基于压簧的线性串联弹性驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种仿生驱动器，一般用于机器人领域。
【背景技术】
[0002] 机器人与人或环境交互时，需要力控制技术。当前，机器人的力控制技术有：1·主 动力控制技术，通过控制算法以及传感器信息来决定机器人关节的输入，使机器人对人或 外部环境产生合适的输出力。2.被动力控制技术，通过设计弹性机构缓冲对外界的作用力。
[0003] 驱动器是一种将其他形式的能量转化为力、力矩、速度或者转速的一种设备或机 械装置。机器人驱动器应具备以下几方面特点：首先应该重量轻，输出功率大，能够拥有很 高的能量密度，并且成本低。另外，与人或环境的交互过程中，拥有很好的力输出精度和较 低的阻抗，以确保人的安全或环境不会受到破坏。最后，机器人在工作状态下，由于碰撞所 产生的冲击能量应当通过一定的结构传递到驱动器中来，以提高机器人的抗冲载荷能力， 避免机器人受到损伤。
[0004] 现阶段，机器人力控制装置主要分为以下三类：直接驱动装置、齿轮驱动装置、绳 索驱动装置。这些装置本身具有各自的不足。例如：直接驱动装置，将电机输出轴直接与负 载连接起来，这种驱动方式的主要不足在于其本身输出力矩能力有限；齿轮减速装置，将电 动机自身的高转速、低转矩转换为机器人所需要的低转速、高转矩。齿轮驱动装置往往存在 着摩擦、齿轮间隙等非线性因素，并且增大了负载端的转动惯量，使驱动器整体力输出精度 降低，抗冲击能力下降；绳索驱动装置，通过电机对线缆的拉动来驱动负载，该方式的主要 不足体现在系统带宽较低且无法建立精确的模型，使其精度受到一定的限制。因此，研制出 高能量密度，适应高带宽变化的力以及保持其稳定性的驱动器越来越受到重视，是机器人 技术重点研究的领域之一。
[0005] 传统的串联弹性驱动器，多采用扭簧直接串联于电机与负载之间，相较于压簧，扭 簧本身的能量密度偏低。而目前存在的其他基于压簧的串联弹性驱动器，其机械结构导致 驱动器力矩输出和电机与负载的相对角度间呈现复杂的非线性关系，从而导致驱动器本身 的力控制难度增加，限制了其在机器人领域的应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是在于提出一种新型的基于压簧的线性串联弹性驱动器，通过模型 分析和设计，解决上述缺陷。
[0007] 本发明是的技术方案如下：
[0008] 基于压簧的线性串联弹性驱动器，包括伺服电机、驱动器底座、轴承、轴承滚动底 盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板、负载连接单元、输出轴、联轴器和编码器。所 述的伺服电机固定在驱动器底座上，伺服电机输出端通过法兰盘与轴承滚动底盘固定相 连，压簧固定底板相对轴承滚动底盘一侧通过三个细轴安装有三个轴承，轴承滚动底盘上 有线性轨道（展开线为两条相交的直线段），三个轴承分别安装在对应的轨道内，压簧固定 底板的另一侧安装有三个铜柱（压簧固定底板圆周上开有三个螺纹孔，相邻两个螺纹孔间 隔120 °，每个螺纹孔处分别安装一个铜柱），每个铜柱上各套装一个压簧，三个铜柱的末 端由压簧固定顶板相应位置所开圆孔中穿过并可相对移动，压簧固定顶板上固定安装有输 出轴，输出轴侧面安装有负载连接单元，负载连接单元留置负载安装孔，根据任务需求，不 同的负载通过螺丝安装在负载连接单元上，输出轴的末端通过联轴器和编码器固定连接， 编码器通过编码器底座固接在驱动器底座上。
[0009] 本发明的优点在于，利用压簧设计了能量密度高的串联弹性驱动器，同时通过设 计轴承滚动的轨道，使力输出呈现线性特性，便于实际应用于机器人领域中。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明基于压簧的线性串联弹性驱动器的实施示意简图。
[0011] 图2是图1中轴承、轴承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板装配
[0012] 后的实施示意简图。
[0013] 图3是本发明力矩输出的模型推导示意图。
[0014] 图1中，1伺服电机，2驱动器底座，3轴承滚动底盘，4线性轨道，5轴承，6压簧固 定底板，7压簧、8铜柱，9压簧固定顶板，10输出轴，11负载连接单元，12联轴器，13编码器， 14编码器底座。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明做更详细的描述
[0016] 结合图1-3,本发明是一种由电机驱动的基于压簧的线性串联弹性驱动器，伺服电 机1通过四个螺丝安装在驱动器底座2的一端，电机输出端法兰盘通过两个螺丝与轴承滚 动底盘3固定相连，压簧固定底板6相对轴承滚动底盘一侧底面伸出三个细轴，三个轴承5 分别安装在三个细轴上，三个铜柱8安装在压簧固定底板6上的另一侧（压簧固定底板6 圆周上开有三个螺纹孔，相邻两个螺纹孔间隔120°，每个螺纹孔处分别安装一个铜柱）， 三个压簧7分别套在三个铜柱上，同时压簧固定顶板9在压簧固定底板铜柱所处的相应位 置分别开有铜柱可以穿过的圆孔，铜柱始终保持在该圆孔内进行上下运动，当压簧处于原 长时，轴承位于滚动底盘线性轨道4 (展开线为两条相交的直线段）的最低点位置（三个轴 承处于相同状态），此时，铜柱8的圆柱轴心穿过该点。压簧固定顶板9同时通过四个螺丝 与输出轴10的一端固定相连，输出轴10侧面与负载连接单元11通过三个螺丝连接，输出 轴10另一端通过联轴器12与编码器13固定连接在一起，编码器13可以测量负载端的转 动角度，编码器13通过四个螺丝安装在编码器底座14上，同时编码器底座14通过两个螺 丝固接在驱动器底座2的另一端上。
[0017] 整套串联弹性驱动器的动力传递过程为：动力源为伺服电机1，伺服电机输出端 法兰盘与轴承滚动底盘相连，这样，伺服电机1转动会带动轴承滚动底盘2转动，三个轴承 5就会沿轴承滚动底盘3上的一条线性轨道4滚动，由于轴承5与压簧固定底板6相连，这 样就使得压簧7被压缩，轴承滚动底盘3会对轴承5产生斜向的支持力，该支持力垂直于铜 柱轴心方向的分量会推动轴承5和与其连接的压簧固定底板6转动，同时安装在压簧固定 底板6上并伸入压簧固定顶板9的铜柱8会带动压簧固定顶板9转动，压簧固定顶板会带 动与其连接的驱动输出轴10转动，驱动输出轴10带动负载安装单元11与安装在其上的负 载转动，联轴器12连接驱动输出轴10和编码器13,编码器13测得的角度为负载端转动的 角度。
[0018] 结合图2-3,本发明的力矩输入输出推导过程如下：假设轴承的半径忽略不计， 设滚动底盘的半径为c，压簧的刚度系数为ks，线性轨道的斜率为k，当电机与负载间产 生转角差議I时，会导致轴承滚动
；此时压簧压缩
|压簧产生力为，
此时轨道法线与铜柱的轴向夹角Θ和轨道与轴向的法线夹角α相等，满 足关系式tan0=tana=k，则驱动器产生的力矩为τ=3cFx=3cF
可知驱动器的力矩输出与电机和负载的相对转角呈线性关系。
[0019] 综上所述，本发明的结构设计，可以充分保护驱动器，提高抗冲击载荷的能力。而 且重量较轻，经济性好。另外，通过对压簧刚度系数的优化分析（共振频率），可以根据实际 需求选择压簧，以达到符合机器人作业要求的输出阻尼和输出带宽。
【主权项】
1. 基于压簧的线性串联弹性驱动器，其特征是：包括伺服电机、驱动器底座、轴承、轴 承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板、负载连接单元、输出轴、联轴器和编 码器，所述的伺服电机固定在驱动器底座上，伺服电机输出端通过法兰盘与轴承滚动底盘 固定相连，压簧固定底板相对轴承滚动底盘一侧通过三个细轴安装有三个轴承，轴承滚动 底盘上有线性轨道，三个轴承分别安装在对应的轨道内，压簧固定底板的另一侧安装有三 个铜柱，每个铜柱上各套装一个压簧，三个铜柱的末端由压簧固定顶板相应位置所开圆孔 中穿过并可相对移动，压簧固定顶板上固定安装输出轴，负载连接单元通过螺丝固定在输 出轴侧面并留置负载安装孔，用以与负载相连接；输出轴的末端通过联轴器和编码器固定 连接，编码器通过编码器底座固接在驱动器底座上。2. 根据权利要求1所述的基于压簧的线性串联弹性驱动器，其特征在于所述负载连 接单元的力矩源于压簧的形变，压簧的形变源于轴承在轴承滚动底盘沿具有线性轨道的滚 动。3. 根据权利要求1或2所述的基于压簧的线性串联弹性驱动器，其特征在于所述的线 性轨道的展开线为两条相交的直线段。
【专利摘要】本发明为一种基于压簧的线性弹性驱动器，包括编码器、伺服电机、驱动器底座、联轴器、轴承、轴承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定顶板和底板、输出轴和负载连接单元，编码器与驱动输出轴相连测量负载端转动的角度，伺服电机的法兰盘与轴承滚动底盘相连，轴承滚动底盘上加工线性轨道，使得驱动器输出力矩和电机与负载间相对转角呈线性关系。压簧固定底板上开有间隔120°的三个螺纹孔，每个螺纹孔处分别安装铜柱，并将压簧套装在铜柱上，负载连接单元留置负载安装孔。本发明是一种新型的高能量密度、线性化的弹性驱动器，为设计一种具有本质安全特性、具有关节缓冲能力的串联弹性臂提供技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
【IPC分类】B25J9/12
【公开号】CN105397808
【申请号】CN201510945316
【发明人】刘景泰, 孙雷, 王萌, 尹伟, 董帅
【申请人】南开大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月15日