缸(圖2中標示為M2)。

所述仿生脫臼機器人關節實現脫臼和復位的具體步驟如下：

(1)機械臂本體或關節受到外力沖擊時，震動傳感器采樣其撞擊動能值；

(2)控制器根據震動傳感器傳輸來的撞擊動能值換算出扭矩值，若超過機械臂本體或關節設定的瞬間極限值，控制器控制電動缸伺服電機驅動器使M2運行；

(3)伺服電動缸工作，液壓油壓強下降，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為軸線相向旋轉滑動，即實現了關節脫臼功能；

(4)確認安全后，伺服電機7開始轉動，減速機輸出法蘭9驅動鎖止盤5的左片圓盤16開始旋轉，尋找傳感器位置，尋到位時鎖止盤光標傳感器11反饋信號至PLC，伺服電動缸反推，活塞2夾緊，鎖止盤5定位，關節伺服電機驅動器驅動M1使該關節復位。

液壓油壓強P值的設定應滿足活塞2產生的壓力，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節扭矩約等于減速機6的瞬時最大扭矩。當有更大的動能撞擊或加速度更大的沖擊波破壞時控制器來不及運算，錯過峰值，此刻左片圓盤16和右片圓盤17會相向滑動，即關節被動式脫臼。

本發明機械結構穩固，伺服控制系統可靠性好、控制精度高、操作維護簡單；其具有的仿生關節脫臼功能，能夠解決清障機器人在惡劣環境下工作容易損壞關節的問題，有效保護清障機器人本體結構的安全；具有的關節主動復位功能，能夠使清障機器人連續進行清障作業，從而大大提高了清障機器人清障作業的可靠性和安全性，具有很高的經濟價值。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。