CN101318331A - 双串联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双串联弹性驱动器。它包括两端固定在支架上的两根导向杆，一端的支架上有两个通孔，两根推杆穿在通孔中，推杆上固定有两个弹簧挡板，两个弹簧挡板上有穿在导向杆上的孔，在两个弹簧挡板之间设置有弹簧驱动板，弹簧驱动板通过驱动杆与安装在支架上的驱动器相连，弹簧驱动板与两侧的弹簧挡板之间设置有弹簧，弹簧套在推杆上，每根推杆上的弹簧包括软弹簧和硬弹簧，软弹簧和硬弹簧串联且软弹簧与硬弹簧之间设置有垫片。本发明的有意效果在于当驱动负载较小时，主要是刚度较小的弹簧起缓冲作用，避免冲击力过大，当驱动负载较大时刚度较小的弹簧将被完全压缩，之后主要由刚度较大的弹簧起缓冲作用，避免驱动带宽受过大影响。

Description

双串联弹性驱动器

(一)技术领域

本发明涉及一种机构的驱动器，特别涉及一种用于机器人、基于力控制的驱动器。

(二)背景技术

机器人在未知的环境操作中，能够适应外部环境的力控制机器人是令人满意的。当前，机器人的力控制方法有：1.主动控制法，通过控制算法以及感测的外部信息来决定机器人关节的转矩，使机器人对外部环境产生合适的作用力。2.被动控制法，通过弹性缓冲装置避免过大的冲击作用力。本发明属于一种被动控制法驱动装置，其特点是不能精确控制作用力，但是其适应的力变化带宽非常大，同时由于具有两个串联刚度，当外部冲击力幅值变化很大时，具有良好的适应性。

驱动器作为一种设备或机械装置，是将某种形式的能量或者转化为机械力、力矩，或者转化为直线速度、旋转速度。作为机器人用驱动器首先应该重量轻，输出功率大，能够提供较高力或力矩，并且造价低。另外，与外部环境互动过程中，在较宽的输出力范围内应有良好的力输出特性的一致性，以免引起机器人本身或与之接触的外部设施的损害。最后，机器人在未知的环境工作时，所产生的冲击能量通过机器人结构传递到驱动器中，提高驱动器抗冲击载荷能力，避免其损伤是必需的。

现阶段，力控制装置主要有直接驱动装置、齿轮驱动装置、绳索驱动装置等。这些装置本身有相互矛盾的性质。例如：齿轮减速机构，将电动机的高转速、低转矩转换为机器人所需要的低转速、高转矩。但由于齿轮机构自身的摩擦、齿轮间隙等非线性因素，以及增大了负载转动惯量，使驱动器输出力的精确度降低，抗冲击载荷能力下降。因此，研制出功率质量比大，适应高带宽变化力以及保持其稳定性的驱动器越来越受到重视，是机器人技术重点研发的领域之一。

Gill A Pratt等人设计的弹性驱动器，其结构特点是在动力源与负载之间装有一组弹簧，使其单独承担动力源的驱动力及负载的反作用力。而在生物肢体中，软组织(如肌、腱、软骨)是加强刚度的组织。当负荷和变形增加时，相应的刚度也会随着增加。生物肌肉的这种变刚度特性使得由肌肉组成的关节运动具有很好的柔顺性和适应性。该驱动器弹簧刚度随着外界作用力的不同而变化，这一点是其所做不到的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有生物体肌肉特性，适应的力变化带宽非常大，当外部负载变化很大时具有良好的适应性的双串联弹性驱动器。

本发明的目的是这样实现的：它包括两端固定在支架上的两根导向杆，一端的支架上有两个通孔，两根推杆穿在通孔中，推杆上固定有两个弹簧挡板，两个弹簧挡板上有穿在导向杆上的孔，在两个弹簧挡板之间设置有弹簧驱动板，弹簧驱动板通过驱动杆与安装在支架上的驱动器相连，弹簧驱动板与两侧的弹簧挡板之间设置有弹簧，弹簧套在推杆上，每根推杆上的弹簧包括软弹簧和硬弹簧，软弹簧和硬弹簧串联且软弹簧与硬弹簧之间设置有垫片，软弹簧靠近弹簧挡板且一端与弹簧挡板相连，硬弹簧靠近弹簧驱动板且一端与弹簧驱动板相连。

本发明还可以包括：

1、所述的驱动器是伺服电机，所述的驱动杆是丝杠，伺服电机的输出轴通过连轴器与丝杠连为一体，所述的弹簧驱动板的中间是与丝杠相配合的螺母。

2、所述的驱动器是液压缸，所述的驱动杆是柱塞推杆，液压缸的输出杆通过连接器与柱塞推杆相连，柱塞推杆与弹簧驱动板相连。

3、两根导向杆与两根推杆交错排布。

本发明通过驱动器带动驱动杆、驱动杆带动弹簧驱动板作直线往复运动以压缩弹簧。这样，驱动器输出力经过两组不同刚度弹簧的缓冲带动负载。这种结构的设计，可以充分保护驱动器及齿系，提高抗冲击载荷的能力。而且，该结构相对简单，容易制造，对驱动器的设计要求不高，重量较轻，经济性好。另外，机器人用驱动器要求力有低输出阻尼及适应外部负载力的高带宽变化，弹簧刚度对这两参数有重要影响。弹簧刚度系数减小可以更好地对外部负载力进行滤波，其增大可以提高输出带宽。通过对两串联弹簧刚度系数的优化分析，选择出不同刚度弹簧，以达到符合机器人作业要求的输出阻尼和输出带宽。

本发明的有意效果在于当驱动负载较小时，主要是刚度较小的弹簧起缓冲作用，避免冲击力过大，当驱动负载较大时刚度较小的弹簧将被完全压缩，之后主要由刚度较大的弹簧起缓冲作用，避免驱动带宽受过大影响。

(四)附图说明

图1是本发明的第一种实施方式的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的右视；

图4是本发明的第二种实施方式的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的右视；

图7是本发明的控制方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1至图3，本发明的第一种实施方式是一种电机驱动双串弹性驱动器，其主要组成包括两端固定在支架上的两根导向杆10，一端的支架上有两个通孔，两根推杆9穿在通孔中，推杆上通过螺栓8固定有两个弹簧挡板3，两个弹簧挡板上有穿在导向杆上的孔，在两个弹簧挡板之间设置有弹簧驱动板5，弹簧驱动板通过驱动杆与安装在支架上的驱动器1相连，弹簧驱动板与两侧的弹簧挡板之间设置有弹簧，弹簧套在推杆上，每根推杆上的弹簧包括软弹簧4和硬弹簧6，软弹簧和硬弹簧串联且软弹簧与硬弹簧之间设置有垫片7，软弹簧靠近弹簧挡板且一端与弹簧挡板相连，硬弹簧靠近弹簧驱动板且一端与弹簧驱动板相连。驱动器1是伺服电机，驱动杆是丝杠11，伺服电机的输出轴通过连轴器2与丝杠连为一体，弹簧驱动板的中间是与丝杠相配合的螺母。两根导向杆与两根推杆交错排布。

其动力传递过程为：动力源为一个伺服电机，该电机通过个螺丝和支架固联，电机的输出轴又通过连接轴器与丝杠连为一体。这样，电机转矩传递到丝杠。丝杠螺母在导向杆导向作用下，只能沿丝杠轴线方向往复移动，这时传递到丝杠的转矩转换为丝杠螺母压缩弹簧的压力。受压的软弹簧另一端压在垫片，传递过来的动力经垫片传到硬弹簧，再由硬弹簧将动力传到弹簧挡板(弹簧挡板通过螺丝与推杆固联在一起)，最后，作用到弹簧挡板的动力通过推杆向外输出，作用在负载上。因为软弹簧的刚度较硬弹簧软，所以前者的压缩量比后者大。在丝杠螺母压缩弹簧的过程中，开始其未与垫片接触，此时丝杠螺母同时压缩软弹簧和硬弹簧，整个系统的刚度系数为软弹簧和硬弹簧的合成刚度。随着丝杠螺母继续压缩弹簧，软弹簧被完全压缩而与垫片接触，此时整个系统的刚度系数为硬弹簧的刚度。

结合图4至图6，本发明的第二种实施方式是一种液压驱动双串弹性驱动器，其驱动器1是液压缸，驱动杆是柱塞推杆11，液压缸的输出杆通过连接器与柱塞推杆相连，柱塞推杆与弹簧驱动板相连。其他部分与第一种具体实施方式的相同。

结合图7，两组串联弹簧置于驱动器1与外部负载12之间，使其单独承担驱动器的推力及负载12的反作用力，软、硬弹簧4，6的压缩量表示驱动器向负载12输出力的大小。力传感器14通过测量作用在负载12的作用力而产生一个力测量信号。控制器15将接收的力测量信号与给定信号13进行处理。基于控制法则，控制器产生控制电机电流量的控制信号，使电机输出期望转矩以压缩弹簧或控制柱塞式液压缸供给压力的控制信号，使柱塞式液压缸输出期望推力以压缩弹簧。

Claims (4)

1、一种双串联弹性驱动器，它包括两端固定在支架上的两根导向杆，一端的支架上有两个通孔，两根推杆穿在通孔中，其特征是：推杆上固定有两个弹簧挡板，两个弹簧挡板上有穿在导向杆上的孔，在两个弹簧挡板之间设置有弹簧驱动板，弹簧驱动板通过驱动杆与安装在支架上的驱动器相连，弹簧驱动板与两侧的弹簧挡板之间设置有弹簧，弹簧套在推杆上，每根推杆上的弹簧包括软弹簧和硬弹簧，软弹簧和硬弹簧串联且软弹簧与硬弹簧之间设置有垫片，软弹簧靠近弹簧挡板且一端与弹簧挡板相连，硬弹簧靠近弹簧驱动板且一端与弹簧驱动板相连。

2、根据权利要求1所述的双串联弹性驱动器，其特征是：所述的驱动器是伺服电机，所述的驱动杆是丝杠，伺服电机的输出轴通过连轴器与丝杠连为一体，所述的弹簧驱动板的中间是与丝杠相配合的螺母。

3、根据权利要求1所述的双串联弹性驱动器，其特征是：所述的驱动器是液压缸，所述的驱动杆是柱塞推杆，液压缸的输出杆通过连接器与柱塞推杆相连，柱塞推杆与弹簧驱动板相连。

4、根据权利要求1、2或3所述的双串联弹性驱动器，其特征是：两根导向杆与两根推杆交错排布。

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