基于可变支点的变刚度柔性驱动器的制作方法

技术领域

本发明涉及变刚度驱动器，具体地指一种基于可变支点的变刚度柔性驱动器。

背景技术：

在机器人领域，运动驱动的方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动等，而电机驱动具有精度高、控制准确、响应迅速等优势，成为一种主要的驱动方式。随着机器人技术的发展，康复辅助机器人和助力机器人的研究也越来越受到了重视，这些机器人在人机交互的过程中要求更高的安全性和对环境更好的适应能力。而传统的电机驱动是刚性的，在人机交互过程中有可能对人体造成伤害，并且对环境的适应性较差。采用可变刚度的柔性驱动器可以很好的解决这一问题。

在设计变刚度驱动器的过程中，考虑可能的应用环境，应使结构紧凑、合理，同时应具有较大的刚度调节范围，调节功能易于实现，还有比较快的响应特性。目前，国内外在变刚度驱动器这一领域已有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：变刚度驱动器机构复杂、刚度调节范围小。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201010283564.2，该技术工开一种变刚度柔性关节，包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元，通过改变弹性元件的有效长度来改变刚度，但是弹性的有效长度改变有限，刚度改变的范围有限。

中国专利申请号20150355179.7，该技术公开了一种刚度可调的柔性关节驱动机构，包括驱动端、调整端和柔性关节，采用曲斜面-转轮配合结构实现变刚度，能够实现驱动器的刚度从极大柔性到完全刚性的改变，但该机构结构复杂，尺寸偏大。

中国专利申请号201310119858.5，该技术公开了一种可变刚度的机器人关节驱动器，包括关节驱动电机、刚度调节部件、输出端，利用金属柔性齿条实现了刚度的调节，结构比较紧凑，刚度范围比较大，但是结构比较复杂，刚度调节的过程复杂。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种结构紧凑、调节范围大的基于可变支点的变刚度柔性驱动器。

为了实现上述目的，本发明所设计的基于可变支点的变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构、刚度调节机构和动力输出机构，其特征在于：

所述刚度调节机构包括杠杆、支点柱、滑块和直线导轨，所述杠杆一端铰接在动力输出机构上，所述杠杆上下面分别设置有顶面滑槽和底面滑槽，所述支点柱一端与顶面滑槽配合连接，另一端连接在动力输入机构上，且与动力输入机构之间设置有支点调节结构，所述支点调节结构用于调节支点柱相对于动力输入机构的驱动轴的位置，所述滑块与底面滑槽配合连接且套接在直线导轨上，所述直线导轨连接在动力输出机构上，所述直线导轨上还套接有两段弹簧，所述两段弹簧分别位于滑块两侧。其中顶面滑槽和底面滑槽可以为同一个槽。

进一步地，所述的支点调节结构包括刚度伺服电机、传动齿轮和刚度调节齿轮；所述传动齿轮连接在刚度伺服电机的输出轴上，与刚度调节齿轮啮合，所述刚度调节齿轮通过链接垫轴、滚针推力轴承、链接轴承和链接压轴连接在动力输入机构的驱动轴上，所述刚度调节齿轮上设置有阿基米德螺旋线槽，所述动力输入机构的端面上设置有相对于驱动轴的径向调节槽，所述支点柱另一端依次穿过阿基米德螺旋线槽和径向调节槽，其端部设置有限位的支点顶盖。通过阿基米德螺旋曲线槽，把刚度调节齿轮转过的角度线性的转化为支点柱在径向调节槽中的位置，便于对支点柱位置的控制。在调节过程中，支点柱在阿基米德螺旋曲线槽中旋转一个角度时，支点柱在径向调节槽中的位置微小距离，提高支点柱位置的调节精度。

更进一步地，所述动力输入机构包括位置伺服电机、连轴器、驱动器底座和筒状外壳，所述驱动器底座整体呈盘状结构，所述联轴器用于连接位置伺服电机的驱动轴和驱动器底座，所述筒状外壳设置在驱动器底座上，所述径向调节槽设置在驱动器底座上，所述刚度伺服电机固定在驱动器底座上。通过联轴器和驱动器底座，把动力的轴输出改为盘输出，便于后续动力的传递。

再进一步地，所述筒状外壳包括支撑段和连接段，所述支撑段与驱动器底座连接，支撑、保护驱动器，连接段与驱动器外壳活动连接。

再进一步地，所述动力输出机构包括筒状驱动器外壳、驱动器顶盖、旋转编码器和偏转连接件，所述筒状驱动器外壳一端与筒状外壳活动连接，另一端与驱动器顶盖连接，所述旋转编码器设置在驱动器顶盖上，所述偏转连接件连接在旋转编码器和筒状外壳上，所述杠杆一端铰接在驱动器外壳上，所述直线导轨尺寸与驱动器外壳内径相同，且连接在驱动器外壳内径上，杠杆的长度为筒状驱动器外壳内径的0.6到0.75倍，动力输出机构实现了将动力传输到筒状驱动器外壳，并可通过其他输出结构的连接方式将力向外输出。再进一步地，所述筒状外壳的连接段上设置有滑动槽，所述滑动槽内镶嵌有滚珠，所述驱动器外壳与筒状外壳通过滚珠实现活动连接。

再进一步地，还包括驱动器支撑机构，所述驱动器支撑机构包括底座和支架。支架设置有两处，分别与位置伺服电机和筒状外壳的支撑段连接，用于支撑固定整个驱动器，在驱动器运行过程中保证驱动器的平稳运行，减小震动。

本发明的优点在于：

本设计的刚度调节机构结构新颖，采用了带有阿基米德螺旋曲线槽的齿轮来调节支点，改变杠杆力臂长度。能够实现刚度的大范围调节，使驱动器能够从零刚度调整到完全刚性，并且使得结构更加紧凑。通过移动支点改变刚度，更易于控制，能够实现驱动器的输出位置和输出刚度的实时同步的调节。

附图说明

图1为本发明基于可变支点的变刚度柔性驱动器结构示意图。

图2为本发明基于可变支点的变刚度柔性驱动器的剖视图。

图3为本发明图2的详细标号结构示意图。

图4为图1的右视图。

图5为图1的左视剖面结构示意图。

图6为本发明的杠杆结构示意图。

图中：动力输入机构a、刚度调节机构b，动力输出机构c，支点调节机构d，驱动器支撑机构e，底座1，刚度伺服电机2，位置伺服电机3，支架4，连轴器5，支点顶盖6，驱动器底座7，筒状外壳8，支撑段9，连接段10，驱动器外壳11，绕线盘12，驱动器顶盖13，编码器14，阿基米德螺旋线槽15，传动齿轮16，滑块17，刚度调节齿轮18，杠杆19，顶面滑槽19.1，底面滑槽19.2，支点柱20，径向调节槽21，链接垫轴22，滚针推力轴承23，链接轴承24，链接压轴25，滑动槽26，驱动轴27，滚珠28，直线导轨29，弹簧30，第一弹簧31，第二弹簧32，偏转连接件33。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的基于可变支点的变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构a、刚度调节机构b和动力输出机构c，所述刚度调节机构b包括杠杆19、支点柱20、滑块17和直线导轨29，所述杠杆19一端铰接在动力输出机构c上，所述杠杆19上下面分别设置有顶面滑槽19.1和底面滑槽19.2，所述支点柱20一端与顶面滑槽19.1配合连接，另一端连接在动力输入机构a上，且与动力输入机构a之间设置有支点调节结构d，所述支点调节结构d用于调节支点柱20相对于动力输入机构a的驱动轴27的位置，所述滑块17与底面滑槽19.2配合连接且套接在直线导轨29上，所述直线导轨29连接在动力输出机构c上，所述直线导轨29上还套接有两段弹簧30，所述两段弹簧30分别位于滑块17两侧。顶面滑槽19.1和底面滑槽19.2可以为同一个槽。

其中，支点调节结构d包括刚度伺服电机2、传动齿轮16和刚度调节齿轮18，传动齿轮16连接在刚度伺服电机2的输出轴上，与刚度调节齿轮18啮合，刚度调节齿轮18通过链接垫轴22、滚针推力轴承23、链接轴承24和链接压轴25连接在动力输入机构a的驱动轴27上，链接垫轴22、链接压轴25依次套驱动轴27上，其中链接轴承24内外圈分别与链接压轴25和刚度调节齿轮18固定连接，滚珠推力轴承23固定在驱动轴27上，分别与驱动器底座7和刚度调节齿轮18活动接触，避免刚度调节齿轮18与驱动器底座7直接摩擦，链接轴承24和链接压轴25对刚度调节齿轮18起支撑作用，刚度调节齿轮18上设置有阿基米德螺旋线槽15，动力输入机构a的端面上设置有相对于驱动轴27的径向调节槽21，所述支点柱20另一端依次穿过阿基米德螺旋线槽15和径向调节槽21，其端部设置有限位的支点顶盖6。通过阿基米德螺旋曲线槽，把刚度调节齿轮转过的角度线性的转化为支点柱在径向调节槽21中的位置，便于对支点柱位置的控制。在调节过程中，支点柱在阿基米德螺旋曲线槽中旋转一个角度时，支点柱在径向调节槽21中的位置微小距离，提高支点柱位置的调节精度。

动力输入机构a包括位置伺服电机3、连轴器5、驱动器底座7和筒状外壳8，驱动器底座7整体呈圆盘状，联轴器5用于连接位置伺服电机3的驱动轴27和驱动器底座7，把动力的轴输出改为盘输出，便于后续动力的传递。筒状外壳8设置在驱动器底座7上，径向调节槽21设置在驱动器底座7上，刚度伺服电机3固定在驱动器底座7上。其中，筒状外壳8由支撑段9和连接段10组成，支撑段9与驱动器底座7连接，支撑、保护驱动器。

动力输出机构c包括筒状驱动器外壳11、驱动器顶盖13、旋转编码器14和偏转连接件33，所述筒状驱动器外壳11一端与筒状外壳8活动连接，另一端与驱动器顶盖13连接，所述旋转编码器14设置在驱动器顶盖13上，所述偏转连接件33连接在旋转编码器14和筒状外壳8上，，杠杆19一端铰接在驱动器外壳11上，连接段10与驱动器外壳11活动连接，直线导轨29尺寸与驱动器外壳11内径相同，且连接在驱动器外壳11内径上，杠杆19的长度为筒状驱动器外壳11内径的0.6到0.75倍，动力输出机构实现了将动力传输到筒状驱动器外壳11，并可通过其他输出结构的连接方式将力向外输出。如在驱动器外壳11上安装绕线盘12，在驱动工作时可通过柔性绳连接绕线盘12和机器人关节连接，从而将动力传输到机器人关节。

其中刚度调节机构b位于驱动器底座7、筒状外壳8、驱动器外壳11和驱动器顶盖共同组成的封闭腔体内。

筒状外壳8的连接段10上设置有滑动槽26，滑动槽26内镶嵌有滚珠28，驱动器外壳11与筒状外壳8通过滚珠28实现活动连接。为方便滚珠28的安装，连接段10一般设计为两瓣的组合结构，为方便安装与固定，本发明还设计有驱动器支撑机构e，驱动器支撑机构e包括底座1和支架4。支架4设置有两处，分别与位置伺服电机3和筒状外壳8的支撑段连接，用于支撑固定整个驱动器，在驱动器运行过程中保证驱动器的平稳运行，减小震动。

本发明工作时，给驱动器设定一个目标位置和目标刚度，根据给定的位置和给定的刚度，驱动器根据一定的算法控制位置伺服电机和刚度伺服电机转动，快速准确地调整驱动器的输出位置和输出刚度，使之达到目标位置和目标刚度，目前通常采用PID控制算法。具体为过程如下：

当位置伺服电机3和刚度伺服电机2上电后，在给定位置和刚度时，位置伺服电机3和刚度伺服电机2开始转动，刚度伺服电机2带动传动齿轮16做旋转运动，传动齿轮16带动刚度调节齿轮18绕驱动轴27做旋转运动，刚度调节齿轮18运动时推动刚度调支点柱20沿刚度调节齿轮18上的阿基米德螺旋曲线槽及驱动器底座7上的直线槽运动，使支点柱20的位置发生改变。当刚度伺服电机2正转时，刚度调节齿轮18反转，带动支点柱20向驱动轴27轴心方向运动，在驱动器底座7和驱动器顶盖13偏差角不变时，刚度减小。当刚度伺服电机2反转时，刚度调节齿轮18正转，带动支点柱20向驱动轴27轴心反方向运动，在驱动器底座7和驱动器顶盖13偏差角不变时，刚度增大。

当位置伺服电机3正转时，位置电机联轴器5正转，带动驱动器底座7正转，由于驱动器中有弹簧的存在，在驱动器底座7开始转动的时候，由于阻抗作用驱动器顶盖13暂未运动，并且第一弹簧31开始压缩，第二弹簧33开始伸长。驱动器底座7和驱动器顶盖13的偏差角开始产生，并由旋转编码器14测得。当第一弹簧31和第二弹簧33的形变达到一定量时，足以推动驱动器顶盖13运动时，驱动器顶盖13在第一弹簧31和第二弹簧33作用下，开始正转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。编码器测14得的偏差角作为反馈量用于位置和刚度的控制。

当位置伺服电机3反转时，位置电机联轴器5反转，带动驱动器底座7反转，由于驱动器中有弹簧的存在，在驱动器底座7开始转动的时候，由于阻抗作用驱动器顶盖13暂未运动，并且第一弹簧31开始伸长，第二弹簧33开始压缩。驱动器底座7和驱动器顶盖13的偏差角开始产生，并由旋转编码器14测得。当第一弹簧31和第二弹簧33的形变达到一定量时，足以推动驱动器顶盖13运动时，驱动器顶盖13在第一弹簧31和第二弹簧33作用下，开始反转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。编码器测14得的偏差角作为反馈量用于位置和刚度的控制。

本发明所设计的驱动器通过筒状外壳8和驱动器顶盖13输出动力，可应用于服务机器人、助力机器人、康复机器人，具有很大的推广应用价值。