CN108972534B - 可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其中，该离合式柔性驱动器包括：驱动部件包括电机用于为驱动负载转动提供动力；柔性部件包括可变刚度卷簧，通过移动操作杆控制卷簧的接入与释放，并通过棘轮棘爪机构对可变刚度卷簧进行预紧，卷簧与电机轴并联共同输出力矩，使得电机输出力矩、输出功率减少；传动部件用于将电机的输出扭矩和可变刚度卷簧的扭矩传递至减速部件的输入端，并使整个驱动器的结构扁平化；减速部件用于放大力矩，并带动负载转动；支撑部件起支撑作用。该离合式柔性驱动器的空间布局紧凑，整体尺寸小，可满足负载的大力矩需求，应用范围广，能较大程度上降低电机的峰值力矩，减小电机功率，节省能耗。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器(Clutched VariableParallel Elastic Actuator，CVPEA)。
背景技术
仿人机器人要求机器人关节的驱动元件能输出较大的瞬时功率，以满足关节高驱动力矩和高驱动速度要求，但传统元件存在输出功率小、能量转换效率低、碰撞安全性差等技术难题，因此为满足机器人的大功率、大力矩需求，通常使用大而且重的传统驱动器。
从生物力学的角度出发，小到昆虫大到哺乳动物都是借助其分布于腿部、躯干或身体其他部位的肌肉肌腱等柔性或弹性组织来实现卓越的运动性能。动物利用刚柔并济的肌肉骨骼***在运动过程中储存和释放能量，提高关节瞬时爆发力，高效循环利用能量，同时能够实现落地缓冲。设计者从仿生学角度入手，引入柔性的驱动关节，用来有效模拟生物刚柔并济的肌肉骨骼***。就柔性驱动关节而言，传统驱动元件提供腿部关节运动所需的全部能量，通过在驱动元件和关节之间增加机构和柔性材料组合而成的柔性机构实现运动和力的转化，改变能量流状况，从而改善输出特性并提高能量利用效率。传统驱动元件和柔性机构的组合构成柔性驱动器(Elastic Actuator，也称弹性驱动器)，它能够提供关节运动所需要的能量，并且实现能量调节，提高能量利用效率，具有碰撞安全和自我保护的特性。
根据驱动模式，柔性驱动器被分为串联柔性驱动器(Serial Elastic Actuators，SEA)和并联柔性驱动器(Parallel Elastic Actuator，PEA)。
串联柔性驱动技术被视为康复机器人的关键技术，由柔性元件(例如弹簧)和传动驱动元件(例如电机)串联构成。相关技术中，研发了可变物理阻尼式袖珍柔性驱动器(ACompact Compliant Actuator(CompActTM)with Variable Physical Damping)即一种串联柔性驱动器，CompActTM使用压电式小型驱动器控制离合，并用离合在传统刚度驱动器和柔性驱动器之间转换。SEA中的柔性元件可用作电机和负载侧的低通滤波器，利用其自身柔性来保证运动过程中人机交互安全，并大幅度减少冲击。此外，柔性元件还可作为储能件，在康复训练等周期性运动过程中，在特定相位周期性地储存和释放能量，从而降低驱动器消耗功率。但柔性元件也会带来副作用：引入一定频率(与关节刚度和负载惯性有关)的动态振荡，导致稳定裕量减小，动作跟踪准确度降低；如果柔性元件的刚度选择不合理，可能导致更危险的情况(例如共振)；SEA带宽小，响应速度慢，并且不具有降低电机峰值力矩的特点，而铜损与电机输出力矩的二次方成正相关，因此SEA对于减小电机功耗的作用有限。
为解决SEA存在的问题，学者将柔性元件与传统驱动元件并联构成了并联柔性驱动器。PEA通过并联柔性元件存储机械能并影响机械输出阻抗，通过拓扑结构提高带宽，PEA可以在移动过程中更快地完成动作并且仍然保持节能潜力。相关技术中，设计了可控式双向刹车离合并联柔性驱动器(Bidirectional Clutched Parallel Elastic Actuator，BIC-PEA)。基于差分机构原理，BIC-PEA通过啮合或脱离双刹车离合器提供4种驱动模式，实时对能量的输入、输出，扭簧的锁死、释放进行控制。BIC-PEA结构轻巧，质量0.202kg，长度51mm，直径45mmm。负载对比实验显示相比Maxon RE-30DC motor，BIC-PEA可减少53％的能耗。BIC-PEA的缺点是能达到的峰值力矩较低，最优峰值力矩仅27Nm，导致其应用范围小；并且结构复杂，控制复杂度高，制造和装配成本高。
相关技术中，研发了穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节弹簧电机并联驱动器。该驱动器将电机与拉簧并联，拉簧的刚度可调且具有能量储存与释放功能，使用舵机作为离合控制拉簧末端的啮合与脱离，从而控制电机、拉簧、人体下肢的能量流动。通过拉簧存储摆动期下肢损失的重力势能，并在支撑期将能量反馈给下肢，从而达到降低驱动电机功耗和峰值转矩的目的。但该驱动器尺寸较大，各个组件比较离散，占大量空间，结构复杂。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器。
为达到上述目的，本发明提出了可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，包括：驱动部件，所述驱动部件包括电机，用于为驱动负载转动提供动力；柔性部件，所述柔性部件包括可变刚度卷簧，并且所述电机与所述可变刚度卷簧并联，通过移动操作杆控制卷簧的接入与释放，并通过棘轮棘爪机构对可变刚度卷簧进行预紧，卷簧与电机轴并联，二者共同输出力矩，同时卷簧能储存耗散的负功，再以正功的形式将其重新利用、释放，使得电机输出力矩、输出功率减少，并将周期性运动中特定阶段负载损失的机械能转化为弹性势能储存在所述可变刚度卷簧中，在下一阶段释放所述弹性势能，以与所述电机同时为所述负载供能；传动部件，用于将所述电机的输出扭矩和所述可变刚度卷簧的扭矩传递至减速部件的输入端，并使整个驱动器的结构扁平化；减速部件，用于放大力矩，并带动所述负载转动；支撑部件，用于起支撑作用。
本发明实施例的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，通过可变刚度卷簧与电机并联，使得CVPEA的结构简单紧凑，尺寸较小，卷簧刚度可变，手动离合控制卷簧的接入与释放，并通过棘轮棘爪机构对卷簧进行预紧，可满足负载大力矩的需求，而且应用范围广，还能较大程度上降低电机的峰值力矩，可将周期性运动中特定阶段负载损失的机械能(重力势能、动能等)转化为弹性势能储存在卷簧中，在下一阶段释放弹性势能与电机同时给负载供能，从而减小电机功率，节省能耗。
另外，根据本发明上述实施例的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，当作为髋关节的驱动器时，其中，在支撑后期与摆动前期，以及摆动后期和支撑前期的交界处，所述电机具体用于提供满足关节最大的峰值力矩的最大力矩，且所述柔性部件具体用于提供周期性变换的稳定力矩，以与当前力矩矢量叠加起到平均力矩的作用，使所述电机的两侧峰值力矩达到平衡，以减小所述电机输出的峰值力矩；在人腿支撑后期，所述柔性部件由于形变产生的力矩和髋关节的内力矩，与以人体绕支撑足的重力矩和惯性力矩保持平衡。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动部件运转前，将棘轮与棘爪配合，并旋紧操作杆使其里端紧贴转轴，并且转动操作杆带动转轴旋转，以带动所述转轴的长杆旋转，拉伸所述卷簧的最外端，使得所述卷簧最里侧产生与所述最外端拉伸方向一致的初始预紧扭矩。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动部件运转时，所述卷簧的里侧跟随所述电机轴转动而拉伸，以存储所述卷簧的弹性势能，进而在负载运动方向反向时，所述卷簧逐渐恢复自然状态，使得所述卷簧的最里端产生的扭矩与所述电机扭矩同向一起作用于所述负载，将所述弹性势能回馈给所述负载。
可选地，在本发明的一个实施例中，还包括：柔轮、刚轮、支撑板和电机转子，其中，当以柔轮作为输出时，所述柔轮通过螺钉将动力传给所述负载，所述负载和所述柔轮一起转动，相关固定组件因波发生器转动方向与所述柔轮的方向相反，则所述电机转子的转动方向、所述卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相反；
所述刚轮作为输出，所述柔轮通过螺钉固定在外部机架，所述刚轮转动带动所述支撑板及轴向固定在支撑板上的除柔轮外所有零件转动，支撑板与负载相连从而带动所述负载转动，因波发生器转动方向与所述刚轮转动方向相同，则所述电机转子的转动方向、所述卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相同。
可选地，在本发明的一个实施例中，当作为髋关节的驱动器时，所述支撑板连接外骨骼的大腿杆。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器结构示意图；
图2为根据本发明实施例中有驱动能力的传统驱动部件的半剖图；
图3为根据本发明实施例中有驱动能力的传统驱动部件的轴测图；
图4为根据本发明实施例中可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件的轴测图；
图5为根据本发明实施例中可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件的半剖图；
图6为根据本发明实施例的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器中传动部件的轴测图；
图7为根据本发明实施例中有力矩放大能力的减速部件的半剖轴测图；
图8为根据本发明实施例中起支撑作用的支撑板的轴测图。
附图标记说明：
10-可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器、1-驱动部件，其中，1.1-电机转子、1.2-内六角沉头螺钉、1.3-电机定子、1.4-端盖转子、1.5-普通平键、1.6-内六角圆柱头紧定螺钉、1.7-平垫片、1.8-电机轴、1.9-深沟球轴承、1.10-轴承套、1.11-内六角圆柱头螺钉和1.12-电机盖；
2-柔性部件，其中，2.1-棘轮盘、2.2-操作杆、2.3-内六角圆柱头螺钉、2.4-棘爪、2.5-棘爪连接轴、2.6-内六角圆柱头螺钉、2.7-支撑保护盖、2.8-平面涡卷弹簧、2.9-转轴的长杆、2.10-内六角圆柱头螺钉、2.11-孔用弹性挡圈、2.12-深沟球轴承、2.13-轴用弹性挡圈、2.14-普通平键、2.15-转轴和2.16-圆柱销；
3-传动部件，其中，3.1-小带轮、3.2-普通平键、3.3-同步带、3.4-大带轮和3.5-普通平键；
4-减速部件，其中，4.1-谐波减速器、4.2-内六角圆柱头螺钉、4.3-减速器轴、4.4-普通平键、4.5-轴用弹性挡圈、4.6-深沟球轴承、4.7-孔用弹性挡圈、4.8-平垫片、4.9-内六角圆柱头螺钉、4.1.1-波发生器、4.1.2-柔轮、4.1.3-十字交叉滚子轴承和4.1.4-刚轮；
5-起支撑作用的支撑板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器。
图1是本发明一个实施例的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器结构示意图。
如图1所示，该可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器10包括：驱动部件1，柔性部件2，传动部件3，减速部件4和支撑部件5。
其中，驱动部件1包括电机，用于为驱动负载转动提供动力。柔性部件2包括可变刚度卷簧，并且电机与可变刚度卷簧并联，通过移动操作杆控制卷簧的接入与释放，并通过棘轮棘爪机构对可变刚度卷簧进行预紧，卷簧与电机轴并联，二者共同输出力矩，同时卷簧能储存耗散的负功，再以正功的形式将其重新利用、释放，使得电机输出力矩、输出功率减少，可用于将周期性运动中特定阶段负载损失的机械能转化为弹性势能储存在可变刚度卷簧中，在下一阶段释放弹性势能，以与电机同时为负载供能。传动部件3用于将电机的输出扭矩和可变刚度卷簧的扭矩传递至减速部件的输入端，并使整个驱动器的结构扁平化。减速部件4用于放大力矩，并带动负载转动。支撑部件5用于起支撑作用。本发明实施例可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器10空间布局紧凑，整体尺寸小，可以满足负载的大力矩需求，应用范围广，能较大程度上降低电机的峰值力矩，减小电机功率，节省能耗。
具体而言，可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器包括5部分：1)有驱动能力的传统驱动部件；2)可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件；3)有运动、动力传递能力的传动部件；4)有力矩放大能力的减速部件，谐波减速器；5)起支撑作用的支撑板。其中，有驱动能力的传统驱动部件，即驱动部件1包括直流无框无刷外转子电机组件、端盖转子、内六角沉头螺钉、内六角圆柱头螺钉、平垫片、电机轴、普通平键、深沟球轴承、轴承套、电机盖，整个驱动部件通过电机轴输出。可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件，即柔性部件2包括平面涡卷弹簧、圆柱销、转轴的长杆、转轴、深沟球轴承、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、支撑保护盖、普通平键、棘轮棘爪机构、操作杆、棘爪连接轴、内六角圆柱头螺钉。传动部件3包括小带轮、大带轮、同步带，普通平键、吉米螺丝，作用是将电机的输出扭矩和卷簧的扭矩传递至减速器的输入端并使整个驱动器的结构扁平化，为增大驱动器的输出扭矩，同步带传动设有固定的减速比。有力矩放大能力的减速部件，即减速部件4包括减速器轴、深沟球轴承、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、内六角圆柱头螺钉、普通平键、平垫片以及谐波减速器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当作为髋关节的驱动器时，其中，
在支撑后期与摆动前期，以及摆动后期和支撑前期的交界处，电机具体用于提供满足关节最大的峰值力矩的最大力矩，且柔性部件具体用于提供周期性变换的稳定力矩，以与当前力矩矢量叠加起到平均力矩的作用，使电机的两侧峰值力矩达到平衡，以减小电机输出的峰值力矩；
在人腿支撑后期，柔性部件由于形变产生的力矩和髋关节的内力矩，与以人体绕支撑足的重力矩和惯性力矩保持平衡。
举例而言，若CVPEA应用于助行式或增强式下肢助行外骨骼，作为髋关节的驱动器，首先，髋关节在一个步态周期中的峰值力矩出现在支撑期后期与摆动期前期，以及摆动期后期和支撑期前期的交界处，并且两处的峰值大小不一致，因此要求电机提供的最大力矩满足最大的峰值力矩。而柔性部件的加入提供了周期性变换的稳定力矩，与当前力矩矢量叠加可以起到平均力矩的作用，使电机两侧峰值力矩达到平衡，从而减小电机输出的峰值力矩。其次，在人腿支撑期后期，柔性部件由于形变产生的力矩和髋关节的内力矩，与人体绕支撑足的重力矩和惯性力矩保持平衡，从而减小人体髋关节的负担，在此过程中人体减少的重力势能和动能一部分被人体髋关节吸收(人正常行走时，髋关节在一个步态周期内的支撑后期吸收的能量最多)，另一部分转换为柔性部件的弹性势能。当柔性部件提供的力矩尽可能与人体重力矩、惯性力矩保持平衡，即髋关节内力矩尽可能小，同时，人体减少的重力势能和动能尽可能全部转换为柔性部件的弹性势能，即人体髋关节吸收的能量尽可能少，那么在整个支撑后期，驱动部件只需空转即可，无需能量输入；进入摆动期，在摆动前期，由于髋关节由伸展转为屈曲运动，柔性部件产生的力矩可与驱动部件的力矩一起辅助髋关节屈曲摆腿，柔性部件的弹性势能释放与驱动部件共同为摆腿供能，因此减小了驱动部件的功率需求和降低了峰值力矩需求。若CVPEA应用于躯干支撑式外骨骼，例如在装配车间辅助工人弯腰搬重物，作为髋关节的驱动器，在穿戴者弯腰时，柔性部件由于形变产生与弯腰方向相反的转矩，与背部竖脊肌绕L5/S1脊椎节段的肌力矩一起与人躯干绕L5/S1脊髓节段的重力矩和惯性力矩保持平衡，弯腰过程中人体躯干减小的重力势能一部分被竖脊肌吸收，另一部分转化为柔性部件的弹性势能，通过设计，柔性部件提供的转矩尽可能独自与躯干的重力矩、惯性力矩保持平衡，即竖脊肌的肌力矩尽可能小，同时，躯干减少的重力势能尽可能全部转换为柔性部件的弹性势能，即人体竖脊肌吸收的能量尽可能少，在整个弯腰期间，驱动部件只需空转即可，无需能量输入；人搬起重物阶段，由于躯干由屈曲状态转为伸展状态，柔性部件的力矩可与驱动部件的力矩共同辅助竖脊肌收缩，伸展躯干，柔性部件的弹性势能得到释放，补偿一部分驱动部件输出的能量，因此驱动部件的功率需求减小、峰值力矩需求降低。此种躯干支撑式外骨骼，也可应用于工人长时间在弯腰姿势下工作的工况。
进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动部件运转前，将棘轮与棘爪配合，并旋紧操作杆使其里端紧贴转轴，并且转动操作杆带动转轴旋转，以带动转轴的长杆旋转，拉伸卷簧的最外端，使得卷簧最里侧产生与最外端拉伸方向一致的初始预紧扭矩。
进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动部件运转时，卷簧的里侧跟随电机轴转动而拉伸，以存储卷簧的弹性势能，进而在负载运动方向反向时，卷簧逐渐恢复自然状态，使得卷簧的最里端产生的扭矩与电机扭矩同向一起作用于负载，将弹性势能回馈给负载。
也就是说，在驱动器开始运转之前，将棘轮与棘爪配合，并旋紧操作杆使其里端紧贴转轴，然后转动操作杆，带动转轴旋转，进而带动转轴的长杆旋转，从而拉伸卷簧的最外端，则在卷簧最里侧产生与最外侧拉伸方向一致的初始预紧扭矩，利用棘轮棘爪机构单向驱动和反向锁紧的特点维持当前预紧的状态。驱动器运转时，卷簧最里侧跟随电机轴转动而拉伸(此时卷簧最外侧由于棘轮棘爪机构的反向锁紧固定不动)，负载损失的机械能以卷簧弹性势能的形式存储，进入下一阶段，负载运动方向反向，卷簧逐渐回复至自然状态，卷簧最里端产生的扭矩与电机扭矩同向一起作用于负载，从而将存储的弹性势能回馈给负载。旋出一部分操作杆使操作杆末端和转轴分离，再通过操作杆向外拉棘轮盘，棘轮盘与转轴被手动分离，同时棘轮与棘爪脱离，卷簧最外侧自由，卷簧扭矩被卸载，卷簧、圆柱销、转轴的长杆、转轴、深沟球轴承内圈、轴用弹性挡圈在电机驱动下跟随电机轴旋转，卷簧此时不发挥储存能量、释放能量的功能；将棘轮盘套在转轴上并使棘轮与棘爪配合，卷簧最外侧只能被拉长不能缩回原处，卷簧重新接入，可发挥储存能量、释放能量的功能。依靠操作杆及棘轮棘爪机构、转轴，可实现手动离合控制卷簧接入/释放的目的。该柔性部件拆卸方便，通过改变卷簧的有效工作长度来改变卷簧刚度，以适应不同质量的负载(不同体重的使用者)。
可选地，在本发明的一个实施例中，还包括：柔轮、刚轮、支撑板和电机转子，其中，若CVPEA应用于躯干支撑式外骨骼，当以柔轮作为输出时，柔轮通过螺钉将动力传给负载，负载和柔轮一起转动，相关固定组件因波发生器转动方向与柔轮的方向相反，则电机转子的转动方向、卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相反；
若驱动器CVPEA应用于助行式或增强式下肢外骨骼，刚轮作为输出，柔轮通过螺钉固定在外部机架，刚轮转动带动支撑板及轴向固定在支撑板上的除柔轮外所有零件转动，支撑板与负载相连从而带动负载转动，因波发生器转动方向与刚轮转动方向相同，则电机转子的转动方向、卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相同。
可选地，在本发明的一个实施例中，若驱动器CVPEA应用于助行式或增强式下肢外骨骼以及躯干支撑式外骨骼，当作为髋关节的驱动器时，支撑板连接外骨骼的大腿杆。
下面对可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器的工作原理进行详细赘述。
如图1所示，即可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器(CVPEA)。CVPEA有5个部件组成，有驱动能力的传统驱动部件1、可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件2、传动部件3、有力矩放大能力的减速部件4均轴向固定在起支撑作用的支撑板5上，有驱动能力的传统驱动部件1和可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件2在电机轴1.8上并联输出，通过传动部件3将动力传递给有力矩放大能力的减速部件4。
如图3和4所示，即有驱动能力的传统驱动部件1。外转子电机组件包含电机转子1.1和电机定子1.3，电机定子1.3通过3个内六角圆柱头螺钉1.11固定于支撑板5上，电机转子1.1通过3个内六角沉头螺钉1.2将动力传递给端盖转子1.4，端盖转子1.4通过普通平键1.5将动力传递给电机轴1.8并通过内六角圆柱头紧定螺钉1.6和平垫片1.7固定于电机轴1.8，电机轴1.8在两个深沟球轴承1.9的支撑下转动，并通过其进行轴向定位，且通过两个深沟球轴承1.9、轴承套1.10、电机定子1.3轴向固定在支撑板5上。为保证安全及散热，设计了电机盖1.12，通过两个内六角圆柱头螺钉和一个内六角圆柱头螺钉1.13固定在支撑板5上。
如图4和5所示，即可变刚度、可预紧、可控接入/释放且具有能量存储与释放功能的柔性部件2。电机轴1.8上打销孔，平面涡卷弹簧2.8的最里端打孔，***圆柱销2.16可将卷簧内端的动力传递给电机轴1.8。棘轮棘爪机构包括可配合棘轮盘2.1和棘爪2.4，棘爪2.4套在棘爪连接轴2.5上，可绕棘爪连接轴2.5转动，通过轴肩和内六角圆柱头螺钉2.3进行轴向限位，棘爪连接轴2.5以过渡配合的形式插在支撑保护盖2.7上，通过轴肩进行轴向定位，通过内六角圆柱头M3×5螺钉2.3进行轴向固定。操作杆2.2通过螺纹配合插在棘轮盘2.1上，棘轮盘2.1以间隙配合的形式套在转轴2.15的末端，靠轴肩进行轴向定位。可通过旋紧操作杆2.2紧贴转轴在轴向紧固棘轮盘2.1，若想取下棘轮盘2.1，可旋出一部分操作杆2.2。操作杆2.2与棘轮盘2.1的螺旋配合便于棘轮盘2.1的套上/取下，从而便于卷簧2.8的接入/释放。棘轮盘2.1通过普通平键2.14传递动力至转轴2.15，转轴2.15在深沟球轴承2.12的支撑下转动，并通过其进行轴向定位，通过深沟球轴承2.12、孔用弹性挡圈2.11、轴用弹性挡圈2.13轴向固定在支撑保护盖2.7上。支撑保护盖2.7通过4个内六角圆柱头螺钉2.10和1个内六角圆柱头螺钉2.6固定在支撑板5上。转轴2.15通过螺纹配合将动力传递给转轴的长杆2.9，转轴的长杆2.9的伸出端插在卷簧2.8的最外端，故卷簧2.8的最外端可随转轴的长杆2.9转动而拉伸产生形变。
如图6所示，即传动部件3。电机轴1.8和小带轮3.1之间，减速器轴4.3和大带轮3.4之间通过普通平键3.2、普通平键3.5传递扭矩，两个带轮通过吉米螺丝在轴上进行轴向固定。同步带3.3的传动使整个驱动器的结构扁平化，更符合人体工程学。
如图7所示，即有力矩放大能力的减速部件4。减速器轴4.3在2个深沟球轴承4.6的支撑下转动，通过深沟球轴承4.6进行轴向定位，通过2个深沟球轴承4.6、孔用弹性挡圈4.7、轴用弹性挡圈4.5轴向固定于支撑板5上。谐波减速器4.1包括波发生器4.1.1、柔轮4.1.2、刚轮4.1.4、十字交叉滚子轴承4.1.3、密封O形圈等零件，波发生器4.1.1作为输入，柔轮4.1.2或刚轮4.1.4作为输出，十字交叉滚子轴承4.1.3承受输出端的径向力、轴向力以及弯矩，密封O形圈保护润滑油脂不外泄。波发生器4.1.1通过轴肩进行轴向定位，通过内六角圆柱头螺钉4.9和平垫片4.8轴向固定于减速器轴上，减速器轴4.3通过普通平键4.4传递动力至波发生器4.1.1，刚轮通过6个内六角圆柱头0螺钉4.2固定在支撑板5上。
如图8所示，即起支撑作用的支撑板5，上述4个部件均通过螺钉在支撑板5上进行轴向固定。
根据本发明实施例提出的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，通过卷簧与电机的并联、更换卷簧可改变其刚度、棘轮棘爪机构可对其进行预紧以及手动离合控制其接入/释放，使得电机与卷簧在电机轴上并联输出动力，通过同步带将动力输入给谐波减速器，进而驱动器的空间布局紧凑，整体尺寸小，并且可满足负载的大力矩需求，应用范围广，能较大程度上降低电机的峰值力矩，减小电机功率，节省能耗。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，包括：
驱动部件，所述驱动部件包括电机，用于为驱动负载转动提供动力；
柔性部件，所述柔性部件包括可变刚度卷簧，并且所述电机与所述可变刚度卷簧并联，通过移动操作杆控制卷簧的接入与释放，并通过棘轮棘爪机构对可变刚度卷簧进行预紧，卷簧与电机轴并联，二者共同输出力矩，同时卷簧能储存耗散的负功，再以正功的形式将其重新利用、释放，使得电机输出力矩、输出功率减少，并将周期性运动中负载损失的机械能转化为弹性势能储存在所述可变刚度卷簧中，在下一阶段释放所述弹性势能，以与所述电机同时为所述负载供能；
传动部件，用于将所述电机的输出扭矩和所述可变刚度卷簧的扭矩传递至减速部件的输入端，并使整个驱动器的结构扁平化；
减速部件，用于放大力矩，并带动所述负载转动；以及
支撑部件，用于起支撑作用。
2.根据权利要求1所述的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，当作为髋关节的驱动器时，其中，
在支撑后期与摆动前期，以及摆动后期和支撑前期的交界处，所述电机具体用于提供满足关节最大的峰值力矩的最大力矩，且所述柔性部件具体用于提供周期性变换的稳定力矩，以与当前力矩矢量叠加起到平均力矩的作用，使所述电机的两侧峰值力矩达到平衡，以减小所述电机输出的峰值力矩；
在人腿支撑后期，所述柔性部件由于形变产生的力矩和髋关节的内力矩，与以人体绕支撑足的重力矩和惯性力矩保持平衡。
3.根据权利要求2所述的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，所述驱动部件运转前，将棘轮与棘爪配合，并旋紧操作杆使其里端紧贴转轴，并且转动操作杆带动转轴旋转，以带动所述转轴的长杆旋转，拉伸所述卷簧的最外端，使得所述卷簧最里侧产生与所述最外端拉伸方向一致的初始预紧扭矩。
4.根据权利要求2或3所述的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，所述驱动部件运转时，所述卷簧的里侧跟随所述电机轴转动而拉伸，以存储所述卷簧的弹性势能，进而在负载运动方向反向时，所述卷簧逐渐恢复自然状态，使得所述卷簧的最里端产生的扭矩与所述电机扭矩同向一起作用于所述负载，将所述弹性势能回馈给所述负载。
5.根据权利要求1所述的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，还包括：柔轮、刚轮、支撑板和电机转子，其中，当以柔轮作为输出时，所述柔轮通过螺钉将动力传给所述负载，所述负载和所述柔轮一起转动，相关固定组件因波发生器转动方向与所述柔轮的方向相反，则所述电机转子的转动方向、所述卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相反；
所述刚轮作为输出，所述柔轮通过螺钉固定在外部机架，所述刚轮转动带动所述支撑板及轴向固定在支撑板上的除柔轮外所有零件转动，支撑板与负载相连从而带动所述负载转动，因波发生器转动方向与所述刚轮转动方向相同，则所述电机转子的转动方向、所述卷簧最里端的转动方向与负载的转动方向相同。
6.根据权利要求5所述的可变刚度卷簧与电机并联的离合式柔性驱动器，其特征在于，当作为髋关节的驱动器时，所述支撑板连接外骨骼的大腿杆。
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