CN109807938B - 无导轨式变刚度驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无导轨式变刚度驱动器，该无导轨式变刚度驱动器包括：驱动壳体；板簧基座，所述板簧基座位于所述驱动壳体的对称中心处并与所述驱动壳体固定连接；板簧，所述板簧的刚性端安装于所述板簧基座；移动夹持组件，所述移动夹持组件可移动地约束所述板簧的悬空端与刚性端之间的可形变长度；传动组件，所述传动组件与所述移动夹持组件传动连接，并且所述传动组件带动所述移动夹持组件平动以及绕所述板簧基座的对称轴线转动。本发明的无导轨式变刚度驱动器将板簧基座设置于驱动壳体对称位置处，传动组件带动移动夹持组件平动以改变板簧的可变形长度，使得驱动器与外部碰撞时板簧吸收能量使得碰撞为柔性碰撞，安全性好。

Description

无导轨式变刚度驱动器

技术领域

本发明涉及柔性驱动技术领域，特别涉及一种无导轨式变刚度驱动器。

背景技术

随着机器人行业的不断发展，机器人的应用不再局限于固定的工业场所，而是开始逐渐走进人们的日常生活，在更为复杂的环境中与人协同工作，这就意味着机器人的工作环境不再是简单确定的，需要面对众多难以预测的干扰和阻碍。传统工业机器人为了保证运行的精度和速度，将机器人本体设计制造得尽可能刚硬，并选用高刚性驱动器，以避免机器人受载变形及振动，但这将导致机器人与人协同工作时的危险性，例如，当机器人与人发生碰撞时，由于机器人是高刚性，碰撞时机器人不能实现柔性缓冲，对人产生极大危险。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种无导轨式变刚度驱动器，该无导轨式变刚度驱动器包括：

驱动壳体；

板簧基座，所述板簧基座位于所述驱动壳体的对称中心处并与所述驱动壳体固定连接；

板簧，所述板簧的刚性端安装于所述板簧基座；

移动夹持组件，所述移动夹持组件可移动地约束所述板簧的悬空端与刚性端之间的可形变长度；

传动组件，所述传动组件与所述移动夹持组件传动连接，并且所述传动组件带动所述移动夹持组件平动以及绕所述板簧基座的对称轴线转动。

可选地，两个所述板簧相背固定于所述板簧基座的两面。

可选地，所述传动组件包括：

主动齿轮；

传动框架，所述传动框架与所述移动夹持组件相连并且所述传动框架可相对所述移动夹持组件转动；

齿条，两个所述齿条平行设置并固定于所述传动框架，所述齿条与所述主动齿轮啮合。

可选地，所述板簧基座设置有与所述齿条滚动接触的滚动限位件，并且所述传动框架具有与所述齿条的背向啮合面的表面相贴合的限位部。

可选地，所述移动夹持组件包括相对设置并夹持所述板簧悬空端的夹持柱，两个所述夹持柱之间的距离可调。

可选地，所述移动夹持组件还包括滚柱支板，所述夹持柱的两端安装于所述滚柱支板的安装孔；

所述安装孔的侧壁面螺纹安装有调节螺钉。

可选地，所述滚柱支板安装有滑柱轴承，并且所述滑柱轴承装设于所述传动框架。

可选地，还包括动力设备；

所述主动齿轮与所述动力设备的输出轴传动连接。

可选地，所述板簧基座开设有轴孔，所述动力设备的所述输出轴通过轴承安装于所述轴孔。

可选地，所述驱动壳体具有对外驱动部。

由以上技术方案可知，本发明的无导轨式变刚度驱动器将板簧基座设置于驱动壳体对称位置处，传动组件带动移动夹持组件平动以改变板簧的可变形长度，进而改变该驱动器的刚度，使得驱动器与外部碰撞时板簧吸收能量使得碰撞为柔性碰撞，安全性好，而传动组件带动移动夹持组件转动并通过板簧带动板簧基座转动，进而改变驱动壳体的转角。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1为本发明实施例的无导轨式变刚度驱动器示意图。

图2为本发明实施例的无导轨式变刚度驱动器的部分结构示意图。

图3为本发明实施例的无导轨式变刚度驱动器内部结构示意图。

图4为本发明实施例的无导轨式变刚度驱动器侧视图。

图5为图4中A向剖视图。

图6为本发明实施例的移动夹持组件示意图。

图7为本发明实施例的板簧基座示意图。

其中：11驱动壳体

111对外驱动部、111a驱动孔、112驱动筒体、113端盖

12板簧基座

121轴孔、122连接部、122a螺钉孔、122b定位凸起、123固定孔

13板簧

15移动夹持组件

151夹持柱、152滚柱支板、152a安装孔、153调节螺钉、154滑柱轴承

16主动齿轮

17齿条

18传动框架

181限位部、182夹持安装板、183连接横板

19滚动限位件

191滚珠、192安装轴

2动力设备

21主动轴

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。

为了解决现有技术中对驱动器刚性大，碰撞时不能实现柔性缓冲的技术问题，如图1-图5所示，本发明的实施例提供了一种无导轨式变刚度驱动器，该无导轨式变刚度驱动器包括驱动壳体11以及位于驱动壳体11内部的板簧基座12、板簧13、移动夹持组件15和传动组件。

驱动壳体11，该驱动壳体11具有对外驱动部111，可选地，驱动壳体11可以包括驱动筒体112和端盖113，端盖113位于驱动筒体112的两端，驱动筒体112和端盖113内部形成容纳空腔。对外驱动部111可以是位于端盖113的边缘，并且对外驱动部111与外部设备相连，具体可以是对外驱动部111设置驱动孔111a，通过驱动孔111a与外部设备相连。

板簧基座12位于驱动壳体11的对称中心处并与驱动壳体11固定连接，板簧13的刚性端固定安装于板簧基座12，具体可以是螺钉固定连接；移动夹持组件15可移动地约束板簧13的悬空端与刚性端之间的可形变长度；传动组件与移动夹持组件15传动连接，并且传动组件带动移动夹持组件15平动以及绕板簧基座12的对称轴线转动。

在使用时，传动组件带动移动夹持组件15平动以及转动，当移动夹持组件15绕板簧基座12的对称轴线转动时，板簧13带动板簧基座12随移动夹持组件15转动，此时板簧基座12带动驱动壳体11转动，即改变驱动壳体11的转角；当移动夹持组件15平动时，板簧13的悬空端和刚性端之间的长度改变，该悬空端和刚性端之间的长度即为板簧13的可变形长度，板簧13的可变形长度与板簧可吸收外界撞击能量成正比，移动夹持组件15平动即改变板簧13的可变形长度，即改变驱动壳体11在受到外界冲击或碰撞时吸收能量的能力，改变驱动壳体11的刚性，使得刚性冲击改变为柔性冲击。

该板簧基座12位于驱动壳体11的对称中心处，则在使用时，当移动夹持组件15移动至板簧13的刚性端时，此时板簧13的可变形长度为零，驱动壳体11的为高刚度壳体，此时移动夹持组件15距离驱动壳体11的中心近，进而传动组件的传动距离短，有助于实现更高的控制精度。

本发明的无导轨式变刚度驱动器将板簧基座设置于驱动壳体对称位置处，传动组件带动移动夹持组件平动以改变板簧的可变形长度，进而改变该驱动器的刚度，使得驱动器与外部碰撞时板簧吸收能量使得碰撞为柔性碰撞，安全性好，而传动组件带动移动夹持组件转动并通过板簧带动板簧基座转动，进而改变驱动壳体的转角。

具体地，板簧基座12可以是两端固定于驱动壳体11的内壁面，可选地，板簧基座12的两端设置有连接部122，该连接部122可以通过螺钉固定于驱动壳体11，连接部122开设有供螺钉穿过的螺钉孔122a，并且该连接部122设置有定位凸起122b，驱动壳体11内壁面设置有定位槽，定位凸起122b和定位槽相匹配，实现板簧基座12的定位，定位后通过螺钉固定。

在一个示例中，两个板簧13相背固定于板簧基座12的两面，两个板簧13对称设置，当驱动壳体11受到外部冲击或者碰撞时，两个板簧13对称吸收冲击能量，并且两个板簧13受到的力方向相反，即板簧基座12受到两个板簧13的力方向相反会相互抵消，防止驱动壳体11震动。当然，并不排斥只设置一个板簧的技术方案，单个板簧13也可以实现吸收冲击能量，只是单个板簧13不能实现板簧基座12受力的抵消。

在一个示例中，传动组件包括主动齿轮16、传动框架18和齿条17。主动齿轮16与动力设备2相连，具体可以是电机，主动齿轮16与动力设备2的主动轴21传动连接，齿条17与主动齿轮16啮合，并且齿条17的端部固定于传动框架18，该处主动齿轮16、齿条17均成对设置，该传动框架18可以是矩形框架，两个齿条17分别位于传动框架18的对角线位置，传动框架18与移动夹持组件15相连并且传动框架18可相对移动夹持组件15转动，传动框架18可带动移动夹持组件15平动或者转动，也可相对移动夹持组件15转动。

每个板簧13对应相应的移动夹持组件15，移动夹持组件15的相对两侧各固定一个齿条17，齿条17与主动齿轮16啮合，主动齿轮16与齿条17啮合传动，齿条17带动传动框架18实现传动框架18的平动和转动，可选地，两个齿条17分别位于主动齿轮16的不同侧，以实现主动齿轮16同向转动时两个齿条17的不同方向移动。

在可选示例中，板簧基座12设置有与齿条17滚动接触的滚动限位件19，并且传动框架18具有与齿条17的背向啮合面的表面相贴合的限位部181，滚动限位件19、限位部181和主动齿轮16共同配合限制齿条17的运动轨迹，防止齿条17在啮合传动过程中位置偏斜，例如，若不设置滚动限位件19和限位部181，则齿条17将不能与主动齿轮16完全啮合，啮合时存在间隙，使得传动接触不良，传动效率低。

可选地，传动框架18包括相对设置的夹持安装板182和固定于夹持安装板182之间的连接横板183，限位部181位于连接横板183的末端，并且限位部181突出于夹持安装板182之外，并且限位部181贴合于齿条17的外表面以对齿条17限位，夹持安装板182与齿条17的端部固定连接。

该滚动限位件19可以是钢珠滚轮，滚动限位件19包括滚珠191和安装轴192，板簧基座12开设有固定孔123，安装轴192安装于该固定孔123内，在使用时，滚珠191与齿条17表面滚动接触，摩擦力小，尽可能小的减小摩擦损耗，提高传动效率。

现有技术中将齿条设置在齿条支架，齿条支架设置有导轨，齿条安装在导轨，主动齿轮与齿条啮合，主动齿轮带动齿条沿导轨往复滑动，齿条带动移动夹持组件改变板簧的有效可变性长度，但是齿条支架占用驱动壳体的内部空间，使得驱动壳体体积增大，整个驱动器占用空间大，不利于安装使用。而本发明中省去了齿条支架，在没有齿条导轨的情况下，通过滚动限位件19和限位部181配合主动齿轮16实现对齿条17的移动轨迹的限制，滚动限位件19设置在板簧基座12，其位于齿条17与板簧基座12之间，并不占用多余空间，而限位部181为传动框架18的侧向凸起，该限位部181与齿条17平齐，并不突出于齿条17的表面之外，也不占用多余的空间，这样整个驱动壳体11内的结构紧凑，可相应减小驱动壳体11的体积，有利于将驱动器应用于空间狭小的场合。

在可选示例中，如图6所示，移动夹持组件15包括相对设置并夹持板簧13悬空端的夹持柱151，两个夹持柱151之间的距离可调，该夹持柱151夹持板簧13的悬空端，板簧13的夹持位置与刚性端之间的长度即为有效可变性长度，夹持柱151之间的距离即为夹持的板簧13的厚度，调节夹持柱之间的距离即可适应不同厚度的板簧13，并且可以调节板簧13所受到的预紧力，使得板簧13保持弹性并可随移动夹持组件15转动。

进一步地，移动夹持组件15还包括滚柱支板152，滚柱支板152设置有两个安装孔152a，该夹持柱151的两端安装于滚柱支板152的安装孔152a，并且两个安装孔152a具有夹持柱151活动空间，即安装孔152a可以是椭圆孔，存在夹持柱151移动余量，夹持柱151位置调节即可实现两个夹持柱151之间的距离调节，安装孔152a的侧壁面螺纹安装有调节螺钉153，调节螺钉153穿过安装孔152a的侧壁与夹持柱151的外表面接触，将夹持柱151的位置固定，调节螺钉153安装于安装孔152a侧壁的螺纹孔，通过螺纹实现位置固定。

可选地，滚柱支板152的外壁面安装有滑柱轴承154，传动框架18开设有轴承孔，该滑柱轴承154装设于传动框架18，通过该滑柱轴承154，滑柱支板152可相对传动框架转动，即二者可相对转动当齿条17带动传动框架18平动时，传动框架18带动滑柱轴承154和夹持柱151平动，传动框架18和夹持柱151之间没有相对转动，夹持柱151改变板簧13的有效可变性长度，当传动框架18相对板簧基座12转动时，由于齿条17的带动，传动框架18与夹持柱151之间存在转角，并且传动框架18同时带动夹持柱151绕板簧基座12转动。

在一个示例中，如图7所示，板簧基座12开设有轴孔121，动力设备2的主动轴21通过轴承安装于轴孔121，可以理解的是，动力设备2的主动轴21安装于板簧基座12可省去主动齿轮16与主动轴21之间的主动轴，本发明中并未设置主动轴，同样可以实现动力设备2与主动齿轮16之间的传动连接，能够减小该驱动器的整体长度，减小占用空间，而且主动轴21安装于板簧基座12，不必设置其它支撑部件对该主动轴21进行支撑，结构紧凑，而且由于板簧基座12位于驱动壳体11的对称中心处，并且轴孔121开设于板簧基座12的对称中心线处，因而主动轴21位于整个驱动壳体11的中心位置，在该位置时主动齿轮16同样位于驱动壳体11的中心处，在主动齿轮16与齿条17啮合时，齿条17的传动行程短，传动精度高。

使用时，当两个动力设备2的主动轴21同速同向转动时，两个主动齿轮16同速同向转动，由于齿条17位于主动齿轮16的不同侧，因而齿条17的移动方向相反，即其中一个齿条17带动传动框架18向下，而另一个齿条17带动传动框架18向上，但由于传动框架18是一个整体传动框架18相对移动夹持组件15产生偏转角，而齿条17和移动夹持组件15的相对位置不变，若主动齿轮16继续转动，则齿条17带动移动夹持组件15同时转动，移动夹持组件15夹持板簧13同步转动，而板簧13固定于板簧基座12，因而板簧基座12带动驱动壳体11同时转动，改变驱动器的转角，此时驱动器的刚度不变。

当两个动力设备2的主动轴21同速反向转动时，两个主动齿轮16同速反向转动，由于齿条17位于主动齿轮16的不同侧，因而齿条17的移动方向相同，即两个齿条17带动传动框架18同向移动，传动框架18带动移动夹持组件15沿板簧13的表面同向移动，改变移动夹持组件15在板簧13的夹持位置，进而改变板簧13的有效可变形长度，即可改变驱动器的刚度，当移动夹持组件15夹持于板簧13的刚性端时，板簧13的有效可变性长度为零，驱动器与外界碰撞为刚性碰撞，当当移动夹持组件15夹持于板簧13的悬空端时，板簧13的有效可变形长度最大，驱动器与外界碰撞时，板簧13变形吸收碰撞能量，使得碰撞为柔性碰撞。

在具体应用场景中，该无导轨式变刚度驱动器可应用于机器人，具体可以应用于机器人的关节，可以理解的是，机器人的关节刚度太小即变形太大则在承载时易变形即振动，若刚度太大则在产生碰撞时容易对人产生危险，而本无导轨式变刚度驱动器则可将刚度设置在适宜的阈值范围内，在使用时随着动力设备2的主动轴21带动主动齿轮16转动，主动齿轮16与齿条17啮合，齿条17带动移动夹持组件15平动以改变板簧13的有效可变形长度，或者齿条17带动移动夹持组件15、板簧13、板簧基座12和驱动壳体11转动，当齿条17带动移动夹持组件15平动时，齿条17的啮合长度为预设长度值，并且该预设长度值与板簧13的长度相适配，当齿条17运动至端部于主动齿轮16啮合时，齿条17将不能继续移动，此时移动夹持组件15夹持于板簧13的悬空端或者刚性端，主动齿轮16不再继续转动，该主动齿轮16的转动可通过控制动力设备2实现。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，包括：

驱动壳体(11)；

板簧基座(12)，所述板簧基座(12)位于所述驱动壳体(11)的对称中心处并与所述驱动壳体(11)固定连接；

板簧(13)，所述板簧(13)的刚性端安装于所述板簧基座(12)；

移动夹持组件(15)，所述移动夹持组件(15)可移动地约束所述板簧(13)的悬空端与刚性端之间的可形变长度；

传动组件，所述传动组件与所述移动夹持组件(15)传动连接，并且所述传动组件带动所述移动夹持组件(15)平动以及绕所述板簧基座(12)的对称轴线转动；

所述传动组件包括：

主动齿轮(16)；

传动框架(18)，所述传动框架(18)与所述移动夹持组件(15)相连并且所述传动框架(18)可相对所述移动夹持组件(15)转动；

齿条(17)，两个所述齿条(17)平行设置并固定于所述传动框架(18)，所述齿条(17)与所述主动齿轮(16)啮合。

2.根据权利要求1所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，两个所述板簧(13)相背固定于所述板簧基座(12)的两面。

3.根据权利要求1所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述板簧基座(12)设置有与所述齿条(17)滚动接触的滚动限位件(19)，并且所述传动框架(18)具有与所述齿条(17)的背向啮合面的表面相贴合的限位部(181)。

4.根据权利要求2所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述移动夹持组件(15)包括相对设置并夹持所述板簧(13)悬空端的夹持柱(151)，两个所述夹持柱(151)之间的距离可调。

5.根据权利要求4所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述移动夹持组件(15)还包括滚柱支板(152)，所述夹持柱(151)的两端安装于所述滚柱支板(152)的安装孔(152a)；

所述安装孔(152a)的侧壁面螺纹安装有调节螺钉(153)。

6.根据权利要求5所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述滚柱支板(152)安装有滑柱轴承(154)，并且所述滑柱轴承(154)装设于所述传动框架(18)。

7.根据权利要求1所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，还包括动力设备(2)；

所述主动齿轮(16)与所述动力设备(2)的输出轴(21)传动连接。

8.根据权利要求7所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述板簧基座(12)开设有轴孔(121)，所述动力设备(2)的所述输出轴(21)通过轴承安装于所述轴孔(121)。

9.根据权利要求1-8任一所述的无导轨式变刚度驱动器，其特征在于，所述驱动壳体(11)具有对外驱动部(111)。

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