CN113334425A - 具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，包括驱动部件、刚度调节部件、输出部件与角度传感器部件。其中，副电机转动可使丝杠螺母上的凸出端在沿遥杆上的滑槽移动，实现变刚度调节，假设丝杠螺母在滑槽中的位置一定，当外部负载为零时，与遥杆和输出部件相连的弹簧不产生变形，主电机会带动曲柄和输出部件同步转动，当外部负载不为零时，在主电机的带动下，弹簧变形，曲柄与输出部件不同步转动，形成缓冲保护；本发明引用大刚度涡卷弹簧，丝杠螺母凸出端能到达摇杆滑槽的极限位置，理论上可以实现刚度调节范围为0～∞；本发明引入丝杆，在无负载时，副电机可以极小的力调节丝杠螺母的在滑槽内的位置，实现低能耗的功能。

Description

具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器

技术领域

本发明属于柔性驱动技术领域，具体涉及一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚驱动器。

背景技术

传统的机器人多采用刚性关节，随着机器人技术的飞速发展，机器人的应用也不在只用于工业场所，而是与人的交互关系日益广泛，越来越走近人们的生活当中去，这就需要对驱动的柔顺性提出一定要求，以免在机器人误操作或故障时与人发生碰撞而导致危险的发生。此外，复杂多变的环境和工况要求机器人驱动器可以对其刚度进行实时调整，大的刚度调节范围是机器人适应更广泛任务需求的重要保证，而现行存在的一些变刚度驱动器普遍存在调刚范围小、控制难度高以及能耗大等问题，因此设计一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，刚度调节范围大，控制简单。

本发明具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，包括驱动部件、刚度调节部件、输出部件与角度传感器部件。

所述驱动部件包括顶部固定板、侧部固定板、电机部件以及电机输出部件。其中，侧部固定板与电机部件固定于上侧固定板相对位置；由电机部件驱动输出部件转动。

所述刚度调节部件包括曲柄输入件、第二小带轮、丝杠、丝杠螺母、副电机、第一小带轮、内圈锁紧、外圈锁紧、曲柄、光杆、轴承支撑、摇杆、弹簧与同步带。其中，曲柄上部、曲柄输入件与电机输出部件间相互贴合固定；丝杠底端通过轴承安装于曲柄下端的轴承支撑上；丝杠上部通过轴承与曲柄上端平台连接；曲柄上端平台上安装有副电机，副电机输出轴上以及丝杠上端端部安装有带轮，带轮间通过同步带相连；实现副电机驱动丝杠转动；丝杠上套有丝杠螺母，丝杠螺母通过平行于丝杠的光轴限制转动。上述丝杠螺母上设计有凸出端，位于遥杆上沿竖直方向开设的滑槽内，使凸出端在丝杠螺母的带动下沿滑槽滑动；摇杆下部为连接端，连接端端面上安装有大刚度弹簧。

所述输出部件包括第一输出杆、输入输出件、第二输出杆与第三输出杆。其中，第一输出杆与第二输出杆下端端部之间通过第三输出杆相连；第一输出杆上部与曲柄输入件间通过轴承连接；第二输出杆上部固定安装有输入输出件，输入输出件与外侧固定板上部间通过轴承连接；第二输出杆下部通过轴承套接于摇杆下部的连接端上，并与大刚度弹簧通过螺栓相连。

所述角度传感器部件用于测量第二输出杆相对侧部固定板旋转的角度，以及摇杆相对第二输出杆的旋转角度。

工作时，电机部件带动内部的减速器轴旋转，减速器轴作为电机部件的输出轴带动电机输出件转动，然后依次带动曲柄输入件、曲柄转动，进而丝杆螺母随曲柄绕电机输出轴旋转，丝杠螺母在摇杆滑槽中的位置一定，若当输出部件外部负载为零时弹簧不会变形，摇杆带动第二输出杆随电机输出件同步转动，进而带动整个输出部件转动；若当输出部件外部负载不为零时，弹簧产生变形，曲柄与第二输出杆转动不同步，二者之间存在角度差。

令丝杠螺母的凸出端轴线到第二输出杆的旋转轴的垂直距离为l₁，丝杠螺母凸出端轴线到摇杆旋转轴的垂直距离为l₂，令需要克服的外力矩一定，在平衡位置时，通过副电机调节丝杠螺母在摇杆滑槽内的位置，使得l₁增大，相应l₂减小，由于输出部件需要克服的外力矩一定，因此电机传给丝杆螺母，丝杠螺母再传导出来的力就变小，传到弹簧的力距变小，弹簧的储能缓冲减小，反之亦反；在无负载的情况下调节时，弹簧未发生变形，丝杠螺母凸出端可在摇杆滑槽内以极小的阻力滑动，此时副电机小力驱动丝杠进而带动丝杠螺母，从而实现低能耗调节的目的。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，在无负载的平衡位置通过副电机调节丝杠进而调节驱动器刚度时，刚度调节电机所受的外部负载理论上为零，刚度调节能量消耗低；

(2)本发明一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，以丝杠螺母为支点通过调节丝杠螺母在滑槽中的位置，实现丝杠螺母到第二输出杆的旋转轴的垂直距离l₁和丝杠螺母凸出端到摇杆旋转轴的垂直距离l₂的变化即实现力臂的变化，因为输出部件需要克服的外力矩一定，因此电机传给丝杆螺母，丝杠螺母再传导出来的力就变小了，传到弹簧的距就变小了，弹簧储能缓冲就减小了，反之亦反以实现变刚度的调节，当l₁＝0时，驱动器刚度为0，当l₂＝0时，驱动器刚度为无穷大，理论上可以实现刚度调节范围为0～∞。

(3)本发明一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，只需使用一个平面扭转弹簧，且使用过程中弹簧无需预压，因此所有弹性势能均可被用于储能缓冲，可减小驱动器结构尺寸，提高弹簧的能量利用效率。

(4)本发明一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，可以通过编码器测量出第一输出杆的转动角度即输出部件的转动角度θ₁，测量出摇杆2-17相对第二输出杆3-4的转动角度θ₂，K为弹簧刚度，利用胡克定律T＝Kθ₂测出弹簧储能缓冲量，以实现精准测量的目的。

(5)本发明一种具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，为了防止调节不当导致曲柄和第一输出杆间产生较大的角度差而造成不必要碰撞，在曲柄中部开有销钉槽，装在第一输出杆上的销钉嵌入该槽中，防止曲柄和第一输出产生过大的角度差。

附图说明

图1是本发明变刚度驱动器整体结构示意图。

图2是本发明变刚度驱动器整体结构局部剖视示意图。

图3是本发明变刚度驱动器中刚度调节部件内部结构示意图。

图4是本发明变刚度驱动器中丝杆螺母连接方式示意图；

图5是本发明变刚度驱动器中大刚度弹簧结构示意图。

图6为本发明变刚度驱动器中第一输出杆与曲柄之间的销钉位置示意图。

图中：

1.驱动部件 2.刚度调节部件 3.输出部件

4.角度传感器部件 1-1.上侧固定板 1-2.外侧固定板

1-3.第一深沟球轴承 1-4.电机部件 1-5.电机输出件

2-1.曲柄输入件 2-2.第二小带轮 2-3.第一角接触球轴承

2-4.第二角接触球轴承 2-5.丝杠 2-6.丝杠螺母

2-7.副电机 2-8.第一小带轮 2-9.内圈锁紧

2-10.外圈锁紧 2-11.曲柄 2-12.光杆

2-13.直线轴承 2-14.轴承支撑 2-15.第二深沟球轴承

2-16.轴用弹性挡圈 2-17.摇杆 2-18.弹簧

2-19.同步带 2-20.销钉 3-1.第三深沟球轴承

3-2.第一输出杆 3-3.连接输入输出件 3-4.第二输出杆

3-5.第四深沟球轴承 3-6.第三输出杆 4-1.第一编码器

4-2.第一磁体 4-3.第二编码器 4-4.第二磁体

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。

本发明具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，如图1所示，包括驱动部件1、刚度调节部件2、输出部件3、角度传感器部件4。

如图2、图3所示，所述驱动部件1包括顶部固定板1-1、侧部固定板1-2、第一深沟球轴承1-3、电机部件1-4以及电机输出部件1-5。其中，侧部固定板1-2与电机部件1-4通过螺栓分别固定在上侧固定板1-1相对位置。侧部固定板1-2上部设计有与电机部件1-4输出轴同轴的开孔，开孔内安装第一深沟球轴承1-3。电机部件1-4中包含减速器，通过减速器可使驱动部件1中的输出部件1-5能以相对较小的速度随电机的转动而转动。

所述刚度调节部件2包括曲柄输入件2-1、第二小带轮2-2、第一角接触球轴承2-3、第二角接触球轴承2-4、丝杠2-5、丝杠螺母2-6、副电机2-7、第一小带轮2-8、内圈锁紧2-9、外圈锁紧2-10、曲柄2-11、光杆2-12、直线轴承2-13、轴承支撑2-14、第二深沟球轴承2-15、轴用弹性挡圈2-16、摇杆2-17、弹簧2-18与同步带2-19。

其中，曲柄2-11上部、曲柄输入件2-1与电机输出部件1-5间相互贴合并通过螺栓固定；使得在电机输出件部件1-5转动的同时带动曲柄输入件2-1和曲柄2-11一并转动。轴承支撑2-14通过螺栓固定安装于曲柄下端，轴承支撑2-14中装有第二深沟球轴承2-15，并通过轴用弹性挡圈2-16实现第二深沟球轴承的轴向限位。丝杠2-5竖直设置，下端嵌入第二深沟球轴承2-15内。光杆2-12位于丝杠2-5一侧，且平行于丝杠2-5，下端通过螺栓与轴承支撑2-14固定，上端嵌入在曲柄2-11上端平台上的盲孔内；同时曲柄2-11的上端平台还开有7个螺纹孔，一个通孔和一个阶梯孔；其中，阶梯孔内轴向上安装有第一角接触球轴承2-3和第二角接触球轴承2-4，同时通过曲柄2-11上端平台上的4个螺孔配合螺钉在曲柄2-11上端平台上安装外圈锁紧2-10，将第一和第二接触球轴承外圈锁紧在阶梯孔内。丝杠2-5上端与第一和第二角接触球轴承相连，通过在丝杠2-5上端安装的内圈锁紧2-9配合丝杠2-5上部设计的环形台肩定位于阶梯孔内。曲柄2-11上端平台上的另外3个螺纹孔用于固定安装副电机2-7，使副电机2-7轴线平行于丝杠2-5设置。第一小带轮2-8通过螺钉固定安装于丝杆2-5的最上端，第二小带轮2-2同轴固定安装于副电机2-7输出轴上；两个带轮之间通过同步带2-19套接。由此，通过副电机可以带动第二小带轮2-2转动，由同步带2-19传动带动第一小带轮2-8转动，进一步带动丝杆2-5转动。丝杠螺母2-6套于丝杆2-5，并通过直线轴承2-13与光杆2-12连接，限制丝杠螺母2-6的转动；同时丝杠螺母2-6上设计有凸出端，如图4所示，该凸出端位于遥杆2-17上沿竖直方向开设的滑槽内。由此，丝杆2-5的转动可带动丝杠螺母2-6沿丝杠2-5滑动，进而丝杠螺母2-6的凸出端即可在摇杆2-17的滑槽中滑动。摇杆2-17下部为圆柱状连接端，连接端端面上设计有矩形截面的接头，接头上套接大刚度弹簧2-18。弹簧采用平面扭转弹簧，结构如图5所示，其中心位置为连接部分，开有矩形孔，与接头配合插接；同时在连接部分相对位置上开有螺孔，配合螺钉固定于遥杆2-17下部连接端上；该弹簧具有两个弹性分支，分别以连接部相对位置为起点绕连接部中心旋转形成涡卷结构，区别于现有平面扭转弹簧，此弹簧结构最外侧具有两个端部，且两个端部位置相对。

输出部件3包括第三深沟球轴承3-1、第一输出杆3-2、输入输出件3-3、第二输出杆3-4、第四深沟球轴承3-5、第三输出杆3-6。其中，第一输出杆3-2上部开孔套于曲柄输入件2-1上，通过在开孔处安装第三深沟球轴承3-1与曲柄输入件2-1间轴承连接。第二输出杆3-4的位于弹簧2-18和摇杆2-17之间；第二输出杆3-4上部固定安装有输入输出件3-3，输入输出件3-3通过第一深沟球轴承1-3轴承安装于外侧固定板上部的开孔中，使得第二输出杆3-4能相对外侧固定板1-2转动。第二输出杆3-4下部通过第四深沟球轴承3-5套接在摇杆2-17下部设计的圆柱状连接端上。上述第一输出杆3-2与第二输出杆3-4下端端部之间通过第三输出杆3-6相连。且第二输出杆3-4与弹簧2-18相连，通过弹簧2-18的两个弹性分支端部开设的螺孔配合螺钉与第二输出杆3-4固定。

所述角度传感器部件4包括第一编码器4-1、第一磁体4-2、第二编码器4-3、第二磁体4-4，编码器支架4-5。其中，第一磁体4-2装在输入输出件3-3上中心位置的凹槽内，第一编码器4-1装在外侧固定板1-2上，使之能测得第二输出杆3-4相对侧部固定板1-2旋转的角度。同理，第二磁体4-4安装在摇杆2-17下部的连接头中心位置的凹槽内，第二编码器4-3装在编码器支架4-5上，该编码器支架通过螺栓固定安装于第二输出杆3-4下部外侧面上。，从而通过第二编码器4-3测得摇杆2-17相对第二输出杆3-4的旋转角度。

如图1、2、3、5所示，工作时，电机部件1-4带动内部的减速器轴旋转，减速器轴作为电机部件1-4的输出轴带动电机输出件1-5转动，然后依次带动曲柄输入件2-1、曲柄2-11转动，进而丝杆螺母2-6随曲柄2-11绕电机输出轴旋转，丝杠螺母2-6在摇杆2-17滑槽中的位置一定，若当输出部件3外部负载为零时弹簧2-18不会变形，摇杆2-17带动第二输出杆3-4随电机输出件1-5同步转动，进而带动整个输出部件3转动；若当输出部件3外部负载不为零时，弹簧2-18产生变形，曲柄2-11与第二输出杆3-4转动不同步，二者之间存在角度差，进而体现出机构柔顺性，可形成了缓冲保护的作用。丝杠螺母2-6的凸出端轴线到第二输出杆3-4的旋转轴的垂直距离为l₁，丝杠螺母2-6凸出端轴线到摇杆2-17旋转轴的垂直距离为l₂,令需要克服的外力矩一定，在平衡位置时，通过副电机2-7调节丝杠螺母2-6在摇杆2-17滑槽内的位置，使得l₁增大，相应l₂减小，由于输出部件3需要克服的外力矩一定，因此电机传给丝杆螺母2-6，丝杠螺母2-6再传导出来的力就变小，传到弹簧2-18的力距变小，弹簧2-18的储能缓冲减小，反之亦反。在无负载的情况下调节时，弹簧2-18未发生变形，丝杠螺母2-6凸出端可在摇杆2-17滑槽内以极小的阻力滑动，此时副电机2-7可以非常小的力驱动丝杠2-5进而带动丝杠螺母2-6，从而实现低能耗调节的目的。当丝杠螺母2-6凸出端轴线与第二输出杆3-4的转动轴线重合时，驱动器理论刚度为零；当丝杠螺母2-6凸出端轴线与摇杆2-17转动轴线重合时，驱动器理论刚度为无穷大，因此该驱动器可以实现零到无穷的大刚度调节范围。

当电机输出轴带动电机输出件1-5、曲柄2-11转动进而带动摇杆2-17和第二输出杆3-4转动时，用第一编码器4-1和第一磁体4-2可以测量出第一输出杆3-2的转动角度即输出部件3的转动角度θ₁，用第二编码器4-3和第二磁体4-4可以测量出摇杆2-17相对第二输出杆3-4的转动角度θ₂，利用胡克定律T＝Kθ₂测出弹簧储能缓冲量，K为弹簧刚度，以实现精准测量的目的。

如图6所示，为了防止调节不当导致曲柄2-11和第一输出杆3-2间产生较大的角度差而造成不必要碰撞，本发明中在曲柄2-11中部开有销钉槽，销钉槽为一段圆弧槽，圆心在第一输出杆3-2上端孔的轴线上，第一输出杆3-2上安装的销钉2-20嵌入该销钉槽中，由此在输出部件3转动过程中，防止曲柄2-11和第一输出杆3-2产生过大的角度差，从而起到保护机构的作用。

Claims (5)

1.具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，其特征在于：包括驱动部件、刚度调节部件、输出部件、角度传感器；

所述驱动部件包括顶部固定板、侧部固定板、电机部件以及电机输出部件；其中，侧部固定板与电机部件固定于上侧固定板相对位置；由电机部件驱动输出部件转动；

所述刚度调节部件包括曲柄输入件、第二小带轮、丝杠、丝杠螺母、副电机、第一小带轮、内圈锁紧、外圈锁紧、曲柄、光杆、轴承支撑、摇杆、弹簧与同步带；

其中，曲柄上部、曲柄输入件与电机输出部件间相互贴合固定；丝杠底端通过轴承安装于曲柄下端的轴承支撑上；丝杠上部通过轴承与曲柄上端平台连接；曲柄上端平台上安装有副电机，副电机输出轴上以及丝杠上端端部安装有带轮，带轮间通过同步带相连；实现副电机驱动丝杠转动；丝杠上套有丝杠螺母，丝杠螺母通过平行于丝杠的光轴限制转动；

丝杠螺母上设计有凸出端，位于遥杆上沿竖直方向开设的滑槽内，使凸出端在丝杠螺母的带动下沿滑槽滑动；摇杆下部为连接端，连接端端面上安装有大刚度弹簧；

所述输出部件包括第一输出杆、输入输出件、第二输出杆与第三输出杆；其中，上述第一输出杆与第二输出杆下端端部之间通过第三输出杆相连；第一输出杆上部与曲柄输入件间通过轴承连接；第二输出杆上部固定安装有输入输出件，输入输出件与外侧固定板上部间通过轴承连接；第二输出杆下部通过轴承套接于摇杆下部的连接端上，并与大刚度弹簧相连；

所述角度传感器部件用于第二输出杆相对侧部固定板旋转的角度，以及摇杆相对第二输出杆的旋转角度。

2.如权利要求1所述具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，其特征在于：大刚度弹簧中心位置为连接部分，开有矩形孔，与遥杆下部连接端端面上设计的弹簧接头配合插接；同时在连接部分相对位置上开有螺孔，配合螺钉固定于遥杆下部连接端上；弹簧具有两个弹性分支，分别以连接部相对位置为起点绕连接部中心旋转形成涡卷结构，弹性分支末端开有螺纹孔，配合螺钉使弹簧固定于第二输出杆的侧面。

3.如权利要求1所述具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，其特征在于：工作时，电机部件带动内部的减速器轴旋转，减速器轴作为电机部件的输出轴带动电机输出件转动，然后依次带动曲柄输入件、曲柄转动，进而丝杆螺母随曲柄绕电机输出轴旋转，丝杠螺母在摇杆滑槽中的位置一定，若当输出部件外部负载为零时弹簧不会变形，摇杆带动第二输出杆随电机输出件同步转动，进而带动整个输出部件转动；若当输出部件外部负载不为零时，弹簧产生变形，曲柄与第二输出杆转动不同步，二者之间存在角度差。

4.如权利要求1所述具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，其特征在于：令丝杠螺母的凸出端到第二输出杆的旋转轴的垂直距离为l₁，丝杠螺母凸出端到摇杆旋转轴的垂直距离为l₂,需要克服的外力矩一定，在平衡位置时，通过副电机调节丝杠螺母在摇杆滑槽内的位置，使得l₁增大，相应l₂减小，由于输出部件需要克服的外力矩一定，因此电机传给丝杆螺母，丝杠螺母再传导出来的力就变小，传到弹簧的力距变小，弹簧的储能缓冲减小，反之亦反；在平衡位置调节时，弹簧未发生变形，丝杠螺母凸出端可在摇杆滑槽内以极小的阻力滑动，此时副电机可以极小力驱动丝杠进而带动丝杠螺母，从而实现低能耗调节的目的。

5.如权利要求1所述具有低能耗与大刚度调节范围特征的变刚度驱动器，其特征在于：曲柄中部开有圆弧销钉槽，圆心位于第一输出杆上端孔的轴线上，第一输出杆上安装的销钉嵌入该销钉槽中。

Images