CN111716344A - 一种变刚度弹性驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变刚度弹性驱动器，其包括壳体组件、调柔装置和变刚结构，其中调柔装置相互平行且对称设置在输入轴的两侧，调柔装置包括传动组件和设置在传动组件两侧的弹性组件，传动组件与输入轴传动连接，以带动弹性组件沿预设路径压缩；变刚结构包括行星轮组和双向丝杠，行星轮组的太阳轮固设于输入轴上，行星轮组的两个行星轮啮合在太阳轮与内壳体之间，双向丝杠上螺纹连接有与行星轮卡接的滑块，滑块可沿双向丝杠滑动；调柔装置将输入轴输入的刚性力转换为可带动内壳体转动的柔性力，通过变刚结构的双向丝杠带动滑块移动，从而改变输出力矩，达到变刚度输出的目的；本发明适用领域广泛，可应用于机器人关节，多模态盾构机刀盘驱动装置等。
Description
技术领域
本发明涉及驱动器技术领域，特别涉及一种变刚度弹性驱动器。
背景技术
为提高机械装备的柔顺性和自适应机制，作为机械装备核心部件的驱动传动装置也逐步向柔性化、自适应方向发展。其中，机器人向柔性化方向发展已成必然之势，而柔性关节在机器人柔性系统中占据80％-90％。由此看来，提高关节柔性对改善机器人的安全性、柔顺性、自适应性具有重要意义。动物关节由于具有优异的力学特性而倍受国内外学者关注，是目前的主要仿生研究对象。其中尤以变刚度弹性驱动器的研究最热，成果众多。
盾构机为适应复杂地质工况，已逐步由单模态土压平衡、泥水平衡盾构机向自适应多模态盾构机方向发展。因此，对盾构刀盘驱动装置提出自适应变刚度设计要求。而本发明提出的变刚度弹性驱动器在该领域也有着很好的应用前景。
从目前国内外研究情况来看，变刚度弹性驱动的研究成果众多。从结构类型、变刚度原理以及综合性能来看各有所长，其中优劣难以评判。一些驱动器结构紧凑、但刚度变化范围小；一些驱动器变刚特性良好，但柔性范围小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刚度可调的弹性驱动器。
为实现上述目的，本发明提供了一种变刚度弹性驱动器，包括：壳体组件，包括同轴设置且可相对转动的内壳体和外壳体，所述外壳体与输出端连接，所述内壳体与输入轴传动连接；
调柔装置，相互平行地设置在所述内壳体上，所述调柔装置对称设置在所述输入轴的两侧，所述调柔装置包括传动组件和设置在所述传动组件两侧的弹性组件，所述传动组件与所述输入轴传动连接，以带动所述弹性组件沿预设路径压缩；
变刚结构，包括设置在所述内壳体上的行星轮组和设置在所述外壳体上的双向丝杠，所述行星轮组的太阳轮固设于所述输入轴上，所述行星轮组的两个行星轮啮合在所述太阳轮与所述内壳体之间，所述双向丝杠上螺纹连接有与所述行星轮卡接的滑块，所述滑块可沿所述双向丝杠滑动。
可选地，所述内壳体和所述外壳体均由转盘轴承支撑，所述外壳体的内圈与所述内壳体的外圈固定连接。
可选地，所述传动组件包括齿轮以及与所述齿轮啮合的齿条，所述齿轮固设于所述输入轴上，所述齿条滑动连接在所述内壳体上，所述所述弹性组件位于所述齿条的两侧。
可选地，所述调柔装置还包括导杆，所述导杆固设于所述内壳体上，所述齿条和所述弹性组件均套设在所述导杆上。
可选地，所述弹性组件包括螺旋弹簧。
可选地，所述行星轮组还包括支架，所述支架转动连接在所述输入轴上，所述行星轮转动连接在支架上。
可选地，所述内壳体的顶部具有内啮合齿轮，所述行星轮啮合在所述太阳轮和所述内啮合齿轮之间。
可选地，所述行星轮上固设有槽板，所述滑块与所述槽板卡接。
可选地，所述变刚结构还包括与所述双向丝杠传动连接的变刚电机，所述变刚电机设置在所述外壳体上。
可选地，所述输出端包括输出盖板，所述输出盖板与所述外壳体固定连接，所述输出盖板上设有输出轴。
应用本构想的变刚度弹性驱动器，调柔装置将输入轴输入的刚性力转换为可带动内壳体转动的柔性力，通过变刚结构的双向丝杠带动滑块移动，从而改变输出力矩，达到变刚度输出的目的。
本发明提出的变刚度弹性驱动器适用领域广泛，可应用于机器人、康复器械的关节驱动，多模态盾构机刀盘驱动装置等。
附图说明
图1为本申请变刚度弹性驱动器的一个实施例的示意图；
图2为图1中调柔装置的安装示意图；
图3为图1中行星轮组的安装示意图；
图4为图1中双向丝杠的安装示意图；
图5为图1中滑块的安装示意图；
图6为本申请变刚度弹性驱动器的结构组成及传动示意图。
具体实施方式
根据本发明的构想，在此结合附图提供一种变刚度弹性驱动器的实施例。参见图1，该变刚度弹性驱动器100包括壳体组件200、调柔装置300和变刚结构400，其中壳体组件200作为回转部件，而调柔装置300将壳体组件200输入端的刚性力转换为柔性力，并传递至壳体组件200的输出端，变刚结构400通过改变柔性力在壳体组件200输出端的输出力矩实现变刚度输出的目的。
具体而言，壳体组件200包括由转盘轴承制成的内壳体210和外壳体220。其中外壳体220的内圈222与内壳体210的外圈211固定连接，外壳体220的内圈222向上延伸形成容纳调柔装置300和变刚结构400的外壳，而内壳体210的内圈212上固定连接有具有容纳调柔装置300的安装座213，在安装座213的顶部固定连接有内啮合齿轮214，在外壳体220的内圈222的顶部固定连接有输出盘600，在输出盘600上设有输出轴610。
输入轴500位于壳体组件200的轴线处，输入轴500与壳体组件200之间通过旋转副连接。
两个调柔装置300相互平行地设置在安装座213内部，并且两个调柔装置300对称设置在输入轴500的两侧，调柔装置300包括齿轮340、齿条310、螺旋弹簧320和导杆330。其中齿轮340固定连接在输入轴500上，导杆330的两端固定在安装座213上，齿条310滑动套接在导杆330上，而两个螺旋弹簧320套接在导杆330上，且两个螺旋弹簧320分别位于齿条310的两侧，齿条310与齿轮340直接啮合连接，工作时，输入轴500的转动会带动齿条310沿导杆330滑动，将一侧的螺旋弹簧320压缩，由于两个调柔装置300在输入轴500的两侧对称设置，所述螺旋弹簧320的弹力会带动安装座213转动，实现将输入轴的刚性力转换为柔性力的目的。
变刚结构400包括设置在安装座213上的行星轮组410和设置在外壳体220的内圈222上的双向丝杠422，双向丝杠422的两端与外壳体220的内圈222之间通过旋转副连接，并且双向丝杠422的一端与变刚电机423传动连接，变刚电机423固定在外壳体220的内圈222的外壁上。其中行星轮组410的太阳轮414固设于输入轴500的端部上，行星轮组410的两个行星轮412啮合在太阳轮414与内啮合齿轮214之间，双向丝杠422上螺纹连接有两个滑块421，两个滑块421在双向丝杠422上对称设置，在行星轮412的上部固定连接有槽板413，在槽板413上开设有长直导向孔，滑块421的下部可滑动的卡接在槽板413上的长直导向孔内，通过变刚电机423可带动两滑块421沿双向丝杠422做同向或反向移动，进而改变两滑块421之间的距离，在外壳体220的内圈222的内部还固定连接有导向板424，导向板424与双向丝杠422平行设置，且导向板424与输入轴500垂直设置，在导向板424上设有卡槽426，双向丝杠422和滑块421均位于上述卡槽426内部，并且滑块421通过圆柱形结构的辊子425可滑动的卡接在上述卡槽426内。滑块421会对导向板424产生力的作用，以带动导向板424转动，进而带动外壳体220的内圈222转动，同时还带动与内圈222固定连接的输出盘600转动，实现向外输出力矩的目的。
工作时，行星轮412受到两个输入力矩的作用，分别是输入轴500顶部的太阳轮414的刚性输入和内啮合齿轮214的柔性输入。当两边行星轮412上的滑块421与中心位置(即输入轴500的轴线位置，因为两个滑块421对称设置在输入轴500的两侧)的距离恒定时，为达到该驱动器输入端力矩与输出端负载的力矩平衡，由于行星轮系的差动作用，行星轮412将以滑块421上的滚子425为圆心转动，同时由于齿轮间的啮合传动，行星轮412相对于太阳轮414反向拨动内啮合齿轮214，直至两侧的滑块421上形成的力偶大小满足整个装置的力平衡关系。当外界驱动装置通过联轴器510向输入轴500输入恒定力时，螺旋弹簧320在齿条310的推压下压缩量恒定，内啮合齿轮214会在螺旋弹簧320产生的柔性力作用下转动，通过调刚电机423驱动双向丝杠422，可使两边的滑块421相向运动，从而在螺旋弹簧320变形量一定的情况下，改变输出力偶矩的大小，达到变刚度的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变刚度弹性驱动器，其特征在于，包括：壳体组件，包括同轴设置且可相对转动的内壳体和外壳体，所述外壳体与输出端连接，所述内壳体与输入轴传动连接；调柔装置，相互平行地设置在所述内壳体上，所述调柔装置对称设置在所述输入轴的两侧，所述调柔装置包括传动组件和设置在所述传动组件两侧的弹性组件，所述传动组件与所述输入轴传动连接，以带动所述弹性组件沿预设路径压缩；变刚结构，包括设置在所述内壳体上的行星轮组和设置在所述外壳体上的双向丝杠，所述行星轮组的太阳轮固设于所述输入轴上，所述行星轮组的两个行星轮啮合在所述太阳轮与所述内壳体之间，所述双向丝杠上螺纹连接有与所述行星轮卡接的滑块，所述滑块可沿所述双向丝杠滑动。
2.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述内壳体和所述外壳体均由转盘轴承支撑，所述外壳体的内圈与所述内壳体的外圈固定连接。
3.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述传动组件包括齿轮以及与所述齿轮啮合的齿条，所述齿轮固设于所述输入轴上，所述齿条滑动连接在所述内壳体上，所述所述弹性组件位于所述齿条的两侧。
4.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述调柔装置还包括导杆，所述导杆固设于所述内壳体上，所述齿条和所述弹性组件均套设在所述导杆上。
5.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述弹性组件包括螺旋弹簧。
6.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述行星轮组还包括支架，所述支架转动连接在所述输入轴上，所述行星轮转动连接在支架上。
7.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述内壳体的顶部具有内啮合齿轮，所述行星轮啮合在所述太阳轮和所述内啮合齿轮之间。
8.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述行星轮上固设有槽板，所述滑块与所述槽板卡接。
9.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述变刚结构还包括与所述双向丝杠传动连接的变刚电机，所述变刚电机设置在所述外壳体上。
10.如权利要求1所述的变刚度弹性驱动器，其特征在于，所述输出端包括输出盖板，所述输出盖板与所述外壳体固定连接，所述输出盖板上设有输出轴。
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