CN105500368A - 圆盘式串联弹性驱动器 - Google Patents

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刘景泰
孙雷
王萌
尹伟
董帅
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric

Abstract

一种圆盘式串联弹性驱动器，包括电机底座，电机底座上安装伺服电机，伺服电机通过法兰盘与外圆盘固定连接在一起，外圆盘的另一侧设置有一个内圆盘，外圆盘与内圆盘之间安装有三根弹簧，内圆盘的另一侧通过联轴器与编码器固定连接，编码器安装在编码器底座上，编码器底座的外侧作为驱动器输出端；电机的力矩最终通过弹簧传递至驱动器输出端，带动负载产生转动。本发明是一种新型高能量密度、模块化、具有仿生特征的弹性驱动器，为设计一种具有本质安全特性、力输出精度高、力矩输出大、具有关节缓冲能力的串联弹性臂提供技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

Description

圆盘式串联弹性驱动器
技术领域
本发明涉及一种仿生驱动器，一般用于机器人领域。
背景技术
机器人与人或环境交互时，需要力控制技术。当前，机器人的力控制技术有：1.主动力控制技术，通过控制算法以及传感器信息来决定机器人关节的输入，使机器人对人或外部环境产生合适的输出力。2.被动力控制技术，通过设计弹性机构缓冲对外界的作用力。
驱动器是一种将其他形式的能量转化为力、力矩、速度或者转速的一种设备或机械装置。机器人驱动器应具备以下几方面特点：首先应该重量轻，输出功率大，能够拥有很高的能量密度，并且成本低。另外，与人或环境的交互过程中，拥有很好的力输出精度和较低的阻抗，以确保人的安全或环境不会受到破坏。最后，机器人在工作状态下，由于碰撞所产生的冲击能量应当通过一定的结构传递到驱动器中来提高机器人的抗冲载荷能力，避免机器人受到损伤。
现阶段，机器人力控制装置主要分为以下三类：直接驱动装置、齿轮驱动装置、绳索驱动装置。这些装置本身具有各自的不足。例如：齿轮减速装置，将电动机自身的高转速、低转矩转换为机器人所需要的低转速、高转矩。齿轮驱动装置往往存在着摩擦、齿轮间隙等非线性因素，并且增大了负载端的转动惯量，使驱动器整体力输出精度降低，抗冲击能力下降。因此，研制出高能量密度，适应高带宽变化的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究的领域之一。
传统的串联弹性驱动器，多采用扭簧直接串联于电机与负载之间，扭簧本身的能量密度偏低，力矩输出能力相对较小，使得其在机器人领域的应用受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供能量密度更高，力矩输出能力更大的圆盘式串联弹性驱动器。
本发明提供的圆盘式串联弹性驱动器，包括电机底座，电机底座上安装伺服电机，伺服电机通过法兰盘与外圆盘固定连接在一起，外圆盘的另一侧设置有一个内圆盘，外圆盘与内圆盘之间安装有三根弹簧(弹簧通过挂钩挂在内外圆盘的安装柱上)，内圆盘的另一侧通过联轴器与编码器固定连接，编码器安装在编码器底座上，编码器底座的外侧作为驱动器输出端，用于连接负载；伺服电机的力矩最终通过弹簧传递至驱动输出端，带动负载产生转动。
本发明的优点在于，能量密度高、输出力矩大，便于实际应用于机器人领域中。
附图说明
图1是本发明的实施示意简图。
图2是本发明内、外圆盘的实施示意简图。
图1中，1电机底座，2伺服电机，3外圆盘，4弹簧，5内圆盘，6联轴器，7编码器、8编码器底座。
图2中，1外圆盘，2内圆盘，3弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述
结合图1-2，本发明是一种由电机驱动的圆盘式串联弹性驱动器，伺服电机2通过四个螺丝固定在电机底座1中，伺服电机输出端法兰盘通过两个螺丝安装在外圆盘3上，三根弹簧4通过挂钩挂在内圆盘5和外圆盘3上设置的安装柱上(图中略)，内圆盘5和编码器7通过联轴器6连接在一起，同时编码器通过两个螺丝固定在编码器底座8上，编码器底座外侧同时作为驱动器输出端打有安装孔用以连接负载。
整套串联弹性驱动器的动力传递过程为：动力源为伺服电机2，伺服电机2的法兰盘与外圆盘3固定在一起，这样，伺服电机2的转动会带动外圆盘3一起转动，外圆盘3上的挂钩会拉伸弹簧4，弹簧4的另一侧挂接在内圆盘5上，这样，弹簧便会拉动内圆盘5运动，通过联轴器6带动编码器7一同转动，编码器7的转动会带动编码器底座8连同固定在其上的负载一起转动，此时，编码器测得的是内、外圆盘的转动角度之差。
综上所述，本发明的结构设计简单，并且可以充分保护驱动器，提高抗冲击载荷的能力。而且重量较轻，经济性好。另外，通过对弹簧刚度系数的优化分析，可以根据实际需求选择弹簧，以达到符合机器人作业要求的输出阻尼和输出带宽。

Claims (3)

1.圆盘式串联弹性驱动器，其特征是：该驱动器包括伺服电机，伺服电机通过法兰盘与外圆盘固定连接在一起，外圆盘另一侧设置有一个内圆盘，外圆盘与内圆盘之间安装有三根弹簧，内圆盘的另一侧通过联轴器与编码器固定连接，编码器安装在编码器底座上，编码器底座的外侧作为驱动器输出端用于连接负载，伺服电机的力矩最终通过弹簧传递至驱动器输出端，带动负载产生转动。
2.根据权利要求1所述的圆盘式串联弹性驱动器，其特征在于伺服电机转动导致内、外圆盘产生相对角度差，从而引起弹簧的形变。
3.根据权利要求1或2所述的圆盘式串联弹性驱动器，其特征在于编码器底座外侧用于根据实际需求安装不同的负载。
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