[發明專利]一種自鎖型關節并聯彈性驅動器

有效

• 申請號: 201611173710.X
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106625751B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 季林紅;馬青川
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02;B25J9/12
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明涉及一種自鎖型關節并聯彈性驅動器。采用電機垂直軸布置，減速器外殼本身屬于驅動器的一部分而非電機減速的普通套接。第二級減速機構采用蝸輪蝸桿機構，降低橫向尺寸并滿足機械自鎖。上殼與下殼的連接處橫向尺寸小以安裝蝸輪，而其他部分安裝蝸桿和第一級減速機構。第一級減速機構采用普通圓柱齒輪傳動以在蝸輪蝸桿和電機型號確定的情況下根據不同要求調整中心距，盡可能的擴大關節驅動器的轉動范圍。關節驅動器的最大彎曲角和最大伸展角被外殼尺寸限制以保護外骨骼使用者安全。儲能機構采用扭簧，布置在上下殼的連接處并由機械凸臺定位。蝸輪軸作為輸出軸使上殼與下殼連接，下殼與上殼分別與動力外骨骼或人形機器人的下肢和上肢相連。

技術領域

本發明屬于關節驅動器技術領域，特別涉及一種自鎖型關節并聯彈性驅動器。

背景技術

關節驅動器是動力外骨骼和人形機器人中的必需原件，目前關節驅動器的小型化仍然是該領域的研發重點和難點。首先，關節驅動器輸出轉速一般并不高，需要由大減速比的減速機構來保證，這些減速器往往外形和重量較大，使得關節驅動器整體尺寸及重量也受到影響。其次，驅動動力外骨骼和人形機器人正常行走所需扭矩較大，較大的轉動扭矩需要電機本身具有較大功率和輸出扭矩，而一般電機機械性能與電機外形尺寸相關，較大的電機尺寸是限制目前關節驅動器小型化的主要原因。再次，目前移動穿戴式動力外骨骼和人形機器人多采用電池能源，受制于當前電池產業的發展，這些外骨骼和機器人工作時間有限，大大限制了其實際應用和推廣。而且，動力外骨骼和人形機器人在工作時往往接近于正常人體步態，在這種行進狀態下大量的能源被消耗在抵消垂直軸的重力波動上，真正應用于前向行走的能源所占比例較小。如何在有限的電池供應下，減小驅動器功耗降低行走周期內的重力波動影響，一直是當前關節驅動器研發和外骨骼研究的重點。

早期動力外骨骼和一些人形機器人多采用液壓或氣壓驅動，其優點是可以將動力源放在遠離關節處而用液壓和氣壓管道將驅動能量引到驅動器處，以此可減小關節驅動器整體尺寸。但其缺點是能效比低、附屬管路及其他器件較多、控制復雜。當前電機驅動已成為關節驅動器領域的主流。主要常見的有電機+諧波減速器，電機+齒輪減速器，電機+齒輪齒條組合，電機+同步帶，電機+滾珠絲杠。如果按電機布置分又可以分為電機平行軸布置和電機垂直軸布置。電機平行軸布置時電機和減速器在同一軸線上，優點是直接套接機構簡單，缺點是軸向尺寸較大機構臃腫，除非采用盤式電機和諧波減速器的組合，否則這種方式難以兼顧尺寸和性能。但諧波減速器屬于精密減速器件其價格相比普通齒輪減速器高出許多。電機+同步帶方式也屬于平行軸布置，但同步帶減速比與帶輪直徑比相關，帶輪直徑又受制于關節驅動器尺寸因而無法做的很大，導致同步帶傳動無法獲得大減速比進而影響了其輸出扭矩。垂直軸布置時電機沿腿部方向布置，可以充分利用腿部空間，這種布置方式目前應用最廣的是電機+絲杠模式，但由于絲杠是將直線運動轉化為轉動進而驅動關節運動，存在轉動范圍有限的缺點。在控制方面還要實時計算反三角函數因而控制器運算負擔較大，造成控制復雜。此外，目前關節驅動器需要保證在無電或電機不轉時的穩定自鎖，主流方案多采用電機剎車。雖然這種方式可以保證驅動器的有效制動，但電機剎車本質上屬于電磁制動器，它需要額外的能源消耗且增加控制元件因而不利于機構的簡化。

發明內容

針對現有技術不足，本發明提供了一種自鎖型關節并聯彈性驅動器。

一種自鎖型關節并聯彈性驅動器，其包括外殼、電機、減速機構和儲能機構；其中，

所述外殼主要由上殼和下殼連接組合而成；所述上殼，其左右兩側后下方為上殼連接部，該處呈圓形并向內凹陷，并在上殼的上部設有上肢連接平臺；所述下殼，其左右兩側的上部呈圓形且與上殼的凹陷處相對應，作為下殼連接部，并在下殼的下部設有下肢連接平臺；

所述電機由上殼支撐固定，采用垂直輸出軸的形式；