CN114505885A - 模块化并联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种模块化并联弹性驱动器，其包括：驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；弹性部件，所述弹性部件包括输入端和输出端，所述弹性部件的输入端与谐波减速器连接，以接收谐波减速器所输出的驱动力；输出轴，所述输出轴设置于所述弹性部件的输入端用于向外输出驱动力；以及输出端壳体，所述输出轴可转动地设置于所述输出端壳体；并且所述输出端壳体连接于所述弹性部件的输出端；其中，当弹性部件的输入端和输出端的相对位置偏离力矩平衡位置时，弹性部件的输入端和输出端之间会产生指向平衡位置的回复力矩。

Description

模块化并联弹性驱动器

技术领域

本公开涉及一种模块化并联弹性驱动器。

背景技术

外骨骼机器人、机械臂、步行机器人、矫形器和假肢等机器人都具有重量轻、输出力矩大、能力密度高等要求。人类肌肉骨骼系统组成的关节的能量密度远大于现有的机器人关节，外骨骼机器人等机器人输出与人类关节相当的力矩和速度需要大功率电机和高减速比减速器，这往往给机器人的轻量化带来很大挑战。

研究表明，人类关节驱动系统中的肌腱和韧带具有弹性，具有吸收、储存和释放能量的作用，与弹簧的功能相似。基于上述启发，大量装备弹性元件的柔性机器人关节受到各研究机构的青睐。

现有的并联弹性驱动器不利于实现机器人关机的轻量化和小型化。因此需要开发一种具有体积小、重量轻、安装维护简单等特点模块化机器人关节，并提高机器人关节的输出力矩和机器人能量利用效率，同时减小机器人关节体积和重量。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种模块化并联弹性驱动器。

根据本公开的一个方面，提供了一种模块化并联弹性驱动器，其包括：

驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；

谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；

弹性部件，所述弹性部件包括输入端和输出端，所述弹性部件的输入端与谐波减速器连接，以接收谐波减速器所输出的驱动力；

输出轴，所述输出轴设置于所述弹性部件的输入端用于向外输出驱动力；以及

输出端壳体，所述输出轴可转动地设置于所述输出端壳体；并且所述输出端壳体连接于所述弹性部件的输出端；

其中，当弹性部件的输入端和输出端的相对位置偏离力矩平衡位置时，弹性部件的输入端和输出端之间会产生指向平衡位置的回复力矩。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述谐波减速器包括波发生器，所述驱动装置用于驱动所述波发生器转动。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述驱动装置通过传动轴驱动所述波发生器转动。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，还包括：动力端壳体，所述动力端壳体至少部分地环绕所述驱动装置设置，其中，所述传动轴通过第一支撑轴承可转动地设置于所述动力端壳体。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，还包括：盖部件，所述盖部件设置于所述动力端壳体，并且所述驱动装置的至少部分位于所述动力端壳体与所述盖部件所形成的区域内。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述驱动装置包括转动轴，所述转动轴的一端连接于所述传动轴，所述转动轴的另一端通过第二支撑轴承可转动地设置于所述盖部件。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述驱动装置还包括：

定子，所述定子设置于所述动力端壳体；以及

转子，所述转子设置于所述转动轴，并使得所述转动轴转动。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述谐波减速器还包括刚轮，所述刚轮固定于所述动力端壳体。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，波减速器还包括柔轮，所述柔轮连接于所述弹性部件的输入端。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述转动轴设置高速侧编码器磁环，所述盖部件或者所述动力端壳体设置有高速侧编码器读数头，所述高速侧编码器读数头和高速侧编码器磁环组成高速侧编码器。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述弹性部件包括基部以及设置于基部的卷绕部，其中，所述基部形成为所述弹性部件的输入端，所述卷绕部形成为所述弹性部件的输出端。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述卷绕部的数量为至少两个。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，所述输出轴通过交叉滚子轴承可转动地设置于所述输出端壳体。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，还包括：

外环压板，所述外环压板固定于所述输出端壳体，用于限制所述交叉滚子轴承的外环的位置。

根据本公开的至少一个实施方式的模块化并联弹性驱动器，还包括：

内环压板，所述内环压板固定于所述输出轴，用于限制所述交叉滚子轴承的内环的位置。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的模块化并联弹性驱动器的结构示意图。

图2是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的工作原理图。

图3是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的结构示意图。

图中附图标记具体为：

10 机械臂底座

20 第一关节

30 第一连杆

40 第二关节

50 第二连杆

100 模块化并联弹性驱动器

110 驱动装置

111 定子

112 转子

113 转动轴

120 谐波减速器

121 柔轮

122 刚轮

123 波发生器

130 输出轴

140 弹性部件

141 基部

142 卷绕部

150 动力端壳体

160 传动轴

170 第一支撑轴承

180 第二支撑轴承

190 盖部件

200 高速侧编码器磁环

210 高速侧编码器读数头

220 输出端壳体

230 中空轴

240 交叉滚子轴承

250 外环压板

260 内环压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1是根据本公开的一个实施方式的模块化并联弹性驱动器100的结构示意图。

如图1所示，本公开的模块化并联弹性驱动器100，包括：驱动装置110，谐波减速器120，输出轴130和弹性部件140。

所述驱动装置110用于提供驱动力；本公开中，所述驱动装置110包括定子111、转子112和转动轴113，所述定子111设置于所述动力端壳体150，例如通过胶粘的方式将所述定子111固定于所述动力端壳体150。

所述转子设置于转动轴113，并且与所述转动轴113同步转动，从而使得所述定子111、转子112和转动轴113共同形成无框电机。

所述谐波减速器120连接于所述驱动装置110，以便接收所述驱动装置110的驱动力，并且所述谐波减速器120能够将驱动装置110的运动减速，增大向外输出的力矩。

所述谐波减速器120包括柔轮121、刚轮122和波发生器123；所述波发生器123与所述驱动装置110连接，以接收所述驱动装置110所产生的驱动力；所述柔轮121和刚轮122中的一者被固定，所述柔轮121和刚轮122中的另一者连接于所述弹性部件140。

具体地，所述刚轮122固定于动力端壳体150，相应地，所述柔轮121被固定于所述弹性部件140的输入端。

本公开中，所述驱动装置110通过传动轴160驱动所述波发生器123转动，例如，所述驱动装置110的转动轴113与传动轴160的一端固定连接，并使得所述传动轴160的另一端驱动所述波发生器123。

所述动力端壳体150至少部分地环绕所述驱动装置110设置，其中，所述传动轴160通过第一支撑轴承170可转动地设置于所述动力端壳体150。

为了实现对转动轴113以及传动轴160的支撑，可以通过第二支撑轴承180来支撑所述转动轴113，例如将所述转动轴113可转动地设置于所述动力端壳体150。

本公开中，所述转动轴113可以通过第二支撑轴承180直接支撑于所述动力端壳体150，例如第二支撑轴承180设置于所述第一支撑轴承170附近，也可以通过盖部件190间接支撑于所述动力端壳体150。

此时，所述盖部件190设置于所述动力端壳体150，并且所述驱动装置110的至少部分位于所述动力端壳体150与所述盖部件190所形成的区域内。

此时，所述驱动装置110的转动轴113的一端连接于所述传动轴160，所述转动轴113的另一端通过第二支撑轴承180可转动地设置于所述盖部件190。

优选地，所述转动轴113上可以设置高速侧编码器磁环200，所述盖部件190或者所述动力端壳体150设置有高速侧编码器读数头210，所述高速侧编码器读数头210用于读取高速侧编码器磁环200的信息，并根据该信息获得转动轴113的位置及转速；也就是说，通过所述高速侧编码器读数头210和高速侧编码器磁环200共同组成高速侧编码器。

同时，由于弹性部件140的介入并不会改变驱动装置110至输出轴130之间的传动比，因此，通过该高速侧编码器能够实时计算输出轴130的位置。优选地，所述高速侧编码器为多圈绝对值编码器。

而且，由于弹性部件140的输入端和输出端分别连接于模块化并联弹性驱动器100的输入端和输出端，因此，通过该多圈绝对值编码器可以实时计算得到模块化并联弹性驱动器100的输入端和输出端的位置，即得到弹性部件140的输入端和输出端的相对位置，通过预设的弹性部件140的扭转刚度和其在模块化并联弹性驱动器100中的力矩零位可以计算得到弹性部件140施加在模块化并联弹性驱动器100的输入端和输出端之间的指向力矩平衡位置的回复力矩的大小和方向。

所述输出端壳体220固定于所述动力端壳体150，其中，所述弹性部件140的输出端固定于所述输出端壳体220和/或固定于所述动力端壳体150，本公开中，所述输出端壳体220、动力端壳体150以及弹性部件140的输出端三者被固定在一起。

所述输出轴130设置于所述弹性部件140的输入端用于向外输出驱动力；本公开中，所述输出轴130可转动地设置于所述输出端壳体220，以使得谐波减速器120所输出的驱动力经由弹性部件140后，通过输出轴130向外输出。

本公开中，所述弹性部件140包括输入端和输出端，所述弹性部件140的输入端与谐波减速器120连接，以接收谐波减速器120所输出的驱动力；当弹性部件140的输入端和输出端的相对位置偏离力矩平衡位置时，弹性部件140的输入端和输出端之间会产生指向平衡位置的回复力矩。

图2是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的工作原理图。

如图2所示，例如，所述模块化并联弹性驱动器100的力矩平衡位置(该力矩平衡位置可以为弹性元件的力矩平衡位置)为下一级连杆在竖直方向，相应地，当该连杆未处于该位置时，所述弹性部件即能够提供指向平衡位置的回复力矩。

具体地，机械臂应用过程中机械臂底座往往竖直放置，机械臂底座以外部分(第一关节至机器人末端的所有零部件)的重力对第一关节持续造成力矩，机械臂在驱动第一关节运动时必须克服这些部分的重力对第一关节造成的力矩才能驱动第一关节转动。但是，机械臂的重力对第一关节造成的力矩占据了第一关节的大部分的负载能力，极大地限制了机械臂整机的负载能力。

但是，通过本公开的模块化并联弹性驱动器100的使用，第一关节受到指向力矩平衡位置的回复力，该回复力克服部分或全部机械臂底座以外部分对第一关节造成的力矩，从而提高了第一关节的承载能力。

也就是说，本公开的模块化并联弹性驱动器100在使用时，其输出力矩由谐波减速器120和弹性部件140共同承担，模块化并联弹性驱动器100对谐波减速器120的输出力矩的需求相对减少，对谐波减速器120、驱动装置110和传动轴160的动力传递需求相对减小，相应地，对这些部件的输出功率的需求也相对减小，因此，在设计该模块化并联弹性驱动器100能够选择小型号的零部件，并极大地缩小了模块化并联弹性驱动器100的尺寸。

因此，本公开的模块化并联弹性驱动器100能够提高输出力矩，并且提高能量利用效率；而且还能够实现模块化并联弹性驱动器100的模块化、轻量化和紧凑化，提高稳定性。

图3是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的结构示意图。

如图3所示，本公开的弹性部件可以通过平面扭簧实现，具体地，所述弹性部件包括基部141以及设置于所述基部141的卷绕部142，其中，所述基部141形成为所述弹性部件的输入端，即所述基部141通过螺钉连接于所述谐波减速器120的柔轮121；所述卷绕部142形成为所述弹性部件的输出端，即所述卷绕部142通过销钉固定于所述输出端壳体220。

优选地，所述卷绕部142的数量为至少一个，即形成为多分支平面涡卷扭簧，从而所述弹性部件140能够实现大幅度的角位移，例如，如图3所示，所述卷绕部142的数量为两个，所述卷绕部142卷绕于所述基部141的外部，并且通过所述卷绕部142的形变使得弹性部件具有弹簧的作用。

本公开中，所述模块化并联弹性驱动器100还包括中空轴230，所述中空轴230的一端固定于所述输出轴130，所述中空轴230的另一端至少部分地穿过所述模块化并联弹性驱动器100，例如，所述中空轴230可以穿过所述输出轴130、弹性部件140、谐波减速器120以及驱动装置110等部件，以能够在所述中空轴230中穿过线缆。

所述输出轴130通过交叉滚子轴承240可转动地设置于所述输出端壳体220，以限制输出轴130的转动方向以外的自由度；其中，所述交叉滚子轴承240的外环通过外环压板250限制位置，此时，所述外环压板250固定于所述输出端壳体220；而且，所述交叉滚子轴承240的内环通过内环压板260限制位置，此时，所述内环压板260固定于所述输出轴130。

本公开中，模块化并联弹性驱动器100的输出力矩由谐波减速器和弹性部件共同承担；其最大输出力矩由谐波减速器和弹性部件的输出力矩共同决定。

T_J＝T_r+T_s

T_r＝kθ_r

式中，T_J表示关节输出力矩；T_r表示谐波减速器的输出力矩；T_s表示弹性部件的输出力矩；n表示谐波减速器减速比；θ_r表示谐波减速器角位移；θ_m表示电机角位移。

当机器人关节的输出力矩相同时，常规的机器人关节的输出力矩T_J完全由减速器承担；模块化并联弹性驱动器型机器人关节的输出力矩由谐波减速器和弹性部件共同承担。谐波减速器承担的力矩T_r由驱动装置经过轴系传递到谐波减速器输出端，其机械效率由电机机械效率、轴系机械效率、谐波减速器机械效率决定。

T_r＝η_mη_aη_rnT_m；

式中，T_m表示电机输出力矩(Nm)；n表示谐波减速器减速比；η_m表示电机机械效率；η_a表示轴系机械效率；η_r表示减速器机械效率。

一般情况下，η_mη_aη_r的乘积很难达到60％，超过40％的能量以热量耗散的形式浪费掉；弹性部件存储或释放能量的机械效率超过95％，弹性部件的引入降低了机器人的模块化并联弹性驱动器100对减速器输出力矩T_r的需求，同时降低了模块化并联弹性驱动器100的热量耗散。提高了模块化并联弹性驱动器100能量利用效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种模块化并联弹性驱动器，其特征在于，包括：

驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；

谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；

弹性部件，所述弹性部件包括输入端和输出端，所述弹性部件的输入端与谐波减速器连接，以接收谐波减速器所输出的驱动力；

输出轴，所述输出轴设置于所述弹性部件的输入端用于向外输出驱动力；以及

输出端壳体，所述输出轴可转动地设置于所述输出端壳体；并且所述输出端壳体连接于所述弹性部件的输出端；

其中，当弹性部件的输入端和输出端的相对位置偏离力矩平衡位置时，弹性部件的输入端和输出端之间会产生指向平衡位置的回复力矩。

2.如权利要求1所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述谐波减速器包括波发生器，所述驱动装置用于驱动所述波发生器转动。

3.如权利要求2所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述驱动装置通过传动轴驱动所述波发生器转动。

4.如权利要求3所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，还包括：动力端壳体，所述动力端壳体至少部分地环绕所述驱动装置设置，其中，所述传动轴通过第一支撑轴承可转动地设置于所述动力端壳体。

5.如权利要求4所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，还包括：盖部件，所述盖部件设置于所述动力端壳体，并且所述驱动装置的至少部分位于所述动力端壳体与所述盖部件所形成的区域内。

6.如权利要求5所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述驱动装置包括转动轴，所述转动轴的一端连接于所述传动轴，所述转动轴的另一端通过第二支撑轴承可转动地设置于所述盖部件。

7.如权利要求6所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述驱动装置还包括：

定子，所述定子设置于所述动力端壳体；以及

转子，所述转子设置于所述转动轴，并使得所述转动轴转动。

8.如权利要求4所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述谐波减速器还包括刚轮，所述刚轮固定于所述动力端壳体。

9.如权利要求8所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，波减速器还包括柔轮，所述柔轮连接于所述弹性部件的输入端。

10.如权利要求6所述的模块化并联弹性驱动器，其特征在于，所述转动轴设置高速侧编码器磁环，所述盖部件或者所述动力端壳体设置有高速侧编码器读数头，所述高速侧编码器读数头和高速侧编码器磁环组成高速侧编码器；

可选地，所述弹性部件包括基部以及设置于基部的卷绕部，其中，所述基部形成为所述弹性部件的输入端，所述卷绕部形成为所述弹性部件的输出端；

可选地，所述卷绕部的数量为至少两个；

可选地，所述输出轴通过交叉滚子轴承可转动地设置于所述输出端壳体；

可选地，还包括：

外环压板，所述外环压板固定于所述输出端壳体，用于限制所述交叉滚子轴承的外环的位置；

可选地，还包括：

内环压板，所述内环压板固定于所述输出轴，用于限制所述交叉滚子轴承的内环的位置。

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