CN106625751B - 一种自锁型关节并联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自锁型关节并联弹性驱动器。采用电机垂直轴布置，减速器外壳本身属于驱动器的一部分而非电机减速的普通套接。第二级减速机构采用蜗轮蜗杆机构，降低横向尺寸并满足机械自锁。上壳与下壳的连接处横向尺寸小以安装蜗轮，而其他部分安装蜗杆和第一级减速机构。第一级减速机构采用普通圆柱齿轮传动以在蜗轮蜗杆和电机型号确定的情况下根据不同要求调整中心距，尽可能的扩大关节驱动器的转动范围。关节驱动器的最大弯曲角和最大伸展角被外壳尺寸限制以保护外骨骼使用者安全。储能机构采用扭簧，布置在上下壳的连接处并由机械凸台定位。蜗轮轴作为输出轴使上壳与下壳连接，下壳与上壳分别与动力外骨骼或人形机器人的下肢和上肢相连。

Description

一种自锁型关节并联弹性驱动器

技术领域

本发明属于关节驱动器技术领域，特别涉及一种自锁型关节并联弹性驱动器。

背景技术

关节驱动器是动力外骨骼和人形机器人中的必需原件，目前关节驱动器的小型化仍然是该领域的研发重点和难点。首先，关节驱动器输出转速一般并不高，需要由大减速比的减速机构来保证，这些减速器往往外形和重量较大，使得关节驱动器整体尺寸及重量也受到影响。其次，驱动动力外骨骼和人形机器人正常行走所需扭矩较大，较大的转动扭矩需要电机本身具有较大功率和输出扭矩，而一般电机机械性能与电机外形尺寸相关，较大的电机尺寸是限制目前关节驱动器小型化的主要原因。再次，目前移动穿戴式动力外骨骼和人形机器人多采用电池能源，受制于当前电池产业的发展，这些外骨骼和机器人工作时间有限，大大限制了其实际应用和推广。而且，动力外骨骼和人形机器人在工作时往往接近于正常人体步态，在这种行进状态下大量的能源被消耗在抵消垂直轴的重力波动上，真正应用于前向行走的能源所占比例较小。如何在有限的电池供应下，减小驱动器功耗降低行走周期内的重力波动影响，一直是当前关节驱动器研发和外骨骼研究的重点。

早期动力外骨骼和一些人形机器人多采用液压或气压驱动，其优点是可以将动力源放在远离关节处而用液压和气压管道将驱动能量引到驱动器处，以此可减小关节驱动器整体尺寸。但其缺点是能效比低、附属管路及其他器件较多、控制复杂。当前电机驱动已成为关节驱动器领域的主流。主要常见的有电机+谐波减速器，电机+齿轮减速器，电机+齿轮齿条组合，电机+同步带，电机+滚珠丝杠。如果按电机布置分又可以分为电机平行轴布置和电机垂直轴布置。电机平行轴布置时电机和减速器在同一轴线上，优点是直接套接机构简单，缺点是轴向尺寸较大机构臃肿，除非采用盘式电机和谐波减速器的组合，否则这种方式难以兼顾尺寸和性能。但谐波减速器属于精密减速器件其价格相比普通齿轮减速器高出许多。电机+同步带方式也属于平行轴布置，但同步带减速比与带轮直径比相关，带轮直径又受制于关节驱动器尺寸因而无法做的很大，导致同步带传动无法获得大减速比进而影响了其输出扭矩。垂直轴布置时电机沿腿部方向布置，可以充分利用腿部空间，这种布置方式目前应用最广的是电机+丝杠模式，但由于丝杠是将直线运动转化为转动进而驱动关节运动，存在转动范围有限的缺点。在控制方面还要实时计算反三角函数因而控制器运算负担较大，造成控制复杂。此外，目前关节驱动器需要保证在无电或电机不转时的稳定自锁，主流方案多采用电机刹车。虽然这种方式可以保证驱动器的有效制动，但电机刹车本质上属于电磁制动器，它需要额外的能源消耗且增加控制元件因而不利于机构的简化。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种自锁型关节并联弹性驱动器。

一种自锁型关节并联弹性驱动器，其包括外壳、电机、减速机构和储能机构；其中，

所述外壳主要由上壳和下壳连接组合而成；所述上壳，其左右两侧后下方为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷，并在上壳的上部设有上肢连接平台；所述下壳，其左右两侧的上部呈圆形且与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部，并在下壳的下部设有下肢连接平台；

所述电机由上壳支撑固定，采用垂直输出轴的形式；

所述减速机构分为两级，第一级减速机构采用大圆柱齿轮和小圆柱齿轮的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构；小圆柱齿轮与电机的输出轴连接，大圆柱齿轮与小圆柱齿轮啮合连接；上壳凹陷处的前侧为蜗杆的安装部，蜗杆的上下两端分别通过轴承固定在蜗杆安装部，且蜗杆的上端与大圆柱齿轮连接；输出轴通过轴承与上壳连接，蜗轮与输出轴连接，位于上壳凹陷处的内部；蜗杆与蜗轮之间啮合连接；

所述储能机构包括左右扭簧；在左右上壳连接部的外侧壁上分别设有第一凸台，并在第一凸台的中心线处分别加工有第一固定槽；在左右下壳连接部的内侧壁上分别设有第二凸台与第一凸台相对应，并在第二凸台的中心线处分别加工有第二固定槽与第一固定槽相对应；输出轴的左右两端分别设有输出轴平键，第一凸台上设有中心通孔，第二凸台上设有中心凹槽，并在中心凹槽侧壁设有平键凹槽，输出轴的左右两端由第一凸台的中心通孔穿出，并嵌入第二凸台的中心凹槽内形成平键连接，从而使上壳与下壳之间形成连接；所述扭簧套装在第一凸台和第二凸台上，其两头末端插入固定槽，分别布置在输出轴的两侧。

优选地，所述下壳的内侧壁上，沿第二凸台的圆周加工有凹槽。

优选地，所述电机采用小直径大长度的形式。

优选地，上肢连接平台的尺寸较下肢连接平台的尺寸大。

优选地，所述下肢连接平台内部为中空结构。

优选地，所述上壳内设有支撑平台，所述电机支撑在所述支撑平台上。

在一种实施方式中，所述上壳由上左壳和上右壳连接组合而成；所述下壳由下左壳和下右壳连接组合而成。优选地，所述上左壳、上右壳、下左壳和下右壳分别为一体加工成型。

本发明的有益效果为：

本发明采用一体化设计，使减速器的外壳本身就是关节驱动器，与采用普通的电机、减速器、关节机械部分套接的方式相比，结构紧凑尺寸小。由于关节驱动器对横向尺寸敏感，因而在减速器末级采用本身轴向尺寸就小的蜗轮，为安装其他必要器件留出空间。而在远离上下壳连接处的地方由于可使用横向尺寸变大因而采用普通齿轮连接。这种不同部分采用不同齿轮减速方法的设计可以充分利用不同齿轮的特性以平衡驱动器不同部分的空间要求。电机采用垂直轴布置并使用细长轴电机，可以充分利用沿腿部纵向的空间而避免增加横向尺寸。

采用普通齿轮减速和蜗轮蜗杆减速的配合方案，整体减速比可以接近谐波齿轮的水平，因而可以保证大扭矩的要求。此外，与普通电机+普通减速的垂直轴设计与盘式电机+谐波减速器的平行轴设计相比，本发明在横向尺寸更小的情况下相对价格更低。第一级减速采用普通齿轮减速器的设计可以做到更灵活的配凑中心距。由于电机和蜗轮蜗杆选择类型相对有限，而普通圆柱齿轮使用和加工方法都已经非常成熟，选择性较多。第一级选择普通圆柱齿轮可以根据不同的关节驱动器的要求，作为连接蜗轮蜗杆和电机的媒介灵活调配。第二级减速采用了蜗轮蜗杆，除了如前所述的蜗轮优异的大减速比同时较小的轴向尺寸外，还有其机械自锁特性。采用机械自锁比采用电机电磁刹车更为可靠，在电机不转和失电情况下可以有效保证停在原位。此外，关节驱动器的外壳本身可以作为转动范围的机械限位，这在动力外骨骼领域尤为关键，作为膝关节驱动器时，伸展角被限制在0度，而弯曲角被限制在约120度，因而整个膝关节可在0～120度范围内自由转动，使得当出现电器及其他不可预测性的故障时有效保障使用者安全。此外由于一般蜗杆外径大于蜗轮轴向尺寸，而驱动器外壳非蜗轮安装处的轴向尺寸设计的高于上下壳连接处，蜗杆被安装在此处以充分利用此处的空间。

为了将在正常行走时垂直向重力波动造成的能量消耗降到最小，本发明在上壳和下壳之间添加储能机构。一般可采用的储能机构是拉簧和扭簧。由于关节驱动器本身属于旋转器件，如果使用拉簧需要采用将旋转角度变为线性移动的机械装置，这会增加额外的机械结构，本发明在上壳和下壳连接处添加了左右两块扭簧以降低重力波动对能量的消耗。此外扭簧采用机械凸台定位且储能与扭转角度直接相关，简化了整体储能结构。

附图说明

图1为实施例所述一种自锁型关节并联弹性驱动器的减速机构示意图。

图2为实施例所述一种自锁型关节并联弹性驱动器的储能机构示意图。

图3为实施例所述一种自锁型关节并联弹性驱动器的整体外观示意图。

标号说明：

1-电机 2-电机固定螺栓

3-大圆柱齿轮 4-蜗杆轴承

5-蜗杆 6-输出轴平键

7-小圆柱齿轮 8-蜗轮

9-蜗轮轴承 10-输出轴

11-扭簧 12-第一凸台

13-第一固定槽 14-凹槽

15-第二固定槽 16-第二凸台

17-上肢连接平台 18-上壳连接螺栓

19-下壳连接螺栓 20-下肢连接平台

21-上左壳 22-上右壳

23-下左壳 24-下右壳

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，应该强调的是，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图1-图3所示，本发明具体实施方式中公开了一种用于动力外骨骼和人形机器人的自锁型关节并联弹性驱动器，此处描述的主要是膝关节驱动器，包括电机1、减速机构、储能机构和外壳；其中，

关节驱动器外壳既是减速机构和储能机构的外壳，也是电机1、减速机构、储能机构的固定支架，同时也是连接动力外骨骼或人形机器人上肢和下肢(如股骨和胫骨)的连接器。外壳选用的材料为铝合金，但并不限于此。外壳主要由上左壳21、上右壳22、下左壳23和下右壳24四部分连接组合而成，各部分采用一体成型加工。以右侧膝关节为例，上左壳21和上右壳22通过三颗上壳连接螺栓18相向连接组合成上壳，下左壳23和下右壳24通过两颗下壳连接螺栓19相向连接组合成下壳。所述上左壳21和上右壳22，其后下方的外侧为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷以尽可能的减小径向尺寸。所述下左壳23和下右壳24，其上部呈圆形与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部。通过将上壳连接部和下壳连接部连接实现上壳和下壳的连接。在上壳的上部铣出一上肢连接平台17，用于连接动力外骨骼或人形机器人的上肢部分(如股骨)；在下壳的下部铣出一下肢连接平台20，用于连接动力外骨骼或人形机器人的下肢部分(如胫骨)。由于下壳所需传递的力量较上壳小，因而下壳的尺寸可以相对于上壳的尺寸减小。为进一步减小重量，将下壳的下部内侧切去一部分材料，形成内部中空的结构。

在上壳内部设有支撑平台，电机1采用垂直输出轴的形式并通过电机固定螺栓2固定在所述支撑平台上。由于一般情况下电机功率和尺寸成正比，因而此处采用了小直径大长度的永磁无刷外转子电机，以尽可能的减小驱动器横向尺寸而尽可能利用纵向空间。

减速机构分为两级。第一级减速机构采用普通的大圆柱齿轮3和小圆柱齿轮7的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构。

上壳凹陷处上侧部分由于尺寸宽裕因而用来安装第一级减速机构。小圆柱齿轮7通过轴承固接在电机1的输出轴上，大圆柱齿轮3与小圆柱齿轮7啮合连接。上壳凹陷处的前侧呈方形，其外部尺寸与关节驱动器整体尺寸保持一致，由于蜗杆5径向尺寸一般大于蜗轮8的轴向尺寸，因而将此处作为蜗杆5的安装部用来安装蜗杆5，蜗杆5的上下两端通过蜗杆轴承4固接在蜗杆5的安装部，且蜗杆5的上端与大圆柱齿轮3连接。输出轴10通过轴承与上壳连接，蜗轮8通过蜗轮轴承9固接在输出轴10上，位于上壳凹陷处的内部。蜗杆5与蜗轮8之间啮合连接。关节驱动器的横向尺寸由电机1的直径决定，前后向尺寸由蜗轮8的直径决定，转动范围由第一级减速机构中圆柱齿轮的中心距决定。由于电机1和蜗轮蜗杆啮合机构可选型号相对有限，而圆柱齿轮减速的应用成熟且丰富，第一级减速机构采用普通圆柱齿轮可在电机1和蜗轮蜗杆啮合机构传动确定的情况下更灵活的调配中心距，作为调整媒介连接电机1和蜗轮蜗杆啮合机构。第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构主要是考虑到传动换向和自锁。虽然锥齿轮也可以换向但其轴向尺寸较大且传动过程中会产生可观的轴向载荷，而且无法自锁。蜗轮蜗杆传动轴向尺寸一般由蜗轮8的轴向尺寸决定因而相对较小，且不会造成太大的轴向载荷。蜗轮蜗杆啮合机构另外一个有益的特性是可以机械自锁，应用时无需在电机1上安装电机刹车因而简化了系统机电结构。

上壳凹陷处的横向尺寸较小，留出来的横向尺寸空间用于安装储能机构。储能机构主要采用扭簧11，且左右各一个。上左壳21和上右壳22的上壳连接部的外侧壁上分别加工有第一凸台12，并在第一凸台12的中心线处加工有第一固定槽13；下左壳23和下右壳24的下壳连接部的内侧壁上分别加工有第二凸台16与第一凸台12相对应，并在第二凸台16的中心线处加工有第二固定槽15与第一固定槽13相对应。输出轴10的左右两端分别设有输出轴平键6，第一凸台12上设有中心通孔，第二凸台16上设有中心凹槽，并在中心凹槽侧壁设有平键凹槽，输出轴10的左右两端由第一凸台12的中心通孔穿出，并嵌入第二凸台16的中心凹槽内形成平键连接，使得下壳与上壳之间形成转动连接。上壳中蜗杆安装部处的壳体后侧与下壳连接部的圆形相切合，两者相切合的圆弧部分为该关节驱动器的实际可转动角度，以此实现对关节驱动器弯曲最大角的限位。扭簧11套装在第一凸台12和第二凸台16上，由第一凸台12和第二凸台16实现扭簧11的内跳限位，在下左壳23和下右壳24的内侧壁上，沿第二凸台16的圆周加工有凹槽14以包裹扭簧11和限制扭簧11外跳。扭簧11的两头末端插入固定槽，采用拮抗布置方式布置在输出轴10的两侧，实现11扭簧的扭转固定。膝关节驱动器弯曲时，扭簧11被扭转变形从而储能，而伸展时扭簧11回位从而释放能量。该设计与未有储能设计的关节驱动器相比，可以尽可能的减小周期性重力波动对能量的消耗。

在动力外骨骼应用中，本发明的设计可以在出现电器或其他不可预测故障时保证使用者的安全。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明距离保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的距离保护范围。

Claims (8)

1.一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述并联弹性驱动器包括外壳、电机、减速机构和储能机构；其中，所述外壳主要由上壳和下壳连接组合而成；所述上壳，其左右两侧后下方为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷，并在上壳的上部设有上肢连接平台；所述下壳，其左右两侧的上部呈圆形且与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部，并在下壳的下部设有下肢连接平台；

所述上肢连接平台与动力外骨骼的股骨相连；

所述电机由上壳支撑固定，采用垂直电机转轴的布置形式；

所述减速机构分为两级，第一级减速机构采用大圆柱齿轮和小圆柱齿轮的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构；小圆柱齿轮与电机的电机转轴连接，大圆柱齿轮与小圆柱齿轮啮合连接；上壳凹陷处的前侧为蜗杆的安装部，蜗杆的上下两端分别通过轴承固定在蜗杆安装部，且蜗杆的上端与大圆柱齿轮连接；输出轴通过轴承与上壳连接，蜗轮与输出轴连接，位于上壳凹陷处的内部；蜗杆与蜗轮之间啮合连接；

所述储能机构包括左右扭簧；在左右上壳连接部的外侧壁上分别设有第一凸台，并在第一凸台的中心线处分别加工有第一固定槽；在左右下壳连接部的内侧壁上分别设有第二凸台与第一凸台相对应，并在第二凸台的中心线处分别加工有第二固定槽与第一固定槽相对应；输出轴的左右两端分别设有输出轴平键，第一凸台上设有中心通孔，第二凸台上设有中心凹槽，并在中心凹槽侧壁设有平键凹槽，输出轴的左右两端由第一凸台的中心通孔穿出，并嵌入第二凸台的中心凹槽内形成平键连接，从而使上壳与下壳之间形成连接；所述扭簧套装在第一凸台和第二凸台上，其两头末端插入固定槽，分别布置在输出轴的两侧。

2.根据权利要求1所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述下壳的内侧壁上，沿第二凸台的圆周加工有凹槽。

3.根据权利要求1所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述电机采用小直径大长度的形式。

4.根据权利要求1所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，上肢连接平台的尺寸较下肢连接平台的尺寸大。

5.根据权利要求1或4所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述下肢连接平台内部为中空结构。

6.根据权利要求1所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述上壳内设有支撑平台，所述电机支撑在所述支撑平台上。

7.根据权利要求1所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述上壳由上左壳和上右壳连接组合而成；所述下壳由下左壳和下右壳连接组合而成。

8.根据权利要求7所述一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，所述上左壳、上右壳、下左壳和下右壳分别为一体加工成型。