CN107042510B - 一种液压串联弹性驱动机构及测试其的实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压伺服控制领域，并公开了一种液压串联弹性驱动机构，包括底板及液压缸和弹性单元，所述液压缸的输出轴上连接有定位架；所述弹性单元包括轴承单元、导向轴、压缩弹簧座和压缩弹簧，所述轴承单元包括设置在所述底板上的轴承座及设置在所述轴承座内的第一直线轴承，所述导向轴上设置有两个轴环，所述导向轴上穿装有两个第二直线轴承，这两个第二直线轴承的轴肩均位于两块定位板之间，每个所述第二直线轴承的轴肩上均安装所述压缩弹簧座，所述压缩弹簧安装在所述压缩弹簧座上并且其穿装在所述导向轴上。本发明的液压串联弹性驱动机构能够模拟关节的拉伸与压缩动作，能够在拉伸和压缩两个方向上传递驱动力而且所占据的空间较小，重量较轻。

Description

一种液压串联弹性驱动机构及测试其的实验平台

技术领域

本发明属于液压伺服控制领域，更具体地，涉及一种液压串联弹性驱动机构及测试其的实验平台。

背景技术

关节仿生驱动技术已成为机器人领域中的一个重要研究方向，在关节力伺服驱动器方面，由于减速器在提高电机驱动器力和能量密度的同时，增加了电机的输出阻抗，同时增大了电机动力学建模的复杂性与非线性，使得电机驱动器进行精确力控制比较困难。同样，在液压驱动器方面，由于缸的摩擦、泄露、油液的非线性流动和驱动器本身的高输出阻抗的影响，使得液压驱动器的精确力控制变得困难。因此，电机驱动系统或液压驱动系统更适合采用速度或位置控制，而并非力控制。

串联弹性驱动器的特点是在动力源与负载间安装弹性装置，可以同时承受动力源的驱动力与负载的反作用力，在驱动器驱动机器人关节运动时增加关节的柔性，从而降低机器人关节驱动时的能耗，并起到保护和缓冲的作用。动物的肌肉组织具有很好的适应外部环境的能力，使得其在运动过程中具有较好的柔顺性和适应性。串联弹性驱动器与一般力控制驱动器的不同之处在于引入了弹性元件，使驱动器具备一定的仿生能力，能够适应外部负载的变化。

由于串联弹性驱动单元需要布置在机器人上，因而在功能和结构上有自身的特殊性。但是目前使用的串联弹性驱动单元一般结构较复杂，而且重量较大，使用并不是很方便，另外一般也只能实现单一方向上的传力。而且目前还需要相关实验验证该驱动单元能否满足设计需要，但是目前所使用的实验平台的调试也比较复杂，使得串联弹性驱动单元进行实验时需要耗费大量的时间和人力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液压串联弹性驱动机构及测试其的实验平台，液压串联弹性驱动机构能够模拟关节的拉伸与压缩动作，能够在拉伸和压缩两个方向上传递驱动力而且所占据的空间较小，重量较轻，实验平台的搭建比较方便，能很快进行测试实验。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，包括底板及共同设置在所述底板上的液压缸和弹性单元，其中，

所述液压缸的输出轴水平设置并且所述液压缸的输出轴上连接有定位架，所述定位架包括两块定位板及用于连接这两块定位板的连接架，每块所述定位板均竖直设置；

所述弹性单元包括轴承单元、导向轴、压缩弹簧座和压缩弹簧，其中，所述轴承单元包括设置在所述底板上的轴承座及设置在所述轴承座内的第一直线轴承，所述导向轴水平设置并且与所述液压缸的输出轴平行，所述导向轴通过至少两个所述轴承单元进行支撑并且其穿过第一直线轴承，所述导向轴上设置有两个轴环并且所述定位架位于这两个轴环之间，所述导向轴上穿装有两个第二直线轴承并且每个所述第二直线轴承均具有轴肩，每个所述第二直线轴承的一端分别穿过一定位板后抵靠在一轴环上，每个所述第二直线轴承的轴肩分别抵靠在一定位板上，并且这两个第二直线轴承的轴肩均位于两块定位板之间，每个所述第二直线轴承的轴肩上均安装所述压缩弹簧座，所述压缩弹簧安装在所述压缩弹簧座上并且其穿装在所述导向轴上。

优选地，还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板上，所述移动杆固定在一轴环上。

优选地，还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板上，其移动杆固定在一定位板上。

优选地，所述液压缸的输出轴通过所述拉压力传感器与所述定位架连接。

优选地，所述液压缸的输出轴通过传感器连接头与所述拉压力传感器连接。

优选地，所述弹性单元为两个并且它们并排设置于所述液压缸的两侧。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于测试所述液压串联弹性驱动机构的实验平台，其特征在于，包括机架、直线导轨、导轨滑块、负载支架和滑轮，所述机架用于承接所述底板，所述直线导轨安装在所述底板上，所述导轨滑块安装在所述直线导轨上，所述负载支架安装在所述导轨滑块上，以用于连接负载，所述滑轮安装在所述底板上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的液压串联弹性驱动机构能够模拟关节的拉伸与压缩动作，能够在拉伸和压缩两个方向上传递驱动力而且所占据的空间较小，重量较轻；

2)本发明可通过压缩弹簧来实现两个方向的力的传递；

3)本发明实现了液压串联弹性驱动器的实验平台小型化，另外使用双弹性单元，使得液压串联弹性驱动器的压缩弹簧总刚度可以在一定范围内调整，满足了液压串联弹性驱动器的实验需求。

附图说明

图1是液压串联弹性驱动器在实验平台上时的俯视示意图；

图2是液压串联弹性驱动器在实验平台上时的结构示意图；

图3是液压串联弹性驱动器在实验平台上时的剖视示意图；

图4是图2中A处的放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图4，一种液压串联弹性驱动机构，包括底板19及共同设置在所述底板19上的液压缸14和弹性单元，其中，

所述液压缸14的输出轴水平设置并且所述液压缸14的输出轴上连接有定位架，所述定位架包括两块定位板8及用于连接这两块定位板8的连接架17，每块所述定位板8均竖直设置；

所述弹性单元包括轴承单元、导向轴2、压缩弹簧座9和压缩弹簧10，其中，所述轴承单元包括设置在所述底板19上的轴承座及设置在所述轴承座内的第一直线轴承3，所述导向轴2水平设置并且与所述液压缸14的输出轴平行，所述导向轴2通过至少两个所述轴承单元进行支撑并且其穿过第一直线轴承3，所述导向轴2上设置有两个轴环4并且所述定位架位于这两个轴环4之间，所述导向轴2上穿装有两个第二直线轴承5并且每个所述第二直线轴承5均具有轴肩51，每个所述第二直线轴承5的一端分别穿过一定位板8后抵靠在一轴环4上，每个所述第二直线轴承5的轴肩51分别抵靠在一定位板8上，并且这两个第二直线轴承5的轴肩51均位于两块定位板8之间，每个所述第二直线轴承5的轴肩51上均安装所述压缩弹簧座9，所述压缩弹簧10安装在所述压缩弹簧座9上并且其穿装在所述导向轴2上。

进一步，还包括直线位移传感器1，所述直线位移传感器1包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板19上，所述移动杆固定在一轴环4上。

进一步，还包括直线位移传感器1，所述直线位移传感器1包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板19上，其移动杆固定在一定位板8上。

进一步，所述液压缸14的输出轴通过所述拉压力传感器16与所述定位架连接。

进一步，所述液压缸14的输出轴通过传感器连接头15与所述拉压力传感器16连接。

进一步，所述弹性单元为两个并且它们并排设置于所述液压缸14的两侧。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于测试所述液压串联弹性驱动机构的实验平台，包括机架、直线导轨13、导轨滑块12、负载支架11和滑轮18，所述机架用于承接所述底板19，所述直线导轨13安装在所述底板19上，所述导轨滑块12安装在所述直线导轨13上，所述负载支架11安装在所述导轨滑块12上，以用于连接负载，所述滑轮18安装在所述底板19上。

本发明的动力传递过程如下：

动力源为一个液压缸14，液压缸14的输出轴通过液压缸14-传感器连接头15与拉压力传感器16以螺纹的方式连接，拉压力传感器16与定位板8以螺纹方式连接，两个定位板8与连接架17形成一个刚性的框架，同时其中一块定位板8外接直线位移传感器1，这样可以实时对液压缸14的输出轴的位移进行反馈。每块定位板8上分别安装有8个深沟球轴承座7和8个深沟球轴承6，每4个深沟球轴承6周向分布在导向轴2的四周与导向轴2接触，利用深沟球轴承6的外圈的转动，可以避免定位板8与第二直线轴承5产生直接的滑动摩擦。

该驱动单元的负载端设置有负载支架11，该负载支架11与导轨滑块12连接，确保能够在直线导轨13上平直地滑动，负载支架11上有两个孔，当需要加载一定重量的载荷时，可以使用螺栓将负载与负载支架11固连，也可以将负载通过钢丝绳和滑轮18垂直悬挂在实验平台下方。负载支架11的两侧分别固定在两个轴环4上，轴环4通过螺纹产生咬合力锁紧在导向轴2上，每个导向轴2上都有第二直线轴承5-弹簧座9-压缩弹簧10-弹簧座9-第二直线轴承5的弹性模块，弹簧座9其于第二直线轴承5以螺纹方式连接，其中较小的套筒部分外套压缩弹簧10，可以避免压缩弹簧10在运动时产生轴向的位移，从而产生不可预测的力，给控制带来困难；两个加长型轴承的外侧分别与连接架的定位板8的内侧相接触，无负载条件下不会产生相对滑动。模块两侧使用轴环4固定，对弹性模块进行限位。其中一个轴环4与直线位移传感器1相连，这样可以实时对负载的位移进行反馈。

参照图1、图2，本发明通过压缩弹簧10可以分别输出左右两个方向的作用力。实验时，当需要提供向右方向的输出载荷时，液压缸14的输出轴相对负载端向右方向运动，开始时由于负载支架11上安装了负载，使得负载支架11、与负载支架11相连的轴环4，以及抵靠在该轴环4上的第二直线轴承5、导向轴2都是相对底板19静止的，这样就产生一个位移差，而左方的定位板8则通过左方的第二直线轴承5的轴肩51对压缩弹簧10进行压缩，当压缩弹簧10压缩到一定程度后，即弹力达到一定值了，则可以推动负载移动，此时负载支架11、与负载支架11相连的轴环4，以及抵靠在该轴环4上的第二直线轴承5、导向轴2都会一起整体移动；当需要提供向左方向的输出载荷时，则动作也与此类似，液压缸14的输出轴相对负载端向左运动，由于负载具有质量，导向轴2刚开始时也是不动的，会产生一个位移差，连接架右侧的定位板8推动两根轴的右边第二直线轴承5的右侧，对压缩弹簧10进行压缩，可以产生向左的输出力。

由于本发明的两根压缩弹簧10以并联的方式连接，所以其相对刚度约等于两者的刚度之和，市面上的压缩弹簧10种类繁多，但刚度规格有限，使用这种方式可以一定程度上扩大串联弹性驱动器的压缩弹簧10的刚度选型范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，包括底板及共同设置在所述底板上的液压缸和弹性单元，其中，

所述液压缸的输出轴水平设置并且所述液压缸的输出轴上连接有定位架，所述定位架包括两块定位板及用于连接这两块定位板的连接架，每块所述定位板均竖直设置；

所述弹性单元包括轴承单元、导向轴、压缩弹簧座和压缩弹簧，其中，所述轴承单元包括设置在所述底板上的轴承座及设置在所述轴承座内的第一直线轴承，所述导向轴水平设置并且与所述液压缸的输出轴平行，所述导向轴通过至少两个所述轴承单元进行支撑并且其穿过第一直线轴承，所述导向轴上设置有两个轴环并且所述定位架位于这两个轴环之间，所述导向轴上穿装有两个第二直线轴承并且每个所述第二直线轴承均具有轴肩；每个所述第二直线轴承的一端分别穿过一定位板后抵靠在一轴环上，以使所述弹性单元两侧由轴环固定，对所述弹性单元进行限位；每个所述第二直线轴承的轴肩分别抵靠在一定位板上，并且这两个第二直线轴承的轴肩均位于两块定位板之间，每个所述第二直线轴承的轴肩上均安装所述压缩弹簧座，所述压缩弹簧安装在所述压缩弹簧座上并且其穿装在所述导向轴上。

2.根据权利要求1所述的一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板上，所述移动杆固定在一轴环上。

3.根据权利要求1所述的一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，还包括直线位移传感器，所述直线位移传感器包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定在所述底板上，其移动杆固定在一定位板上。

4.根据权利要求1所述的一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，还包括拉压力传感器，所述液压缸的输出轴通过所述拉压力传感器与所述定位架连接。

5.根据权利要求4所述的一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，所述液压缸的输出轴通过传感器连接头与所述拉压力传感器连接。

6.根据权利要求1所述的一种液压串联弹性驱动机构，其特征在于，所述弹性单元为两个并且它们并排设置于所述液压缸的两侧。

7.一种用于测试权利要求1～6中任一所述液压串联弹性驱动机构的实验平台，其特征在于，包括机架、直线导轨、导轨滑块、负载支架和滑轮，所述机架用于承接所述底板，所述直线导轨安装在所述底板上，所述导轨滑块安装在所述直线导轨上，所述负载支架安装在所述导轨滑块上，以用于连接负载，所述滑轮安装在所述底板上。

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