[發明專利]一種被動變剛度串聯彈性驅動器

有效

• 申請號: 202110667627.2
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113334356B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 張武翔;邵一鑫;鞠林航;丁希侖
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

本發明公開一種被動變剛度串聯彈性驅動器，通過電機組件產生扭矩，由傳動組件帶動與輸出件周向位置固定的絲杠螺母轉動，在工作過程中絲杠的旋轉運動受到小腿的約束，因此螺母轉動致使輸出件移動。在外部載荷的作用下，輸出件上套接的板簧端部滾針軸承沿輸出件前端滑道滾動產生相對位移，體現出串聯彈性特性。直線電位器可記錄下所述凸輪與板簧間的相對位移，進而根據設計的剛度曲線，即變形?力曲線計算得到施加于驅動器的外部負載，由于受力平衡，外部負載與驅動器輸出的力相等。本發明驅動器剛度可隨外部負載改變，與定剛度串聯彈性驅動器相比，可保證低剛度時的力測量分辨率與高剛度時的控制帶寬。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種被動變剛度串聯彈性驅動器，可用于外骨骼機器人。

背景技術

傳統的工業機器人為了實現精確控制工作空間中的位置和速度，減小運動誤差，便于控制，多采用剛性驅動器進行驅動。然而，隨著機器人技術的不斷發展，機器人與環境以及人類之間的交互性能也日益提升，因此需要機器人具有一定的柔順性與安全交互能力。1995年，麻省理工學院Gill A.Pratt提出了串聯彈性驅動器的概念，通過在電機驅動端與負載端之間串聯一個彈性元件，可將力控制問題轉化為位置控制問題，極大地提高了力控制精度，同時還可以提高系統柔性，加強系統抗沖擊性能，提升與外部環境交互的安全性。

外骨骼設備是一種可穿戴裝置，主要應用于癱瘓病人的康復訓練及正常人的助力行走。目前，國內外研究人員對下肢外骨骼設備的研究主要集中于剛性驅動外骨骼，且主要考慮對髖關節與膝關節的驅動，忽略了踝關節的重要作用。在關節中使用串聯彈性驅動器可以實現精確的力/力矩控制，減小輸出阻抗，提高人機交互安全性。然而現有串聯彈性驅動器多采用剛度恒定的彈性體，很難同時實現高力控帶寬與高力測量分辨率，且驅動器能量效率不高。為提升驅動器上述性能，可設計一種剛度隨負載變化的被動變剛度串聯彈性驅動器。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種剛度可以調節的串聯彈性驅動器，通過改變整個驅動器的等效剛度，進而實現剛度可控；測量驅動器在負載下彈性體的形變，即可獲得驅動器的受力情況，實現力控制。

本發明被動變剛度串聯彈性驅動器，包括背側固定板、輸入桿、輸出件、絲杠組件、電機組件、傳動組件、板簧組件與直線電位器。

所述輸出件末端固定于背側固定板中部，輸出件前部兩側設計有對稱的滑道；輸出件前端設計有平臺；平臺與背側固定板間安裝有輸入桿。

絲杠組件中，絲杠置于輸出件中部通道內，絲杠前端用于連接小腿桿；絲杠螺母周向上通過軸承安裝于平臺上的軸承座內，使絲杠螺母與輸出件間的軸向固定；絲杠螺母由電機組件驅動，傳動組件傳動實現旋轉；

板簧組件套于輸出件以及輸入桿上；板簧組件具有相對的板簧以及板簧端部安裝的滾針軸承，分別與輸出件前部兩側滑道配合滑動；滾針軸承與板簧間的相對位移，由直線電位器測量。

由此通過上述電機組件產生一個扭矩并帶動所述小帶輪轉動，所述小帶輪通過所述同步帶帶動大帶輪轉動，所述大帶輪帶動所述絲杠螺母轉動，在工作過程中所述絲杠旋轉運動受到約束，所述螺母轉動致使所述輸出件移動。在外部載荷的作用下，滾針軸承與板簧之間受力，從而二者之間產生相對位移，進而體現出串聯彈性特性。直線電位器可記錄下所述凸輪與板簧間的相對位移，進而根據設計的剛度曲線，即變形-力曲線計算得到施加于驅動器的外部負載，由于受力平衡，外部負載與驅動器輸出的力相等。

本發明的優點在于：

(1)本發明剛度可以調節的串聯彈性驅動器，可針對設計需求，通過設計凸輪形狀和板簧結構尺寸實現驅動器串聯彈性部件剛度曲線定制化設計；

(2)本發明剛度可以調節的串聯彈性驅動器，驅動器剛度可隨外部負載改變，與定剛度串聯彈性驅動器相比，可保證低剛度時的力測量分辨率與高剛度時的控制帶寬；