CN111571636B - 一种变刚度柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变刚度柔性驱动器。本装置包括刚度调节机构和传动机构。刚度调节机构通过改变滑块在滑轨上的位置，改变弹簧和输出轴轴心的距离，同时改变弹簧的压缩量，改变弹簧的预紧力大小。能够实现大范围的调节，实现驱动器从零刚度到完全刚性的调节能力。本发明用于机器人关节的柔性驱动，在人机交互过程中提高安全性。

Description

一种变刚度柔性驱动器

技术领域

本发明涉及一种变刚度柔性驱动器，用于机器人关节的柔性驱动，属于机器人领域。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，机器人康复技术逐渐与我们的生活联系起来。机器人的运动驱动方式主要有液压驱动，气压驱动和电机驱动等，而电机驱动具有精度高，控制准确，相应迅速等的优势。但是传统电机驱动是刚性的，在人机协调运作的过程中容易造成对人体的伤害，故使用柔性驱动器可以很好的解决这一问题。对于下肢瘫痪或者偏袒的患者来说，在恢复锻炼的过程中，机器人的安全性成为绕不开的话题，最典型的问题就是机器人关节的柔顺性问题。为了解决电机驱动的刚性问题，一般的是通过增加传感器的方式，但是如此便会增加控制系统的难度，加之信号处理或者信号延迟的问题，会降低整体的安全性。因此机械式柔性驱动器成为解决该问题的另一个方法。

在设计便刚度驱动器的过程中，有多种方式，例如利用人工肌肉和的方式，但是气动人工肌肉的方式控制难度大，控制精度低，安全性欠佳。目前机械式柔性驱动器的设计方法主要涉及利用杠杆结构的方式，即改变力的作用点，来改变利臂大小。国内外在便刚度驱动器领域已经有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：指利用单一原理设计的变刚度驱动器，变刚度驱动器机构复杂，刚度调节范围小等问题。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号201010283564.2，该技术公开的一种变刚度柔性关节，包括弹性装置，电机，电机支架等部件，该发明是通过改变弹性元件的作用长度来改变刚度的，但是弹性作用距离有限，且改变弹性方式单一，调节范围小。

中国专利申请号201510072095.2，该技术公开了一种可同步调整式变刚度柔性机构，包括基座，摇臂位置控制组件、变刚度调整组件等，通过改变板簧受力点的方式达到变刚度的目的，该结构比较复杂，且工作原理单一。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型的变刚度柔性驱动系统，核心是将两种机械式变刚度调节方式进行结合，利用直齿轮、锥齿轮传动、弹簧、扇形滑座、弹簧滑块和L型滑块等部件的组合，利用刚度调节电机的转动搭配齿轮系统的传动，最终利用滑块运动调整弹簧与传动轴轴心的距离，于此同时改变弹簧预紧力的大小，将两种刚度调节方式在机械层面同步化，从而实现大范围的刚度调节能力。理论上可以实现从零刚度到完全刚性，通过两台电机的控制，可以实现驱动器输出位置和刚度的实时同步调节。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型的变刚度柔性驱动系统，核心是将两种机械式变刚度调节方式进行结合，利用直齿轮、锥齿轮传动、弹簧、扇形滑座、弹簧滑块和L型滑块等部件的组合，利用刚度调节电机的转动搭配齿轮系统的传动，最终利用滑块运动调整弹簧与传动轴轴心的距离，于此同时改变弹簧预紧力的大小，将两种刚度调节方式在机械层面同步化，从而实现大范围的刚度调节能力。理论上可以实现从零刚度到完全刚性，通过两台电机的控制，可以实现驱动器输出位置和刚度的实时同步调节。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：一种变刚度柔性驱动器，包括刚度调节机构和传动机构，其特征在于：1. 一种变刚度柔性驱动器，包括刚度调节机构和传动机构，其特征在于：刚度调节机构由刚度调节电机（3）、联轴器（4）、刚度动力输入齿轮（8）、大齿轮（9）、小齿轮组（10）、中心齿轮（26）、轴承（27）、变刚度动力圆柱齿轮（24）、小锥齿轮（23）、变刚度动力锥齿轮（22）、刚度调节轴（19）、移动滑块（16）、线性压缩弹簧（14）、弹簧安装轴（13）、弹簧滑块（18）、压缩弹簧杆（20）组成，所述刚度调节电机（3）通过联轴器（4）和轴承连接刚度动力输入齿轮（8），一齐安装在固定端盖（5）上，所述大齿轮（9）通过轴承安装在传动轴（15）上，所述刚度动力输入齿轮（8）与所述大齿轮（9）的下部啮合，所述小齿轮组（10）通过齿轮轴（25）安装在动力输入端盖（11）上，小齿轮组（10）为两个相同型号的齿轮且共用一根齿轮轴（25）连接，所述小齿轮组（10）下部齿轮与大齿轮（9）的上半部分啮合，上部齿轮与中心齿轮（26）啮合，所述中心齿轮（26）通过轴承（27）安装在传动轴（15）上，一面贴合动力输入端盖（11）的内壁上，所述变刚度动力圆柱齿轮（24）与小齿轮（23）为整体式且通过齿轮轴安装在动力输入端盖（11）上，所述中心齿轮（26）分别与小齿轮组（10）的上部齿轮和变刚度动力圆柱齿轮（24）啮合，所述变刚度动力锥齿轮（22）设置有中心孔，与右螺旋刚度调节轴（19）配合安装，所述变刚度动力锥齿轮（22）与小锥齿轮（23）啮合，所述刚度调节轴（19）一端通过前端固定孔（21）另一端通过挡片（12）上的固定孔固定，所述挡片（12）下端设置有两个安装孔，与滑块底座（28）两侧的安装孔配合安装，所述移动滑块（16）下端为L型可在滑块底座（28）的L型滑道中滑动，移动滑块（16）中部设置有螺纹孔，上部为偏转37度的通孔，所述移动滑块（16）中部的螺纹孔走向与滑块底座（28）的L型滑道走向平行，所述弹簧安装轴（13）通过弹簧滑块（18）上部侧面的通孔依次连接线性压缩弹簧（14）、弹簧滑块（18）、线性压缩弹簧（14）、移动滑块（16），所述弹簧安装轴（13）左右两端有限位块，所述滑块底座（28）整体为扇形，两边设置有与扇形两侧边平行的截面为L型的滑道，底部设置有两个安装孔，可用于与动力输入端盖（11）的安装，所述滑块底座（28）前端共设置有两个前端固定孔（21），所述滑块底座（28）后端共设置有4个挡片安装孔，所述压缩弹簧杆（20）连接在弹簧滑块（18）的限位槽里，所述压缩弹簧杆（20）与传动轴（15）轴心处对称安装，所述滑块底座（28）底部有两个安装孔，可以安装在动力输入端盖（11），所述滑块底座（28）中部镂空，以减轻整体重量。

再进一步地，所述传动机构包括传动电机（1）、联轴器（2）、传动轴（15）、运动连接架（17）、动力输出端盖（30），所述传动电机（1）通过联轴器（2）连接传动轴（15），所述运动连接架（17）上下两端设置有安装孔，用于安装在动力输入端盖（11）和动力输出端盖（30）上。

再进一步地，所述圆桶外壳（7）侧面与固定座（6）固定，一端通过四个安装孔与固定端盖（5）固定安装，所述圆桶外壳（7）内部设置有梯形槽与动力输入端盖（11）的梯形槽相互配合滑动。

再进一步地，所述旋转编码器（29）安装在动力输出端盖（30）上且与传动轴（15）同心但不接触传动轴（15）。

附图说明

图1是变刚度柔性驱动器总图；

图2是刚度调节机构示意图；

图3是刚度调节机构示意图；

图4是滑块底座细节图；

图5是滑块底座细节图；

图6是移动滑块细节图；

图7是动力输出端盖图；

图8是圆桶外壳细节图。

图中：传动电机（1）、联轴器（2）、刚度调节电机（3）、联轴器（4）、固定端盖（5）、固定座（6）、圆桶外壳（7）、刚度动力输入齿轮（8）、大齿轮（9）、小齿轮组（10）、动力输入端盖（11）、挡片（12）、弹簧安装轴（13）、线性压缩弹簧（14）、传动轴（15）、移动滑块（16）、运动连接架（17）、弹簧滑块（18）、刚度调节轴（19）、压缩弹簧杆（20）、前端固定孔（21）、变刚度动力锥齿轮（22）、小锥齿轮（23）、变刚度动力圆柱齿轮（24）、齿轮轴（25）、中心齿轮（26）、轴承（27）、滑块底座（28）、旋转编码器（29）、动力输出端盖（30）。

具体实施方式

一种变刚度柔性驱动器，包括刚度调节机构和传动机构，其特征在于：刚度调节机构由刚度调节电机3、联轴器4、刚度动力输入齿轮8、大齿轮9、小齿轮组10、中心齿轮26、轴承27、变刚度动力圆柱齿轮24、小锥齿轮23、变刚度动力锥齿轮22、刚度调节轴19、移动滑块16、线性压缩弹簧14、弹簧安装轴13、弹簧滑块18、压缩弹簧杆20组成，所述刚度调节电机3通过联轴器4和轴承连接刚度动力输入齿轮8，一齐安装在固定端盖5上，所述大齿轮9通过轴承安装在传动轴15上，所述刚度动力输入齿轮8与所述大齿轮9的下部啮合，所述小齿轮组10通过齿轮轴25安装在动力输入端盖11上，小齿轮组10为两个相同型号的齿轮且共用一根齿轮轴25连接，所述小齿轮组10下部齿轮与大齿轮9的上半部分啮合，上部齿轮与中心齿轮26啮合，所述中心齿轮26通过轴承27安装在传动轴15上，一面贴合动力输入端盖11的内壁上，所述变刚度动力圆柱齿轮24与小锥齿轮23为整体式且通过齿轮轴安装在动力输入端盖11上，所述中心齿轮26分别与小齿轮组10的上部齿轮和变刚度动力圆柱齿轮24啮合，所述变刚度动力锥齿轮22设置有中心孔，与右螺旋刚度调节轴19配合安装，所述变刚度动力锥齿轮22与小锥齿轮23啮合，所述刚度调节轴19一端通过前端固定孔21另一端通过挡片12上的固定孔固定，所述挡片12下端设置有两个安装孔，与滑块底座28两侧的安装孔配合安装，所述移动滑块16下端为L型可在滑块底座28的L型滑道中滑动，移动滑块16中部设置有螺纹孔，上部为偏转37度的通孔，所述移动滑块16中部的螺纹孔走向与滑块底座28的L型滑道走向平行，所述弹簧安装轴13通过弹簧滑块18上部侧面的通孔依次连接线性压缩弹簧14、弹簧滑块18、线性压缩弹簧14、移动滑块16，所述弹簧安装轴13左右两端有限位块，所述滑块底座28整体为扇形，两边设置有与扇形两侧边平行的截面为L型的滑道，底部设置有两个安装孔，可用于与动力输入端盖11的安装，所述滑块底座28前端共设置有两个前端固定孔21，所述滑块底座28后端共设置有4个挡片安装孔，所述压缩弹簧杆20连接在弹簧滑块18的限位槽里，所述压缩弹簧杆20与传动轴15轴心处对称安装，所述滑块底座28底部有两个安装孔，可以安装在动力输入端盖11，所述滑块底座28中部镂空，以减轻整体重量。

传动机构包括传动电机1、联轴器2、传动轴15、运动连接架17、动力输出端盖30，传动电机1通过联轴器2连接传动轴15，运动连接架17上下两端设置有安装孔，用于安装在动力输入端盖11和动力输出端盖30上。

圆桶外壳7侧面与固定座6固定，一端通过四个安装孔与固定端盖5固定安装，圆桶外壳7内部设置有梯形槽与动力输入端盖11的梯形槽相互配合滑动，

旋转编码器29安装在动力输出端盖30上且与传动轴15同心但不接触传动轴15。

本实施例的变刚度柔性驱动器在工作时：根据目标位置和目标刚度，驱动器控制刚度调节电机3和传动电机1，根据旋转编码器29实时校验调整，直到到达目标位置。刚度调节电机3驱动变刚度动力输入齿轮8，驱动力先后经过大齿轮9、小齿轮组10传递到中心齿轮26，中心齿轮26与四个变刚度动力圆柱齿轮24啮合，小锥齿轮23与变刚度动力圆柱齿轮24为一体的，变刚度动力圆柱齿轮24与变刚度动力锥齿轮22啮合，故最终将驱动刚度调节轴19转动，右螺旋刚度调节轴19通过与移动滑块16中部的螺纹孔配合，驱动移动滑块在滑块底座28的L型滑槽中运动，达到同步驱动四个移动滑块16靠近或者远离传动轴15的目的。在移动滑块16靠近或者远离传动轴15的同时，压缩弹簧杆20会在弹簧滑块18的限位槽中一齐滑动。同时因为滑块底座28为扇形，故安装在两个滑块中的线性压缩弹簧14会在移动滑块16接近或者远离传动轴的过程中逐渐沿着弹簧安装轴13的方向改变弹簧压缩程度，故而改变线性压缩弹簧14的预紧力，同时在弹簧与传动轴15轴心的距离和弹簧预紧力两个方面实现系统可变刚度的调节。

传动电机1运动时候经过联轴器2和传动轴15最终将动力传送到压缩弹簧杆20，因为压缩弹簧杆20在弹簧滑块18的限位槽里，当压缩弹簧杆20转动时会通过弹簧滑块18沿着一个方向压缩弹簧。但是，在弹簧刚被压缩的时候由于阻抗作用动力输入端盖11以及上部整体并未转动，当弹簧形变到一定量时，足以推动动力输入端盖11以及上部的整体运动，该运动通过运动连接架17传送到动力输出端盖30。动力输入端盖30和动力输入端盖11转动，会带动小齿轮组10一齐绕着动力轴15转动，经过大齿轮9带动刚度调节电机3被动转动，刚度调节电机3的被动转动不影响移动滑块16的移动。

Claims (1)

1.一种变刚度柔性驱动器，包括刚度调节机构和传动机构，其特征在于：刚度调节机构由刚度调节电机（3）、联轴器（4）、刚度动力输入齿轮（8）、大齿轮（9）、小齿轮组（10）、中心齿轮（26）、轴承（27）、变刚度动力圆柱齿轮（24）、小锥齿轮（23）、变刚度动力锥齿轮（22）、刚度调节轴（19）、移动滑块（16）、线性压缩弹簧（14）、弹簧安装轴（13）、弹簧滑块（18）、压缩弹簧杆（20）组成，所述刚度调节电机（3）通过联轴器（4）和轴承连接刚度动力输入齿轮（8），一齐安装在固定端盖（5）上，所述大齿轮（9）通过轴承安装在传动轴（15）上，所述刚度动力输入齿轮（8）与所述大齿轮（9）的下部啮合，所述小齿轮组（10）通过齿轮轴（25）安装在动力输入端盖（11）上，小齿轮组（10）为两个相同型号的齿轮且共用一根齿轮轴（25）连接，所述小齿轮组（10）下部齿轮与大齿轮（9）的上半部分啮合，上部齿轮与中心齿轮（26）啮合，所述中心齿轮（26）通过轴承（27）安装在传动轴（15）上，一面贴合动力输入端盖（11）的内壁上，所述变刚度动力圆柱齿轮（24）与小锥齿轮（23）为整体式且通过齿轮轴安装在动力输入端盖（11）上，所述中心齿轮（26）分别与小齿轮组（10）的上部齿轮和变刚度动力圆柱齿轮（24）啮合，所述变刚度动力锥齿轮（22）设置有中心孔，与右螺旋刚度调节轴（19）配合安装，所述变刚度动力锥齿轮（22）与小锥齿轮（23）啮合，所述刚度调节轴（19）一端通过前端固定孔（21）另一端通过挡片（12）上的固定孔固定，所述挡片（12）下端设置有两个安装孔，与滑块底座（28）两侧的安装孔配合安装，所述滑块底座（28）设置有平行于半径方向的L形滑道，两滑道成“八”字形状；所述移动滑块（16）下端为L型可在滑块底座（28）的L型滑道中滑动，移动滑块（16）中部设置有螺纹孔，上部为偏转37度的通孔，所述移动滑块（16）中部的螺纹孔走向与滑块底座（28）的L型滑道走向平行，所述弹簧安装轴（13）通过弹簧滑块（18）上部侧面的通孔依次连接线性压缩弹簧（14）、弹簧滑块（18）、线性压缩弹簧（14）、移动滑块（16），所述弹簧安装轴（13）左右两端有限位块，所述滑块底座（28）整体为扇形，两边设置有与扇形两侧边平行的截面为L型的滑道，底部设置有两个安装孔，可用于与动力输入端盖（11）的安装，所述滑块底座（28）前端共设置有两个前端固定孔（21），所述滑块底座（28）后端共设置有4个挡片安装孔，所述压缩弹簧杆（20）连接在弹簧滑块（18）的限位槽里，所述压缩弹簧杆（20）与传动轴（15）轴心处对称安装，所述滑块底座（28）底部有两个安装孔，可以安装在动力输入端盖（11），所述滑块底座（28）中部镂空，以减轻整体重量。