[發明專利]一種變剛度柔性驅動器

有效

• 申請號: 201410769310.X
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104626196A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 胡永輝;何宇婷
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;B25J17/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于柔性驅動技術領域，特別涉及一種變剛度柔性驅動器，可用于機器人關節的柔性驅動。

背景技術

在機器人技術領域，通常采用大力矩、高增益反饋的伺服驅動系統來控制關節的運動，以實現對預定義軌跡的精確跟蹤。這種關節的機械剛性好，可高速高精度動作，能夠在可承受負載范圍內對外界擾動進行有效抑制。隨著仿生機器人、服務機器人以及康復機器人的快速發展，迫切需要機器人關節具有一定的柔順性，以提高能量效率、改善系統動態特性、保證人機交互的安全性。柔性驅動器通過在傳動鏈中引入彈性元件，可將關節的剛性輸出轉變為柔性輸出。在機器人運行中，彈性元件能夠進行能量的存儲和釋放，使關節的動能與勢能互相轉化，從而降低系統能耗；彈性元件還可改善系統固有動力學特性，使機器人步態更加自然、協調、穩定，提高機器人對非結構環境的適應能力；利用彈性元件的緩沖作用，可避免機器人與環境發生剛性碰撞，減輕零部件的機械損傷，提高對人與環境的安全性。

變剛度柔性驅動器利用特殊設計的調節機制，可根據需要實時改變關節剛度，以提高機器人對環境、任務的適應性。根據剛度調節方式的不同，變剛度柔性驅動器可分為對抗式、變結構式、機械調節式等。現有的變剛度柔性驅動器主要存在剛度調節范圍小、結構復雜等缺點，從而在一定程度上限制了其應用效果和關節的小型化設計。

發明內容

本發明的目的是提供一種變剛度柔性驅動器，用于提高機器人關節能量效率、改善機器人固有動力學特性、提高機器人在運行中對人、環境和自身的安全性。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

該變剛度柔性驅動器由安裝在機架上的動力傳動機構和剛度調節機構構成；

所述動力傳動機構包括主電機、動力輸入軸、滑套、拉伸彈簧和動力輸出軸；主電機與動力輸入軸連接并對其進行剛性驅動；動力輸入軸的橫截面為方形，其上滑動地設置具有環形槽的滑套；動力輸出軸通過軸承座安裝在機架上，且動力輸出軸的輸出端伸出機架；動力輸出軸與動力輸入軸同軸心并通過軸承連接，動力輸出軸的下端為圓盤，并由多個拉伸彈簧沿所述圓盤的四周將動力輸出軸與滑套連接；當滑套轉動時，拉伸彈簧發生扭轉，并帶動動力輸出軸轉動；

所述剛度調節機構包括調節電機、絲杠和撥叉；絲杠與調節電機連接，并與動力輸入軸平行；撥叉通過螺紋連接在絲杠上；撥叉具有兩個水平的伸出臂，夾插到滑套的環形槽內；當絲杠轉動時，撥叉沿絲杠做軸向運動，并帶動滑套沿動力輸入軸做軸向運動，從而改變所述拉伸彈簧的預緊力，實現剛度的調節。

所述拉伸彈簧沿動力輸出軸的圓周均勻分布，其數量為不小于2的偶數。

所述機架上安裝電機支架，主電機和調節電機分別安裝在電機支架上，且主電機通過主電機聯軸器與動力輸入軸連接，調節電機通過調節電機聯軸器與絲杠連接。

本發明的有益效果為：

(1)通過拉伸彈簧連接同軸心的動力輸入部件與動力輸出部件，其平衡位置(即無負載時輸出軸的靜止位置)可由主電機唯一確定，且能夠進行全周向連續運動；

(2)通過絲杠、撥叉、滑套改變拉伸彈簧的預緊力，可由閉環控制的調節電機準確、快速地在較大范圍內進行剛度的連續調節，調節機構結構簡單并具有自鎖功能，調節完成后無需持續的動力輸入。

(3)能夠滿足多種機器人對變剛度柔性驅動器在結構、功能等方面的需求，結構簡單、調節快速、易于控制，具有良好的抗沖擊能力和柔性動力特性，可廣泛應用于仿生、服務、康復等各類機器人的研究和應用中，具有顯著的社會經濟效益和應用前景。

附圖說明

圖1為變剛度柔性驅動器立體結構示意圖。

圖2為變剛度柔性驅動器主體結構剖面示意圖。

圖中標號：

1-機架；2-電機支架；3-主電機；4-主電機聯軸器；5-動力輸入軸；6-滑套；7-拉伸彈簧；8-軸承座；9-動力輸出軸；10-軸承；11-調節電機聯軸器；12-絲杠；13-撥叉；14-調節電機。

具體實施方式

本發明提供了一種變剛度柔性驅動器。下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

該變剛度柔性驅動器由動力傳動機構和剛度調節機構構成。