CN106737586B - 基于可变支点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可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构、动力输出机构和两套刚度调节结构，所述两套刚度调节结构沿动力输出机构的中心对称布置，采用了带有阿基米德螺旋曲线槽的齿轮来调节支点，改变杠杆力臂长度。能够实现刚度的大范围调节，使驱动器能够从零刚度调整到完全刚性，并且使得结构更加紧凑，且通过移动支点改变刚度，更易于控制，能够实现驱动器的输出位置和输出刚度的实时同步的调节。

Description

基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器

技术领域

本发明涉及变刚度驱动器，具体地指一种基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器。

背景技术

在机器人领域，运动驱动的方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动等，而电机驱动具有精度高、控制准确、响应迅速等优势，成为一种主要的驱动方式。随着机器人技术的发展，康复辅助机器人和助力机器人的研究也越来越受到了重视，这些机器人在人机交互的过程中要求更高的安全性和对环境更好的适应能力。而传统的电机驱动是刚性的，在人机交互过程中有可能对人体造成伤害，并且对环境的适应性较差。采用可变刚度的柔性驱动器可以很好的解决这一问题。

在设计变刚度驱动器的过程中，考虑可能的应用环境，应使结构紧凑、合理，同时应具有较大的刚度调节范围，调节功能易于实现，还有比较快的响应特性。目前，国内外在变刚度驱动器这一领域已有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：变刚度驱动器机构复杂、刚度调节范围小。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201010283564.2，该技术工开一种变刚度柔性关节，包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元，通过改变弹性元件的有效长度来改变刚度，但是弹性的有效长度改变有限，刚度改变的范围有限。

中国专利申请号20150355179.7，该技术公开了一种刚度可调的柔性关节驱动机构，包括驱动端、调整端和柔性关节，采用曲斜面-转轮配合结构实现变刚度，能够实现驱动器的刚度从极大柔性到完全刚性的改变，但该机构结构复杂，尺寸偏大。

中国专利申请号201310119858.5，该技术公开了一种可变刚度的机器人关节驱动器，包括关节驱动电机、刚度调节部件、输出端，利用金属柔性齿条实现了刚度的调节，结构比较紧凑，刚度范围比较大，但是结构比较复杂，刚度调节的过程复杂。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种结构紧凑、调节范围大的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器。

为了实现上述目的，本发明所设计的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，其特殊之处在于：

所述刚度调节结构设置有两套，沿动力输出机构的中心对称布置，所述刚度调节机构包括杠杆、支点柱、滑块和直线导轨，所述杠杆一端铰接在动力输出机构上，所述杠杆上下面分别设置有顶面滑槽和底面滑槽，所述支点柱一端与顶面滑槽配合连接，另一端连接在动力输入机构上，且与动力输入机构之间设置有支点调节结构，所述支点调节结构用于调节支点柱相对于动力输入机构的驱动轴轴向的位置，所述滑块与底面滑槽配合连接且套接在直线导轨上，所述直线导轨连接在动力输出机构上，所述直线导轨上还套接有两段弹簧，所述两段弹簧分别位于滑块两侧。

进一步地，所述动力输入机构包括位置伺服电机和盘状的驱动器底座，所述驱动器底座通过联轴器安装在位置伺服电机的驱动轴上。通过联轴器和驱动器底座，把动力的轴输出改为盘输出，便于后续动力的传递。

更进一步地，所述的支点调节结构包括刚度伺服电机、传动齿轮和刚度调节齿轮；所述传动齿轮连接在刚度伺服电机的输出轴上，与刚度调节齿轮啮合，所述刚度调节齿轮通过轴承连接在动力输出机构的输出轴上，所述刚度调节齿轮上设置有阿基米德螺旋线槽，所述驱动器底座上设置有径向调节槽，所述支点柱另一端依次穿过阿基米德螺旋线槽和径向调节槽。通过阿基米德螺旋曲线槽，把刚度调节齿轮转过的角度线性的转化为支点柱在径向调节槽中的位置，便于对支点柱位置的控制。在调节过程中，支点柱在阿基米德螺旋曲线槽中旋转一个角度时，支点柱在径向调节槽中的位置微小距离，提高支点柱位置的调节精度。

再进一步地，所述支点柱上设置有支点顶盖，所述支点顶盖位于杠杆和刚度调节齿轮之间。

再进一步地，所述动力输出机构包括带有旋转编码器的输出轴，所述输出轴上还设置有杠杆支撑架，所述两个对称布置的杠杆分别铰接在杠杆支撑架两端头，所述两个对称布置的直线导轨也连接在输出轴上。把输入轴动力传递到输出轴。再进一步地，还包括驱动器保护机构，所述驱动器保护机构包括筒状的驱动器外壳，所述驱动器外壳一端与驱动器底座之间活动连接，另一端设置有顶盖。驱动器保护机构支撑固定驱动器，同时对内部结构起到保护作用。

再进一步地，所述驱动器外壳一端与驱动器底座之间通过第一轴承活动连接，且驱动器外壳边缘还设置有用于限制驱动器底座径向运动的限位环。限位环与轴承配合的结构实现了驱动器底座的径向定位，同时可以使驱动器底座与驱动器外壳之间相对转动。

再进一步地，还包括驱动器支撑机构，所述驱动器支撑机构包括底座和支架，支架支撑在驱动器保护机构和位置伺服电机上，用于支撑固定整个驱动器，在驱动器运行过程中保证驱动器的平稳运行，减小震动。

本发明的优点在于：

本设计的刚度调节机构采用了带有阿基米德螺旋曲线槽的齿轮来调节支点，改变杠杆力臂长度。能够实现刚度的大范围调节，使驱动器能够从零刚度调整到完全刚性，并且使得结构更加紧凑。通过移动支点改变刚度，更易于控制，能够实现驱动器的输出位置和输出刚度的实时同步的调节。且刚度调节机构对称式布置，使驱动器的受力更加的均匀。

附图说明

图1为基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器结构示意图。

图2为基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器的剖视图。

图3为图2的详细标示结构示意图。

图4为基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器的侧视图。

图5为本发明中传动齿轮与刚度调节齿轮啮合结构示意图。

图6为本发明中杠杆、弹簧和支点柱连接关系结构示意图。

图7为本发明的位置伺服电机结构示意图。

图8为本发明的杠杆结构示意图。

图中：动力输入机构a、刚度调节机构b，动力输出机构c，支点调节结构d，驱动器支撑机构e，驱动器保护机构f，底座1，刚度伺服电机2，位置伺服电机3，支架4，连轴器5，支点顶盖6，驱动器底座7，驱动器外壳8，顶盖9，限位环10，输出轴11，杠杆支撑架12，弹簧13，编码器14，阿基米德螺旋线槽15，传动齿轮16，滑块17，刚度调节齿轮18，杠杆19，顶面滑槽19.1，底面滑槽19.2，支点柱20，径向调节槽21，第一弹簧22，第二弹簧23，第三弹簧24，第四弹簧25，第一轴承26，驱动轴27，直线导轨28。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构a、刚度调节机构b和动力输出机构c，刚度调节结构b设置有两套，沿动力输出机构c的中心对称布置，刚度调节机构b包括杠杆19、支点柱20、滑块17和直线导轨28，杠杆19一端铰接在动力输出机构c上，杠杆19上下面分别设置有顶面滑槽19.1和底面滑槽19.2，支点柱20一端与顶面滑槽19.1配合连接，另一端连接在动力输入机构a上，且与动力输入机构a之间设置有支点调节结构d，所述支点调节结构d用于调节支点柱20相对于动力输入机构a的驱动轴27轴向的位置，滑块17与底面滑槽19.2配合连接且套接在直线导轨28上，所述直线导轨28连接在动力输出机构c上，直线导轨28上还套接有两段弹簧13，两段弹簧13分别位于滑块17两侧。

其中，动力输入机构a包括位置伺服电机3和盘状的驱动器底座7，驱动器底座7通过联轴器5安装在位置伺服电机3的驱动轴27上。支点调节结构d包括刚度伺服电机2、传动齿轮16和刚度调节齿轮18；传动齿轮16连接在刚度伺服电机2的输出轴上，与刚度调节齿轮18啮合，刚度调节齿轮18通过刚度调节齿轮18通过轴承连接在动力输出机构c的输出轴11上，刚度调节齿轮18上设置有阿基米德螺旋线槽15，驱动器底座7上设置有径向调节槽21，支点柱20另一端依次穿过阿基米德螺旋线槽15和径向调节槽21，通过阿基米德螺旋曲线槽，把刚度调节齿轮转过的角度线性的转化为支点柱在径向调节槽中的位置，便于对支点柱位置的控制。在调节过程中，支点柱20在阿基米德螺旋曲线槽15中旋转一个角度时，支点柱20在径向调节槽21中的位置微小距离，提高支点柱20位置的调节精度。其中，支点柱20上设置有支点顶盖6，所述支点顶盖6位于杠杆19和刚度调节齿轮18之间。

动力输出机构c包括带有旋转编码器14的输出轴11，旋转编码器14通过输出联轴器固定在输出轴11上，输出轴11上还设置有杠杆支撑架12，两个对称布置的杠杆19分别铰接在杠杆支撑架12两端头，两个对称布置的直线导轨28也连接在输出轴11上。为保护整个刚度调节机构b，本设计还还包括驱动器保护机构f，驱动器保护机构f包括筒状的驱动器外壳8，驱动器外壳8一端与驱动器底座7之间活动连接，另一端设置有顶盖9。具体为，驱动器外壳8一端与驱动器底座7之间通过第一轴承26活动连接，且边缘还设置有用于限制驱动器底座7径向运动的限位环10。本发明还设计有驱动器支撑机构e，驱动器支撑机构e包括底座1和支架4。支架4支撑在驱动器保护机构f和位置伺服电机3上，用于支撑固定整个驱动器，在驱动器运行过程中保证驱动器的平稳运行，减小震动。

本实施例的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器工作时：根据给定的目标位置和目标刚度，驱动器利用一定的控制算法控制位置伺服电机3和刚度伺服电机2转动。根据编码器14返回的位置，快速调整输出位置直到目标位置。当位置伺服电机2和刚度伺服电机3上电后，在给定位置和刚度时，位置伺服电机2和刚度伺服电机3开始转动。刚度伺服电机3带动传动齿轮16做旋转运动，传动齿轮16带动刚度调节齿轮18绕驱动轴27做旋转运动，刚度调节齿轮18运动时同时推动两个支点柱20沿刚度调节齿轮18上的阿基米德螺旋曲线槽15及驱动器底座7上的径向槽调节槽21运动，使两个支点柱20分别在两个杠杆19中的位置发生改变，从而改变力臂长度，进而改变刚度，由于两个支点柱20对称分布，因此两个支点柱20相对于所对应的杠杆19的调节效果是相同的。当刚度伺服电机3正转时，刚度调节齿轮12反转，带动两个支点柱20向驱动轴27的轴心方向运动，在驱动器底座7和输出轴11偏差角不变时，刚度减小。当刚度伺服电机3反转时，刚度调节齿轮12正转，带动两支点柱20向驱动轴27的轴心反方向运动，在驱动器底座7和输出轴11偏差角不变时，刚度增大。通过轴输出，既可以直接向外输出力矩，也可以输出力。

当位置伺服电机2正转时，位置电机联轴器4正转，带动驱动器底座7正转，由于有弹簧13的存在，在驱动器底座7开始转动的时候，由于阻抗作用输出轴11暂未运动，并且第一弹簧22和第三弹簧24开始压缩，第二弹簧23和第四弹簧25开始伸长。驱动器底座7和输出轴11的偏差角开始产生。当第一弹簧22、第二弹簧23、第三弹簧24和第四弹簧25的形变达到一定量时，足以推动输出轴11运动时，在第一弹簧22、第二弹簧23、第三弹簧24和第四弹簧25的作用下，驱动轴27带动输出轴11开始正转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。

当位置伺服电机2反转时，位置电机联轴器4反转，带动驱动器底座7反转，由于驱动器中有弹簧的存在，在驱动器底座7开始转动的时候，由于阻抗作用输出轴11暂未运动，并且第二弹簧23和第四弹簧24开始伸长，第一弹簧22和第三弹簧24开始压缩。驱动器底座7和输出轴11的偏差角开始产生。当第一弹簧22、第二弹簧23、第三弹簧24和第四弹簧25的形变达到一定量时，足以推动输出轴11运动时，在第一弹簧22、第二弹簧23、第三弹簧24和第四弹簧25的作用下，驱动轴27带动输出轴开始反转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。

Claims (8)

1.一种基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构(a)、刚度调节机构(b)和动力输出机构(c)，其特征在于：

所述刚度调节结构(b)设置有两套，沿动力输出机构(c)的中心对称布置，所述刚度调节机构(b)包括杠杆(19)、支点柱(20)、滑块(17)和直线导轨(28)，所述杠杆(19)一端铰接在动力输出机构(c)上，所述杠杆(19)上下面分别设置有顶面滑槽(19.1)和底面滑槽(19.2)，所述支点柱(20)一端与顶面滑槽(19.1)配合连接，另一端连接在动力输入机构(a)上，且与动力输入机构(a)之间设置有支点调节结构(d)，所述支点调节结构(d)用于调节支点柱(20)相对于动力输入机构(a)的驱动轴(27)轴向的位置，所述滑块(17)与底面滑槽(19.2)配合连接且套接在直线导轨(28)上，所述直线导轨(28)连接在动力输出机构(c)上，所述直线导轨(28)上还套接有两段弹簧(13)，所述两段弹簧(13)分别位于滑块(17)两侧。

2.根据权利要求1所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述动力输入机构(a)包括位置伺服电机(3)和盘状的驱动器底座(7)，所述驱动器底座(7)通过联轴器(5)安装在位置伺服电机(3)的驱动轴(27)上。

3.根据权利要求2所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述的支点调节结构(d)包括刚度伺服电机(2)、传动齿轮(16)和刚度调节齿轮(18)；所述传动齿轮(16)连接在刚度伺服电机(2)的输出轴上，与刚度调节齿轮(18)啮合，所述刚度调节齿轮(18)通过轴承连接在动力输出机构(c)的输出轴(11)上，所述刚度调节齿轮(18)上设置有阿基米德螺旋线槽(15)，所述驱动器底座(7)上设置有径向调节槽(21)，所述支点柱(20)另一端依次穿过阿基米德螺旋线槽(15)和径向调节槽(21)。

4.根据权利要求3所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述支点柱(20)上设置有支点顶盖(6)，所述支点顶盖(6)位于杠杆(19)和刚度调节齿轮(18)之间。

5.根据权利要求4所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述动力输出机构(c)包括带有旋转编码器(14)的输出轴(11)，所述输出轴(11)上还设置有杠杆支撑架(12)，所述两套刚度调节结构(b)的杠杆(19)分别铰接在杠杆支撑架(12)两端头，所述两套刚度调节结构(b)的直线导轨(28)也连接在输出轴(11)上。

6.根据权利要求5所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：还包括驱动器保护机构(f)，所述驱动器保护机构(f)包括筒状的驱动器外壳(8)，所述驱动器外壳(8)一端与驱动器底座(7)之间活动连接，另一端设置有顶盖(9)。

7.根据权利要求6所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器外壳(8)一端与驱动器底座(7)之间通过第一轴承(26)活动连接，且驱动器外壳(8)边缘还设置有用于限制驱动器底座(7)径向运动的限位环(10)。

8.根据权利要求7所述的基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，其特征在于：还包括驱动器支撑机构(e)，所述驱动器支撑机构(e)包括底座(1)和支架(4)。