CN112549012A - 一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器及控制方法，它包括电机部分、减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分。所述的弹性元件为铰链式涡簧片,主要特点为轻薄简便。所述元件分为外圈和内圈，外圈与电机端连接，内圈和输出端连接，通过测量内外圈的相对角位移可以得出力矩信息，并且可以实现碰撞缓冲的作用。

Description

一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，具体是一种用于康复医疗机器人的串联加入了铰链式弹性元件的驱动器及控制方法。

背景技术

随着科技的高速发展，机器人技术已不再局限于工业技术领域，开始应用于具有人机交互性质的服务以及医疗领域。对于工业机器人来说，大多数都采用刚性直驱的方式。刚性驱动器能够实现快速精确的运动控制，但该方式增大了关节惯量、降低了关节运动灵活性；并且不能应对外部碰撞和冲击问题，尤其在受到较大的外部冲击力时，造成机械本体的振动，这对于应用于服务和医疗机器人是较大问题。也有康复机器人用绳驱驱动代替直驱关节，利用套索来间接地传输力，能在一定程度上降低运动臂关节处的刚性，但是传递路径需要增加多个张紧轮，结构复杂。

为了解决上述驱动的不足，增强人机交互的安全性和对未知环境的适应性,各式各样的串联弹性驱动器被提出。相比传统的刚性驱动器，串联弹性驱动器的优点是：其控制系统中通过反馈柔性机构形变产生的位移信号来实现对输出力或力矩的控制，控制方式简单且高效；其柔性机构能有效抵抗外部冲击载荷，从而保护了机体组件的安全；其柔性机构还具备储能作用，能很好地提高串联弹性驱动的输出效率。因此采用串联弹性驱动作为康复医疗外骨骼机器人的直驱运动关节可以很好地解决人机交互的安全性问题。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号CN201710242884.5，该发明公开了一种由两个扭簧单体作为弹性元件组成的出串联弹性驱动器，包括了驱动元件以及制动元件，能够较好地实现驱动器的柔性缓冲作用。但该驱动器弹性元件结构较为复杂，加工难度较大。

中国专利申请号CN201811217386.6，该发明公开了一种用于上肢康复机器人的串联弹性驱动器，包括了电机、法兰盘以及柔性体，增加了驱动关节的稳定性，降低外界对系统的干扰。但该柔性体体积较大，不够轻便。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术不足，开发了一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器。核心是开发一种结构简单，轻便简洁的串联弹性驱动器。本设计的核心内容为弹性元件的设计，该设计为盘状铰链式结构，分为外圈和内圈，中间通过非均匀螺旋梁连接。其中内圈连接电机端，外圈和输出部分连接，通过内外圈转动不同步实现驱动器的柔性功能；而非均匀螺旋梁的设计既能满足强度要求，也显著地增加了弹性元件的最大转角，得到理想的刚度。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括：电机部分、减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分。

一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，电机部分、减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分，所述电机部分输出与减速器部分配接，弹性元件部分设置在减速器部分上，输出部分与弹性元件部配接后与反馈部分配接，反馈部分同时配接在弹性元件部分。

在上述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，所述的电机部分包括：电机、电机壳；电机通过螺钉连接与电机壳固连，电机壳留有空间方便线路安排，并通过螺钉与后面的输出壳相连。

在上述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，所述的减速器部分包括：减速器套筒、轴套、谐波减速器以及连接件；其中，减速器套筒外圈和谐波减速器刚轮连接，并与输出壳固连，以对谐波减速器进行轴向定位；谐波减速器包括刚轮、柔轮以及波发生器；刚轮与套筒相连，波发生器内孔安装轴套，电机轴与轴套相连，进而带动波发生器旋转；柔轮为谐波减速器的输出端，通过与连接件把运动传递到弹性元件部分。

在上述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，所述的弹性元件部分包括：铰链式涡簧片；所述的铰链式涡簧片外圈与谐波减速器连接件相连，内圈与输出连接件相连，外圈和内圈通过非均匀螺旋梁传递运动，非均匀螺旋梁的设计经过仿真计算以使得弹性元件的刚度保持恒定值。

在上述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，所述的输出部分包括：输出连接件、轴承、轴承盖、输出壳以及输出盘；其中输出连接件前端与铰链式涡簧片外圈相连，后端套在轴承内圈，后端开孔放置迷你编码器；轴承外圈与输出壳连接，内圈连接输出连接件；轴承盖安装于输出壳上，对轴承进行轴向定位；输出壳与电机壳连接，使得减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分形成一个整体，增强整体结构的紧凑型和可靠性；输出盘为整个串联弹性驱动器的输出部分，和输出连接件连接，并对迷你编码器进行封装保护。

在上述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，所述的反馈部分包括：迷你编码器以及编码器支架；迷你编码器和编码器支架连接在一起，编码器支架包括两个部分：固定部分以及活动部分；固定部分和上述输出连接件连接，活动部分和上述铰链式涡簧片内圈连接；迷你编码器外壳与固定部分连接，旋转轴与活动部分连接；这样，当铰链式涡簧片内外圈发生相对转角时，编码器支架的两部分也发生相对转角，即编码器转轴转过一个角度；通过程序处理，就可以把这个角度转换为此时驱动器的输出力矩，从而对系统进行反馈控制。

一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电机上电后，电机轴开始带动谐波减速器6旋转，铰链式涡簧片8外圈和谐波减速器柔轮连接，运动传递到外圈；

当负载一定时，外圈相对于内圈转过一个特定的角位移时，内圈才会开始转动，进而带动输出端旋转。在输出部分安装有编码器，实时检测相对角位移，由于弹性元件刚度一定，能够直接得出输出端的力矩信息，反馈回驱动器即可实现力矩控制；

在驱动器正常运行时，相对角位移是一定的，当输出端负载突然加大或者发生碰撞时，这个相对角位移会突然变大，使得对于电机的冲击得到减小，并有缓冲时间对突发情况做出反应。

因此，本发明具有如下优点：(1)弹性元件在工作范围内具有较为一致的刚度特性，转矩与转角差呈线性关系，即弹性元件的刚度为常数；(2)弹性元件为整体式非均匀螺旋梁铰链结构，轻薄简洁，拥有更大的相对转角；(3)串联弹性驱动器可以通过编码器测量的弹性元件转角差进行力矩控制，并且具备缓冲性能。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是本发明的剖视图。

图3是铰链式涡簧片示意图。

图4是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例子。

如图1、图2和图3所示，本串联弹性驱动器包括：电机部分、减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分。

所述的电机部分包括：电机1、电机壳2。电机1通过螺钉连接与电机壳2固连，电机壳留有空间方便线路安排，并通过螺钉与后面的输出壳3相连。

如图1所示，所述的减速器部分包括：减速器套筒5、轴套4、谐波减速器6以及连接件7。其中，减速器套筒5外圈和谐波减速器刚轮连接，并与输出壳3固连，以对谐波减速器6进行轴向定位。谐波减速器6包括刚轮、柔轮以及波发生器。刚轮与套筒5相连，波发生器内孔安装轴套，电机轴与轴套4相连，进而带动波发生器旋转。柔轮为谐波减速器6的输出端，通过与连接件把运动传递到弹性元件部分。

如图3所示，所述的弹性元件部分包括：铰链式涡簧片8。柔性铰链是一种结构简单、形状规则的弹性支撑，体积小且无机械摩擦，其中间的薄弱部分在力矩的作用下可以产生明显的弹性形变，能在机械结构中起到铰链的作用。从工作原理上讲，柔性铰链利用的是弹性材料在弹性范围内受力变形后自动恢复的特性(类似于弹簧的弹性形变)，同时没有一般铰链在机械结构上的间隙，使其消除了传动过程中的回退空程和机械摩擦，能获得较高的位移分辨率。所述的铰链式涡簧片8外圈与谐波减速器连接件相连，内圈与输出连接件相连，外圈和内圈通过非均匀螺旋梁传递运动，非均匀螺旋梁的设计经过仿真计算以使得弹性元件的刚度保持恒定值。

如图1和图2所示，所述的输出部分包括：输出连接件9、轴承10、轴承盖11、输出壳3以及输出盘12。其中输出连接件9前端与铰链式涡簧片8外圈相连，后端套在轴承10内圈，后端开孔放置迷你编码器14。轴承外圈与输出壳3连接，内圈连接输出连接件。轴承盖11安装于输出壳3上，对轴承10进行轴向定位。输出壳3与电机壳3连接，使得减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分形成一个整体，增强整体结构的紧凑型和可靠性。输出盘为整个串联弹性驱动器的输出部分，和输出连接件连接，并对迷你编码器14进行封装保护。

如图2所示，所述的反馈部分包括：迷你编码器14以及编码器支架13。迷你编码器14和编码器支架13连接在一起，编码器支架13包括两个部分：固定部分以及活动部分。固定部分和上述输出连接件连接，活动部分和上述铰链式涡簧片8内圈连接；迷你编码器14外壳与固定部分连接，旋转轴与活动部分连接。这样，当铰链式涡簧片8内外圈发生相对转角时，编码器支架13的两部分也发生相对转角，即编码器转轴转过一个角度。通过程序处理，就可以把这个角度转换为此时驱动器的输出力矩，从而对系统进行反馈控制。

本实例的串联弹性驱动器工时：在电机上电后，电机轴开始带动谐波减速器6旋转，铰链式涡簧片8外圈和谐波减速器柔轮连接，运动传递到外圈，当负载一定时，外圈相对于内圈转过一个特定的角位移时，内圈才会开始转动，进而带动输出端旋转。在输出部分安装有编码器，可以实时检测相对角位移，由于所设计的弹性元件刚度一定，经过程序处理，可以直接得出输出端的力矩信息，反馈回驱动器即可实现力矩控制。在驱动器正常运行时，相对角位移是一定的，当输出端负载突然加大或者发生碰撞时，这个相对角位移会突然变大，使得对于电机的冲击得到减小，并有缓冲时间对突发情况做出反应。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，电机部分、减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分，所述电机部分输出与减速器部分配接，弹性元件部分设置在减速器部分上，输出部分与弹性元件部配接后与反馈部分配接，反馈部分同时配接在弹性元件部分。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，所述的电机部分包括：电机、电机壳；电机通过螺钉连接与电机壳固连，电机壳留有空间方便线路安排，并通过螺钉与后面的输出壳相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，所述的减速器部分包括：减速器套筒、轴套、谐波减速器以及连接件；其中，减速器套筒外圈和谐波减速器刚轮连接，并与输出壳固连，以对谐波减速器进行轴向定位；谐波减速器包括刚轮、柔轮以及波发生器；刚轮与套筒相连，波发生器内孔安装轴套，电机轴与轴套相连，进而带动波发生器旋转；柔轮为谐波减速器的输出端，通过与连接件把运动传递到弹性元件部分。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，所述的弹性元件部分包括：铰链式涡簧片；所述的铰链式涡簧片外圈与谐波减速器连接件相连，内圈与输出连接件相连，外圈和内圈通过非均匀螺旋梁传递运动，非均匀螺旋梁的设计经过仿真计算以使得弹性元件的刚度保持恒定值。

5.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，所述的输出部分包括：输出连接件、轴承、轴承盖、输出壳以及输出盘；其中输出连接件前端与铰链式涡簧片外圈相连，后端套在轴承内圈，后端开孔放置迷你编码器；轴承外圈与输出壳连接，内圈连接输出连接件；轴承盖安装于输出壳上，对轴承进行轴向定位；输出壳与电机壳连接，使得减速器部分、弹性元件部分、输出部分以及反馈部分形成一个整体，增强整体结构的紧凑型和可靠性；输出盘为整个串联弹性驱动器的输出部分，和输出连接件连接，并对迷你编码器进行封装保护。

6.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的串联弹性驱动器，其特征在于，所述的反馈部分包括：迷你编码器以及编码器支架；迷你编码器和编码器支架连接在一起，编码器支架包括两个部分：固定部分以及活动部分；固定部分和上述输出连接件连接，活动部分和上述铰链式涡簧片内圈连接；迷你编码器外壳与固定部分连接，旋转轴与活动部分连接；这样，当铰链式涡簧片内外圈发生相对转角时，编码器支架的两部分也发生相对转角，即编码器转轴转过一个角度；通过程序处理，就可以把这个角度转换为此时驱动器的输出力矩，从而对系统进行反馈控制。

7.一种权利要求1所述的基于柔性铰链的串联弹性驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电机上电后，电机轴开始带动谐波减速器[6]旋转，铰链式涡簧片[8]外圈和谐波减速器柔轮连接，运动传递到外圈；

当负载一定时，外圈相对于内圈转过一个特定的角位移时，内圈才会开始转动，进而带动输出端旋转，在输出部分安装有编码器，实时检测相对角位移，由于弹性元件刚度一定，能够直接得出输出端的力矩信息，反馈回驱动器即可实现力矩控制；

在驱动器正常运行时，相对角位移是一定的，当输出端负载突然加大或者发生碰撞时，这个相对角位移会突然变大，使得对于电机的冲击得到减小，并有缓冲时间对突发情况做出反应。

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