CN110406608B - 面向行走机器人的多模式弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明一种面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块，多模式弹性驱动器包括刹车外套筒、外连接件和内刹车构件，内刹车构件包括驱动电机、导轨、丝杠、弹簧、丝杠螺母、联轴器、驱动电机固定座、和三个刹车模块，三个刹车模块结构相同包括棘轮、蜗轮、蜗杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮、刹车滑块、扭簧、刹车模块壳套、刹车模块壳面、刹车电机、压簧、压簧铁芯，内刹车构件中的各刹车模块与刹车外套筒的锁紧与否，再结合弹簧，从而实现驱动器的多模式驱动。本发明面向行走机器人，采用主被动相结合的方式，充分利用机器人行走过程中，储能元件的储能、释能功能，驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗和行走缓震的特点。

Description

面向行走机器人的多模式弹性驱动器

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块。

背景技术

目前，机器人技术得到了迅猛发展，越来越多的机器人代替人类应用于危险、复杂的环境中，这对机器人的行走性能有了更高的要求，其中环境适应性及运动灵活性尤为重要。现有行走机器人大多由硬质材料的刚性运动副连接而成，存在行走模式单一，环境适应性差，以及运动时***能耗大等问题，并且使用刚性传动的行走机器人在触地时缓冲力较大，其反作用力会通过结构传递到机器人的各个部位，使得各零件之间产生振动，影响机器人行走的稳定性和精度。高度仿生的行走机器人旨在能实现人体类肌肉运动特征，能根据环境变化，实时调整人体肌肉的粘弹性特征，实现变刚度驱动，故研究一种多模式输出的驱动器，用于行走机器人驱动，实现机器人不同行走阶段的驱动输出具有重要的研究意义。

申请人于2014.04.18，申请专利名称为面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，该多模式驱动器采用电机串联弹簧，组合三个刹车模块，可实现纯电机的刚性驱动模式、电机串联弹簧的串联弹性驱动模式、仅有弹簧的被动模式，并应用于行走机器人中，可在刚性模式下对机器人机械腿的运动进行精确控制，当机器人机械腿足部触地及蹬离地面时采用被动模式及串联弹性模式，利用弹性元件，达到减震、储能、释能的目的。

原设计多模式弹性驱动器利用舵机连接刹车块，是通过舵机的正反转来控制刹车模块的刹车与释放，其刹车模块是由齿条轨道、左推杆及右推杆、左刹车片及右刹车片、刹车装置支撑块、刹车电机支撑座一及刹车电机支撑座二、刹车电机、齿条及齿轮组成。齿条在齿条轨道上滑动，齿条与左推杆、右推杆连接，左推杆与左刹车片相连，右推杆与右刹车片相连，齿条与齿轮相啮合，采用的齿轮齿条结构控制整个刹车模块，在此机构的应用中发现存在如下问题，如：用推杆推动刹车块进行刹车只适合冲击力小的情况，并且电机长时间堵转会导致电机损毁。

发明内容

针对前代多模式驱动器的不足，本发明提供一种面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块，通过棘轮转动挤压刹车滑块，使得刹车滑块与刹车外套筒锁紧，驱动器可承受较大冲击力；通过蜗轮蜗杆的自锁原理，可在刹车电机失电的情况下，仍能锁紧刹车滑块与刹车外套筒，从而保护刹车电机。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是本发明提供一种面向行走机器人的多模式弹性驱动器，包括刹车外套筒、外连接件和内刹车构件，所述刹车外套筒一端有外连接件，所述内刹车构件在刹车外套筒内：

所述内刹车构件包括驱动电机、导轨、丝杠、弹簧、丝杠螺母、联轴器、驱动电机固定座和刹车模块，所述刹车模块分别包括第一刹车模块、第二刹车模块与第三刹车模块且都结构相同，刹车外套筒内部设有导轨，刹车模块串在导轨上，驱动电机通过驱动电机固定座与第三刹车模块相连，驱动电机通过联轴器与丝杠相连，所述丝杠另一端通过丝杠螺母与第二刹车模块相连接，所述丝杠穿过第三刹车模块和第二刹车模块的内部，第二刹车模块与第一刹车模块之间连接弹簧，外连接件与驱动电机固定座相连；

所述刹车模块的结构包括棘轮、蜗轮、蜗杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮、刹车滑块、扭簧、刹车模块壳套、刹车模块壳面、刹车电机、压簧和压簧铁芯，所述棘轮、蜗轮同轴贴合并置于刹车模块壳套内，蜗杆固定在刹车模块壳套中，刹车滑块嵌在刹车模块壳套滑槽内，扭簧嵌套固定在刹车模块壳套上，扭簧两端分别与刹车滑块和刹车模块壳套固定，蜗轮与蜗杆相啮合，第一锥齿轮与蜗杆同轴连接，第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合，压簧与压簧铁芯相嵌套，所述刹车模块壳面一侧有刹车电机，所述刹车电机的转轴接第二锥齿轮。

本发明的进一步改进在于：当刹车电机正转带动第二锥齿轮，第二锥齿轮带动第一锥齿轮，进而转动蜗杆，蜗杆带动蜗轮，蜗轮转动从而压缩压簧，压簧传动棘轮，棘轮转动，棘轮渐进边线触碰并挤压刹车滑块，刹车滑块向外滑动扭转扭簧并最终接触挤压刹车外套筒内壁，使刹车模块摩擦锁紧在刹车外套筒内壁上；而当刹车电机反转时，棘轮反转到刹车模块壳套限位处并不再挤压刹车滑块，扭簧拉回刹车滑块并贴合棘轮，使得刹车滑块与外套筒内壁不摩擦锁紧，进而实现刹车模块在导轨上的自由移动。

本发明驱动器的进一步优选，所述刹车模块与刹车外套筒摩擦锁紧时，刹车电机失电，触发蜗轮蜗杆自锁功能，刹车模块与刹车外套筒可摩擦锁紧，刹车模块在导轨上不可滑动。

本发明驱动器的进一步优选，所述棘轮和蜗轮分别有两块突起，压簧铁芯一端与蜗轮突起固定，另一端穿过棘轮突起的槽口，压簧两端与蜗轮突起和棘轮突起固定。

本发明驱动器的进一步优选，所述刹车模块壳套有棘轮的机械止锁面，当棘轮机械止锁时，扭簧拉动刹车滑块贴合棘轮的渐近线面并远离刹车外套筒。

本发明驱动器的进一步优选，所述第一刹车模块、第二刹车模块与第三刹车模块依次放置于导轨上，第一刹车模块和第二刹车模块的两个刹车模块壳面之间通过弹簧相连接。

本发明驱动器的进一步优选，所述驱动电机通过联轴器带动丝杠及丝杠螺母运动，进而压缩弹簧，再与刹车模块结合，实现不同的工作模式。

本申请面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块，具有如下优点；本发明通过棘轮转动挤压刹车滑块，使得刹车滑块与刹车外套筒锁紧，驱动器可承受较大冲击力；通过蜗轮蜗杆的自锁原理，可在刹车电机失电的情况下，仍能锁紧刹车滑块与刹车外套筒，从而保护刹车电机，从而通过改变三个刹车模块与刹车外套筒间的锁紧与放松关系，能实现不同的工作模式，从而调整行走机器人行走时的姿态，本发明采用主被动相结合的方式，充分利用储能器件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

本发明的多模式弹性及其刹车模块不仅可用于足式机器人的行走，而且能用于各种机械结构的姿态调整、缓冲减震及多模式驱动。

附图说明

图1是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的内刹车构件轴测图。

图2是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的内刹车构件右视图。

图3是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的侧视图。

图4是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的内刹车构件内部构件图。

图5是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块轴测图。

图6是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图7是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图8是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图9是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图10是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图11是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

图12是本发明多模式弹性驱动器及其刹车模块的刹车模块部分构件分解图。

其中，1、刹车外套筒；2、驱动电机；3、导轨；4、丝杠；5、弹簧；6、丝杠螺母；7、联轴器；8、驱动电机固定座；9、外连接件；10、第一刹车模块；11、第二刹车模块；12、第三刹车模块；13、棘轮；14、蜗轮；15、蜗杆；16、第一锥齿轮；17、第二锥齿轮；18、刹车滑块；19、扭簧；20、刹车模块壳套；21、刹车模块壳面；22、刹车电机；23、压簧；24、压簧铁芯。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块，通过棘轮转动挤压刹车滑块，使得刹车滑块与刹车外套筒锁紧，驱动器可承受较大冲击力；通过蜗轮蜗杆的自锁原理，可在刹车电机失电的情况下，仍能锁紧刹车滑块与刹车外套筒，从而保护刹车电机。

作为本发明一种实施例，本发明提供一种面向行走机器人的多模式弹性驱动器及其刹车模块，是一个主、被动相结合的驱动器，主动器件是驱动电机2，被动器件是弹簧5，电机通过联轴器7带动丝杠4及丝杠螺母6运动，实现弹簧5的储能与释能，再结合各刹车模块的锁紧与否，实现驱动器不同的工作模式。

多模式弹性驱动器的驱动电机2在行走机器人机械腿需要移动时进行驱动，即是电机在行走机器人机械腿需要运动的阶段进行驱动，多模式驱动器充分利用主被动结合的优点，在行走过程中缓冲储能、释能驱动，以实现机器人驱动的低功耗。

图1、图2和图3中，多模式弹性驱动器由刹车外套筒1、驱动电机2、导轨3、丝杠4、弹簧5、丝杠螺母6、联轴器7、驱动电机固定座8、外连接件9和刹车模块，所述刹车模块分别包括第一刹车模块10、第二刹车模块11与第三刹车模块12组成。刹车外套筒1内部设有导轨3，刹车模块串在导轨3上，驱动电机2通过驱动电机固定座8与第三刹车模块12相连，驱动电机2通过联轴器7与丝杠4相连，丝杠4另一端通过丝杠螺母6与第二刹车模块11相连接，所述丝杠4穿过第三刹车模块12和第二刹车模块11的内部，第二刹车模块11与第一刹车模块10之间连接弹簧5，外连接件9与驱动电机固定座8相连。

图4中，三个刹车模块内部机构相同，如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示，刹车模块包括棘轮13、蜗轮14、蜗杆15、第一锥齿轮16、第二锥齿轮17、刹车滑块18、扭簧19、刹车模块壳套20、刹车模块壳面21、刹车电机22、压簧23、压簧铁芯24。所述刹车模块：棘轮13、蜗轮14同轴贴合并置于刹车模块壳套20内，蜗杆15固定在刹车模块壳套20中，刹车滑块18嵌在刹车模块壳套20滑槽内，扭簧19嵌套固定在刹车模块壳套20上，扭簧19两端分别与刹车滑块18和刹车模块壳套20固定，蜗轮14与蜗杆15相啮合，第一锥齿轮16与蜗杆15同轴连接，第二锥齿轮17与第一锥齿轮16啮合，压簧23与压簧铁芯24相嵌套，所述刹车模块壳面21一侧有刹车电机22，所述刹车电机22的转轴接第二锥齿轮17，

实施例中的刹车模块工作时，其具体的工作过程为：当刹车电机22正转带动第二锥齿轮17，第二锥齿轮17带动第一锥齿轮16，进而转动蜗杆15，蜗杆15带动蜗轮14，蜗轮14转动从而压缩压簧23，压簧23传动棘轮13，棘轮13转动，棘轮13渐进边线触碰并挤压刹车滑块18，刹车滑块18向外滑动的同时扭转扭簧19并最终接触挤压刹车外套筒1内壁，使刹车模块摩擦锁紧在刹车外套筒1内壁上，相反，当刹车电机22反转，棘轮13反转到刹车模块壳套20限位处并不再挤压刹车滑块18，扭簧19拉回刹车滑块18并贴合棘轮13，进而实现刹车模块在导轨3上的自由移动。

实施例的多模式弹性驱动器在工作时，根据刹车模块与导轨3之间的锁紧与松开状态，有如表1所示的八种工作模式，其中0表示刹车模块与刹车外套筒不刹车锁紧，1表示刹车模块与刹车外套筒刹车锁紧。

表1多模式弹性驱动器的工作模式

实施例在工作过程中，多模式弹性驱动器充分利用了弹簧5储能、释能的特点，驱动电机2无需在行走过程中全时驱动，故多模式弹性驱动器具有低功耗及行走缓震的优点。

实施例组合了主动驱动元件即驱动电机2与弹性元件即弹簧5，通过改变三个刹车模块与刹车外套筒1间的锁紧与松开关系，实现弹性驱动器的多种模式运动，是一种体积小巧、性能可靠、低功耗且具有仿生特征的弹性驱动器，可用于行走机器人的行走及行走缓震，因此，此种多模式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，且随着机器人技术的快速发展，对机器人行走及功耗的要求日益增高，此种多模式弹性驱动器及刹车模块具有广阔的应用前景。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.面向行走机器人的多模式弹性驱动器，包括刹车外套筒(1)、设置在所述刹车外套筒(1)一端的外连接件(9)和内刹车构件，所述内刹车构件设置在所述刹车外套筒(1)内，其特征在于：

所述内刹车构件包括驱动电机(2)、导轨(3)、丝杠(4)、弹簧(5)、丝杠螺母(6)、联轴器(7)、驱动电机固定座(8)和刹车模块，所述刹车模块分别包括第一刹车模块(10)、第二刹车模块(11)与第三刹车模块(12)且第一刹车模块(10)、第二刹车模块(11)与第三刹车模块(12)的结构均相同，刹车外套筒(1)内部设有导轨(3)，第一刹车模块(10)、第二刹车模块(11)与第三刹车模块(12)串在导轨(3)上，驱动电机(2)通过驱动电机固定座(8)与第三刹车模块(12)相连，驱动电机(2)通过联轴器(7)与丝杠(4)相连，所述丝杠(4)另一端通过丝杠螺母(6)与第二刹车模块(11)相连接，所述丝杠(4)穿过第三刹车模块(12)和第二刹车模块(11)的内部，第二刹车模块(11)与第一刹车模块(10)之间连接弹簧(5)，外连接件(9)与驱动电机固定座(8)相连；

第一刹车模块(10)、第二刹车模块(11)与第三刹车模块(12)的结构分别包括棘轮(13)、蜗轮(14)、蜗杆(15)、第一锥齿轮(16)、第二锥齿轮(17)、刹车滑块(18)、扭簧(19)、刹车模块壳套(20)、刹车模块壳面(21)、刹车电机(22)、压簧(23)和压簧铁芯(24)，所述棘轮(13)、蜗轮(14)同轴贴合并置于刹车模块壳套(20)内，蜗杆(15)固定在刹车模块壳套(20)中，刹车滑块(18)嵌在刹车模块壳套(20)滑槽内，扭簧(19)嵌套固定在刹车模块壳套(20)上，扭簧(19)两端分别与刹车滑块(18)和刹车模块壳套(20)固定，蜗轮(14)与蜗杆(15)相啮合，第一锥齿轮(16)与蜗杆(15)同轴连接，第二锥齿轮(17)与第一锥齿轮(16)啮合，压簧(23)与压簧铁芯(24)相嵌套，所述刹车模块壳面(21)一侧有刹车电机(22)，所述刹车电机(22)的转轴连接第二锥齿轮(17)。

2.根据权利要求1所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：刹车模块与刹车外套筒(1)有两种工作方式：当刹车电机(22)正转带动第二锥齿轮(17)，第二锥齿轮(17)带动第一锥齿轮(16)，进而转动蜗杆(15)，蜗杆(15)带动蜗轮(14)，蜗轮(14)转动从而压缩压簧(23)，压簧(23)传动棘轮(13)，棘轮(13)转动，棘轮(13)渐进边线触碰并挤压刹车滑块(18)，刹车滑块(18)向外滑动扭转扭簧(19)并最终接触挤压刹车外套筒(1)内壁，使刹车模块摩擦锁紧在刹车外套筒(1)内壁上；而当刹车电机(22)反转时，棘轮(13)反转到刹车模块壳套(20)限位处并不再挤压刹车滑块(18)，扭簧(19)拉回刹车滑块(18)且刹车滑块(18)贴合棘轮(13)，使得刹车滑块(18)与外套筒(1)内壁不摩擦锁紧，进而实现刹车模块在导轨(3)上的自由移动。

3.根据权利要求2所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述刹车模块与刹车外套筒(1)摩擦锁紧时，刹车电机(22)失电，触发蜗轮蜗杆自锁功能，刹车模块与刹车外套筒(1)可摩擦锁紧，刹车模块在导轨(3)上不可滑动。

4.根据权利要求1-3的任一项所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述棘轮(13)和蜗轮(14)分别有两块突起，压簧铁芯(24)一端与蜗轮(14)突起固定，另一端穿过棘轮(13)突起的槽口，压簧(23)两端与蜗轮(14)突起和棘轮(13)突起固定。

5.根据权利要求1-3的任一项所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述刹车模块壳套(20)有棘轮(13)的机械止锁面，当棘轮(13)机械止锁时，扭簧(19)拉动刹车滑块(18)贴合棘轮(13)的渐近线面并远离刹车外套筒(1)。

6.根据权利要求1-3的任一项所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述第一刹车模块(10)、第二刹车模块(11)与第三刹车模块(12)依次放置于导轨(3)上，第一刹车模块(10)和第二刹车模块(11)的两个刹车模块壳面(21)之间通过弹簧(5)相连接。

7.根据权利要求1所述面向行走机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述驱动电机(2)通过联轴器(7)带动丝杠(4)及丝杠螺母(6)运动，进而压缩弹簧(5)，再与刹车模块结合，实现不同的工作模式。

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