CN203542621U - 一种机器人关节的旋转弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种机器人关节的旋转弹性驱动器，包括第一关节臂、第二关节臂、回转油缸、涡旋弹簧，回转油缸的缸体与第一关节臂相连接，回转油缸的传动轴与涡旋弹簧相连接，涡旋弹簧与第二关节臂相连接。进而实现旋转弹性驱动器对机器人关节的转动驱动。本实用新型组合了主动驱动元件与弹性元件，是一种体积小巧、性能可靠、低功耗且具有仿生特征的旋转弹性驱动器。用于仿人机器人下肢关节，在仿人机器人运动驱动过程中能量具有存储和放大作用，因此旋转弹性驱动器的仿生驱动技术及能量放大特性具有很高的研究价值，且此旋转弹性驱动器也具有广阔的应用前景。

Description

一种机器人关节的旋转弹性驱动器

技术领域

本发明涉及一种机器人关节的驱动器，特别涉及一种机器人关节的旋转弹性驱动器。属于机器人领域。

背景技术

仿生驱动技术是近年来机器人领域的研究热点。人体的行走运动是由多块肌肉有节律的收缩，以驱动骨骼绕关节协同运动的结果，是控制系统（神经系统)与运动载体(人肢体)衍生出的复杂的运动，故借鉴人体运动机理进行仿人机器人关节驱动器的研究对提高仿人机器人行走的稳定性与柔韧性具有重要意义。

目前，基于人体运动仿生机理进行的关节弹性驱动器设计主要有：1.直线型弹性驱动器。采用电机、液压缸，通过丝杆螺母副组合弹簧实现机器人关节的驱动。2.旋转型弹性驱动器。采用电机，通过钢丝绳或锥齿轮组合弹簧实现机器人关节的驱动。作为仿人机器人系统中的关节驱动器，首先应该具有重量轻、输出功率及力矩满足系统需求、造价低、可靠性高等特点。同时要想实现仿人机器人更好的仿生运动效果，其驱动器还需具有较低的机械输出阻抗、能适应较大的控制带宽，类似肌肉工作原理一样具有较好的自然柔顺性与缓冲功能。

现阶段，弹性驱动器主要以电机与液压缸作为驱动源，驱动源与弹性元件进行串联，具有高能量密度、对外界冲击负载实现缓冲的优点，但仍存在体积大，重量重、功率/重量比偏低等不足，而弹性驱动器的微型化，对弹性驱动器的应用起着至关重要的作用。 

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种体积小、重量轻、功率/重量比偏高的机器人关节的旋转弹性驱动器。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种机器人关节的旋转弹性驱动器，包括第一关节臂、第二关节臂、回转油缸、涡旋弹簧，回转油缸的缸体与第一关节臂相连接，回转油缸的传动轴与涡旋弹簧相连接，涡旋弹簧与第二关节臂相连接。在传动轴与第二关节臂之间加装涡旋弹簧做缓冲器,有效地减缓了速度突变,减轻了系统在正反转换向瞬间受到的冲击,提高了系统寿命的同时, 由于涡旋弹簧的储能、释能的特点，节能效果十分明显。在仿人机器人行走过程中，足部是唯一与地面接触的部位，地面反力和反力矩通过足部作用于仿人机器人腿部，而本发明涉及的这种驱动方式能有效缓冲仿人机器人行走过程中足部与地面之间接触碰撞产生的冲击力。涡旋弹簧也具有体积小的特点。回转油缸与液压缸的原理是一样的，回转油缸的转动轴可以作小于360度的旋转，回转油缸具有体积小、输出扭矩大的特点，非常适合作为驱动器。

优选地：涡旋弹簧与第二关节臂之间还安装有传动部件，传动部件一侧与涡旋弹簧相连接，另一侧与第二关节臂相连。

优选地：涡旋弹簧与传动轴之间还安装有传动部件，传动部件的一侧与传动轴相连接，传动部件的另一侧与涡旋弹簧相连接。

优选地：传动部件为卡盘，卡盘上有沿圆周方向排列的凸起，涡旋弹簧的内圈上有与凸起相配合的凹槽，所述凸起安装在涡旋弹簧上的凹槽中。

优选地：回转油缸为中空回转油缸。回转油缸包括中空油缸及中实油缸，使用中空油缸可以进一步减轻旋转弹性驱动器的重量。

优选地：中空回转油缸采用薄壁轻型中空回转油缸。

优选地：涡旋弹簧的圈数为一圈。

优选地：涡旋弹簧为板弹簧。

有益效果：本发明的一种面向仿人机器人下肢关节的旋转弹性驱动器是一种采用主被动相结合的驱动方式。主动元件为中空回转油缸，被动元件为涡旋弹簧，充分利用涡旋弹簧的储能、释能的特点，实现对机构的缓冲作用，具有低功耗的特点；本发明涉及的机构相对简单，易于制造，重量较轻，能耗低，经济性好。

本发明属于一种旋转型弹性驱动器。其特点是用薄壁轻型回转油缸组合涡旋弹簧实现机器人关节的驱动。回转油缸具有体积小、输出扭矩大的特点，且涡旋弹簧也具有体积小、缓冲效果好等特点，使得由回转油缸组合涡旋弹簧形成的旋转弹性驱动器具有机构紧凑、低阻抗、重量轻、能耗低等优点。

附图说明

图1是第一种实施例的结构示意图。

图2是第二种实施例的结构示意图。

图3是驱动器的主视图。

图4是驱动器的侧视图。

图5是驱动器的俯视图。

图6是驱动器的剖视图。

附图标记名称如下：

1、缸体；2、涡旋弹簧；3、卡盘；4、第二关节臂；5、第一关节臂；6、油孔；7、螺栓；8、螺栓；9、传动轴；10、螺栓。

具体实施方式

结合图1-6，对本发明的具体方案做进一步描述。

本发明的一种机器人关节的旋转弹性驱动器由中空回转油缸作为驱动器，当然也可以使用其它回转油缸作为驱动器，例如：中实回转油缸。中空回转油缸采用薄壁轻型叶片式中空回转油缸，主要包括缸体1、传动轴9，通过液压驱动传动轴9旋转。油孔6安装在缸体1上，液压油通过油孔6进入缸体1内。所述的薄壁轻型中空回转油缸为叶片式中空回转油缸，与典型叶片式回转油缸组成机构相同，主要包括进油孔6、出油孔6、缸体1、隔板、叶片、花键、转子组成，叶片固定在转子上，用花键将转子与中空传动轴9连接，用螺栓将隔板与缸体连接。在密封的缸体1内，隔板与活动叶片之间围城两个油腔，液压力作用在活动叶片的端面上，对中空的传动轴9中心产生力矩使被驱动传动轴9转动。

中空回转油缸的缸体1与第一关节臂5通过螺栓8相连接，中空回转油缸的传动轴9通过缓冲装置与第二关节臂4相连接，缓冲装置的作用就是为了减轻系统在正反转换向瞬间受到的冲击,提高了系统寿命的。为了更好的解决关节抗冲击载荷的问题，本实施例中采用涡旋弹簧2作为缓冲装置主要部件。涡旋弹簧2可以是利用圆的渐开线来描述弹簧的涡旋槽曲线而进行设计的板弹簧，各个涡旋槽的中心按一定的角度均匀分布。在实际设计中，可以需要根据特定的尺寸及性能要求对涡旋弹簧2的结构尺寸进行设计，也可根据负载需求采用双重或多重涡旋弹簧的设计方式。在本发明的第一种实施方式中把传动轴9与涡旋弹簧2通过螺栓7相连接，涡旋弹簧2与传动部件的一侧相连接，第二关节臂4通过螺栓10与传动部件的另一侧相连接；在本发明的第二种实施方式中把传动轴9与传动部件的一侧相连接，传动部件的另一侧与涡旋弹簧2相连接，涡旋弹簧2与第二关节臂4相连接。也可以直接使用涡旋弹簧2把传动轴9与第二关节臂4连接起来。但是由于上述部件的连接都是通过螺栓连接的，为了避免在涡旋弹簧2上开有过多的螺纹孔，所以使用了传动部件。所述传动部件为卡盘3，卡盘3的一侧有沿圆周方向排列的凸起，涡旋弹簧2的内圈上有与凸起相配合的凹槽，卡盘3与涡旋弹簧2相连接，卡盘3上的凸起嵌入在涡旋弹簧2内圈上的凹槽中。在第一实施例中卡盘3的另一侧通过螺栓10与第二关节臂4相连接；在第二实施例中卡盘3的一侧通过螺栓10与传动轴9相连接。

本发明在工作时，其具体的工作过程为：动力源为回转油缸，回转油缸的缸体1与关节臂1相连，回转油缸的传动轴9的转动带动涡旋弹簧2的转动，进而带动传动部件3的转动，而传动部件3的转动进而带动第二关节臂的转动，最终实现第一关节臂与关节臂2之间的相对转动。在整个传动过程中，涡旋弹簧不仅起传动作用而且具有运动的缓冲功能。

本发明通过回转油缸的转动，带动涡旋弹簧，进而驱动关节的转动。通过这种传动方式，驱动器输出的力通过涡旋弹簧的缓冲带动负载，这种机构设计，可以充分保护驱动器，提高抗冲击载荷的能力。在仿人机器人行走过程中，足部是唯一与地面接触的部位，地面反力和反力矩通过足部作用于仿人机器人腿部，而本发明涉及的这种驱动方式能有效缓冲仿人机器人行走过程中足部与地面之间接触碰撞产生的冲击力。另外，仿人机器人所用的驱动器要具有适应外部负载力的高带宽变化能力，对涡旋弹簧的弹簧刚度系数进行合理设计，通过根据关节负载需求采用双重或多重涡旋弹簧的设计方式，进而提高驱动系统的输出带宽。

Claims (8)

1.一种机器人关节的旋转弹性驱动器，包括第一关节臂（5）、第二关节臂（4），其特征在于：还包括回转油缸、涡旋弹簧（2），回转油缸的缸体（1）与第一关节臂（5）相连接，回转油缸的传动轴（9）与涡旋弹簧（2）相连接，涡旋弹簧（2）与第二关节臂（4）相连接。

2.根据权利要求1所述的弹性驱动器，其特征在于：涡旋弹簧（2）与第二关节臂（4）之间还安装有传动部件，传动部件一侧与涡旋弹簧（2）相连接，另一侧与第二关节臂（4）相连。

3.根据权利要求1所述的弹性驱动器，其特征在于：涡旋弹簧（2）与传动轴（9）之间还安装有传动部件，传动部件的一侧与传动轴（9）相连接，传动部件的另一侧与涡旋弹簧（2）相连接。

4.根据权利要求2或3所述的弹性驱动器，其特征在于：传动部件为卡盘（3），卡盘（3）上有沿圆周方向排列的凸起，涡旋弹簧（2）的内圈上有与凸起相配合的凹槽，所述凸起安装在涡旋弹簧（2）上的凹槽中。

5.根据权利要求1或2或3所述的弹性驱动器，其特征在于：回转油缸为中空回转油缸。

6.根据权利要求5所述的弹性驱动器，其特征在于：所述的中空回转油缸采用薄壁轻型中空回转油缸。

7.根据权利要求1或2或3所述的弹性驱动器，其特征在于：涡旋弹簧（2）的圈数为一圈。

8.根据权利要求1或2或3所述的弹性驱动器，其特征在于：涡旋弹簧（2）为板弹簧。

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