可控的变刚度柔顺驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可控的变刚度柔顺驱动器。本发明包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，所述的刚度调节机构包括两台带闭环控制器的电机、两根与电机相连的丝杠、两块螺母滑块和两片弹性簧片；每台电机的输出轴连接一根丝杠；丝杠与螺母滑块的螺母端螺旋连接，螺母滑块的滑块端插入弹性簧片内，与弹性簧片滑动配合，弹性簧片一端固定连接在动力输出机构上，与动力输出机构固定连接成一体，刚度调节机构的外壳与动力输入机构的驱动盘固定安装。本发明具有很好抗冲击能力和柔性动力特性，为机器人应用于复杂路况的运动建立了良好的基础。
【专利说明】可控的变刚度柔顺驱动器
【技术领域】
[0001]本发明属于服务机器人【技术领域】，涉及一种可控的变刚度柔顺驱动器。
【背景技术】
[0002]机器人技术涉及机械、电子、通信、计算机、自动化、传感器及仿生学等多个学科和领域，是各领域先进技术的综合。随着机器人技术的发展，机器人从传统的工业领域里被解放出来，进入了其他非工业领域。目前，机器人领域大多采用大力矩，高刚度的伺服电机作为驱动器。由于服务机器人与人的交互颇为频繁，人类工作环境复杂多变，这对机器人提出了严苛的要求。工作中，在机械手接触对象过程中应具有一定的位移容让性，以保证对象的安全，在接触对象后，应具有足够的刚度，以保证操作精确可靠。
[0003]目前研究比较多的模型是在动力输出与负载之间串联弹性模块，属于被动柔性驱动器。从仿生学来说，人的动力是通过骨骼肌肉系统提供的，肌肉组织不但具有粘滞阻尼特性，还具有可变的刚度。因此，为了更好地模仿人类的运动以达到更高的安全性，更好的环境适应性以及更高的能量利用率的要求，本发明的产品可以改变服务机器人关节驱动器高刚度的特性，加入类弹簧结构，使驱动器具有一定的柔顺性，使能更好的运用于服务机器人。
[0004]中国专利CN102189556A，带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，它主要由前连杆、后连杆、关节转轴、关节轴承、柔性轴套、气动肌肉、缓冲机构、偏置弹簧。该发明利用气动肌肉实现关节的柔顺特性，同时在关节中加入缓冲弹簧和柔性轴套，能有效缓解冲击并可扩展转动关节的运动自由度。提高了关节的抗冲击能力和工作性能。但同样由于气动肌肉本身的一些局限性，导致其不能满足日益提高的对机器人的要求。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术的不足，提出一种可控的变刚度柔顺驱动器。
[0006]本发明技术方案如下:
本发明包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，所述的动力输入机构包括谐波减速电机，谐波减速电机通过驱动转盘将动力传至刚度调节机构，刚度调节机构通过具有闭环控制器的控制电机调节刚度后将动力传至动力输出机构。
[0007]所述的刚度调节机构包括两台带闭环控制器的电机、两根与电机相连的丝杠、两块螺母滑块和两片弹性簧片；每台电机的输出轴连接一根丝杠；丝杠与螺母滑块的螺母端螺旋连接，螺母滑块的滑块端插入弹性簧片内，与弹性簧片滑动配合，弹性簧片一端固定连接在动力输出机构上，与动力输出机构固定连接成一体，刚度调节机构的外壳与动力输入机构的驱动盘固定安装。
[0008]本发明的有益效果是:
本发明由于在动力输入和输出之间串联了作为弹性元件的簧片，动力输入机构通过具有弹性特征的簧片把动力传输给输出机构，由输出机构再把动力输送给需要动力的部件，因此本发明具有很好抗冲击能力和柔性动力特性，为机器人应用于复杂路况的运动建立了良好的基础。
[0009]本发明由于设置了两对带有闭环控制器的控制电机，控制器通过控制电机使得螺母滑块在丝杠上运动到不同位置，进而改变具有弹性特征的簧片的有效工作长度，实现本发明柔性可控的目的。
[0010]本发明的控制器根据位移传感器测量得到的当前螺母滑块的位置，以此来控制电机驱动丝杠转动，使螺母滑块到达所要求的位置，从而实现本发明采用闭环控制螺母滑块位置的目的，使本发明的柔性控制更准确可靠。本发明可以广泛用于机器人领域的研究和应用中。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明关键部位示意图；
图3为本发明局部剖视图；
图4(a)为刚度调节机构与动力输入机构连接端的示意图；
图4(b)为刚度调节结构与动力输出机构连接端的示意图
其中，1、弹性簧片；2、动力输出机构；3、丝杠；4、螺母滑块；5、谐波减速电机动力；6、驱动转盘；7、螺钉；8、刚度调节机构；9、带有闭环控制器的控制；10、电机外壳。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图进一步说明本发明。
[0013]如图1所示，本发明包括一个动力输入机构谐波减速电机5，一个刚度调节机构8，一个动力输出机构2。选用谐波减速电机目的在于提供较大的传动精度与扭矩的同时，具有体积小，重量轻的特点。由于本发明主要运用于机器人足部，工业机械手，智能假肢等机器人领域的研究和应用中。
[0014]如图1所示，动力输入机构谐波减速电机5通过驱动转盘6将动力传至刚度调节机构8，刚度调节机构8通过具有闭环控制器的控制电机9调节刚度后将动力传至动力输出机构2。
[0015]如图1、图2、图3所示，本发明的刚度调节机构8包括两台带闭环控制器的控制电机9、两根与电机相连的丝杠3、两块螺母滑块4，两片弹性簧片I。控制电机9的输出轴连接一根丝杠3 ;丝杠3分别与螺母滑块4螺旋连接，螺母滑块4滑动端插入弹性簧片I内，弹性簧片I固定连接在动力输出机构2上。刚度调节机构8的外壳10通过螺钉7与动力输入机构的驱动盘6安装固定，动力输出机构2通过弹性簧片I与刚度调节机构中螺母滑块柔性连接。
[0016]如图4(a)所示，刚度调节机构的外壳10上有6个螺纹孔通过螺钉7和驱动转盘6与谐波减速电机5进行安装配合。
[0017]如图4(b)所示，本发明可以调节输出柔性的大小，工作时，控制电机9根据测量得到的当前螺母滑块4的位置，通过计算得到螺母滑块4应该调节的高度值，并将控制指令并反馈给电机9，电机9启动通过丝杠3带动两螺母滑块沿着簧片或上或下滑动，以改变簧片I的有效工作长度(两螺母滑块4位于丝杠3最下方时柔性最大)，从而使得柔性控制更准确可靠。
[0018]若谐波减速电机5工作时,带动驱动转盘6转动,并带动刚度调节机构中的外壳10转动。外壳10发生转动，挤压弹性簧片I发生形变，弹性簧片I的形变驱使动力输出机构2开始转动，从而输出动力。
[0019]若谐波减速电机5不工作，动力输出机构2受到意外冲击力时发生偏转，柔性部件弹性簧片I收到挤压，发生变形，但驱动转盘6不转动，保护了谐波减速电机5不被损坏。
[0020]根据机器人不同关节对柔顺性的需求不同，可以改变刚度调节机构8中柔性部件弹性簧片I的刚度和厚度、电机9的灵敏度和滑块4的位置高低来得到恰当的柔顺特性。
[0021]当机器人同一个关节在不同时间对柔顺性的需求不同的时候，亦可以通过启动电机9，带动滑块4上下移动，进而方便的改变刚度调节机构8中柔性部件弹性簧片I的有效长度、刚度，实现关节的变刚度驱动和输出负载曲线的柔顺特性。
[0022]以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下做出在形式上和细节上的各种修改和改变，都将是对本发明专利的侵犯。因此本发明要保护的真正思想和范围由所附的权利要求书来限定。
【权利要求】
1.可控的变刚度柔顺驱动器，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，所述的动力输入机构包括谐波减速电机，谐波减速电机通过驱动转盘将动力传至刚度调节机构，刚度调节机构通过具有闭环控制器的控制电机调节刚度后将动力传至动力输出机构，其特征在于: 所述的刚度调节机构包括两台带闭环控制器的电机、两根与电机相连的丝杠、两块螺母滑块和两片弹性簧片；每台电机的输出轴连接一根丝杠；丝杠与螺母滑块的螺母端螺旋连接，螺母滑块的滑块端插入弹性簧片内，与弹性簧片滑动配合，弹性簧片一端固定连接在动力输出机构上，与动力输出机构固定连接成一体，刚度调节机构的外壳与动力输入机构的驱动盘固定安装。
【文档编号】B25J17/02GK104029214SQ201410198859
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】周建军, 方珂汇, 陈耀, 王瑶炜, 葛天旻 申请人:杭州电子科技大学