CN104015202A - 液压串联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的采用液压伺服技术与串联弹性技术相结合的驱动机构，主要由液压缸、转接板、伺服阀、套筒、驱动轴、输出轴、弹簧、固定销、弹簧挡圈、输出端、拉压力传感器和相关附件组成。伺服阀通过转接板与液压缸固连，套筒与液压缸的端盖固连，驱动轴一端与液压缸的活塞杆固连，其另外一端通过固定销与弹簧挡圈固连，输出轴与输出端通过螺纹固连，弹簧挡圈安装在输出轴上，两侧分别安装弹簧，通过弹簧将力传递到输出端，拉压力传感器一端与输出端固连，另一端与负载固连。通过液压伺服阀控制液压缸的方式提供驱动力，可以提高现有串联弹性驱动器的输出功率；所设计的弹性驱动装置结构简单、加工方便、易于实现，具有广阔的应用前景。

Description

液压串联弹性驱动器

技术领域

本发明涉及一种液压串联弹性驱动器，属于液压伺服控制和机器人技术领域。

背景技术

近年来，机器人在空间实验、环境探索、抢险救灾、医疗以及家庭服务等领域中的应用越来越多。在这些应用环境中，环境与共事者将不再会向过去那样迁就机器人进行改变，而要求机器人配合工作人员、对象或者环境，适应多变的环境及工作任务。机器人走下主角的位置，成为了真正意义上的“仆从”。因此，在与人类共事、以及工作于复杂多变的环境中时，是否能够精确平稳以及安全地运动，成为机器人技术面临的首要挑战！

针对上述人们对机器人技术需求的变化，目前的研究工作从机器人的驱动系统入手，开展了柔顺机器人系统、力控制技术以及可变刚度驱动等方面的研究，并取得了非常显著的成绩，部分成果已经商业化，产品也逐渐地走入了人类的事业，开始改变着我们的生活。

然而，以上的驱动方式，由于驱动刚度过大，以及成本、系统带宽方面的要求很高，在与环境交互以及与人类共事时，仍然具有一定的安全隐患。针对以上的问题，Gill Pratt在1995年提出了具有弹性环节的驱动方式，被称为串联弹性驱动(SEA,Series Elastic Actuators)。串联弹性驱动打破了传统的追求高传递刚度的观念，而是在作动器与负载之间串联了一个弹性环节，使得传递刚度降低，通过作动器与弹性环节的共同作用使负载获得驱动力。这样的驱动方式更加类似于自然界动物的肌肉——肌腱的驱动方式，因此从仿生角度，串联弹性驱动在柔顺驱动以及交互安全中，具有很大的潜力。

经过十几年的技术铺垫，串联弹性驱动技术开始迅速地应用在具有独立行走、奔跑能力的机器人上，如美国IHMC的双足仿人机器人Yobotics和FastRunner、瑞士苏黎世联邦理工学院的StarlETH等。国内的哈尔滨工程大学、北京交通大学、西北工业大学等高校也相继展开了针对串联弹性驱动方式的研究。可以说该技术在国内外的发展是生机勃勃，而且成为机器人领域中解决变刚度控制及可靠力控制的主要技术手段。

然而，目前的串联弹性驱动依然存在输出功率很难提高、刚度变化范围无法超过串联弹性环节的刚度约束和串联弹性环节的对称性要求高等缺陷，这些缺陷使得目前的串联弹性驱动技术还很难真正走进工业现场应用环境中。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的采用液压伺服技术与串联弹性技术相结合的驱动机构，通过对其进行高集成度一体化设计和高动态变刚度力伺服控制，解决上述缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的液压串联弹性驱动器，主要包括液压缸、转接板、伺服阀、六角螺栓、六角螺母、套筒、驱动轴连接螺母、驱动轴、输出轴、弹簧、固定销、弹簧挡圈、输出端、传感器连接螺母和拉压力传感器；

所述的伺服阀通过转接板与液压缸固连，用于控制液压缸活塞杆的运动位移、速度和输出力；

所述的套筒通过8个六角螺栓和六角螺母与液压缸的端盖固连，套筒内侧在其圆周上开有三个成120°的凹槽，用于输出轴的导向和定位，同时可以承受一定的径向偏载；

所述的驱动轴一端通过驱动轴连接螺母与液压缸的活塞杆固连，其另外一端在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销；

所述的输出轴与输出端通过螺纹固连，输出轴上安装有弹簧和弹簧挡圈，同时在输出轴的圆周上开有三个成120°的腰形孔，固定销可在其中自由运动；

所述的输出轴一端带有凸板，用于安装弹簧，同时在其圆周上留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒的相应凹槽中，用于导向和定位；

所述的弹簧挡圈安装在输出轴上，两侧分别安装有弹簧，弹簧挡圈在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销，通过固定销将弹簧挡圈与驱动轴固连，这样就可以将驱动轴的运动转换为弹簧挡圈的运动，进而弹簧挡圈通过与其连接的弹簧将力传递到输出轴和输出端上，带动其运动；

所述的弹簧挡圈在其圆周上还留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒的相应凹槽中，与输出轴上的三个凸台一起完成对输出轴的导向和定位；

所述的拉压力传感器一端通过传感器连接螺母与输出端固连，另一端与负载固连。由于实际中的弹簧非理想弹簧，弹簧的性能随着使用时间的增加也可能发生变化，拉压力传感器可用于修正这些误差，并对液压串联弹性驱动器的性能进行标定。同时，当弹簧的压缩量达到最大时，胡克定律失效，可直接利用拉压力传感器反馈作用在负载上力的大小，从而使得驱动器力伺服的刚度不受弹簧刚度的限制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过液压伺服阀控制液压伺服油缸的方式提供驱动力，可以提高现有串联弹性驱动器的输出功率；所设计的弹性驱动装置结构简单、加工方便，易于实现。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的右视图；

图4是本发明的立体图；

图中，1.液压缸，2.活塞杆，3.转接板，4.伺服阀，5.六角螺栓，6.六角螺母，7.套筒，8.驱动轴连接螺母，9.驱动轴，10.输出轴，11.弹簧，12.固定销，13.弹簧挡圈，14.输出端，15.传感器连接螺母，16.拉压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种液压驱动的串联弹性驱动器，伺服阀4通过转接板3与液压缸1固连，用于控制液压缸活塞杆的运动位移、速度和输出力；套筒7通过8个六角螺栓和六角螺母与液压缸1的端盖固连，套筒内侧在其圆周上开有三个成120°的凹槽，用于输出轴10的导向和定位，同时可以承受一定的径向偏载；套筒7的长度应保证弹簧挡圈12在运动过程中始终不与其脱开；驱动轴9的一端通过驱动轴连接螺母8与液压缸的活塞杆2连接在一起，其另外一端在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销12；输出轴10与输出端14通过螺纹固连，输出轴10上安装有弹簧11和弹簧挡圈13，同时在输出轴10的圆周上开有三个成120°的腰形孔，固定销12可在其中自由运动；腰形孔的长度应保证弹簧11压缩时不会与固定销12发生碰撞；输出轴10的一端带有凸板，用于安装弹簧11，同时在其圆周上留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒7的相应凹槽中，用于导向和定位；弹簧挡圈13安装在输出轴10上，两侧分别安装弹簧11，弹簧挡圈13在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销12，通过固定销12将弹簧挡圈13与驱动轴9固连，这样就可以将驱动轴9的运动转换为弹簧挡圈13的运动，进而弹簧挡圈13通过与其连接的弹簧11将力传递到输出轴10和输出端14上，带动其运动；弹簧挡圈13在其圆周上还留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒7的相应凹槽中，与输出轴10上的三个凸台一起完成对输出轴10的导向和定位；拉压力传感器16的一端通过传感器连接螺母15与输出端14固连，另一端与负载固连。由于实际中的弹簧11非理想弹簧，弹簧11的性能随着使用时间的增加也可能发生变化，拉压力传感器16可用于修正这些误差，并对液压串联弹性驱动器的性能进行标定。同时，当弹簧11的压缩量达到最大时，胡克定律失效，可直接利用拉压力传感器16反馈作用在负载上力的大小，从而使得驱动器力伺服的刚度不受弹簧11刚度的限制。

其动力传递过程为：动力源为一个液压缸1，液压缸1的活塞杆2通过驱动轴连接螺母8与驱动轴9固连，驱动轴9通过固定销12与弹簧挡圈13固连。这样，液压缸1的活塞杆2的运动位移、速度和力就通过驱动轴连接螺母8、驱动轴9和固定销12传递给了弹簧挡圈13。弹簧挡圈13所受到的力再传到与其相连的弹簧11，弹簧挡圈13右侧的受压弹簧11的另一端将力传递到输出端14上输出，弹簧挡圈13左侧的受压弹簧11的另一端将力传递到输出轴10的凸板上，进而将力传递到输出端14上输出。

Claims (2)

1.液压串联弹性驱动器，其特征在于：包括液压缸、转接板、伺服阀、六角螺栓、六角螺母、套筒、驱动轴连接螺母、驱动轴、输出轴、弹簧、固定销、弹簧挡圈、输出端、传感器连接螺母、拉压力传感器；

伺服阀通过转接板与液压缸固连；

套筒通过8个六角螺栓和六角螺母与液压缸的端盖固连，套筒内侧在其圆周上开有三个成120°的凹槽；

驱动轴一端通过驱动轴连接螺母与液压缸的活塞杆固连，其另外一端在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销；

输出轴一端与输出端通过螺纹固连，在输出轴上安装有弹簧和弹簧挡圈，同时在输出轴的圆周上开有三个成120°的腰形孔，固定销可在其中自由运动；

输出轴另外一端带有凸板，用于安装弹簧，同时在其圆周上留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒的相应凹槽中；输出端带有凸板，用于安装弹簧；

弹簧挡圈安装在输出轴上，两侧分别安装弹簧，弹簧挡圈在圆周上开有三个成120°的圆孔，每个圆孔处分别安装固定销，通过固定销将弹簧挡圈与驱动轴固连；

弹簧挡圈在其圆周上留有三个成120°的凸台，该凸台嵌入在套筒的相应凹槽中；

拉压力传感器一端通过传感器连接螺母与输出端固连，另一端与负载固连。

2.如权利要求1所述的液压串联弹性驱动器，其特征在于：输出轴上腰形孔的长度应保证弹簧压缩时不会与固定销发生碰撞。