CN111775176B - 一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法 - Google Patents

Abstract

一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法，它包含第一直线驱动器、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和机架；第一直线驱动器布置在机架的一侧，第一直线驱动器驱动滑块在机架上移动；机架上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌和弹簧；弹簧的两端抵靠在触舌和机架上，触舌可由滑块驱动移动；第二直线驱动器包括由第二电机驱动的第二丝杆，第二电机固定在机架的另一侧，变刚度模块包括模块座、轴向止推转动件、两个驱动螺母和两个非线性弹簧，轴向止推转动件、两个驱动螺母和呈拮抗布置的两个非线性弹簧布置于模块座内。本发明通过拮抗布置的非线性弹簧，调节刚度，实现驱动器的不同柔性，提高了驱动的适应性。

Description

一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法

技术领域

本发明涉及一种变刚度装置，具体涉及一种变刚度直线驱动装置及变刚度方法。

背景技术

对于机器人的关节驱动器，根据作业任务不同，对驱动器的关节刚度需求往往也不相同。当关节需要高精度运行时，常常需要机器人关节有高的刚性，以保证运动的准确性；当执行插销等对适应性要求高的作业时，往往希望驱动器有较高的柔性，以提高作业成功率，减少作业时间。因此，刚度调节是十分关键、重要的功能。可以调节刚度的关节驱动器可以使机器人适应更多的应用场景。具有变刚度驱动器的手爪，可以在高刚度状态下实现物品的精确抓取，也可以在低刚度的状态下抓取鸡蛋、水果等易损坏的物品；具备可变刚度驱动器的机械臂，可以在高刚度模式下执行快速动作任务，也可以在低刚度模式下执行插销等需要柔顺性的任务。

传统驱动器的变刚度实现主要是通过串联一个刚度可调的弹性机构，通常采用额外增加驱动器的方式来改变刚度，或采用手动调节的方式。前者使得系统复杂，成本更高体积更大，而后者则需要人工参与，可用场景受限。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种变刚度直线驱动装置，该变刚度直线驱动装置通过拮抗布置的非线性弹簧，改变弹簧初始压缩量，调节刚度，实现驱动器的不同柔性，提高了驱动的适应性。

本发明的技术方案是：一种变刚度直线驱动装置，它包含第一直线驱动器、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和机架；

第一直线驱动器布置在机架的一侧，第一直线驱动器驱动滑块在机架上移动；

机架上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌和弹簧；弹簧的两端抵靠在触舌和机架上，触舌可由滑块驱动移动；

第二直线驱动器包括由第二电机驱动的第二丝杆，第二电机固定在机架的另一侧，变刚度模块包括模块座、轴向止推转动件、两个驱动螺母和两个非线性弹簧，第二丝杆上套有可滑动的模块座、轴向止推转动件和两个非线性弹簧，轴向止推转动件、两个驱动螺母和呈拮抗布置的两个非线性弹簧布置于模块座内，两个驱动螺母旋向相同并旋拧于第二丝杆上，轴向止推转动件一侧贴靠在模块座上，轴向止推转动件邻近第二电机设置，其中一个非线性弹簧两端抵靠在轴向止推转动件与其中一个驱动螺母之间，另一个非线性弹簧两端抵靠在另一个驱动螺母与模块座之间；

正常驱动模式下，所述两个驱动螺母与触舌相干涉而被触舌限制转动，变刚度模式下，其中一个驱动螺母与第二丝杆同步转动，而另一个驱动螺母与触舌相干涉，滑块与驱动螺母的移动方向平行。

一种变刚度直线驱动装置的变刚度方法包括：

一、正常驱动模式

两个驱动螺母均与触舌干涉，当第二丝杠转动时，两个驱动螺母在第二丝杠作用下均轴向移动，不随第二丝杠转动，两个驱动螺母间距不变，实现直线驱动装置的位置输出；

二、变刚度模式触发前

第一直线驱动器驱动滑块运动到B点时，第二直线驱动器上的驱动螺母带动模块座作与滑块相反的运动直至抵靠第二电机，此时触舌依然阻碍两个驱动螺母随第二丝杠转动；

三、触发变刚度模式

第二直线驱动器的模块座抵靠第二电机、第一直线驱动器继续驱动滑块运动到达特殊位置C点过程中，滑块推动触舌移动，进入变刚度模式，到达特殊位置C点时靠近第二电机的驱动螺母不再与触舌相接触，而另一个驱动螺母被触舌限制不能转动；

四、变刚度过程

第二直线驱动器的第二丝杠转动，第二丝杠与其中一个驱动螺母间的滑动摩擦力使其中一个驱动螺母有转动趋势；模块座、轴向止推转动件及其中一个非线性弹簧间的滚动摩擦使其中一个驱动螺母有不跟随第二丝杠转动的趋势，滚动摩擦力和滑动摩擦力共同作用下，其中一个驱动螺母将随第二丝杠一同转动，对于另一个驱动螺母，由于触舌的干涉不随第二丝杠转动而直线移动，使两个驱动螺母的间距增加，非线性弹簧初始压缩量增加，第二直线驱动器刚度增加，此时，滑块反向移动，触舌在弹簧的作用下复位后，从变刚度模式下退出，恢复第一直线驱动器的正常驱动模式；如上的相反操作，两个驱动螺母间距减小，弹簧初始压缩量减小，驱动刚度减小，如此反复，实现变刚度调节。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、在两组或多组布置的直线驱动器结构的基础上进行设计，不额外增加变刚度驱动器、不影响原有两组或多组驱动器的功能，使其一组驱动器实现变刚度功能。

2、两个非线性弹簧呈拮抗布置，通过改变非线性弹簧初始压缩量，调节刚度。

3、利用原有的驱动器组，在特殊位置拉动触舌，进入刚度调节状态。刚度调节完成后，退回触舌，驱动装置恢复原有功能。

4、本发明的变刚度驱动装置空间利用率更高，仅在系统原有的直线驱动器基础上实现变刚度，不额外增加变刚度驱动器。并且通过拮抗布置的非线性弹簧实现驱动器的不同柔性，提高了驱动器的适应性。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2的仰视图；

图4是沿图3中K-K线的剖视图；

图5为机架和弹簧布置关系图；

图6为触舌的结构示意图；

图7为驱动螺母的结构示意图；

图8为正常驱动模式下的工作状态图；

图9为变刚度模式触发前的状态图；

图10为触发变刚度模式的状态图；

图11为变刚度过程的示意图；

图12为变刚度示意图；

图13为刚度变化曲线图；

图14 为利用本发明用作手指的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-图7所示，本实施方式的一种变刚度直线驱动装置，它包含第一直线驱动器 1、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和机架2；

第一直线驱动器1布置在机架2的一侧，第一直线驱动器1驱动滑块4在机架2上移动；机架2上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌31和弹簧32；弹簧32的两端抵靠在触舌31和机架2上，触舌31可由滑块4驱动移动；

第二直线驱动器包括由第二电机51驱动的第二丝杆52，第二电机51固定在机架2的另一侧，变刚度模块包括模块座61、轴向止推转动件62、两个驱动螺母63和两个非线性弹簧64，第二丝杆52上套有可滑动的模块座61、轴向止推转动件62和两个非线性弹簧64，轴向止推转动件62、两个驱动螺母63和呈拮抗布置的两个非线性弹簧64布置于模块座61 内，两个驱动螺母63旋向相同并旋拧于第二丝杆52上，轴向止推转动件62一侧贴靠在模块座61上，轴向止推转动件62邻近第二电机51设置，其中一个非线性弹簧64两端抵靠在轴向止推转动件62与其中一个驱动螺母63之间，另一个非线性弹簧64两端抵靠在另一个驱动螺母63与模块座61之间；

正常驱动模式下，所述两个驱动螺母63与触舌31相干涉而被触舌31限制转动，变刚度模式下，其中一个驱动螺母63与第二丝杆52同步转动，而另一个驱动螺母63与触舌31相干涉，滑块4与驱动螺母63的移动方向平行。其中一个驱动螺母63是靠近第二电机51 的。

上述实施方式中，结构构造中，所述术语出现“连接”或者“设置”或者“安装”时，代表一个元件可以是直接连接在另一个元件上，或者可能存在居中元件。

驱动装置由两个直线驱动器组成，其中第二直线驱动器的输出可以实现变刚度。此处的变刚度用于驱动包括但不限于二自由度机械手指。

如图2所示，通常，所述第一直线驱动器1包括第一电机11、第一丝杆12和第一螺母13；第一电机11安装在机架2的上部，第一电机11的输出端连接有第一丝杆12，第一螺母13旋拧于第一丝杆12上，第一螺母13与滑块4固接。

上述中，第一电机11和第二电机51均为减速电机，所述滑块4和模块座61分别沿安装在机架2上的导轨7滑动。导轨7通过螺钉及过盈配合安装在机架2上。第一丝杠12和第二丝杠52分别通过联轴器10等方式与各自对应的电机相连，当减速电机转动时带动各自丝杠转动。第一螺母13安装在第一丝杠12上，当减速电机转动时，可带动第一螺母13 左右运动，进而带动输出杆8动作，实现第一直线驱动器1的动力输出。图14是本发明应用于驱动包括但不限于二自由度机械手指的示例图。

如图3所示，模块座61安装在导轨7上，可以左右移动，并且与输出杆相连。

可选地，所述非线性弹簧64为截锥螺旋弹簧、不等节距圆柱压簧或者截锥涡卷弹簧。截锥弹簧承受负荷时，在弹簧大圈发生并圈现象之前，载荷与变形量之间的变化为正相关，并在特性曲线中表现为线性段。当负荷增大的时候，弹簧圈从大曲率半径端逐渐出现并圈的现象，有效圈数随着并圈现象的发生而减少，弹簧刚度也逐渐升高，直到弹簧并死。这一阶段载荷与变形量之间呈非线性关系，映射到特性曲线上为渐增曲线。

较佳地，非线性弹簧64可采用等节距截锥螺旋弹簧，等节距截锥螺旋弹簧的弹簧丝轴线为一条空间螺旋线，它的螺旋线与弹簧轴线相垂直的支撑面上的投影是一条阿基米德螺旋线。

进一步地，所述轴向止推转动件62为推力轴承。推力轴承有降低摩擦力，承受轴向力的作用，由于推力轴承的作用，使滚动摩擦力小于滑动摩擦力，使在变刚度模式下其中一个驱动螺母63将随第二丝杠52一同转动，不左右移动。推力轴承会使变刚螺母不能左右移动、随第二丝杠52一同转动更明显，变刚度效果更好。

另外，如图4和图6所示，所述触舌31为U型板状结构，U型板插装在机架2上，弹簧32抵靠在U型板内底面上，U型板的上表面端部向外延伸有上沿311，变刚度模式下，滑块4顶靠在所述上沿311上。如图5和图6所示，作为一个实施方式，U型板作成底部为平面，平面与侧面垂直的槽型板，在槽型板底部和机架2内设置2条弹簧32，触舌31在弹簧力作用下与机架2紧密接触，使两个驱动螺母63不跟随第二丝杠52转动，但当触舌 31上沿受到向右作用力时，触舌31可以把弹簧32压缩并向右移动，变刚度以后，弹簧32 又对槽型板复位，使得工作进入正常驱动模式。

可选地，所述驱动螺母63为多边形螺母。可选用五边形或六边形，以确保正常驱动模式下，多边形的一边所在平面与触舌31接触，驱动螺母63与触舌31相干涉。而在变刚度模式下，其中一个驱动螺母63离开触舌31，不发生干涉。由于触舌31的作用，当第二丝杠52转动时，两个驱动螺母63由于与触舌31干涉而无法跟随第二丝杠52整周转动，于是在第二丝杠52上左右移动。两个非线性弹簧63有预紧，当第二电机51转动时，两个驱动螺母63左右移动，动力通过非线性弹簧63传递到模块座61上，进而带动输出杆实现动力输出。

进一步地，如图7所示，每个所述驱动螺母63一端面外缘延伸有垂直该端面的若干个限位筋631，非线性弹簧64大端布置在若干个限位筋631所在的端面内。设置限位筋631可确保截锥弹簧的大端不易脱落离开驱动螺母63。

如上所述技术方案中，如图10所示，第二直线驱动器的模块座61抵靠第二电机51、第一螺母13运动到远离第一电机11的B点时，滑块4驱动触舌31移动，直至到达极点C 时，进入变刚度模式，此时所述所述其中一个驱动螺母63(靠近第二电机51的驱动螺母 63)与第二丝杆52同步转动，所述另一个驱动螺母63与触舌31干涉而被限制转动。

在另一个实施方式中，还提供一种变刚度直线驱动装置的变刚度方法，此发明利用已有驱动器间的配合，在特定位置触发刚度调节功能，不额外增加变刚度驱动器，空间利用率高，变刚度方法如图8-图11所示。

一、正常驱动模式

如图8所示，两个驱动螺母63均与触舌31干涉，当第二丝杠52转动时，两个驱动螺母63在第二丝杠52作用下均轴向移动，不随第二丝杠52转动，两个驱动螺母63间距不变，实现直线驱动装置的位置输出，这是不需要调节刚度时第一、二直线驱动器的常规工作状态；

此模式下，滑块4可布置在邻近第一直线驱动器1的A点到B点，

二、变刚度模式触发前

如图9所示，第一直线驱动器1驱动滑块4运动到B点时，第二直线驱动器的第二丝杠52转动，驱动螺母63带动模块座61作与滑块4相反的运动直至抵靠第二电机51，此时触舌31依然阻碍两个驱动螺母63随第二丝杠52转动；

此时，触舌31还没有开始如图9所示右侧移动，触舌31还没有被滑块4驱动向右运动。

三、触发变刚度模式

如图10所示，第二直线驱动器的模块座61抵靠第二电机51、第一直线驱动器1继续驱动滑块4运动到达特殊位置C点过程中，滑块4推动触舌31移动，进入变刚度模式，到达特殊位置C点时靠近第二电机51的驱动螺母63不再与触舌31相接触，而另一个驱动螺母63被触舌31限制不能转动；

滑块4由B点到C点过程中，触舌31被滑块4驱动向右移动，触舌31逐渐离开其中一个驱动螺母63，直至滑块4运动到C点，触舌31与其中一个驱动螺母63不发生干涉，而另一个驱动螺母63仍然与触舌31发生干涉；

四、变刚度过程

如图11所示，第二直线驱动器的第二丝杠52转动，第二丝杠52与其中一个驱动螺母 63间的滑动摩擦力使其中一个驱动螺母63有转动趋势；模块座61、轴向止推转动件62及其中一个非线性弹簧63间的滚动摩擦使其中一个驱动螺母63有不跟随第二丝杠52转动的趋势，滚动摩擦力和滑动摩擦力共同作用下，其中一个驱动螺母63将随第二丝杠52一同转动，对于另一个驱动螺母63，由于触舌31的干涉不随第二丝杠52转动而直线移动，使两个驱动螺母63的间距增加，非线性弹簧63初始压缩量增加，第二直线驱动器刚度增加；

此时，滑块4反向移动，触舌31在弹簧32的作用下复位后，从变刚度模式下退出，恢复第一直线驱动器1和第二直线驱动器的正常驱动模式；

如上的相反操作，两个驱动螺母63间距减小，弹簧32初始压缩量减小，驱动刚度减小，如此反复，实现变刚度调节。轴向止推转动件62最好使用推力轴承。在不额外增加驱动器的情况下，利用已有驱动器组件间的相对配合，在特定位置触发刚度调节功能，利用非线性弹簧实现刚度变换，缩小了装置体积，降低了成本。

变刚度原理

变刚度装置用在机器人手爪上，由于手爪的特殊性，对空间要求苛刻，设计时要尽可能减少空间的占用。因而在设计时尽可能利用手爪本有的结构特征，尽可能的不多增加驱动器。

本发明设计的变刚度装置建立在直线驱动器的基础之上，利用双螺母结构和拮抗布置的非线性弹簧，实现变刚度。结合图8-图12所示，输出端在模块座61上，模块座61内侧有一对非线性截锥簧，最内部是一对螺母。模块座61在导轨7上，驱动螺母63在第二丝杠52上，驱动螺母63和第二丝杠52之间通过非线性弹簧64传递动力，构成一套柔性驱动器。如果改变两个驱动螺母63的间距，将会改变非线性弹簧64初始压缩量，进而改变输出端的刚度；如果同时移动两个驱动螺母63，且间距不变，则输出端9实现直线位置输出。

就是说，当第二丝杠52转动时，两个驱动螺母63有两种运动模式：①两个驱动螺母63在第二丝杠52作用下均轴向移动，不随第二丝杠52绕轴转动，两个驱动螺母63间距不变；②另一个驱动螺母63在第二丝杠52作用下轴向移动，其中一个驱动螺母63随第二丝杠52绕轴转动、不轴向移动，两个驱动螺母63间距改变。通过切换两种模式，第二丝杠和驱动螺母63可以实现直线运动和刚度改变，且空间占用极小。

为了不额外增加变刚度驱动器，在直线驱动器满足功能的行程下，对第一直线驱动器1 额外增加一小段行程BC，在特殊位置C点触发变刚度功能。本发明使用的弹簧必须为非线性弹簧。非线性弹簧是一种负载与变形量呈非线性关系的弹簧，当两个驱动螺母63间距改变后，非线性弹簧64初始压缩量改变，机构的刚度进而改变。如图13所示，两个驱动螺母63间距改变时，非线性弹簧64初始压缩量在F′_A处，当滑块4受力时，一个非线性弹簧 64张紧另一非线性弹簧64压缩，斜率即反映机构此时的刚度。由于非线性弹簧，装置在F′_A处刚度小，在F′_B处刚度大。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：它包含第一直线驱动器(1)、第二直线驱动器、变刚度模块、触舌组件和机架(2)；

第一直线驱动器(1)布置在机架(2)的一侧，第一直线驱动器(1)驱动滑块(4)在机架(2)上移动；

机架(2)上设置有触舌组件，触舌组件包括触舌(31)和弹簧(32)；弹簧(32)的两端抵靠在触舌(31)和机架(2)上，触舌(31)可由滑块(4)驱动移动；所述触舌(31)为U型板状结构，U型板插装在机架(2)上，弹簧(32)抵靠在U型板内底面上，U型板的上表面端部向外延伸有上沿(311)，变刚度模式下，滑块(4)顶靠在所述上沿(311)上；

第二直线驱动器包括由第二电机(51)驱动的第二丝杆(52)，第二电机(51)固定在机架(2)的另一侧，变刚度模块包括模块座(61)、轴向止推转动件(62)、两个驱动螺母(63)和两个非线性弹簧(64)，第二丝杆(52)上套有可滑动的模块座(61)、轴向止推转动件(62)和两个非线性弹簧(64)，轴向止推转动件(62)、两个驱动螺母(63)和呈拮抗布置的两个非线性弹簧(64)布置于模块座(61)内，两个驱动螺母(63)旋向相同并旋拧于第二丝杆(52)上，轴向止推转动件(62)一侧贴靠在模块座(61)上，轴向止推转动件(62)邻近第二电机(51)设置，其中一个非线性弹簧(64)两端抵靠在轴向止推转动件(62)与其中一个驱动螺母(63)之间，另一个非线性弹簧(64)两端抵靠在另一个驱动螺母(63)与模块座(61)之间；

正常驱动模式下，所述两个驱动螺母(63)与触舌(31)相干涉而被触舌(31)限制转动，变刚度模式下，其中一个驱动螺母(63)与第二丝杆(52)同步转动，而另一个驱动螺母(63)与触舌(31)相干涉，滑块(4)与驱动螺母(63)的移动方向平行。

2.根据权利要求1所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：所述第一直线驱动器(1)包括第一电机(11)、第一丝杆(12)和第一螺母(13)；第一电机(11)安装在机架(2)的上部，第一电机(11)的输出端连接有第一丝杆(12)，第一螺母(13)旋拧于第一丝杆(12)上，第一螺母(13)与滑块(4)固接。

3.根据权利要求2所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：所述非线性弹簧(64)为截锥螺旋弹簧、不等节距圆柱压簧或者截锥涡卷弹簧。

4.根据权利要求3所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：所述轴向止推转动件(62)为推力轴承。

5.根据权利要求1所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：所述驱动螺母(63)为多边形螺母。

6.根据权利要求3、4或5所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：每个所述驱动螺母(63)一端面外缘延伸有垂直该端面的若干个限位筋(631)，非线性弹簧(64)大端布置在若干个限位筋(631)所在的端面内。

7.根据权利要求6所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：第二直线驱动器的模块座(61)抵靠第二电机(51)、第一螺母(13)运动到远离第一电机(11)的B点时，滑块(4)驱动触舌(31)移动，直至到达极点C时，进入变刚度模式，此时所述其中一个驱动螺母(63)与第二丝杆(52)同步转动，所述另一个驱动螺母(63)与触舌(31)干涉而被限制转动。

8.根据权利要求7所述一种变刚度直线驱动装置，其特征在于：所述滑块(4)和模块座(61)分别沿安装在机架(2)上的各自对应的导轨(7)滑动。

9.一种如权利要求1所述一种变刚度直线驱动装置的变刚度方法，其特征在于：所述变刚度方法包括：

一、正常驱动模式

两个驱动螺母(63)均与触舌干涉，当第二丝杠(52)转动时，两个驱动螺母(63)在第二丝杠(52)作用下均轴向移动，不随第二丝杠(52)转动，两个驱动螺母(63)间距不变，实现直线驱动装置的位置输出；

二、变刚度模式触发前

第一直线驱动器(1)驱动滑块(4)运动到B点时，第二直线驱动器上的驱动螺母(63)带动模块座(61)作与滑块(4)相反的运动直至抵靠第二电机(51)，此时触舌(31)依然阻碍两个驱动螺母(63)随第二丝杠(52)转动；

三、触发变刚度模式

第二直线驱动器的模块座(61)抵靠第二电机(51)、第一直线驱动器(1)继续驱动滑块(4)运动到达特殊位置C点过程中，滑块(4)推动触舌(31)移动，进入变刚度模式，到达特殊位置C点时靠近第二电机(51)的驱动螺母(63)不再与触舌(31)相接触，而另一个驱动螺母(63)被触舌(31)限制不能转动；

四、变刚度过程

第二直线驱动器的第二丝杠(52)转动，第二丝杠(52)与其中一个驱动螺母(63)间的滑动摩擦力使其中一个驱动螺母(63)有转动趋势；模块座(61)、轴向止推转动件(62)及其中一个非线性弹簧(63)间的滚动摩擦使其中一个驱动螺母(63)有不跟随第二丝杠(52)转动的趋势，滚动摩擦力和滑动摩擦力共同作用下，其中一个驱动螺母(63)将随第二丝杠(52)一同转动，对于另一个驱动螺母(63)，由于触舌(31)的干涉不随第二丝杠(52)转动而直线移动，使两个驱动螺母(63)的间距增加，非线性弹簧(63)初始压缩量增加，第二直线驱动器刚度增加，此时，滑块(4)反向移动，触舌(31)在弹簧(32)的作用下复位后，从变刚度模式下退出，恢复第一直线驱动器(1)的正常驱动模式；如上的相反操作，两个驱动螺母(63)间距减小，弹簧(32)初始压缩量减小，驱动刚度减小，如此反复，实现变刚度调节。

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