CN210025297U - 一种变刚度驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变刚度驱动装置，包括外壳、输出轴和变刚度单元，变刚度单元中的第一凸轮盘和第二凸轮盘分别能够进行转动，由于滑块始终与第一凸轮盘或第二凸轮盘保持接触，第一凸轮盘转动会使中心板上部的滑块沿着滑槽滑动，线性的弹簧与第一凸轮盘相配合能够实现弹簧压缩量的非线性变化，通过控制第一凸轮盘和第二凸轮盘的相对转动角度，能够改变变刚度驱动装置输出的刚度和位置，从而实现柔性输出，且装置结构简单，刚度位置调节快速灵活。

Description

一种变刚度驱动装置

技术领域

本实用新型涉及机器人柔性驱动技术领域，特别涉及一种变刚度驱动装置。

背景技术

随着机器人技术的广泛应用，传统的刚性驱动技术已无法满足一些应用领域的功能要求，例如一些需要机器人在未知环境中与人协作时，外界的干扰或碰撞会对人和机器造成伤害，要求驱动器力度的动态变化从而保证人机的安全性。在驱动和负载之间接入柔性元件可以一定程度上提高系统的安全性，并且刚度的减小可以提高力控制的稳定性，但该类驱动的刚度不可调，系统的固有振荡频率和弹性元件的刚度有关，在关节运动过程中，为消除弹簧自由振荡的能量损耗较大，且系统的灵活性较低。

为解决上述问题，变刚度驱动成为近年来的研究热点，刚性驱动能够到达特定的位置，一旦到达指定位置，无论有无外界力施加于驱动器，刚性驱动器都能保持在这一位置，变刚度驱动器即使在到达指定位置后，也会因为外界对它施加的力，产生相对于自己平衡位置的位移，变刚度驱动可根据任务需求调节系统刚度，运动更加灵活，因此得到广泛应用。

因此，如何提供一种结构简单、刚度变化范围广、刚度调节快的变刚度驱动器，是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种变刚度驱动装置，该变刚度驱动装置结构简单，能够对输出轴的刚度和位置同时进行控制，且刚度调节快速灵活。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种变刚度驱动装置，包括外壳、输出轴和变刚度单元，所述变刚度单元设置于所述外壳的内腔中，所述输出轴的一端伸入所述外壳的内腔中并与所述变刚度单元相连；

所述变刚度单元包括同轴设置于外壳内部并与所述输出轴同轴联动地相连接的中心层，所述中心层的中部相联动地设置有中心板，所述中心板的顶部可转动地同轴设置有第一凸轮盘，所述中心板的底部可转动地同轴设置有第二凸轮盘，所述第一凸轮盘与所述中心板之间、所述第二凸轮盘与所述中心板之间分别设置有弹性组件，还包括可分别驱动所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘定轴转动的驱动单元；

所述弹性组件包括分置于所述第一凸轮盘的两侧及分置于所述第二凸轮盘的两侧的滑块，所述滑块与所述第一凸轮盘的外周壁及所述第二凸轮盘的外周壁均相抵接，所述滑块及该滑块同侧的所述中心层的内壁间卡接有弹簧，所述中心板的径向方向设置滑槽，所述滑槽与所述中心板的轴线相垂直，所述滑块滑动设置于所述滑槽内，所述第一凸轮盘的外周壁和所述第二凸轮盘的外周壁均具有平面段和曲面段，且初始状态下，所述滑块与其相应的第一凸轮盘或第二凸轮盘的平面段相抵接。

优选地，所述滑块为圆柱状结构，所述滑块的外周面与所述第一凸轮盘或所述第二凸轮盘相抵接。

优选地，所述滑块的底部抵接有可移动地设置于所述滑槽内并与所述滑槽内壁滚动配合的滚珠。

优选地，所述滑槽的开口宽度较所述滑槽的底面宽度窄，所述滑槽的开口宽度较所述滚珠的直径小，所述滑槽设置隔挡条，所述隔挡条能够防止所述滚珠和所述滑块滑出所述滑槽，所述隔挡条与所述滑槽的轴线相平行，所述滑块具有与所述隔挡条相适配的周向环状凹槽。

优选地，所述外壳包括外壳上盖、壳套和外壳下盖，所述壳套为空心圆柱体，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别设置于所述壳套的两端，所述变刚度单元设置于所述外壳上盖、所述壳套和所述外壳下盖围成的空间内，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别与所述壳套可拆卸连接。

优选地，所述驱动单元包括与所述第一凸轮盘连接的第一驱动电机，所述第一驱动电机固定于所述外壳上盖上，所述输出轴穿过所述外壳上盖、所述第一驱动电机和所述第一凸轮盘与所述中心板相连，所述第一驱动电机为空心电机；

所述驱动单元还包括与所述第二凸轮盘连接的第二驱动电机，所述第二驱动电机固定于所述外壳下盖上。

优选地，所述中心层的下方同轴设置有环形支撑，且所述环形支撑与所述中心层间可相对转动地相适配。

优选地，所述环形支撑通过螺钉固定在所述外壳的内壁上，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别与所述中心层通过螺钉连接。

优选地，所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘的形状相同，所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘与所述滑块相抵接的侧立面均具有两个相对称的弧面和两个相对称的平面，且两所述弧面的弧顶间距大于两所述平面的间距。

相对上述背景技术，本实用新型所提供的变刚度驱动装置，第一凸轮盘和第二凸轮盘分别能够进行转动，由于滑块始终与第一凸轮盘或第二凸轮盘保持接触，第一凸轮盘转动会使中心板上部的滑块沿着滑槽滑动，线性的弹簧与第一凸轮盘相配合能够实现弹簧压缩量的非线性变化，通过控制第一凸轮盘和第二凸轮盘的相对转动角度，能够改变变刚度驱动装置输出的刚度和位置，从而实现柔性输出，且装置结构简单，刚度位置调节快速灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的变刚度驱动装置的结构示意图；

图2为本实用新型的变刚度驱动装置的外壳的结构示意图；

图3为本实用新型的变刚度驱动装置的变刚度单元和输出轴的结构示意图；

图4为本实用新型的变刚度驱动装置的变刚度单元的仰视结构示意图；

图5为本实用新型的变刚度驱动装置的中心板和中心层的结构示意图；

图6为本实用新型的变刚度驱动装置的环形支撑的结构示意图；

图7为本实用新型的变刚度驱动装置的弹簧非线性压缩的原理示意图；

图8为本实用新型的变刚度驱动装置的运行时的原理示意图。

其中，1为输出轴，2为外壳上盖，3为外壳，4为外壳下盖，5为第一驱动电机，6为第一凸轮盘，7为中心层，8为第二凸轮盘，9为环形支撑，10为第二驱动电机，11为中心板，12为滑块，13为弹簧。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种变刚度驱动装置，该变刚度驱动装置结构简单，能够对输出轴的刚度和位置同时进行控制，且刚度调节快速灵活。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1至图8，图1为本实用新型的变刚度驱动装置的结构示意图，图2为本实用新型的变刚度驱动装置的外壳的结构示意图，图3为本实用新型的变刚度驱动装置的变刚度单元和输出轴的结构示意图，图4为本实用新型的变刚度驱动装置的变刚度单元的仰视结构示意图，图5为本实用新型的变刚度驱动装置的中心板和中心层的结构示意图，图6为本实用新型的变刚度驱动装置的环形支撑的结构示意图，图7为本实用新型的变刚度驱动装置的弹簧非线性压缩的原理示意图，图8为本实用新型的变刚度驱动装置的运行时的原理示意图。

在具体实施方式中，本实用新型所提供的变刚度驱动装置，包括外壳3、输出轴1和变刚度单元，变刚度单元设置于外壳3的内腔中，输出轴1的一端伸入外壳3的内腔中并与变刚度单元相连；

变刚度单元包括同轴设置于外壳3内部并与输出轴1同轴联动地相连接的中心层7，中心层7的中部设置有中心板11，中心板11的顶部可转动地同轴设置有第一凸轮盘6，中心板11的底部可转动地同轴设置有第二凸轮盘8，第一凸轮盘6与中心板11之间、第二凸轮盘8与中心板11之间分别设置有弹性组件，还包括可分别驱动第一凸轮盘6和第二凸轮盘8定轴转动的驱动单元；

弹性组件包括分置于第一凸轮盘6的两侧及分置于第二凸轮盘8的两侧的滑块12，滑块12与第一凸轮盘6的外周壁及第二凸轮盘8的外周壁均相抵接，滑块12及该滑块12同侧的中心层7的内壁间卡接有弹簧13，中心板11的径向方向设置滑槽，滑槽与中心板11的轴线相垂直，滑块12滑动设置于滑槽内，第一凸轮盘6的外周壁和第二凸轮盘8的外周壁均具有平面段和曲面段，且初始状态下，滑块12与其相应的第一凸轮盘6或第二凸轮盘8的平面段相抵接。

本实用新型所提供的变刚度驱动装置，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8分别能够在驱动单元的带动下进行转动，由于滑块12始终与第一凸轮盘6或第二凸轮盘8保持接触，第一凸轮盘6转动会使中心板11上部的滑块12沿着滑槽滑动，线性的弹簧13与第一凸轮盘6相配合能够实现弹簧13压缩量的非线性变化，通过控制第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的相对转动角度，能够改变变刚度驱动装置输出的刚度和位置，从而实现柔性输出，且装置结构简单，刚度位置调节快速灵活。

在装置初始状态时，弹簧13处于压缩状态，从而保证滑块12和第一凸轮盘6和第二凸轮盘8始终能够接触，当有外力F作用在输出轴1时，由于输出轴1和中心板11固定连接，使得中心板11被动偏转θ_p(中心板11与第一凸轮盘6或第二凸轮盘8表面法线之间的夹角)，弹簧13被压缩，产生相应的力矩τ₁，当被动转角θ_p增加，弹簧13非线性压缩，产生的弹力F_s为

F_s＝k_s[l_p+(d-d₀)]＝k_s(l_p+d₀secθ_p-d₀)

其中，k_s为弹簧13刚度，l_p为弹簧13的初始压缩量，d_o为滑块12中心到第一凸轮盘6或第二凸轮盘8旋转中心的距离。

弹簧13弹力转化为垂直于中心板11的作用力F_r

F_r＝F_ssinθ_pcosθ_p

相应的关节力矩为

τ₁＝-2d×F_r＝-2dk_s[l_p+d(secθ_p-1)]sinθ_p

另外需要强调的是，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8与滑块12的相抵接面均包含平面和弧面，可以实现两种工作模式，当外力产生的偏转角度没有超过预设阈值时，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的平面与滑块12相抵接，使弹簧13非线性压缩，改变刚度；当偏转角度超过阈值时，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的弧面与滑块12相抵接，能够实现刚度的快速大幅下降，保证碰撞安全性。

具体地，滑块12为圆柱状结构，滑块12的外周面与第一凸轮盘6或第二凸轮盘8相抵接，在滑块12与第一凸轮盘6或第二凸轮盘8相抵接并产生相对位移时，滑块12为圆柱状结构，减小摩擦阻力，保证第一凸轮盘6和第二凸轮盘8能够顺利转动。

在本实用新型的其他具体实施方式中，滑块12的底部抵接有可移动地设置于滑槽内并与滑槽内壁滚动配合的滚珠，通过滚珠与滑槽内壁的滚动配合，将滑块12与滑槽的滑动摩擦改为滑块12与滚珠的滚动摩擦，减小滑块12与滑槽之间的摩擦力，使滑块12滑动更顺畅，继而提高调节输出刚度时的灵活性，提高调节速度，减少能量损耗。

为了避免滑块12在滑动过程中由滑槽中脱出，滑槽的开口宽度较滑槽的底面宽度窄，滑槽的开口宽度较滚珠的直径小，避免滚珠滑脱，滑槽设置隔挡条，隔挡条能够防止滚珠和滑块12滑出滑槽，隔挡条与滑槽的轴线相平行，滑块12具有与隔挡条相适配的周向环状凹槽，避免滑块12在受到第一凸轮盘6或第二凸轮盘8对它施加的力时从滑槽中弹出。

更具体地，外壳3包括外壳上盖2、壳套和外壳下盖4，壳套为空心圆柱体，外壳上盖2和外壳下盖4分别设置于壳套的两端，变刚度单元设置于外壳上盖2、壳套和外壳下盖4围成的空间内，为变刚度单元提供了支撑和安装空间，且外壳3为分体式结构，外壳上盖2和外壳下盖4分别与壳套可拆卸连接，方便拆装检修维护。

进一步地，驱动单元包括与第一凸轮盘6连接的第一驱动电机5，第一驱动电机5固定于外壳上盖2上，输出轴1穿过外壳上盖2、第一驱动电机5和第一凸轮盘6与中心板11相连，第一驱动电机5为空心电机；该驱动单元还包括与第二凸轮盘8连接的第二驱动电机10，第二驱动电机10固定于外壳下盖4上，外壳上盖2和外壳下盖4为第一驱动电机5和第二驱动电机10提供了安装基础，中心层7与中心板11可靠固定并联动配合。

中心层7的下方同轴设置有环形支撑9，且该环形支撑9与中心层7间可相对转动地相适配，环形支撑9能够为中心层7及其相关连接件提供充足的结构支撑。

在本具体实施方式中，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的形状相同，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8与滑块12相抵接的侧立面均具有两个相对称的弧面和两个相对称的平面，且两弧面的弧顶间距大于两平面的间距。第一凸轮盘6和第二凸轮盘8均为对称结构，已使第一凸轮盘6或第二凸轮盘8两侧的滑块12受力均匀，进而提高输出刚度调节的精确性。

综上可知，本实用新型中提供的变刚度驱动装置，其使用过程中，第一驱动电机5带动第一凸轮盘6转动，第二驱动电机10带动第二凸轮盘8转动，由于滑块12与第一凸轮盘6或第二凸轮盘8始终保持接触状态，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的转动会带动中心板11上下的滑块12沿着滑槽运动，弹簧13一端与滑块12相连，弹簧13的另一端与中心层7相连，弹簧13压缩量产生非线性变化，通过控制第一凸轮盘6和第二凸轮盘8转动的相对角度，能够改变系统的刚度和输出位置。当第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的转动角度相同，但是转动方向相反，这时输出轴1的刚度发生改变；当第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的旋转角度大小和方向均相同，输出轴1的位置发生变化；当第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的旋转角度不同时，装置输出轴1的刚度和位置均发生变化。

当第一凸轮盘6的旋转角度为θ₁，第二凸轮盘8的旋转角度为θ₂，且θ₁＝-θ₂，定义第一凸轮盘6与第二凸轮盘8之间的夹角

分别分析第一凸轮盘6和第二凸轮盘8对中心板11的作用，则中心板11偏转角度为

和

假设中心板11由于外力作用偏转θ_p，则输出力矩τ和系统刚度k为

所以，系统输出的刚度是θ_p和

的函数，当没有外力施加时，θ_p＝0，此时k代表第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的夹角为

时系统初始刚度。

具体在实施中，控制第一驱动电机5带动第一凸轮盘6转动，第二驱动电机10带动第二凸轮盘8转动，第一凸轮盘6和第二凸轮盘8之间的夹角发生变化，滑块12沿滑槽滑动，弹簧13的压缩量改变，输出刚度随之变化；当外力改变，中心板11的被动偏转量改变，输出刚度也发生变化；特别地，当发生碰撞时，受到的外力超过阈值，第一驱动电机5和第二驱动电机10使第一凸轮盘6和第二凸轮盘8的曲面部分与滑块12接触，装置输出刚度将大幅降低。

以上对本实用新型所提供的变刚度驱动装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种变刚度驱动装置，其特征在于：包括外壳、输出轴和变刚度单元，所述变刚度单元设置于所述外壳的内腔中，所述输出轴的一端伸入所述外壳的内腔中并与所述变刚度单元相连；

所述变刚度单元包括同轴设置于外壳内部并与所述输出轴同轴联动地相连接的中心层，所述中心层的中部相联动地设置有中心板，所述中心板的顶部可转动地同轴设置有第一凸轮盘，所述中心板的底部可转动地同轴设置有第二凸轮盘，所述第一凸轮盘与所述中心板之间、所述第二凸轮盘与所述中心板之间分别设置有弹性组件，还包括可分别驱动所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘定轴转动的驱动单元；

所述弹性组件包括分置于所述第一凸轮盘的两侧及分置于所述第二凸轮盘的两侧的滑块，所述滑块与所述第一凸轮盘的外周壁及所述第二凸轮盘的外周壁均相抵接，所述滑块及该滑块同侧的所述中心层的内壁间卡接有弹簧，所述中心板的径向方向设置滑槽，所述滑槽与所述中心板的轴线相垂直，所述滑块滑动设置于所述滑槽内，所述第一凸轮盘的外周壁和所述第二凸轮盘的外周壁均具有平面段和曲面段，且初始状态下，所述滑块与其相应的第一凸轮盘或第二凸轮盘的平面段相抵接。

2.如权利要求1所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述滑块为圆柱状结构，所述滑块的外周面与所述第一凸轮盘或所述第二凸轮盘相抵接。

3.如权利要求2所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述滑块的底部抵接有可移动地设置于所述滑槽内并与所述滑槽内壁滚动配合的滚珠。

4.如权利要求3所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述滑槽的开口宽度较所述滑槽的底面宽度窄，所述滑槽的开口宽度较所述滚珠的直径小，所述滑槽设置隔挡条，所述隔挡条能够防止所述滚珠和所述滑块滑出所述滑槽，所述隔挡条与所述滑槽的轴线相平行，所述滑块具有与所述隔挡条相适配的周向环状凹槽。

5.如权利要求1所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述外壳包括外壳上盖、壳套和外壳下盖，所述壳套为空心圆柱体，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别设置于所述壳套的两端，所述变刚度单元设置于所述外壳上盖、所述壳套和所述外壳下盖围成的空间内，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别与所述壳套可拆卸连接。

6.如权利要求5所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述驱动单元包括与所述第一凸轮盘连接的第一驱动电机，所述第一驱动电机固定于所述外壳上盖上，所述输出轴穿过所述外壳上盖、所述第一驱动电机和所述第一凸轮盘与所述中心板相连，所述第一驱动电机为空心电机；

所述驱动单元还包括与所述第二凸轮盘连接的第二驱动电机，所述第二驱动电机固定于所述外壳下盖上。

7.如权利要求6所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述中心层的下方同轴设置有环形支撑，且所述环形支撑与所述中心层间可相对转动地相适配。

8.如权利要求7所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述环形支撑通过螺钉固定在所述外壳的内壁上，所述外壳上盖和所述外壳下盖分别与所述中心层通过螺钉连接。

9.如权利要求1-8任一项所述的变刚度驱动装置，其特征在于：所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘的形状相同，所述第一凸轮盘和所述第二凸轮盘与所述滑块相抵接的侧立面均具有两个相对称的弧面和两个相对称的平面，且两所述弧面的弧顶间距大于两所述平面的间距。

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