CN110315520B - 一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，公开了一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴、驱动电机、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴的前端盖、外壳主体和用于固定驱动电机的后端盖依次连接固定构成；外壳主体内腔设有行星差速器，行星差速器由行星齿轮组和可转动的齿圈构成，齿圈外表面两侧分别设有棘轮和第一挡板；棘轮与铰接于外壳主体之上的棘爪配合安装，棘爪通过安装于外壳主体之上的扭簧支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除锁定；第一挡板与板簧一端固定连接，板簧另一端固定于外壳主体上第二挡板之上。本发明解决了现有关节驱动器在大负载周期运动的要求下，存在不具备缓冲能力，抗冲击能力差，运行功耗大的问题。

Description

一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是指一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器
背景技术
关节驱动器是弹跳机器人和腿型机器人中的重要部件，目前关节驱动器的小型化、高功率密度和抗冲击性是该领域的研究重点和难点。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，但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随之增加。其次，驱动弹跳机构和腿型机器人运动所需的扭矩较大，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，腿型机器人在弹跳和奔跑过程中往往伴随着较大的触地冲击，这种速度突变容易对机器人的多处机构造成损耗，从而导致使用寿命减少。
在专利CN106514646B中，公开了一种串联弹性驱动器及机器人关节，包括电机驱动组、传动组、驱动器输出组、第一传感器、第二传感器所述传动组包括形成绳传动关系的主动回转机构、从动回转机构及柔索。该机构结构紧凑、传动可靠，但其中弹性驱动器属于被动式释放能量，能量不具备可控性。
在专利CN106625751B中，公开了一种自锁型关节并联弹性驱动器。装置采用电机垂直轴布置，第一级减速机构采用直齿轮减速，第二级减速机构采蜗轮蜗杆机构，满足机械自锁，并采用扭簧储能。其中自锁机构只是单纯的机械自锁，简单用于关节角度和扭簧的锁定。当有外力冲击时，关节处并不能得到有效的缓冲减震。且其使用扭簧储能，能量释放亦不具有可控性。
在专利CN106584449B中，设计了一种串并联弹性驱动的直线运动单元，它包括电动直线执行器、气弹簧、气弹簧伸出轴连接件、执行器伸出轴连接件、轴、滑动套、上端细弹簧、下端细弹簧、下端粗弹簧和下端弹簧固定件。以解决现有基于并联结构的伸缩机构在大负载的要求下动作十分缓慢，且抗冲击效果差，出力不稳定的问题。该结构中的并联弹性机构虽具有抗冲击性，但仅作为减震使用，未能将冲击能量有效的回收利用。
由以上现有弹性驱动器可知，如何减少机器人中的刚性冲击，提高系统整体稳定性，渐渐成为机器人领域中待解决的重要问题之一。而且，弹跳机器人与腿型机器人在工作过程中可近似看作为周期循环运动，如何在周期内减小驱动器功耗，有效储存能量，使之在克服重力阶段再释放，也一直是关节驱动器研发的重点。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，解决了现有关节驱动器在大负载周期运动的要求下，存在不具备缓冲能力，抗冲击能力差，运行功耗大的问题。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴、驱动电机、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴的前端盖、外壳主体和用于固定驱动电机的后端盖依次连接固定构成，前端盖与输出轴之间设有轴承；外壳主体内腔设有行星差速器，驱动电机的输出轴穿过后端盖与行星差速器相连，并将驱动电机动力输入至行星差速器；输出轴尾端穿过前端盖与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；
行星差速器由行星齿轮组和可转动的齿圈构成，齿圈外表面两侧分别设有棘轮和第一挡板；棘轮与铰接于外壳主体之上的棘爪配合安装，棘爪通过安装于外壳主体之上的扭簧支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；第一挡板与板簧一端固定连接，板簧另一端固定于外壳主体所设第二挡板之上；外壳主体分别开设有供棘爪伸入和板簧压缩伸出的矩形孔。
在本发明中，当驱动电机逆时针(从输出轴端面看)启动时，输出轴也同时逆时针转动。此时，当外部无负载或负载较小时，在板簧扭矩的平衡作用下，齿圈具有顺时针(同输出轴相反方向)运动趋势或仅发生轻微角度的旋转，从而保证行星差速器的运转。在输出轴遇到大的外负载或有冲击扭矩时，齿圈可沿顺时针方向旋转。此时板簧被压缩，利用板簧压缩储能起到消减冲击力的作用，以此能够有效减小机器人关节机构在发生碰撞或遇突增扭矩时产生的刚性冲击，提高了机构的减震缓冲能力。在冲击过程中，板簧因齿圈顺时针转动而被压缩。由于系统存在欠约束，此时棘轮、棘爪、板簧、齿圈与外壳主体组合构成的储能机构能够和行星差速器配合进行冗余变减速比驱动。板簧压缩到一定限度后，齿圈停止转动同时在外表面棘轮和棘爪的作用下被锁定，防止其储能后立即反方向转动而把能量释放掉。
随后，可在驱动电机再次逆时针转动中，控制释放机构解除棘爪锁定状态，板簧释放其压缩储存的能量瞬时释放使齿圈逆时针旋转与驱动电机一同提供驱动力，形成并联弹性驱动器，增大了驱动器的瞬时最大功率，且提高了能量利用率，从而减少了驱动器的整体功耗。而在电机以顺时针方向启动时，齿圈上的第一挡板与外壳中的第二挡板接触，阻止齿圈转动，利用外壳主体上第二挡板及齿圈上第一挡板相互配合，完成驱动器顺时针和逆时针不同方向运动时机构自由度的改变。此时齿圈可近似看作与外壳固定，行星差速器仅作为减速箱使用，整体驱动装置可简单看作驱动电机与行星减速箱相连。
作为一种优选的方式，释放机构包括锁死释放电机，锁死释放电机固定于外壳主体之上，锁死释放电机的电机转轴与牵引绳一端固定连接，牵引绳另一端与棘爪尾端固定连接。
作为一种优选的方式，行星齿轮组包括第一级太阳轮、第一级行星轮、第一级行星架和第二级太阳轮、第二级行星轮、第二级行星架；驱动电机的输出轴与第一级太阳轮连接，第一级太阳轮与第一级行星架侧面环绕分布的多个第一级行星轮啮合；第二级太阳轮固定安装于第一级行星架另一侧面中心，第二级太阳轮与第二级行星架侧面环绕分布的多个第二级行星轮啮合，第二级行星架另一侧面中心与输出轴尾端固定连接；第一级行星轮和第二级行星轮均可自由转动且其外侧均与齿圈内齿轮啮合。
作为一种优选的方式，齿圈两端套有薄壁轴承，薄壁轴承嵌套于外壳主体内腔。
作为一种优选的方式，棘爪下部贯穿设有棘爪轴，棘爪轴卡于外壳主体之上所设棘爪轴孔之内使棘爪与外壳主体铰接相连。
作为一种优选的方式，扭簧的螺旋形本体贯穿设置有扭簧轴，通过扭簧轴卡于扭簧轴孔内将扭簧安装于外壳本体之上；扭簧的一个扭臂抵住外壳本体，另一扭臂抵住棘爪为其提供支撑力。
作为一种优选的方式，驱动电机为直流无刷电机或直流无刷电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在腿型机器人周期运动中，将冲击能量吸收储存，并在再次起跳或蹬地瞬间释放，增加了驱动器的瞬时最大功率；在机器人运动过程中，减小了腿部关节在触地瞬间收到的冲击，具有一定的减震性，增加了机器人系统整体的稳定性；在机器人周期运动中，合理地对碰撞冲击进行利用，有效储存冲击时的动能，提高了能量利用率，减少驱动器整体功耗。
(2)本发明通过释放机构包括锁死释放电机，锁死释放电机固定于外壳主体之上，锁死释放电机的输出轴与牵引绳一端固定连接，牵引绳另一端与棘爪尾端固定连接。利用锁死释放电机控制牵引绳牵拉解除棘爪锁定状态，结构简单可控性强。
(3)本发明通过行星齿轮组与齿圈构成二级行星差速器结构，从而利用两级行星齿轮减速，进而获得较大的减速比，为输出端提供较大的扭矩。
(4)本发明通过行星齿轮组与可转动的齿圈构成欠约束系统，从而配合由棘轮、棘爪、板簧、齿圈、外壳主体组合构成的储能机构实现冗余变减速比驱动。
(5)本发明通过外壳主体中的第二挡板与可动齿圈上的第一档板配合，利用两者配合对可动齿圈进行角位移限制，完成驱动器顺时针和逆时针不同方向运动时，机构自由度的改变。
(6)本发明通过齿圈两端套有薄壁轴承，薄壁轴承嵌套于外壳主体内腔。齿圈外表面与外壳主体之间设置的薄壁轴承，能够使齿圈在旋转储能时减小其与外壳主体的摩擦，并对齿圈具有径向定位作用。
附图说明
图1为本发明轴测装配示意图。
图2为本发明轴测示意图。
图3为行星齿轮组结构示意图。
图4为棘轮机构结构示意图。
其中，1前端盖，2外壳主体，3输出轴，4轴承，5薄壁轴承，6棘轮，7第一挡板，8齿圈，9后端盖，10驱动电机，11板簧，12扭簧轴，13锁死释放电机，14扭簧，15棘爪，16棘爪轴，17行星齿轮组，1701第一级行星架，1702第一级行星轮，1703第一级太阳轮，1704第二级行星轮，1705第二级太阳轮，1706第二级行星架，18第二挡板，19扭簧轴孔，20棘爪轴孔，21牵引绳。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1：
参见图1～4，一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴3、驱动电机10、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴3的前端盖1、外壳主体2和用于固定驱动电机10的后端盖9依次连接固定构成，前端盖1与输出轴3之间设有轴承4；外壳主体2内腔设有行星差速器，驱动电机10的输出轴穿过后端盖9与行星差速器相连，并将驱动电机10动力输入至行星差速器；输出轴3尾端穿过前端盖1与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；
行星差速器由行星齿轮组17和可转动的齿圈8构成，齿圈8外表面两侧分别设有棘轮6和第一挡板7；棘轮6与铰接于外壳主体2之上的棘爪15配合安装，棘爪15通过安装于外壳主体2之上的扭簧14支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；第一挡板7与板簧11一端固定连接，板簧11另一端固定于外壳主体2所设第二挡板18之上；外壳主体2分别开设有供棘爪15伸入和板簧11压缩伸出的矩形孔。
在本实施例中，当驱动电机10逆时针(从输出轴端面看)启动时，输出轴3也同时逆时针转动。此时，当外部无负载或负载较小时，在板簧11扭矩的平衡作用下，齿圈8具有顺时针(同输出轴3相反方向)运动趋势或仅发生轻微角度的旋转，从而保证行星差速器的运转。在输出轴3遇到大的外负载或有冲击扭矩时，齿圈8可沿顺时针方向旋转。此时板簧11被压缩，利用板簧11压缩储能起到消减冲击力的作用，以此能够有效减小机器人关节机构在发生碰撞或遇突增扭矩时产生的刚性冲击，提高了机构的减震缓冲能力。在冲击过程中，板簧11因齿圈8顺时针转动而被压缩。由于系统存在欠约束，此时棘轮6、棘爪15、板簧11、齿圈8、与外壳主体2组合构成的储能机构能够和行星差速器配合进行冗余变减速比驱动。板簧压缩到一定限度后，齿圈8停止转动同时在外表面棘轮6和棘爪15的作用下被锁定，防止其储能后立即反方向转动而把能量释放掉。
随后，可在驱动电机10再次逆时针转动中，控制释放机构解除棘爪15锁定状态，板簧11释放其压缩储存的能量瞬时释放使齿圈8逆时针旋转与驱动电机10一同提供驱动力，增大了驱动器的瞬时最大功率，且提高了能量利用率，从而减少了驱动器的整体功耗。而在电机以顺时针方向启动时，齿圈8上的第一挡板7与外壳中的第二挡板18接触，阻止齿圈8转动，利用外壳主体2上第二挡板18及齿圈8上第一挡板7相互配合，完成驱动器顺时针和逆时针不同方向运动时机构自由度的改变。此时齿圈8可近似看作与外壳固定，行星差速器仅作为减速箱使用，整体驱动装置可简单看作驱动电机10与行星减速箱相连。
而且，弹跳机器人与腿型机器人在工作过程中可近似看作为周期循环运动，本发明能够在腿型机器人周期运动中，将冲击能量吸收储存，并在再次起跳或蹬地瞬间释放，增加了驱动器的瞬时最大功率；在机器人运动过程中，减小了腿部关节在触地瞬间收到的冲击，具有一定的减震性，增加了机器人系统整体的稳定性；在机器人周期运动中，合理地对碰撞冲击进行利用，有效储存冲击时的动能，提高了能量利用率，减少驱动器整体功耗。
实施例2：
参见图1～4，一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴3、驱动电机10、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴3的前端盖1、外壳主体2和用于固定驱动电机10的后端盖9依次连接固定构成，前端盖1与输出轴3之间设有轴承4；外壳主体2内腔设有行星差速器，驱动电机10的输出轴穿过后端盖9与行星差速器相连，并将驱动电机10动力输入至行星差速器；输出轴3尾端穿过前端盖1与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；
行星差速器由行星齿轮组17和可转动的齿圈8构成，齿圈8外表面两侧分别设有棘轮6和第一挡板7；棘轮6与铰接于外壳主体2之上的棘爪15配合安装，棘爪15通过安装于外壳主体2之上的扭簧14支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；第一挡板7与板簧11一端固定连接，板簧11另一端固定于外壳主体2所设第二挡板18之上；外壳主体2分别开设有供棘爪15伸入和板簧11压缩伸出的矩形孔。
进一步的，释放机构包括锁死释放电机13，锁死释放电机13固定于外壳主体2之上，锁死释放电机13的电机转轴与牵引绳21一端固定连接，牵引绳21另一端与棘爪15尾端固定连接。
锁死释放电机启动，电机转轴转动将牵引绳缠绕在电机转轴之上，从而拉动棘爪使其与棘轮之间的锁定解除，此时扭簧被压缩。当需要棘爪复位时，反转锁死释放电机，牵引绳从电机转轴上放出，棘爪在扭簧回弹弹力之下复位与棘轮重新锁定。
通过释放机构包括锁死释放电机，锁死释放电机固定于外壳主体之上，锁死释放电机的输出轴与牵引绳一端固定连接，牵引绳另一端与棘爪尾端固定连接。利用锁死释放电机控制牵引绳牵拉解除棘爪锁定状态，结构简单可控性强。
进一步的，行星齿轮组17包括第一级太阳轮1703、第一级行星轮1702、第一级行星架1701和第二级太阳轮1705、第二级行星轮1704、第二级行星架1706；驱动电机10的输出轴与第一级太阳轮1703连接，第一级太阳轮1703与第一级行星架1701侧面环绕分布的多个第一级行星轮1702啮合；第二级太阳轮1705固定安装于第一级行星架1701另一侧面中心，第二级太阳轮1705与第二级行星架1706侧面环绕分布的多个第二级行星轮1704啮合，第二级行星架1706另一侧面中心与输出轴3尾端固定连接；第一级行星轮1702和第二级行星轮1704均可自由转动且其外侧均与齿圈8内齿轮啮合。
通过行星齿轮组与齿圈构成二级行星差速器结构，从而利用两级行星齿轮减速，进而获得较大的减速比，为输出端提供较大的扭矩。
进一步的，齿圈8两端套有薄壁轴承5，薄壁轴承5嵌套于外壳主体2内腔。齿圈8外表面与外壳主体2之间设置的薄壁轴承5，能够使齿圈8在旋转储能时减小其与外壳主体2的摩擦，并对齿圈8具有径向定位作用。
进一步的，棘爪15下部贯穿设置有棘爪轴16，棘爪15下部贯穿设有棘爪轴16，棘爪轴16卡于外壳主体2之上所设棘爪轴孔20之内使棘爪15与外壳主体2铰接相连。棘爪15与外壳主体2铰接机构简单可靠，拆装方便。
进一步的，扭簧14的螺旋形本体贯穿设置有扭簧轴12，通过扭簧轴12卡于扭簧轴孔19内将扭簧14安装于外壳主体2之上；扭簧14的一个扭臂抵住外壳主体2，另一扭臂抵住棘爪15为其提供支撑力。扭簧14与外壳主体2之间安装结构简单，拆装方便。
进一步的，驱动电机10为直流无刷电机或直流有刷电机，以直流无刷电机或直流有刷电机作为主要驱动源，系统运行平稳且噪音小。
本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴(3)、驱动电机(10)、行星差速器和外壳，其特征在于：所述外壳由用于支撑输出轴(3)的前端盖(1)、外壳主体(2)和用于固定驱动电机(10)的后端盖(9)依次连接固定构成，所述前端盖(1)与输出轴(3)之间设有轴承(4)；所述外壳主体(2)内腔设有行星差速器，所述驱动电机(10)的输出轴穿过后端盖(9)与行星差速器相连，并将驱动电机(10)动力输入至行星差速器；所述输出轴(3)尾端穿过前端盖(1)与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；
所述行星差速器由行星齿轮组(17)和可转动的齿圈(8)构成，所述齿圈(8)外表面上间隔设置有棘轮(6)和第一挡板(7)；所述棘轮(6)与铰接于外壳主体(2)之上的棘爪(15)配合安装，所述棘爪(15)通过安装于外壳主体(2)之上的扭簧(14)支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；所述第一挡板(7)与板簧(11)一端固定连接，所述板簧(11)另一端固定于外壳主体(2)所设第二挡板(18)之上；所述外壳主体(2)分别开设有供棘爪(15)伸入和板簧(11)压缩伸出的矩形孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述释放机构包括锁死释放电机(13)，所述锁死释放电机(13)固定于外壳主体(2)之上，所述锁死释放电机(13)的电机转轴与牵引绳(21)一端固定连接，所述牵引绳(21)另一端与棘爪(15)尾端固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述行星齿轮组(17)包括第一级太阳轮(1703)、第一级行星轮(1702)、第一级行星架(1701)和第二级太阳轮(1705)、第二级行星轮(1704)、第二级行星架(1706)；所述驱动电机(10)的输出轴与第一级太阳轮(1703)连接，所述第一级太阳轮(1703)与第一级行星架(1701)侧面环绕分布的多个第一级行星轮(1702)啮合；所述第二级太阳轮(1705)固定安装于第一级行星架(1701)另一侧面中心，所述第二级太阳轮(1705)与第二级行星架(1706)侧面环绕分布的多个第二级行星轮(1704)啮合，所述第二级行星架(1706)另一侧面中心与输出轴(3)尾端固定连接；所述第一级行星轮(1702)和第二级行星轮(1704)均可自由转动且其外侧均与齿圈(8)内齿轮啮合。
4.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述齿圈(8)两端套有薄壁轴承(5)，所述薄壁轴承(5)嵌套于外壳主体(2)内腔。
5.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述棘爪(15)下部贯穿设置有棘爪轴(16)，所述棘爪轴(16)卡于外壳主体(2)之上所设棘爪轴孔(20)之内使棘爪(15)与外壳主体(2)铰接相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述扭簧(14)的螺旋形本体贯穿设置有扭簧轴(12)，通过扭簧轴(12)卡于扭簧轴孔(19)内将扭簧(14)安装于外壳主体(2)之上；所述扭簧(14)的一个扭臂抵住外壳主体(2)，另一扭臂抵住棘爪(15)为其提供支撑力。
7.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述驱动电机(10)为直流无刷电机或直流有刷电机。
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