CN104626196A - 一种变刚度柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性驱动技术领域，特别涉及一种变刚度柔性驱动器。该驱动器包括一机架，在机架上安装截面为方形的动力输入轴，在动力输入轴上滑动地设置一具有环形槽的滑套；动力输出轴与动力输入轴同轴心，并由多个拉伸弹簧连接滑套与动力输出轴；动力输入轴可带动滑套转动，并使拉伸弹簧发生扭转，进而带动动力输出轴转动，实现动力的柔性输出。在机架上与动力输入轴平行地设置一丝杠，在丝杠上螺接一拨叉，拨叉的两个伸出臂插设到滑套的环形槽内；丝杠转动时，通过拨叉带动滑套沿动力输入轴滑动，从而改变拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。本发明具有结构简单、调节快速、易于控制等优点，可广泛用于各类仿生、服务和康复机器人的研究和应用中。

Description

一种变刚度柔性驱动器

技术领域

本发明属于柔性驱动技术领域，特别涉及一种变刚度柔性驱动器，可用于机器人关节的柔性驱动。

背景技术

在机器人技术领域，通常采用大力矩、高增益反馈的伺服驱动系统来控制关节的运动，以实现对预定义轨迹的精确跟踪。这种关节的机械刚性好，可高速高精度动作，能够在可承受负载范围内对外界扰动进行有效抑制。随着仿生机器人、服务机器人以及康复机器人的快速发展，迫切需要机器人关节具有一定的柔顺性，以提高能量效率、改善系统动态特性、保证人机交互的安全性。柔性驱动器通过在传动链中引入弹性元件，可将关节的刚性输出转变为柔性输出。在机器人运行中，弹性元件能够进行能量的存储和释放，使关节的动能与势能互相转化，从而降低系统能耗；弹性元件还可改善系统固有动力学特性，使机器人步态更加自然、协调、稳定，提高机器人对非结构环境的适应能力；利用弹性元件的缓冲作用，可避免机器人与环境发生刚性碰撞，减轻零部件的机械损伤，提高对人与环境的安全性。

变刚度柔性驱动器利用特殊设计的调节机制，可根据需要实时改变关节刚度，以提高机器人对环境、任务的适应性。根据刚度调节方式的不同，变刚度柔性驱动器可分为对抗式、变结构式、机械调节式等。现有的变刚度柔性驱动器主要存在刚度调节范围小、结构复杂等缺点，从而在一定程度上限制了其应用效果和关节的小型化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种变刚度柔性驱动器，用于提高机器人关节能量效率、改善机器人固有动力学特性、提高机器人在运行中对人、环境和自身的安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

该变刚度柔性驱动器由安装在机架上的动力传动机构和刚度调节机构构成；

所述动力传动机构包括主电机、动力输入轴、滑套、拉伸弹簧和动力输出轴；主电机与动力输入轴连接并对其进行刚性驱动；动力输入轴的横截面为方形，其上滑动地设置具有环形槽的滑套；动力输出轴通过轴承座安装在机架上，且动力输出轴的输出端伸出机架；动力输出轴与动力输入轴同轴心并通过轴承连接，动力输出轴的下端为圆盘，并由多个拉伸弹簧沿所述圆盘的四周将动力输出轴与滑套连接；当滑套转动时，拉伸弹簧发生扭转，并带动动力输出轴转动；

所述刚度调节机构包括调节电机、丝杠和拨叉；丝杠与调节电机连接，并与动力输入轴平行；拨叉通过螺纹连接在丝杠上；拨叉具有两个水平的伸出臂，夹插到滑套的环形槽内；当丝杠转动时，拨叉沿丝杠做轴向运动，并带动滑套沿动力输入轴做轴向运动，从而改变所述拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。

所述拉伸弹簧沿动力输出轴的圆周均匀分布，其数量为不小于2的偶数。

所述机架上安装电机支架，主电机和调节电机分别安装在电机支架上，且主电机通过主电机联轴器与动力输入轴连接，调节电机通过调节电机联轴器与丝杠连接。

本发明的有益效果为：

(1)通过拉伸弹簧连接同轴心的动力输入部件与动力输出部件，其平衡位置(即无负载时输出轴的静止位置)可由主电机唯一确定，且能够进行全周向连续运动；

(2)通过丝杠、拨叉、滑套改变拉伸弹簧的预紧力，可由闭环控制的调节电机准确、快速地在较大范围内进行刚度的连续调节，调节机构结构简单并具有自锁功能，调节完成后无需持续的动力输入。

(3)能够满足多种机器人对变刚度柔性驱动器在结构、功能等方面的需求，结构简单、调节快速、易于控制，具有良好的抗冲击能力和柔性动力特性，可广泛应用于仿生、服务、康复等各类机器人的研究和应用中，具有显著的社会经济效益和应用前景。

附图说明

图1为变刚度柔性驱动器立体结构示意图。

图2为变刚度柔性驱动器主体结构剖面示意图。

图中标号：

1-机架；2-电机支架；3-主电机；4-主电机联轴器；5-动力输入轴；6-滑套；7-拉伸弹簧；8-轴承座；9-动力输出轴；10-轴承；11-调节电机联轴器；12-丝杠；13-拨叉；14-调节电机。

具体实施方式

本发明提供了一种变刚度柔性驱动器。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

该变刚度柔性驱动器由动力传动机构和刚度调节机构构成。

动力传动机构如图1和图2所示，本发明的主体框架为机架1，在机架1上安装电机支架2；主电机3通过法兰固定于电机支架2上，并通过主电机联轴器4连接动力输入轴5；动力输入轴5的横截面为方形，在其上滑动地设置具有环形槽的滑套6；动力输出轴9通过轴承座8安装于机架1上，在动力输出轴9的底部安装轴承10；动力输入轴5的圆形顶端与轴承10连接，并保持与动力输出轴9同轴心；动力输出轴9的底部为圆盘状，滑套6通过4个拉伸弹簧7连接动力输出轴9的底部圆盘，构成一个倒锥台形状。

刚度调节机构如图1、图2所示，调节电机14通过法兰固定于电机支架2上，并通过调节电机联轴器11连接丝杠12，丝杠12与动力输入轴5平行；在丝杠12上通过螺纹连接拨叉13，拨叉13的两个水平的伸出壁夹插到动力输入轴5上滑套6的环形槽内，但并不影响滑套6的转动。

本发明运行时，动力输入轴5由主电机3刚性驱动，滑套6随动力输入轴5进行同步转动，动力输出轴9可被拉伸弹簧7所带动，从而实现动力的柔性输出；调节电机14可带动丝杠12旋转，螺接的拨叉13沿丝杠12做轴向运动，进而带动滑套6沿动力输入轴5做轴向运动，从而改变拉伸弹簧7的预紧力。本发明可在运行时改变刚度，调节过程平滑流畅。

本发明不应受上述实施例的限制，凡是根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变刚度柔性驱动器，其特征在于，由安装在机架(1)上的动力传动机构和刚度调节机构构成；

所述动力传动机构包括主电机(3)、动力输入轴(5)、滑套(6)、拉伸弹簧(7)和动力输出轴(9)；主电机(3)与动力输入轴(5)连接并对其进行刚性驱动；动力输入轴(5)的横截面为方形，其上滑动地设置具有环形槽的滑套(6)；动力输出轴(9)通过轴承座(8)安装在机架(1)上，且动力输出轴(9)的输出端伸出机架(1)；动力输出轴(9)与动力输入轴(5)同轴心并通过轴承(10)连接，动力输出轴(9)的下端为圆盘，并由多个拉伸弹簧(7)沿所述圆盘的四周将动力输出轴(9)与滑套(6)连接；当滑套(6)转动时，拉伸弹簧(7)发生扭转，并带动动力输出轴(9)转动；

所述刚度调节机构包括调节电机(14)、丝杠(12)和拨叉(13)；丝杠(12)与调节电机(14)连接，并与动力输入轴(5)平行；拨叉(13)通过螺纹连接在丝杠(12)上；拨叉(13)具有两个水平的伸出臂，夹插到滑套(6)的环形槽内；当丝杠(12)转动时，拨叉(13)沿丝杠做轴向运动，并带动滑套(6)沿动力输入轴(5)做轴向运动，从而改变所述拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。

2.根据权利要求1所述变刚度柔性驱动器，其特征在于，所述拉伸弹簧(7)沿动力输出轴(9)的圆周均匀分布，其数量为不小于2的偶数。

3.根据权利要求1所述变刚度柔性驱动器，其特征在于，所述机架(1)上安装电机支架(2)，主电机(3)和调节电机(14)分别安装在电机支架(2)上，且主电机(3)通过主电机联轴器(4)与动力输入轴(5)连接，调节电机(14)通过调节电机联轴器(11)与丝杠(12)连接。