CN116252328A - 一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器及其控制方法，该装置包括驱动机构、传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、驱动器支撑机构、电源和控制器；所述驱动机构包括位置伺服电机、弹性联轴器和驱动器底座和驱动器底座轴；所述传动机构主要由底座、输入盘和支点轴；所述主动变刚度机构主要由刚度伺服电机、正反牙滚珠丝杠、传动齿轮、刚度调节齿轮、弹簧支撑座、弹簧、滑块、导轨、滚珠轴承和电机支撑座组成；所述驱动器输出机构主要由杠杆、输出盘、轴承和输出盖组成；所述驱动器支撑机构主要由驱动器支撑架、位置电机支撑架和驱动器支撑底座组成。本发明公开了一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器及其控制方法，正反牙滚珠丝杠控制弹簧预压缩实现驱动器主动变刚度，通过正反牙滚珠丝杠与杠杆机构实现往复旋转运动，能够实现刚度的大范围调节，使驱动器能从柔性调整到高刚度，从而根据需求输出对应刚度，提高系统安全性。

Description

一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器

技术领域

本申请涉及一种驱动器，基于正反牙滚珠丝杠设计一种用于康复、助行类机器人的对称式柔性变刚度驱动器。

背景技术

目前，人口老龄化趋势严重，脑卒中的发病率也逐年升高，脑卒中患者50％-80％会出现不同程度的残疾，40％的患者会出现重度残疾，丧失劳动能力，给家庭、社会带来极大负担。临床医学证明，脑卒中的早期康复治疗可以最大程度减少残疾对正常生活的影响。目前康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面。在治疗中，机器人可以代替治疗师做长时间的、重复次数多的、简单的康复运动，康复机器人在工作时输出力矩稳定，可以使患者更舒适，这是治疗师很难保持的。为避免人机交互过程中可能对人体造成的损害，具有柔性的驱动装置是康复机器人的核心部件。

传统的电机驱动是刚性的，其具有精度高、控制准确和响应迅速等优势，但其大扭矩、大功率的特点，难以应用于有人参与的复杂环境，在人机交互过程中有可能对人体造成伤害。驱动器在输出力矩、输出速度时要考虑到安全性、适应性问题。因此变刚度柔性驱动器对人机交互安全性、未知环境适应性愈发重要。

因此，基于上述背景，迫切需要设计一种对称式柔性变刚度驱动器，实现助力机器人和康复辅助机器人柔性驱动和变刚度输出。

发明内容

本发明针对驱动器刚度不可控和刚度调节困难的问题，设计一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的:

一种变刚度柔性驱动器，包括：驱动机构、传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、驱动器支撑机构、电源和控制器。

所述驱动机构主要由位置伺服电机、弹性联轴器和驱动器底座和驱动器底座轴组成。所述弹性联轴器两端分别连接位置伺服电机主动轴和底座输入轴，弹性联轴器起到过载保护的效果。所述底座输入轴通过螺丝与底座固定。所述位置伺服电机通过弹性联轴器带动底座输入轴转动，便于后续动力的传递。

所述传动机构主要由底座、输入盘和支点轴组成。所述输入盘通过与底座固定，所述支点轴穿过输入盘通孔，支点轴两端分别插入底座通孔中和杠杆通孔中与两端固定，底座带动支点轴稳定转动，将驱动机构的动力经主动变刚度机构传递到驱动器输出机构。

所述主动变刚度机构主要由刚度伺服电机、正反牙滚珠丝杠、传动齿轮、刚度调节齿轮、弹簧支撑座、弹簧、滑块、导轨、滚珠轴承和电机支撑座组成。所述刚度电机齿轮与刚度伺服电机的输出轴进行连接，并且与传动齿轮啮合，所述刚度调节齿轮与正反牙滚珠丝杠连接杆固定。所述正反牙滚珠丝杠两端与滚珠轴承的内圈过盈配合固定，外圈与弹簧支撑座过盈配合固定。所述滚珠丝杠设置有正牙螺母和反牙螺母。所述正牙螺母和反牙螺母依次穿过滚珠丝杠并以滚珠丝杠中心对称，通过滚珠丝杠转动正牙螺母和反牙螺母可同时向内或向外直线运动。所述弹簧支撑座通过螺丝与输入盘固定。所述导轨穿过弹簧，两端分别插入弹簧支撑座通孔中，通过螺丝与弹簧支撑座固定。所述弹簧两端分别插入螺母的固簧槽和滑块的固簧槽进行固定。所述滑块穿入滑轨中，固定在左弹簧、右弹簧之间，实现轴向滑动。所述变刚度机构通过正反牙滚珠丝杠来改变螺母位置进而改变弹簧预压缩，实现驱动器的主动变刚度。

所述驱动器输出机构主要由杠杆、输出盘、轴承和输出盖组成。所述输出盘与滚珠轴承外圈过盈配合固定，内圈与输入盘过盈配合固定。所述输出盖通过螺丝与输出盘固定。所述杠杆两端分别与滑块和输出盘通孔固定。所述弹簧推动滑块经杠杆作用，推动输出盘转动，实现输出机构的平稳转动。

所述驱动器支撑机构主要由驱动器支撑架、位置电机支撑架和驱动器支撑底座组成。所述驱动器支撑架通过螺丝与驱动器支撑底座固定。所述电机支撑架通过螺丝与驱动器支撑底座固定。所述电机支撑架通过螺丝与位置伺服电机固定。通过设计驱动器支撑架实现对驱动器的整体固定，进而使驱动器平稳运行。

优选的是，所述驱动器底座适当位置开孔，驱动器底座输入轴上端适当位置开孔，通过螺丝使驱动器底座与输入轴固定。

优选的是，所述弹性联轴器两端分别连接位置伺服电机主动轴和底座输入轴，弹性联轴器起到过载保护的效果。

优选的是，所述驱动器底座在适当位置开孔，为刚度伺服电机供电提供便利。

优选的是，所述滑块穿入导轨中并且滑块两端放入弹簧，滑块底端的轴插入所述杠杆槽中，进而限制滑块位置。

优选的是，所述正反牙滚珠丝杠，设置正牙螺母、反牙螺母，将刚度伺服电机的旋转输出转化为沿滚珠丝杠的直线运动，以保证弹簧的预压缩，实现主动变刚度控制。

一种基于正反牙滚珠丝杠的柔性变刚度驱动器控制方法具体步骤如下

步骤S10，基于实际工作驱动需要，确定驱动器输出的期望位置与期望刚度，得出驱动时期望位置与期望刚度的对应关系。

步骤S11，滚珠丝杠的螺母运动使线性弹簧产生预压缩x₁和杠杆对线性弹簧的压缩x₂决定了驱动器的输出力为：

F＝2K_s(x₁+x₂)

变刚度机构存储的弹性势能：

E＝2K_s(x₁+x₂)²

变刚度柔性驱动器的刚度定义为：

通过对期望位置与期望刚度的跟踪，可反解出位置伺服电机与刚度伺服电机的转动角度，实现对变刚度柔性驱动器的末端位置与刚度控制。

步骤S12，设计带有前馈补偿器的PD控制器，其中前馈补偿器可以补偿目标输出位置与实际输出位置误差，实现驱动器输出位置控制。

步骤S13，通过在期望刚度中加入

前馈补偿，消除迟滞误差，实现驱动器输出刚度控制。

通过控制器在步骤S10到步骤S13循环，使驱动器实现位置控制。

通过控制器在步骤S10到步骤S14循环，使驱动器实现刚度控制。

本发明的有益效果：本发明公开了一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度柔性驱动器及其控制方法，通过正反牙滚珠丝杠控制弹簧预压缩实现驱动器主动变刚度，通过正反牙滚珠丝杠与杠杆机构实现往复旋转运动，能够实现刚度的大范围调节，使驱动器能从柔性调整到高刚度。主动变刚度机构对称式布置，使驱动器的受力更均匀。输出刚度受到弹簧预压缩的影响，通过合适的弹簧预压缩，实现人机交互的安全性，为人机共融提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明所述装置机构示意图；

图2为本发明所述装置机构内部示意图；

图3-1，3-2为本发明所述装置往复转动单元示意图；

图4为本发明所述主动变刚度机构示意图；

图5为本发明所述输出单元示意图；

图6为本发明所述位置控制效果图；

图7为本发明所述刚度控制效果图；

其中，1位置伺服电机，2弹性联轴器，3底座，4底座输入轴，5位置电机固定架，6位置电机支撑架，7驱动器支撑架，8驱动器支撑底座，9输出盖，10驱动器固定环，11螺纹孔，12驱动器支撑轴承，13正反牙滚珠丝杠，14刚度伺服电机，15传动齿轮，16刚度调节齿轮，17正牙螺母，18反牙螺母，19左弹簧，20右弹簧，21直线导轨，22滑块，23滚珠轴承，24弹簧支撑座，25杠杆，26杠杆轴，27导轨固定枢，28杠杆固定片，29滚针轴承，30输入盘，31输出盘，32刚度电机接线槽，33滑块槽，34刚度电机固定架，35支点轴。

具体实施方式

以下根据附图1-6对本发明做进一步说明：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本发明第一实施例在现有技术的基础上设计了一种基于正反牙滚珠丝杠的变刚度柔性驱动器，主要包括：驱动机构、传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、驱动器支撑机构和电源和控制器，下文将逐一介绍驱动器的各单元以及电源和控制器的连接方式。

首先介绍驱动机构的具体结构，如图1所示主要由位置伺服电机1、弹性联轴器2、底座3和底座输入轴4组成，位置伺服电机1远离驱动轴的一端与PC端和控制器相连接，位置伺服电机1通过螺丝与位置伺服电机固定座固定，弹性联轴器2的两端分别与位置伺服电机1的主动轴和底座输入轴4连接。位置伺服电机1通过弹性联轴器2带动底座输入轴4转动，便于动力的传递。

详细介绍传动机构，如图2、图3-1、图3-2所示传动机构主要由底座3、输入盘30和支点轴35组成。所述输入盘30通过与底座3固定，所述支点轴35穿过输入盘30通孔，支点轴35两端分别插入底座3通孔中和杠杆25通孔中与两端固定，底座3带动支点轴35稳定转动，将驱动机构的动力经主动变刚度机构传递到驱动器输出机构。

详细介绍主动变刚度机构，如图2、图4所示主要由正反牙滚珠丝杠13、刚度伺服电机14、传动齿轮15、刚度电机齿轮16、正牙螺母17、反牙螺母18、弹簧19、弹簧20、直线导轨21、滑块22、轴承23、弹簧支撑座24和导轨固定枢27，刚度电机齿轮16与刚度伺服电机14的输出轴进行连接，并且与传动齿轮15啮合，传动齿轮15连接在正反牙滚珠丝杠13连接杆上。正反牙滚珠丝杠13两端与滚珠轴承23的内圈过盈配合固定，外圈与弹簧支撑座24过盈配合固定。滚珠丝杠13设置有正牙螺母17、反牙螺母18。正牙螺母17和反牙螺母18依次穿过滚珠丝杠13并以滚珠丝杠13中心对称，通过滚珠丝杠13转动，正牙螺母17、反牙螺母18可同时向内、外直线运动。弹簧支撑座24通过螺丝与输入盘30固定。直线导轨21穿过弹簧19、弹簧20，两端分别插入弹簧支撑座24通孔中，通过导轨固定枢27与弹簧支撑座24固定。弹簧19、弹簧20两端分别插入螺母的固簧槽和滑块22的固簧槽进行固定。滑块22穿入直线导轨21中，固定在弹簧19、弹簧20之间，实现轴向滑动。所述变刚度机构通过正反牙滚珠丝杠13来改变正牙螺母17、反牙螺母18位置进而改变弹簧19、弹簧20预压缩，实现驱动器的主动变刚度。

驱动器输出机构的具体介绍如图2、图5所示，所述驱动器输出机构主要由杠杆25、输出盘31、滚针轴承29和输出盖9组成。所述输出盘31与滚针轴承29外圈过盈配合固定，内圈与输入盘30过盈配合固定。所述输出盖9通过螺丝与输出盘31固定。所述杠杆25两端分别与滑块22和输出盘31通孔固定。所述弹簧19推动滑块22经杠杆25作用，推动输出盘31转动，实现输出机构的平稳转动。

驱动器支撑机构的具体介绍如图1所示，所述驱动器支撑机构主要由驱动器支撑架7、位置电机固定架5、位置电机支撑架6和驱动器支撑底座8组成。所述驱动器支撑架7与驱动器支撑底座8固定。所述位置电机支撑架6与驱动器支撑底座8固定。所述位置电机支撑架6通过位置电机固定架5与位置伺服电机1固定。通过设计驱动器支撑架7实现对驱动器的整体固定，进而使驱动器平稳运行。

一种基于正反牙滚珠丝杠的柔性变刚度驱动器控制方法具体步骤如下

步骤S10，基于实际工作驱动需要，确定驱动器输出的期望位置与期望刚度，得出驱动时期望位置与期望刚度的对应关系。

步骤S11，滚珠丝杠的螺母运动使线性弹簧产生预压缩x₁和杠杆对线性弹簧的压缩x₂决定了驱动器的输出力为：

F＝2K_s(x₁+x₂)

变刚度机构存储的弹性势能：

E＝2K_s(x₁+x₂)²

变刚度柔性驱动器的刚度定义为：

通过对期望位置与期望刚度的跟踪，可反解出位置伺服电机与刚度伺服电机的转动角度，实现对变刚度柔性驱动器的末端位置与刚度控制。

步骤S12，设计带有前馈补偿器的PD控制器，其中前馈补偿器可以补偿目标输出位置与实际输出位置误差，实现驱动器输出位置控制。

步骤S13，通过在期望刚度中加入前馈补偿，消除迟滞误差，实现驱动器输出刚度控制。

通过控制器在步骤S10到步骤S12循环，使驱动器实现位置控制。

通过控制器在步骤S10到步骤S13循环，使驱动器实现刚度控制。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。

Claims (3)

1.一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度驱动器，其特征在于，包括：驱动机构、传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、驱动器支撑机构、电源和控制器；所述驱动机构由位置伺服电机、弹性联轴器、驱动器底座和驱动器底座轴组成，所述弹性联轴器两端分别连接位置伺服电机主动轴和底座输入轴，弹性联轴器起到过载保护的效果，所述底座输入轴通过螺丝与底座固定；所述传动机构主要由底座、输入盘和支点轴组成，所述输入盘与底座固定，所述支点轴穿过输入盘通孔，支点轴两端分别插入底座通孔中和杠杆通孔中与两端固定，所述位置伺服电机通过弹性联轴器、底座输入轴带动底座和支点轴稳定转动；所述主动变刚度机构主要由刚度伺服电机、正反牙滚珠丝杠、传动齿轮、刚度调节齿轮、弹簧支撑座、弹簧、滑块、导轨、滚珠轴承和刚度电机支撑座组成，所述弹簧通过正反牙滚珠丝杠改变形变量，实现驱动器刚度输出；所述驱动器输出机构主要由杠杆、输出盘、轴承、输出盖组成，所述输出盘与滚珠轴承外圈过盈配合固定，内圈与输入盘过盈配合固定，所述输出盖通过螺丝与输出盘固定，所述杠杆两端分别与滑块和输出盘通孔固定；所述驱动器支撑机构主要由驱动器支撑架、位置电机支撑架、滚珠轴承、驱动器支撑底座组成，所述驱动器支撑架通过螺丝与驱动器支撑底座固定，所述电机支撑架通过螺丝与驱动器支撑底座固定，所述驱动器支撑架与滚珠轴承外圈过盈配合固定，外圈与输入盘过盈配合固定，所述位置电机支撑架通过螺丝与位置伺服电机固定。

2.根据权利要求1中所述的一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度驱动器的主动变刚度机构，其特征在于，包括正反牙滚珠丝杠、正牙螺母、反牙螺母、滚珠轴承、传动齿轮、刚度调节齿轮、弹簧支撑座、弹簧、滑块、导轨、导轨固定枢组成，所述刚度伺服电机与输入盘固定，所述刚度调节齿轮连接在刚度伺服电机输出轴上，与传动齿轮啮合，所述传动齿轮与正反牙滚珠丝杠连接杆固定；所述正反牙滚珠丝杠两端与滚珠轴承的内圈过盈配合固定，外圈与弹簧支撑座过盈配合固定，所述正牙螺母、反牙螺母依次穿过滚珠丝杠并以滚珠丝杠中心对称，通过滚珠丝杠转动正牙螺母、反牙螺母可同时向内、外直线运动，所述弹簧支撑座与输入盘固定，所述导轨穿过弹簧，两端分别插入弹簧支撑座通孔中，通过导轨固定枢与弹簧支撑座固定，所述弹簧两端分别插入螺母的固簧槽和滑块的固簧槽进行固定，所述滑块穿入滑轨中，固定在左弹簧和右弹簧之间，实现轴向滑动。

3.根据权利要求1中所述的一种基于正反牙滚珠丝杠的对称式变刚度驱动器的控制方法，其特征在于，具体步骤入下：

步骤S10，基于实际工作驱动需要，确定驱动器输出的期望位置与期望刚度，得出驱动时期望位置与期望刚度的对应关系；

步骤S11，滚珠丝杠的螺母运动使线性弹簧产生预压缩x₁和杠杆对线性弹簧的压缩x₂决定了驱动器的输出力；

通过对期望位置与期望刚度的跟踪，可反解出位置伺服电机与刚度伺服电机的转动角度，实现对变刚度柔性驱动器的末端位置与刚度控制。

步骤S12，设计带有前馈补偿器的PD控制器，其中前馈补偿器可以补偿目标输出位置与实际输出位置间误差，实现驱动器输出位置控制；

步骤S13，通过在期望刚度中加入前馈补偿，消除迟滞误差，实现驱动器输出刚度控制；

通过控制器在步骤S10到步骤S13循环，使驱动器实现位置控制与输出刚度控制。

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