CN108453721B - 可控变刚度柔性驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种可控变刚度柔性驱动器，包括音圈电机，音圈电机的通轴穿过弹簧模块与弹簧模块相连，组成基础驱动单元，数个基础驱动单元首尾串联构成单支链，数个单支链并联且连接在基座连接板上构成串并联驱动模块，在数个基础驱动单元的基础上，在音圈电机与弹簧模块中间加装基座连接板，使其构成并联致动模块，数个并联致动模块再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板构成并串联驱动模块。本发明通过控制音圈电机通电或不通电，实现驱动器中基础驱动单元是否有效，进而改变驱动器的刚度性能，本发明采用微型音圈电机组合弹簧产生驱动器的直线运动，具有体积小、加速度大、能量密度高等优点，较好的模拟生物肌肉的形状和功能。

Description

可控变刚度柔性驱动器
技术领域
本发明属于机器人领域，具体的说是涉及一种可控变刚度柔性驱动器，特别涉及一种用于仿生机器人驱动的类肌肉驱动器。
背景技术
生物肌肉相对传统的驱动器有很多无法比拟的优点: 能量利用率高达50% 以上、能量/自重比高、瞬间爆发力大、缓冲能力强、同时具有储能的特点，因此模拟生物肌肉特性进行类肌肉驱动器已成为国内外仿生研究的一个热点领域。
人体的关节运动是通过骨骼肌收缩带动骨骼及关节伸/缩来实现的。骨骼肌是由肌纤维构成，肌纤维由很多根肌原纤维组成，肌原纤维由肌小节组成，因此骨骼肌在宏观上可以看作由若干肌小节通过串联或并联的方式组成。1954 年Huxley提出了关于肌肉运动机理的肌丝滑行学说，解释了骨骼肌的收缩原理:当肌小节处于舒张状态时，粗丝与细丝之间重叠减少，肌原纤维伸展； 当肌小节处于收缩状态时，粗丝与细丝之间重叠增加，则肌原纤维收缩。
目前，模拟骨骼肌进行仿生驱动的研究有采用电活性聚合物、形状记忆合金、气动肌肉进行直接驱动，也有采用电磁力多级串联方式进行驱动，这些装置多为单刚度，且仅能沿直线在两定点之间提供驱动力。
随着机器人技术的发展，对仿生机器人的关节驱动器提出了更高的要求，希望驱动器的驱动模式像人体肌肉的驱动一样，肌肉能驱动关节产生大的驱动力矩，同时能很快的以低阻尼的被动运动方式放松肌肉，而在遇到外界环境模式变化时，肌肉的粘弹性特征使得肌肉带动关节做出灵活的调整以适应外部环境的变化。
发明内容
针对仿生驱动器存在的问题及对新型仿生驱动器的需求，本发明提供了一种面向仿生机器人关节驱动器，尤其涉及一种与穿戴者进行人机交互的柔性助力外骨骼服的驱动器。本发明采用音圈电机和弹簧串联，组成一个基础驱动单元，多个基础驱动单元串联形成单支链，多个单支链再并联组成串并联驱动模块；多个基础驱动单元并联形成一个并联致动模块，多个并联致动模块再串联组成并串联驱动模块，串并联驱动模块、并串联驱动模块任意随机组合构成可控变刚度柔性驱动器。此种驱动器有较好的柔顺性，且通过控制音圈电机通电或不通电及组合不同的弹性系数的弹簧使得驱动器具有较好的变刚度特征，此种驱动器能实现与驱动本体的柔顺贴合，具有类肌肉的仿生驱动特征。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种可控变刚度柔性驱动器，包括音圈电机，音圈电机的内部带有通轴，通轴末端加有螺母，音圈电机的通轴穿过弹簧模块隐藏在弹簧模块内部并与弹簧模块相连，组成基础驱动单元，数个基础驱动单元首尾串联构成单支链，数个单支链并联且连接在基座连接板上构成串并联驱动模块，在数个基础驱动单元的基础上，在音圈电机与弹簧模块中间加装基座连接板，使其构成并联致动模块，数个并联致动模块再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板构成并串联驱动模块，串并联驱动模块和并串联驱动模块串联构成可控变刚度柔性驱动器。
本发明的进一步改进在于：弹簧模块包括上弹簧连接件、下弹簧连接件和弹簧，上弹簧连接件和下弹簧连接件结构相同，上弹簧连接件和下弹簧连接件分别与弹簧通过旋扭的方式相连，且弹簧可更换。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明组合音圈电机与弹簧，采用串联和并联的方式，通过音圈电机的通电或不通电，实现不同驱动模式，具有结构简单、体积小、加速度大、能量密度高等优点，且机构有较好的柔顺性，具有类肌肉的仿生驱动特征。
本发明中通过控制音圈电机通电或不通电，实现驱动器中基础驱动单元是否有效，进而改变驱动器的刚度性能，本发明中所涉及的多个弹簧，其刚度系数不同，旨在实现驱动器多种驱动效果，本发明采用微型音圈电机组合弹簧产生驱动器的直线运动，具有体积小、加速度大、能量密度高等优点，较好的模拟生物肌肉的形状和功能。
附图说明
图1 是本发明实例一的轴测图。
图2是本发明实例二的轴测图。
图3是本发明实例三的轴测图。
图4是本发明实例四的轴测图。
图5是本发明串并联驱动模块的轴测图。
图6是本发明并串联驱动模块的轴测图。
图7是本发明音圈电机轴测图。
图8是本发明弹簧模块轴测图。
图9是本发明上、下弹簧连接件轴测图。
图10是本发明基础驱动单元轴测图。
图11是本发明并联致动模块轴测图。
图12是本发明单支链示意图。
其中，1-音圈电机；2-基座连接板；3-弹簧模块；4-基础驱动单元；5-并联致动模块；6-上弹簧连接件；7-下弹簧连接件；8-弹簧；9-螺母；10-单支链；11-串并联驱动模块；12-并串联驱动模块。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-12所示，本发明是一种可控变刚度柔性驱动器，包含串并联驱动模块11和并串联驱动模块12。串并联驱动模块11和并串联驱动模块12是纵、横两个空间维度上由基础驱动单元堆积而成的，两个模块的基础驱动单元的数量大于等于1，并串联驱动模块在横向上相较于串并联驱动模块多加装了基座连接板。串并联驱动模块11在横向空间上由多个单支链10并联组成，单支链10在纵向空间上由多个基础驱动单元4串联组成；并串联驱动模块12在纵向空间上由多个并联致动模块5组成，并联致动模块5在横向空间上由多个基础驱动单元4并联组成。串并联驱动模块11和并串联驱动模块12串联构成完整的可控变刚度柔性驱动器。
实施例一
如图1，三个基础驱动单元4首尾串联构成单支链10，三个单支链10并联且连接在基座连接板2上构成串联驱动模块11；在三个基础驱动单元4的基础上，在音圈电机1与弹簧模块3中间加装基座连接板2，使其构成并联致动模块5，三个并联致动模块5再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板2构成并串联驱动模块12，串并联驱动模块11与并串联驱动模块12串联组成了可控变刚度柔性驱动器。
实施例二
如图2，三个基础驱动单元4首尾串联构成单支链10，四个单支链10并联且连接在基座连接板2上构成串联驱动模块11；在三个基础驱动单元4的基础上，在音圈电机1与弹簧模块3中间加装基座连接板2，使其构成并联致动模块5，三个并联致动模块5再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板2构成并串联驱动模块12，串并联驱动模块11与并串联驱动模块12串联组成了可控变刚度柔性驱动器。
相较于实施例一，串联驱动模块11中的单支链10并联数增加了。
实施例三
如图3，两个基础驱动单元4首尾串联构成单支链10，四个单支链10并联且连接在基座连接板2上构成串并联驱动模块11；在三个基础驱动单元4的基础上，在音圈电机1与弹簧模块3中间加装基座连接板2，使其构成并联致动模块5，三个并联致动模块5再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板2构成并串联驱动模块12，串并联驱动模块11与并串联驱动模块12串联组成了可控变刚度柔性驱动器。
相较于实施例二，串联驱动模块11中的单支链10串联的基础驱动单元4减少了。
实施例四
如图4，两个基础驱动单元4首尾串联构成单支链10，六个单支链10并联且连接在基座连接板2上构成串并联驱动模块11；在五个基础驱动单元4的基础上，在音圈电机1与弹簧模块3中间加装基座连接板2，使其构成并联致动模块5，一个并联致动模块5直接当作并串联驱动模块12，串并联驱动模块11与并串联驱动模块12串联组成了可控变刚度柔性驱动器。
此实施例中只使用一个并联致动模块5直接当作并串联驱动模块12。
如上面的实施例所示，并联时都是轴心并联，且尽量对称。

Claims (2)

1.一种可控变刚度柔性驱动器，其特征在于：驱动器包括音圈电机（1），所述音圈电机（1）的内部带有通轴，通轴末端加有螺母（9），所述音圈电机（1）的通轴穿过弹簧模块（3）隐藏在所述弹簧模块（3）内部并与弹簧模块（3）相连，组成基础驱动单元（4），数个基础驱动单元（4）首尾串联构成单支链（10），数个单支链（10）并联且连接在基座连接板（2）上构成串并联驱动模块（11），在数个基础驱动单元（4）的基础上，在音圈电机（1）与弹簧模块（3）中间加装基座连接板（2），使其构成并联致动模块（5），数个并联致动模块（5）再首尾串联组成长链，并在相邻的两段之间加装基座连接板（2）构成并串联驱动模块（12），串并联驱动模块（11）和并串联驱动模块（12）串联构成可控变刚度柔性驱动器。
2.根据权利要求1所述可控变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述弹簧模块（3）包括上弹簧连接件（6）、下弹簧连接件（7）和弹簧（8），上弹簧连接件（6）和下弹簧连接件（7）结构相同，所述上弹簧连接件（6）和下弹簧连接件（7）分别与弹簧（8）通过旋扭的方式相连。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109760103B (zh) * 2019-01-30 2022-03-11 天津理工大学 一种仿生章鱼臂二级驱动机构及仿生章鱼臂机构
CN112720417B (zh) * 2020-12-24 2022-11-04 广州大学 一种新型模块化软体机器人及其活动控制方法
CN113772057B (zh) * 2021-09-24 2022-06-03 广州大学 一种柔性水下机器人、控制方法及设备

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5062675B2 (ja) * 2007-08-02 2012-10-31 国立大学法人東北大学 可変剛性を有する関節機構
CN104863982B (zh) * 2014-02-24 2018-04-27 联想(北京)有限公司 一种变刚度连轴器及变刚度驱动机构
CN105415349A (zh) * 2015-12-30 2016-03-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于六维并联机构的空间多维微振动模拟器
CN106142132B (zh) * 2016-09-22 2018-10-16 电子科技大学中山学院 刚度连续可调的机器人柔性关节
CN106678241B (zh) * 2017-03-07 2018-12-28 华中科技大学 一种单自由度主被动隔振装置

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