CN108453723A - 一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，属于柔性驱动技术领域。该驱动器包括机架、动力传动及输出机构和刚度调节机构。主电机输出轴连接动力传动机构，输出机构与动力传动机构铰接；刚度调节机构包括刚度调节电机、蜗轮蜗杆和六杆机构、滑块和板簧等，刚度调节电机安装在动力传动机构上，通过蜗轮蜗杆连接六杆机构；主电机转动带动动力传动机构转动，动力传动机构将动力传递给输出机构，从而改变机构的平衡位置；刚度调节电机轴转动时，通过蜗轮蜗杆带动六杆机构运动，滑块在板簧上的位置发生改变，从而实现变刚度。本发明具有结构尺寸小，易于控制，调节范围广等优点，可广泛用于各类仿生和康复机器人的研究和应用中。

Description

一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器

技术领域

本发明涉及一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，可用于机器人关节的柔性驱动，属于柔性驱动技术领域。

背景技术

随着社会的快速发展及老龄化趋势的增大，人类对服务机器人、仿生机器人以及康复机器人的需求越来越多，机器与人以及环境的交互变得越发频繁，人机交互的安全性越来越受到重视。

为了提高人与机器人交互的安全性，以及提高能量利用效率和系统的动态特性，迫切需要机器人的关节具有一定的柔顺性，可以通过柔性驱动器来实现机器人关节的柔顺性。柔性驱动器通过在机构中引入弹性元件，将驱动器的刚性输出变成柔性输出。柔性驱动器与传统的刚性驱动器不同，柔性驱动器的位置输出包括平衡位置和偏移(偏转)两项之和。

柔性输出有诸多优点，在机器人运行时，利用弹性元件的缓冲作用，可以避免机器与人以及环境的刚性碰撞，减轻机器零部件的机械损伤，同时也提高了人机交互的安全性；弹性元件可以进行能量的存储与释放，实现动能和势能的转化，从而降低了柔性驱动器的系统能耗，提高能量的利用效率；弹性元件也可以改善系统的动力学特性，使机器人的步态更加稳定、协调、自然，从而提高机器人对环境的适应能力。

变刚度驱动器的变刚度模块是经过特殊设计的，可以根据环境和任务需要，实时调节关节的刚度。根据柔性驱动器的结构不同，变刚度柔性驱动器可分为单电机被动式、双电机串联式、双电机并联式；根据柔性驱动器刚度调节方式的不同，变刚度驱动器可分为对抗式、变结构式、机械调节式等。

中国专利文献CN106181995A公开了一种力/位可控式柔性驱动器，该驱动器包括驱动装置、柔性检测装置和驱动输出装置，可以在实现冗余驱动并联机构无内力运动的基础上，实现其位置控制和力控制，但该机构结构不够紧凑，尺寸偏大。

中国专利文献CN104772759A公开了一种仿生肌肉的柔性驱动器，包括主体和电路板，主体包括定环、齿轮、钢丝绳、绕线绳、蜗杆、电位器、涡轮、电机固定架、电机、电磁离合器、外壳，电路板包括电源模块、驱动模块、力检测模块、位置检测模块、微处理器模块。该驱动器功能完整、集成度高、控制简单，但是机构的结构偏复杂，尺寸偏大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，以解决现有技术中存在的机器人能量利用率低、系统动态特性和人机交互安全性不高等问题，使其不仅尺寸小、结构简单，且能够通过刚度调节机构中的板簧提高能量利用效率和机器人关节的动态特性，使安装此驱动器的机器人步态更加协调、稳定和自然；并可通过调节刚度避免机器人与环境的刚性碰撞，进而提高人机交互的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，包括机架、动力传动及输出机构和刚度调节机构，其特征在于：所述动力传动及输出机构包括主电机、动力传动机构和输出机构；动力传动机构包括上圆盘、下圆盘和圆盘连接件；输出机构包括上输出板、下输出板和输出板连接件；所述主电机安装在机架上；主电机的输出轴与动力传动机构的下圆盘同轴固接；所述上圆盘和下圆盘同轴布置，并通过圆盘连接件固接；上圆盘轴和下圆盘轴通过轴承分别与机架连接；所述上输出板和下输出板通过输出板连接件固接；上输出板通过轴承与上圆盘轴连接，下输出板通过轴承与下圆盘轴连接；所述刚度调节机构包括刚度调节电机、蜗杆、涡轮、第一齿轮、第二齿轮、第一连杆、第二连杆、滑块和板簧；所述刚度调节电机安装在上圆盘或者下圆盘上；所述蜗杆与刚度调节电机固接；蜗杆与涡轮啮合；涡轮安装在第一齿轮轴上；第一齿轮与第二齿轮啮合，且两齿轮为相同齿轮；第一齿轮轴和第二齿轮轴的一端分别通过轴承安装在上圆盘上；第一齿轮轴和第二齿轮轴的另一端分别通过轴承安装在下圆盘上；所述板簧安装在输出板连接件上；所述滑块安装在板簧上，并与板簧构成移动副；所述第一连杆和第二连杆的一端分别通过转动副连接第一齿轮和第二齿轮的边缘，第一连杆和第二连杆的另一端分别通过转动副连接滑块；所述第一齿轮、第二齿轮、第一连杆、第二连杆、滑块、板簧和输出机构构成六杆机构，且六杆机构关于第一齿轮与第二齿轮圆心连线的中垂面镜像对称。

上述技术方案中，所述机架包括上机架板、下机架板和机架板连接件；上机架板和下机架板通过机架板连接件固接；上圆盘轴通过轴承与上机架板连接，下圆盘轴通过轴承与下机架板连接。

上述技术方案中,所述主电机通过第一联轴器与动力传动机构连接，所述刚度调节电机通过第二联轴器与蜗杆连接。

本发明具有以下优点及突出性技术效果：①该驱动器输出的平衡位置由主电机唯一确定，输出的刚度值由刚度调节电机唯一确定，主电机与刚度调节电机串联布置，使得驱动器的控制变得简单。②该驱动器的刚度调节电机通过蜗轮蜗杆机构连接六杆机构，控制六杆机构中的滑块在板簧上的位置，达到变刚度目的，蜗轮蜗杆机构具有自锁功能，刚度调节后无需再给持续的动力输入，节约了能量。③该驱动器具有良好的抗冲击能力和柔性动力学特性，结构紧凑、尺寸小，易于控制，能够满足机器人对变刚度柔性驱动器在结构和功能上的需求，可广泛应用于康复、服务等各类机器人的研究应用中。

附图说明

图1为基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器实施例的整体结构示意图。

图2为机架、动力传动机构和输出机构的连接结构示意图。

图3为基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器主视图。

图4为基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器主视图的剖面图。

图5为图3的B-B剖面结构示意图。

图中标号：1-机架；1a-上机架板；1b-下机架板；1c-机架板连接件；2-主电机；3-主电机支座；4-第一联轴器；5-动力传动机构；5a-上圆盘；5b-下圆盘；5c-圆盘连接件；6-输出机构；6a-上输出板；6b-下输出板；6c-输出板连接件；7-刚度调节电机；8-调节电机支座；9-第二联轴器；10-蜗杆；11-涡轮；12-第一齿轮；13-第二齿轮；14-第一齿轮轴；15-第二齿轮轴；16-第一连杆；17-第二连杆；18-滑块；19-板簧；20-板簧夹具。

具体实施方式

本发明提供了一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器整体结构示意图，该柔性驱动器包括机架1、动力传动及输出机构和刚度调节机构。

机架1如图1和图2所示，该机架包括上机架板1a、下机架板1b和机架板连接件1c；上机架板1a和下机架板1b固接在机架板连接件1c的上下两端。

动力传动及输出机构如图1和图4所示，包括主电机2、主电机支座3、第一联轴器4、动力传动机构5和输出机构6；动力传动机构5如图2所示，包括上圆盘5a、下圆盘5b和圆盘连接件5c；输出机构6如图2所示，包括上输出板6a、下输出板6b和输出板连接件6c。主电机2安装在主电机支座3上，主电机支座3安装在机架1的下机架板1b上；主电机2的输出轴通过第一联轴器4与动力传动机构5的下圆盘5b固接；动力传动机构5的上圆盘5a和下圆盘5b同轴布置，并且固接在圆盘连接件5c上；上圆盘轴通过轴承连接上机架板1a，下圆盘轴通过轴承连接下机架板1b；上输出板6a和下输出板6b用输出板连接件6c固接；上输出板6a通过轴承连接上圆盘轴，下输出板5b通过轴承连接下圆盘轴。

刚度调节机构如图1和图5所示，包括刚度调节电机7、调节电机支座8、第二联轴器9、蜗杆10、涡轮11、第一齿轮12、第二齿轮13、第一齿轮轴14、第二齿轮轴15、第一连杆16、第二连杆17、滑块18、板簧19和板簧夹具20；刚度调节电机7安装在调节电机支座8上，调节电机支座8安装在动力传动机构5的上圆盘5a上；刚度调节电机7的输出轴通过第二联轴器9与蜗杆10同轴连接；涡轮11安装在第一齿轮轴上，蜗杆10与涡轮11相互啮合；第一齿轮12安装在第一齿轮轴14上，第二齿轮13安装在第二齿轮轴15上，第一齿轮12与第二齿轮13为相同齿轮，且两齿轮标准安装啮合；第一齿轮轴14和第二齿轮轴15的一端分别通过轴承安装在上圆盘5a上；第一齿轮轴14和第二齿轮轴15的另一端分别通过轴承安装在下圆盘5b上；第一连杆16的一端与第一齿轮12的边缘通过转动副连接，第二连杆17的一端与第二齿轮13的边缘通过转动副连接，两个齿轮上的转动副中心到齿轮圆心的距离相等；第一连杆16和第二连杆17的另一端均通过转动副连接滑块18；滑块18安装在板簧19上，与板簧19组成移动副；板簧夹具20夹住板簧19的一端，固定在输出机构6的输出板连接件6c上。第一齿轮12、第二齿轮13、第一连杆16、第二连杆17、滑块18和安装在输出板连接件6c上的板簧19构成六杆机构，并且六杆机构关于第一齿轮12与第二齿轮13圆心连线的中垂面镜像对称。

该种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器中的板簧19的数量只要满足大于等于1的整数即可，板簧19的安装布置关于第一齿轮12与第二齿轮13圆心连线的中垂面镜像对称。

本发明在运行时，主电机2的输出轴转动直接带动动力传动机构5的下圆盘5b转动，从而刚性驱动动力传动机构5转动，动力传动机构5通过六杆机构将动力传递给输出机构6使输出机构6转动，进而改变平衡位置；刚度调节机构中刚度调节电机6的输出轴转动时，通过涡轮11和蜗杆10将动力传递给第一齿轮12来驱使六杆机构运动，从而改变滑块18在板簧19上的位置，即改变板簧的有效长度，进而改变机构的输出刚度，达到变刚度的目的。主电机2与刚度调节电机7为串联布置方式，在控制上相互独立，互不影响，故使得该驱动器的控制变得简单。本发明可在运行时实时改变刚度，调节过程平滑流畅。

尽管本文所述的具体实施例对本发明做了举例性说明，但本发明并不局限于上述的具体实施例，不应受到上述实施例的限制，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)

1.一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，包括机架(1)、动力传动及输出机构和刚度调节机构，其特征在于：

所述动力传动及输出机构包括主电机(2)、动力传动机构(5)和输出机构(6)；动力传动机构(5)包括上圆盘(5a)、下圆盘(5b)和圆盘连接件(5c)；输出机构(6)包括上输出板(6a)、下输出板(6b)和输出板连接件(6c)；所述主电机(2)安装在机架(1)上；主电机(2)的输出轴与动力传动机构(5)的下圆盘(5b)同轴固接；所述上圆盘(5a)和下圆盘(5b)同轴布置，并通过圆盘连接件(5c)固接；上圆盘轴和下圆盘轴通过轴承分别与机架(1)连接；所述上输出板(6a)和下输出板(6b)通过输出板连接件(6c)固接；上输出板(6a)通过轴承与上圆盘轴连接，下输出板(5b)通过轴承与下圆盘轴连接；

所述刚度调节机构包括刚度调节电机(7)、蜗杆(10)、涡轮(11)、第一齿轮(12)、第二齿轮(13)、第一连杆(16)、第二连杆(17)、滑块(18)和板簧(19)；所述刚度调节电机(7)安装在上圆盘(5a)或者下圆盘(5b)上；所述蜗杆(10)与刚度调节电机(7)固接；蜗杆(10)与涡轮(11)啮合；涡轮(11)安装在第一齿轮轴(14)上；第一齿轮(12)与第二齿轮(13)啮合，且两齿轮为相同齿轮；第一齿轮轴(14)和第二齿轮轴(15)的一端分别通过轴承安装在上圆盘(5a)上；第一齿轮轴(14)和第二齿轮轴(15)的另一端分别通过轴承安装在下圆盘(5b)上；所述板簧(19)安装在输出板连接件(6c)上；所述滑块(18)安装在板簧(19)上，并与板簧(19)构成移动副；所述第一连杆(16)和第二连杆(17)的一端分别通过转动副连接第一齿轮(12)和第二齿轮(13)的边缘，第一连杆(16)和第二连杆(17)的另一端分别通过转动副连接滑块(18)；所述第一齿轮(12)、第二齿轮(13)、第一连杆(16)、第二连杆(17)、滑块(18)、板簧(19)和输出机构(6)构成六杆机构，且六杆机构关于第一齿轮(12)与第二齿轮(13)圆心连线的中垂面镜像对称。

2.按照权利要求1所述的一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述机架(1)包括上机架板(1a)、下机架板(1b)和机架板连接件(1c)；上机架板(1a)和下机架板(1b)通过机架板连接件(1c)固接；上圆盘轴通过轴承与上机架板(1a)连接，下圆盘轴通过轴承与下机架板(1b)连接。

3.根据权利要求1或2所述一种基于六杆机构的板簧式变刚度柔性驱动器，其特征在于，所述主电机(2)通过第一联轴器(4)与动力传动机构(5)连接，刚度调节电机(7)通过第二联轴器(9)与蜗杆(10)连接。