CN113334356B - 一种被动变刚度串联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动变刚度串联弹性驱动器，通过电机组件产生扭矩，由传动组件带动与输出件周向位置固定的丝杠螺母转动，在工作过程中丝杠的旋转运动受到小腿的约束，因此螺母转动致使输出件移动。在外部载荷的作用下，输出件上套接的板簧端部滚针轴承沿输出件前端滑道滚动产生相对位移，体现出串联弹性特性。直线电位器可记录下所述凸轮与板簧间的相对位移，进而根据设计的刚度曲线，即变形‑力曲线计算得到施加于驱动器的外部负载，由于受力平衡，外部负载与驱动器输出的力相等。本发明驱动器刚度可随外部负载改变，与定刚度串联弹性驱动器相比，可保证低刚度时的力测量分辨率与高刚度时的控制带宽。

Description

一种被动变刚度串联弹性驱动器

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种被动变刚度串联弹性驱动器，可用于外骨骼机器人。

背景技术

传统的工业机器人为了实现精确控制工作空间中的位置和速度，减小运动误差，便于控制，多采用刚性驱动器进行驱动。然而，随着机器人技术的不断发展，机器人与环境以及人类之间的交互性能也日益提升，因此需要机器人具有一定的柔顺性与安全交互能力。1995年，麻省理工学院Gill A.Pratt提出了串联弹性驱动器的概念，通过在电机驱动端与负载端之间串联一个弹性元件，可将力控制问题转化为位置控制问题，极大地提高了力控制精度，同时还可以提高系统柔性，加强系统抗冲击性能，提升与外部环境交互的安全性。

外骨骼设备是一种可穿戴装置，主要应用于瘫痪病人的康复训练及正常人的助力行走。目前，国内外研究人员对下肢外骨骼设备的研究主要集中于刚性驱动外骨骼，且主要考虑对髋关节与膝关节的驱动，忽略了踝关节的重要作用。在关节中使用串联弹性驱动器可以实现精确的力/力矩控制，减小输出阻抗，提高人机交互安全性。然而现有串联弹性驱动器多采用刚度恒定的弹性体，很难同时实现高力控带宽与高力测量分辨率，且驱动器能量效率不高。为提升驱动器上述性能，可设计一种刚度随负载变化的被动变刚度串联弹性驱动器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种刚度可以调节的串联弹性驱动器，通过改变整个驱动器的等效刚度，进而实现刚度可控；测量驱动器在负载下弹性体的形变，即可获得驱动器的受力情况，实现力控制。

本发明被动变刚度串联弹性驱动器，包括背侧固定板、输入杆、输出件、丝杠组件、电机组件、传动组件、板簧组件与直线电位器。

所述输出件末端固定于背侧固定板中部，输出件前部两侧设计有对称的滑道；输出件前端设计有平台；平台与背侧固定板间安装有输入杆。

丝杠组件中，丝杠置于输出件中部通道内，丝杠前端用于连接小腿杆；丝杠螺母周向上通过轴承安装于平台上的轴承座内，使丝杠螺母与输出件间的轴向固定；丝杠螺母由电机组件驱动，传动组件传动实现旋转；

板簧组件套于输出件以及输入杆上；板簧组件具有相对的板簧以及板簧端部安装的滚针轴承，分别与输出件前部两侧滑道配合滑动；滚针轴承与板簧间的相对位移，由直线电位器测量。

由此通过上述电机组件产生一个扭矩并带动所述小带轮转动，所述小带轮通过所述同步带带动大带轮转动，所述大带轮带动所述丝杠螺母转动，在工作过程中所述丝杠旋转运动受到约束，所述螺母转动致使所述输出件移动。在外部载荷的作用下，滚针轴承与板簧之间受力，从而二者之间产生相对位移，进而体现出串联弹性特性。直线电位器可记录下所述凸轮与板簧间的相对位移，进而根据设计的刚度曲线，即变形-力曲线计算得到施加于驱动器的外部负载，由于受力平衡，外部负载与驱动器输出的力相等。

本发明的优点在于：

(1)本发明刚度可以调节的串联弹性驱动器，可针对设计需求，通过设计凸轮形状和板簧结构尺寸实现驱动器串联弹性部件刚度曲线定制化设计；

(2)本发明刚度可以调节的串联弹性驱动器，驱动器刚度可随外部负载改变，与定刚度串联弹性驱动器相比，可保证低刚度时的力测量分辨率与高刚度时的控制带宽；

(3)本发明刚度可以调节的串联弹性驱动器，可针对具体工作时的力-位移曲线，进行驱动器刚度曲线优化设计，提高驱动器能量利用效率.

附图说明

图1是本发明被动变刚度串联弹性驱动器整体结构示意图。

图2是本发明被动变刚度串联弹性驱动器沿着前视基准面的剖面图。

图3是本发明被动变刚度串联弹性驱动器沿着上视基准面的剖面图。

图4是本发明被动变刚度串联弹性驱动器中凸轮的结构示意图。

图5是本发明一种被动变刚度串联弹性驱动器板簧的结构示意图。

图中：

1-背侧固定板 2-输入杆 3-输出件 4-丝杠组件

5-电机组件 6-传动组件 7-板簧组件 8-直线电位器

301-滑道 302-平台 401-丝杠 402-丝杠螺母

403-轴承盖 404-关节连接件 404-丝杠螺母套 501-电机

502-电机架 503-轴支撑 601-大带轮 602-小带轮

603-传动带 701-底座 702-板簧 703-滚针轴承

801-电位器连接架 802-滑槽 803-滑动轴

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明被动变刚度串联弹性驱动器，包括背侧固定板1、输入杆2、输出件3、丝杠组件4、电机组件5、传动组件6、板簧组件7与直线电位器8，如图1所示。

如图2、图3所示，所述背侧固定板1顶面两侧相对位置安装有两根垂直于背侧固定板1顶面设置的输入杆2。输出件3轴向垂直于背侧固定板1顶面设置，后部为杆状结构，末端固定于背侧固定板1顶面中心位置。如图4所示，输出件3前部为凸轮结构，两侧具有对称的凹进面作为与运动部件配合的滑道301，滑道301的廓形设计，需根据与其配合的运动部件的运动轨迹来设计。输出件3前端端面为平行于背侧固定板1的平台302，且该平台302底面相对位置与两根输入杆2前端固定。

所述丝杠组件4包括丝杠401、丝杠螺母402、轴承盖403与丝杠螺母套404。其中，丝杠401同轴置于前述输出件3轴向上的通道内，周向上与通道内壁间存在间隙；同时丝杠401末端套有滑套，滑套通过丝杠401末端螺纹连接的滑套锁紧螺母固定与丝杠401末端；且滑套与通道内壁间间隙配合，限制丝杠401在通道内的径向移动。丝杠401上螺纹套接有丝杠螺母402，丝杠螺母403外部螺纹套接有圆筒结构丝杠螺母套405，丝杠螺母套405通过沿轴向设置的两个轴承安装于轴承座403内，该轴承座403通过螺钉固定安装于前述输出件3前端平台302顶面上，且由轴承座3前端面周向上设计的轴承挡圈与平台302共同限制两个轴承以及丝杠螺母403的轴向位移，同时实现了丝杠螺母403与输出件3件的轴向定位。上述丝杠401前端固定套接有关节连接件404，关节连接件404中心开孔，孔内安装有石墨铜套，用于连接小腿杆。

所述电机组件5用于为丝杠组件4的运动提供动力，包括电机501、电机架502与轴支撑503。其中，电机架502固定安装于前述轴承座403外壁上，电机架502上固定安装电机501，且电机501输出轴垂直于背侧固定板1顶面设置。轴支撑503固定于电机架502上，电机501输出轴穿过轴支撑503上的开孔，与轴支撑503间通过轴承连接。上述电机501用于提供转速和转矩，且具有电机编码器，通过电机编码器测量电机501的转动，从而便于控制系统对于电机的控制。

所述传动组件6用于向丝杠组件4传递电机组件5输出的驱动力，包括大带轮601、小带轮602与传动带603。其中大带轮601通过中心孔套于丝杠401上，周向上与丝杠401间存在间隙；同时大带轮601与轴承盖403内的丝杠螺母套405周向上通过等角度间隔设置的螺钉固定。小带轮602同轴固定于电机501的输出轴上，小带轮602与大带轮601间通过传动带603套接。

所述板簧组件7包括底座701、板簧702与滚针轴承703。其中，底座701顶面左右两侧各安装有两根板簧702，且左侧两根板簧702与右侧两根板簧702位置对称，如图5所示。左侧与右侧的两根板簧702顶端间安装有滚针轴承703。上述底座701中部开孔通过衬套套于输出件3后部；同时位于中部开孔的左右两侧开孔分别通过直线轴承套于两根输入杆2上；同时使底座701两侧板簧702顶端的滚针轴承703分别位于输出件3前部两侧滑道301处，且在板簧702处于自由状态时，底座701左右两侧板簧702顶端的滚针轴承703与输出件3前部两侧滑道301最低位置贴合。上述滚针轴承703与板簧702的组合用于非线性弹性体的设计，通过选择板簧702的结构尺寸并设计滚针轴承703的形状，可以实现不同的预定义的刚度曲线定制化设计。

如图1所示，所述直线电位器8固定安装于电位器连接架801上，电位器连接架801为杆状结构，平行于丝杠401设置，两端分别固定安装于背侧固定板1与输出件3的前端平台302上。直线电位器8具有沿丝杠401轴向设计的滑槽802；同时在板簧组件7的底座701侧壁上安装有滑块802，该滑块802侧部安装有滑动轴803，滑动轴803垂直于滑槽801插入且端部插入滑槽802内，使得在板簧组件701移动过程中，滑动轴802可沿滑槽802滑动。

最终，由电机501产生一个扭矩并带动小带轮602转动，小带轮602通过传动带603带动大带轮601转动，进一步由大带轮601带动丝杠螺母402转动。在工作过程中，由于丝杠401旋转运动受到小腿杆的约束，丝杠螺母402转动致使此时丝杠螺母402会沿丝杠401轴向移动。由于丝杠螺母402与输出件3件轴向位置固定，因此丝杠螺母402的移动会带动输出件3以及与输出件相连的部件(电机组件5、传动组件6与直线电位器8)一同移动，在外部载荷的作用下，板簧组件7两侧的滚针轴承703分别沿输出件3前部凸轮结构两侧的滑道301滚动，滚针轴承703与板簧702之间受力，板簧702产生形变，二者之间产生相对位移，进而体现出串联弹性特性。由于直线电位器8本质上是一个滑动变阻器，因此当板簧702发生形变的时候，直线电位器的电位会发生变化，即可由直线电位器1-5可记录下凸轮1-8与板簧1-7间的相对位移；上述过程中，通过直线电位器8可记录下滚针轴承703与板簧702间的相对位移，进而根据设计的刚度曲线，即变形-力曲线计算得到施加于驱动器的外部负载，由于受力平衡，外部负载与驱动器输出的力相等。通过整体结构改变整个驱动器的等效刚度，进而实现刚度可控。测量驱动器在负载下弹性体的形变，即可获得驱动器的受力情况，这就能实现力控制。

本发明被动变刚度串联弹性驱动器，可针对设计需求，通过设计板簧结构尺寸实现驱动器串联弹性部件刚度曲线定制化设计。

Claims (7)

1.一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：包括背侧固定板、输入杆、输出件、丝杠组件、电机组件、传动组件、板簧组件与直线电位器；

所述输出件末端固定于背侧固定板中部，输出件前部两侧设计有对称的滑道；输出件前端设计有平台；平台与背侧固定板间安装有输入杆；

丝杠组件中，丝杠置于输出件中部通道内，丝杠前端用于连接小腿杆；丝杠螺母周向上通过轴承安装于平台上的轴承座内，使丝杠螺母与输出件间的轴向固定；丝杠螺母由电机组件驱动，传动组件传动实现旋转；

板簧组件套于输出件以及输入杆上；板簧组件具有相对的板簧以及板簧端部安装的滚针轴承，分别与输出件前部两侧滑道配合滑动；滚针轴承与板簧间的相对位移，由直线电位器测量；直线电位器固定安装于电位器连接架上，电位器连接架为杆状结构，平行于丝杠设置，两端分别固定安装于背侧固定板与输出件的前端平台上；直线电位器具有沿丝杠轴向设计的滑槽；同时在板簧组件上安装有滑块，滑块侧部安装有滑动轴，滑动轴垂直于滑槽插入滑槽内。

2.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：电机组件中，电机通过电机架安装于轴承座上。

3.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：所述传动组件包括大带轮、小带轮与传动带；其中大带轮通过中心孔套于丝杠上，周向上与丝杠间存在间隙；同时大带轮与轴承盖内的丝杠螺母间固定；小带轮固定于电机的输出轴上，小带轮与大带轮间通过传动带套接。

4.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：板簧组件包括底座、板簧与滚针轴承；其中，底座顶面左右两侧各安装有两根板簧，且左侧两根板簧与右侧两根板簧位置对称；左侧与右侧的两根板簧顶端间安装有滚针轴承。

5.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：板簧组件与输出件间通过衬套套接，与输入杆间通过直线轴承套接。

6.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：在板簧处于自由状态时，滚针轴承与输出件前部两侧滑道最低位置贴合。

7.如权利要求1所述一种被动变刚度串联弹性驱动器，其特征在于：丝杠末端套有滑套，滑套通过丝杠末端螺纹连接的滑套锁紧螺母固定与丝杠末端；且滑套与通道内壁间间隙配合，限制丝杠的径向移动。

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