CN108297075B - 一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器 - Google Patents

一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器 Download PDF

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Abstract

一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，该驱动器包括机架、动力输入及传动机构和输出机构。所述动力输入及传动机构包括电机、齿轮、齿条、齿条支架、连杆和滑块；所述输出机构包括输出圆筒、板簧、输出板和输出板连接件，板簧安装在输出圆筒上，且与滑块连接构成移动副；两输出板的一端固接在输出圆筒上，另一端通过输出圆柱固接在一起。本发明采用双电机并联对抗式的结构，使其输出响应更加迅速；采用板簧作为弹性元件使得驱动器变刚度模块结构变得简单，并且本发明结构紧凑、高度对称。

Description

一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器
技术领域
本发明属于柔性驱动技术领域，特别涉及一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器。
背景技术
机器人领域的运动驱动方式主要有以下几种，如气压驱动、液压驱动以及电机驱动等。电机驱动因为其控制准确、调节精度高、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，康复机器人和仿生服务机器人的研发越来越受重视，这些机器人在人机交互过程的安全性和对环境的适应能力也有着更高的要求。而传统的电机驱动是刚性驱动，在人机交互过程中与环境发生刚性碰撞的可能性很大，并且对机器人造成机械性损伤，也可能对人体造成伤害。而采用变刚度柔性驱动器可以很好地解决这一问题。
变刚度柔性驱动器通过在传动环节中加入弹性元件，将驱动器的刚性输出变成柔性输出，并且可以实时改变刚度值。柔性驱动器可以利用弹性元件进行动能与势能的相互转化，降低了***能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性元件，也可以改善***的动力学特性，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性元件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。
发明专利CN104626196A公开了一种变刚度柔性驱动器，该驱动器包括机架，在机架上安装一动力输入轴，在动力输入轴上滑动地设置一滑套；动力输出轴与动力输入轴共轴，并由多个拉伸弹簧连接滑套和动力输出轴；动力输入轴可带动滑套转动，并使拉伸弹簧发生扭转，进而带动动力输出轴转动，实现动力的柔性输出；在机架上与动力输入轴平行地设置一丝杠，在丝杠上螺接一拨叉，拨叉的两个伸出臂插设到滑套的环形槽内；丝杠转动时，通过拨叉带动滑套沿滑动改变拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。该驱动器的结构不够紧凑，串联的电机控制方式使得驱动器的控制响应相对并联控制方式较慢。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，使其不仅具有更加快速的输出响应，更优秀的力学性能，而且使得驱动器结构更为简单、紧凑，从而可有效改善机器人的动力学特性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，包括机架、动力输入及传动机构和输出机构，其特征在于：
所述动力输入及传动机构包括A电机、B电机、A齿轮、B齿轮、第一A齿条、第二A 齿条、第一B齿条、第二B齿条、第一A连杆、第二A连杆、第一B连杆、第二B连杆、第一滑块、第二滑块和齿条支架；A电机和B电机分别安装在机架的两侧；A电机和B电机的输出轴分别与A齿轮和B齿轮同轴连接；A齿轮轴和B齿轮轴的轴线位于同一直线上；第一A齿条和第二A齿条分别与A齿轮啮合且上下平行布置；第一B齿条和第二B齿条分别与B齿轮啮合且上下平行布置；四根齿条安装在齿条支架上，并与齿条支架构成四个移动副；第二A连杆和第一B连杆的一端分别与第二A齿条和第一B齿条的一端固接；第二 A连杆和第一B连杆的另一端分别通过转动副与第一滑块连接；第一A连杆和第二B连杆的一端分别与第一A齿条和第二B齿条的一端固接，第一A连杆和第二B连杆的另一端分别通过转动副与第二滑块连接；第一滑块和第二滑块关于A齿轮轴和B齿轮轴的轴线对称布置；所述输出机构包括第一板簧、第二板簧、输出圆筒、A输出板和B输出板和输出板连接件；第一板簧(和第二板簧的一端均固定安装在输出圆筒内壁上；第一滑块安装在第一板簧上，且与第一板簧构成移动副；第二滑块安装在第二板簧上，且与第二板簧构成移动副；A输出板和B输出板的一端分别固定在输出圆筒的两侧，另一端通过输出板连接件固接在一起。
优选地，所述A齿轮与A齿轮轴采用一体式结构；所述B齿轮与B齿轮轴采用一体式结构。
优选地，A齿轮轴分别通过轴承与机架、A输出板和齿条支架连接；B齿轮轴分别通过轴承与机架、B输出板和齿条支架连接；A电机输出轴与A齿轮轴之间以及B电机输出轴与B齿轮轴之间均采用联轴器进行连接。
本发明采用上述技术方案具有以下突出性技术效果：该发明的输入机构采用双电机并联对抗式的结构设计，两个电机通过动力输入及传动机构同时控制输出的平衡位置和刚度值，使驱动器具有更加快速的输出响应；输出机构中的板簧可以看作悬臂梁，改变其刚度值只需要改变其有效长度，即板簧安装位置到滑块的距离，采用板簧作为弹性元件，就使得驱动器结构的设计更为简单；并且驱动器的结构设计紧凑、高度对称，使得驱动器有着更优秀的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2a为本发明实施例的左视图。
图2b为图2a的A-A剖视图。
图3a为本发明实施例的主视图。
图3b为图3a的B-B剖视图。
图4为本发明实施例的动力传动机构结构示意图。
图中标号：1-机架；2-A电机；3-A联轴器；4-A电机支架；5-A齿轮；6-B电机；7-B 联轴器；8-B电机支架；9-B齿轮；10a-第一轴承；10b-第二轴承；10c-第三轴承；10d- 第四轴承；10e-第五轴承；10f-第六轴承；11a-第一A齿条；11b-第二A齿条；11c-第一 B齿条；11d-第二B齿条；12a-第一A连杆；12b-第二A连杆；12c-第一B连杆；12d-第二B连杆；13a-第一滑块；13b-第二滑块；14-齿条支架；15a-第一板簧；15b-第二板簧； 16-输出圆筒；17a-A输出板；17b-B输出板；18-输出板连接件。
具体实施方式
本发明提供了一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明实施例的整体结构示意图，图2a、3a分别为本发明实施例的左视图和主视图。所述的一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器包括机架1、动力输入及传动机构和输出机构。该驱动器包括A电机2、B电机6、A电机支架4、B电机支架8、 A联轴器3、B联轴器7、A齿轮5、B齿轮9、第一A齿条11a、第二A齿条11b、第一B 齿条11c、第二B齿条11d、第一A连杆12a、第二A连杆12b、第一B连杆12c、第二B 连杆12d、第一滑块13a、第二滑块13b和齿条支架14；A电机2和B电机6分别通过A 电机支架4和B电机支架8安装在机架1的两侧；A电机2输出轴通过A联轴器3与A齿轮5连接，B电机6输出轴通过B联轴器7与B齿轮9连接；A齿轮5和B齿轮9的轴线位于同一直线上；第一A齿条11a和第二A齿条11b与A齿轮啮合，且上下平行布置；第一B齿条11c和第二B齿条11d与B齿轮9啮合，且上下平行布置；第一A齿条11a、第二A齿条11b、第一B齿条11c和第二B齿条11d均安装在齿条支架14上，与齿条支架 14构成四个移动副；第二A连杆12b和第一B连杆12c的一端分别与第二A齿条11b和第一B齿条11c的一端固接，第二A连杆12b和第一B连杆12c的另一端与第一滑块13a通过转动副连接；第一A连杆12a和第二B连杆12d的一端分别与第一A齿条11a和第二B 齿条11d的一端固接，第一A连杆12a和第二B连杆12d的另一端与第二滑块13b通过转动副连接；第一滑块13a和第二滑块13b关于A齿轮5和B齿轮9的共轴轴线对称布置。
输出机构如图2b和图3b所示，包括第一板簧15a、第二板簧15b、输出圆筒16、A 输出板17a、B输出板17b以及输出板连接件18；第一板簧15a和第二板簧15b的一端均固定安装在输出圆筒16内壁上，并且关于A齿轮5和B齿轮9的共轴轴线对称；第一滑块13a安装在第一板簧15a上，且与第一板簧15a构成移动副；第二滑块13b安装在第二板簧15b上，且与第二板簧15b构成移动副；A输出板17a和B输出板17b的一端对称固接在输出圆筒16的两侧，另一端分别与输出板连接件18的两端固接在一起。
如图2b所示，该柔性驱动器的机架1分别通过第一轴承10a和第六轴承10f与A齿轮轴和B齿轮轴连接；A输出板17a和B输出板17b分别通过第二轴承10b和第五轴承10e 与A齿轮轴和B齿轮轴连接；齿条支架14分别通过第三轴承10c和第四轴承10d与A齿轮轴和B齿轮轴连接；A电机2输出轴与A齿轮轴之间以及B电机6输出轴与B齿轮轴之间均采用联轴器进行连接。
为了加工和安装方便，所述A齿轮5与A齿轮轴采用一体式结构；所述B齿轮与B齿轮轴采用一体式结构。
本发明的工作过程及原理如下：运行时，A电机2和B电机6分别带动A齿轮5和B 齿轮9旋转，同时驱动动力传动机构；A齿轮5转动带动第一A齿条11a和第二A齿条11b 滑动，B齿轮9转动带动第一B齿条11c和第二B齿条11d滑动，四根齿条的运动通过连杆带动滑块在板簧上反向同时滑动，从而改变板簧的有效长度，实现变刚度。双电机同向等速转动，驱动器刚度不变，平衡位置改变；双电机反向等速转动，驱动器平衡位置不变，刚度改变。

Claims (3)

1.一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，包括机架(1)、动力输入及传动机构和输出机构，其特征在于：
所述动力输入及传动机构包括A电机(2)、B电机(6)、A齿轮(5)、B齿轮(9)、第一A齿条(11a)、第二A齿条(11b)、第一B齿条(11c)、第二B齿条(11d)、第一A连杆(12a)、第二A连杆(12b)、第一B连杆(12c)、第二B连杆(12d)、第一滑块(13a)、第二滑块(13b)和齿条支架(14)；A电机(2)和B电机(6)分别安装在机架(1)的两侧；A电机(2)和B电机(6)的输出轴分别与A齿轮(5)和B齿轮(9)同轴连接；A齿轮轴和B齿轮轴的轴线位于同一直线上；第一A齿条(11a)和第二A齿条(11b)分别与A齿轮(5)啮合，且上下平行布置；第一B齿条(11c)和第二B齿条(11d)分别与B齿轮(9)啮合，且上下平行布置；四根齿条安装在齿条支架(14)上，并与齿条支架(14)构成四个移动副；第二A连杆(12b)和第一B连杆(12c)的一端分别与第二A齿条(11b)和第一B齿条(11c)的一端固接；第二A连杆(12b)和第一B连杆(12c)的另一端分别通过转动副与第一滑块(13a)连接；第一A连杆(12a)和第二B连杆(12d)的一端分别与第一A齿条(11a)和第二B齿条(11d)的一端固接，第一A连杆(12a)和第二B连杆(12d)的另一端分别通过转动副与第二滑块(13b)连接；第一滑块(13a)和第二滑块(13b)关于A齿轮轴和B齿轮轴的轴线对称布置；
所述输出机构包括第一板簧(15a)、第二板簧(15b)、输出圆筒(16)、A输出板(17a)、B输出板(17b)和输出板连接件(18)；第一板簧(15a)和第二板簧(15b)的一端均固定安装在输出圆筒(16)内壁上；第一滑块(13a)安装在第一板簧(15a)上，且与第一板簧(15a)构成移动副；第二滑块(13b)安装在第二板簧(15b)上，且与第二板簧(15b)构成移动副；A输出板(17a)和B输出板(17b)的一端分别固定在输出圆筒(16)的两侧，另一端通过输出板连接件(18)固接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，其特征在于，所述A齿轮(5)与A齿轮轴采用一体式结构；所述B齿轮(9)与B齿轮轴采用一体式结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，其特征在于，A齿轮轴分别通过轴承与机架(1)、A输出板(17a)和齿条支架(14)连接；B齿轮轴分别通过轴承与机架(1)、B输出板(17a)和齿条支架(14)连接；A电机(2)输出轴与A齿轮轴之间以及B电机(6)输出轴与B齿轮轴之间均采用联轴器进行连接。
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