CN112901443A - 一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气源驱动器领域，尤其涉及一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，包括：电机、减速器、执行组和外壳，由所述电机输出高速转动运动，经过所述减速器传动变为低速转动运动，进一步通过所述二级齿轮的输出轴与螺杆配合，将转动运动变换为螺杆的自转，进一步通过所述螺杆与所述活塞块螺纹连接，将所述螺杆的自转变换为所述活塞块在所述缸体内的前后移动，且通过所述螺杆和所述活塞块配合作为滑动变阻器进行位置反馈。本发明采用电机驱动并通过螺杆限位结构将转动转化为气动，通过对电机的控制可以实时精准控制，将电机转动变换为气体输入输出，结构简洁轻量，体积紧凑，能对当前所输出的气量进行反馈控制，保证了使用安全性。

Description

一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器

技术领域

本发明涉及气源驱动器领域，尤其涉及一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器。

背景技术

当今可穿戴机器人发展迅速，尤其是可穿戴康复训练设备大量涌入市场。这些可穿戴机器人的关节大多采用直线推杆电机直接驱动，高性能的推杆电机虽然也能够使机器人有不错的表现，但是其弊端也非常明显，直线推杆电机驱动需要搭配刚性连杆结构，而刚性连杆结构则存在对病人造成二次伤害的风险。

采用气源驱动的可穿戴设备能够凭借柔性驱动和柔性执行方式很好地解决刚性结构对于可穿戴设备存在二次伤害的问题。而气动可穿戴设备依然存在很多瓶颈，最显著的问题：一是气源驱动方式无法实现精准控制；二是气源驱动机，如气泵等体积都过于庞大，不易应用在可穿戴设备方面；

解决气源驱动的上述问题逐渐成为可穿戴设备驱动领域的一个热点问题，中国专利申请号为：CN 104047832 A的发明专利公开了一种微型气泵，该专利的气泵包含驱动单元及气流控制单元。但仍存在以下问题：

（1）气源驱动无法实现实时的精准控制。

（2）气泵体积较大，结构复杂，不易应用在可穿戴设备驱动领域；

（3）气源驱动无法实现驱动行程反馈，不能对当前所输出的气量进行反馈；

针对上述问题，设计一种能够进行人机融合、驱动手部全关节、运动空间大的外骨骼手部机器人变得十分必要。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，设计了一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，包括电机、减速器、执行组和外壳；

所述电机尾端焊接了所述柔性电路板（FPC），所述柔性电路板用于控制所述电机运行，所述电机的输出轴固连了主动齿轮；

进一步地，所述柔性电路板印刷了用于控制所述电机运行的控制电路，并焊接了电路所需的电子元器件，所述柔性电路板的尾端伸出一排插口，用于与电源或下位机连接，所述柔性电路板的前端设置了电刷触点，电刷触点用于位置反馈检测；

所述减速器包括：齿轮组、轮架和支柱，所述齿轮组包括三组齿轮，相互啮合进行减速传动，所述轮架用于固定所述齿轮组，所述支柱用于支撑所述轮架；

进一步地，所述齿轮组包括：一级齿轮、二级齿轮、支撑齿轮，所述电机的主动齿轮与所述一级齿轮啮合，进行第一级减速传动，所述一级齿轮与所述二级齿轮啮合，进行第二级减速传动，所述二级齿轮与所述支撑齿轮啮合，保证所述二级齿轮传动的稳定性，所述一级齿轮和所述支撑齿轮的前后两端固定在齿所述轮架上，所述二级齿轮的后端固定在齿所述轮架上，前端为一个方形输出轴，用于输出所述电机的机械转动；

进一步地，齿所述轮架包括：前架、中架和后架，三者通过长螺栓连接，并最终通过此螺栓与所述电机螺纹连接，所述支柱套在长螺栓上，分别隔开所述前架、所述中架和所述后架，所隔开的空间用于放置所述齿轮组；

所述执行组包括：螺杆、轴承、活塞块和缸体，所述螺杆与所述活塞块螺纹配合，所述轴承的内圈与所述螺杆过盈配合，所述轴承的外圈与所述外壳接触配合；

进一步地，所述螺杆为镍铬类合金材质，具有良好的电阻率，所述螺杆的尾端有方形键槽，用于和所述二级齿轮的方形输出轴嵌入配合，实现键连接，所述螺杆的长度略短于所述缸体的内腔长度；

进一步地，所述活塞块的长高一面为方形，与所述螺杆螺纹连接后，长高一面垂直所述缸体内腔，所述活塞块的边缘与所述缸体滑动配合，并满足气密性要求，当所述螺杆转动时，活塞由于形状限位，无法跟随所述螺杆进行同步转动，在螺旋推力的作用下会在所述缸体内平动，并随着所述螺杆的旋转方向改变而改变前后平动的方向，实现在所述缸体内的活塞运动，且所述活塞块面向所述电机的一侧的下端留有一个导电触点，当所述活塞块在所述缸体内运动时，该触点可以充分接触所述缸体的内表面；

进一步地，所述缸体的前端为出气口，用于和气路管道连接，所述缸体的尾端套在所述外壳上，并与所述外壳螺纹连接，所述缸体尾端与所述外壳的连接并不要求气密性，反而需要与大气充分连通，所述缸体的内壁涂有绝缘涂层，并保留了一道导电区域，该导电区域长度略小于所述缸体内壁的长度，用于与活塞尾端的导电触点导联；

进一步地，所述活塞块在所述缸体内运动时，所述螺杆由于具有良好的电阻率，所以可以作为电阻，所述柔性电路板前端的电刷触点与所述螺杆的尾端导联接触，所述柔性电路板的延伸导线与所述缸体的导电区域导联接触，所述活塞块、所述螺杆和所述缸体形成一个滑动变阻器，所述活塞块所在的所述螺杆的位置决定了接入所述柔性电路板的阻值，由此可以通过接入所述柔性电路板的阻值，来反向计算所述活塞块的行程位置；

所述外壳前端设置圆形豁口，用于和所述轴承的外圈配合，前端还设置了出线口，用于伸出所述柔性电路板的导线与所述缸体的导电区域导联，所述外壳的尾端设置出线豁口，用于伸出所述柔性电路板的插口；

本发明提供了一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，由所述电机输出高速转动运动，经过所述减速器传动变为低速转动运动，进一步通过所述二级齿轮的输出轴与所述螺杆配合，将转动运动变换为所述螺杆的自转，进一步通过所述螺杆与所述活塞块螺纹连接，并且由于所述活塞块受到所述缸体的运动限位，将所述螺杆的自转变换为所述活塞块在所述缸体内的前后移动，由此，将所述电机的转动变换为所述活塞块的活塞运动，并进一步转换为气缸内气体的输出与输入，构造了一个气源驱动器；

进一步地，由于所述活塞块、所述螺杆和所述缸体形成一个滑动变阻器，可以通过接入所述柔性电路板的阻值，来反向计算所述活塞块的行程位置，来控制气体的输入输出量，实现精准气动控制；

进一步地，由于所述螺杆的长度和所述缸体内的导电区域长度都略小于敢提内壁的长度，所以当所述电机失控无法停止转动时，一方面，所述活塞块在旋转到所述螺杆末端后会脱出与所述螺杆的配合，实现停止输出气体，另一方面，所述活塞块尾端的导电触点会失去与所述缸体内部导电区域的导联接触，形成断路，所述柔性电路板掉电从而迫使所述电机停止转动，实现停止输出气体，从而实现了安全限位；

由于采用上述技术方案，本发明提供一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）气源驱动器通过对所述电机的控制可以实时精准控制；

（2）气源驱动器利用所述螺杆和活塞的配合，将所述电机转动变换为气体输入输出，结构简洁轻量，体积紧凑，适合应用在可穿戴设备驱动领域；

（3）气源驱动器可以实现驱动行程反馈，能对当前所输出的气量进行反馈控制，同时也设置了安全限位，保证了使用安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器整体结构示意图；

图2为本发明提供的电机和减速器配合示意图；

图3为本发明提供的电机和柔性电路板示意图；

图4为本发明提供的减速器结构示意图；

图5至图7为本发明提供的螺杆以及其配合示意图；

图8为本发明提供的缸体示意图；

图9为本发明提供的电机外壳示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，的实施例是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，具体结构如图1和图2所示，包括电机1、减速器2、执行组3和外壳4；

具体地，下文将结合附图对具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器的结构及原理进行描述：

图3展示的是电机1和柔性电路板11的示意图，电机1尾端焊接了柔性电路板11（FPC），柔性电路板11用于控制电机1运行，电机1的输出轴固连了主动齿轮；柔性电路板11印刷了用于控制电机1运行的控制电路，并焊接了电路所需的电子元器件，柔性电路板11的尾端伸出一排插口，用于与电源或下位机连接，柔性电路板11的前端设置了电刷触点，电刷触点用于位置反馈检测；

图4展示的减速器2的具体结构，减速器2包括：齿轮组21、轮架22和支柱23，齿轮组21包括三组齿轮，相互啮合进行减速传动，轮架22用于固定齿轮组21，支柱23用于支撑轮架22，齿轮组21包括：一级齿轮211、二级齿轮212、支撑齿轮213，电机1的主动齿轮与一级齿轮211啮合，进行第一级减速传动，一级齿轮211与二级齿轮212啮合，进行第二级减速传动，二级齿轮212与支撑齿轮213啮合，保证二级齿轮212传动的稳定性，一级齿轮211和支撑齿轮213的前后两端固定在齿轮架22上，二级齿轮212的后端固定在齿轮架22上，前端为一个方形输出轴，用于输出电机1的机械转动，齿轮架22包括：前架221、中架222和后架223，三者通过长螺栓连接，并最终通过此螺栓与电机1螺纹连接，支柱23套在长螺栓上，分别隔开前架221、中架222和后架223，所隔开的空间用于放置齿轮组21；

图5至图7展示的是执行组3的具体结构，执行组3包括螺杆31、轴承32、活塞块33和缸体34，螺杆31与活塞块33螺纹配合，轴承32的内圈与螺杆31过盈配合，轴承32的外圈与外壳4接触配合，螺杆31为镍铬类合金材质，具有良好的电阻率，螺杆31的尾端有方形键槽，用于和二级齿轮212的方形输出轴嵌入配合，实现键连接，螺杆31的长度略短于缸体34的内腔长度，活塞块33的长高一面为方形，与螺杆31螺纹连接后，长高一面垂直缸体34内腔，活塞块33的边缘与缸体34滑动配合，并满足气密性要求，当螺杆31转动时，活塞由于形状限位，无法跟随螺杆31进行同步转动，在螺旋推力的作用下会在缸体34内平动，并随着螺杆31的旋转方向改变而改变前后平动的方向，实现在缸体34内的活塞运动，且活塞块33面向电机1的一侧的下端留有一个导电触点，当活塞块33在缸体34内运动时，该触点可以充分接触缸体34的内表面，活塞块33在缸体34内运动时，螺杆31由于具有良好的电阻率，所以可以作为电阻，柔性电路板11前端的电刷触点与螺杆31的尾端导联接触，柔性电路板11的延伸导线与缸体34的导电区域导联接触，活塞块33、螺杆31和缸体34形成一个滑动变阻器，活塞块33所在的螺杆31的位置决定了接入柔性电路板11的阻值，由此可以通过接入柔性电路板11的阻值，来反向计算活塞块33的行程位置；

图9展示的外壳4的结构，外壳4前端设置圆形豁口，用于和轴承32的外圈配合，前端还设置了出线口，用于伸出柔性电路板11的导线与缸体34的导电区域导联，外壳4的尾端设置出线豁口，用于伸出柔性电路板11的插口；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，其特征在于，包括：

电机（1），电机（1）尾端焊接了柔性电路板（11）（FPC），柔性电路板（11）用于控制电机（1）运行；

减速器（2），减速器（2）包括多级齿轮传动，对电机（1）的转速进行调整和输出；

执行组（3），执行组（3）将减速器（2）输出的转动运动转化为活塞块（33）在缸体（34）内部的活塞运动，实现气体的输入与输出；

外壳（4），外壳（4）容纳电机（1）与减速器（2），并和执行组（3）的缸体（34）配合连接。

2.根据权利要求（1）所述的一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，其特征在于，执行组（3）包括螺杆（31）、轴承（32）、活塞块（33）和缸体（34），螺杆（31）与活塞块（33）螺纹配合，螺杆（31）的尾端有方形键槽，用于和减速器（2）的二级齿轮（212）的方形输出轴嵌入配合，实现键连接，活塞块（33）的长高一面为方形，与螺杆（31）螺纹连接后，长高一面垂直缸体（34）内腔，活塞块（33）的边缘与缸体（34）滑动配合，并满足气密性要求，当螺杆（31）转动时，活塞由于形状限位，无法跟随螺杆（31）进行同步转动，在螺旋推力的作用下会在缸体（34）内平动，并随着螺杆（31）的旋转方向改变而改变前后平动的方向，实现在缸体（34）内的活塞运动。

3.根据权利要求（2）所述的一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，其特征在于，活塞块（33）面向电机（1）的一侧的下端留有一个导电触点，缸体（34）的内壁涂有绝缘涂层，并保留了一道导电区域，该导电区域长度略小于缸体（34）内壁的长度，当活塞块（33）在缸体（34）内运动时，该触点可以充分接触缸体（34）的内表面的导电区域，活塞块（33）在缸体（34）内运动时，螺杆（31）为镍铬类合金材质，具有良好的电阻率，可以作为电阻，柔性电路板（11）前端的电刷触点与螺杆（31）的尾端导联接触，柔性电路板（11）的延伸导线与缸体（34）的导电区域导联接触，活塞块（33）、螺杆（31）和缸体（34）形成一个滑动变阻器，活塞块（33）所在的螺杆（31）的位置决定了接入柔性电路板（11）的阻值，由此可以通过接入柔性电路板（11）的阻值，来反向计算活塞块（33）的行程位置。

4.根据权利要求（3）所述的一种具有位置反馈功能的往复推杆气源驱动器，其特征在于，由于螺杆（31）的长度和缸体（34）内的导电区域长度都略小于敢提内壁的长度，所以当电机（1）失控无法停止转动时，一方面，活塞块（33）在旋转到螺杆（31）末端后会脱出与螺杆（31）的配合，实现停止输出气体，另一方面，活塞块（33）尾端的导电触点会失去与缸体（34）内部导电区域的导联接触，形成断路，柔性电路板（11）掉电从而迫使电机（1）停止转动，实现停止输出气体，实现了安全限位。

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