一种机器人变阻尼柔顺关节驱动器的制作方法

本发明涉及机器人柔顺关节驱动器领域，具体涉及一种新型机器人变阻尼柔顺关节驱动器，可用于调节传统柔顺机器人关节的动态性能，且具有刚柔转换功能。

背景技术：

机器人柔顺关节驱动器是在传统的机器人纯刚性关节驱动器中引入柔顺单元使机器人具有天然柔顺性的一种机器人关节驱动器。由于具有天然柔顺性，机器人柔顺关节驱动器相比纯刚性的机器人关节驱动器具有较高的安全性，可以大量应用于各种在工作中需要进行人机交互的机器人本体中。但是柔顺关节驱动器在具有柔顺性的同时又会因为刚度不足产生系统震荡，使其难以控制，严重地影响了机器人的动态性能。为了提高机器人柔顺关节驱动器的动态性能，可以在传统机器人柔顺关节驱动器的基础上引入阻尼调节机构，利用物理阻尼抑制柔顺关节驱动器在柔顺传动中产生的系统震荡，但过高的阻尼又会在关节传动时消耗大量能量，因此研究可有效改善传统柔顺关节系统震荡的同时又可以根据需要改变阻尼大小的机器人变阻尼柔顺关节驱动器具有较大意义。

近些年来人们也研究设计了一些机器人变阻尼柔顺关节驱动器，如通过改变电机输出端和负载之间库伦摩擦力的方式去模拟粘性阻尼的机器人变阻尼柔顺关节驱动器，以及通过机械连杆传动的机器人变阻尼柔顺关节驱动器。这些机器人变阻尼柔顺关节驱动器中，基于库伦摩擦力的驱动器耗能大，且无法彻底锁死关机的柔顺性，而基于机械连杆传动的驱动器则传动装置过于复杂，结构不紧凑，整体转动惯量大，应用场合受限。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机器人变阻尼柔顺关节驱动器，可以显著地调节机器人因为引入柔顺单元而产生的系统震荡，在保证机器人柔顺性的同时提高机器人的动态性能，且可调节阻尼大小，当阻尼调至足够大时，可直接锁死关节的柔顺性，使其转变为纯刚性关节，满足不同应用场合的使用需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机器人变阻尼柔顺关节驱动器，包括相互连接的动力输入装置和传动装置；所述动力输入装置包括主电机支架、主电机定子、主电机转子、导电滑环和法兰联轴器；所述主电机定子和主电机转子均为中空结构；所述主电机定子固定在主电机支架上，所述主电机转子通过法兰联轴器与所述传动装置的输入端固联，所述导电滑环安装在所述主电机转子的中空结构中，导电滑环一端的导线穿过所述主电机定子的中空结构连接外部电源和控制信号源，导电滑环另一端的导线随所述主电机转子转动且进入所述传动装置为阻尼调节电机提供电压和控制信号；

所述传动装置包括柔顺传动机构、变阻尼调节机构、阻尼调节电机安装轴、左轴承、左轴承安装座、右轴承、右轴承安装座和外壳；所述阻尼调节电机安装于所述阻尼调节电机安装轴内并随阻尼调节电机安装轴一起转动，所述阻尼调节电机安装轴内部设为与所述阻尼调节电机外形匹配的中空结构，所述阻尼调节电机安装轴作为传动装置的输入端与所述主电机转子通过法兰联轴器固联；传动装置的输入端与输出端分别通过左轴承和右轴承与外壳连接，左轴承和右轴承分别使用左轴承安装座和右轴承安装座固定，传动装置的输入端和输出端能够相对外壳转动；所述柔顺传动机构的输入构件与所述变阻尼调节机构的输入构件连接，所述柔顺传动机构的输出构件与所述阻尼调节机构的输出构件连接，构成弹簧与阻尼并联的传动关系；所述柔顺传动机构的输入构件与传动装置的输入端连接，变阻尼调节机构的输出构件与传动装置的输出端连接。

进一步的，所述柔顺传动机构包括弹簧臂板套筒、柔顺传动弹簧、弹簧固定座和转动基座，所述弹簧臂板套筒上设有三个等间距的弹簧臂板，所述弹簧臂板与固定在所述转动基座上的柔顺传动弹簧连接以带动转动基座转动实现柔顺传动。

进一步的，所述变阻尼调节机构包括主传动轴、主活塞、阻尼调节活塞、回程弹簧、转动活塞和阻尼缸盖；所述主传动轴与所述转动活塞中间均设有贯通的内部液路通道，两者通过花键连接，构成t字型状，所述主传动轴的内部液路通道末端口与所述转动活塞的内部液路通道的中端连通，构成只有三个端口的t字型内部液路通道，所述主活塞安装在所述主传动轴内部液路通道的初始端，所述主活塞内部设有螺纹孔，所述螺纹孔与所述阻尼调节电机的螺纹输出轴连接；所述阻尼调节活塞安装在所述转动活塞的内部液路通道的两个端口上，所述阻尼调节活塞上设有节流口阀门片，所述转动活塞上设有阻尼孔，所述节流口阀门片与所述阻尼孔的节流口贴合，用以调节所述阻尼孔的节流口开度；所述转动活塞安装在所述阻尼缸盖的阻尼腔内，所述阻尼腔内注满阻尼介质，所述阻尼腔内设有阻尼腔固定挡板，所述转动活塞与所述阻尼腔固定挡板交叉放置，并将所述阻尼腔分隔成四个独立的阻尼小腔，所述转动活塞可相对所述阻尼腔固定挡板转动，在相对转动时能够改变四个阻尼小腔的容积。

进一步的，所述柔顺传动机构的输入构件弹簧臂板套筒与所述变阻尼调节机构的输入构件主传动轴通过平键连接固联，所述柔顺传动机构的输出构件转动基座与所述阻尼调节机构的输出构件阻尼缸盖通过螺钉连接固联，总体构成弹簧与阻尼并联的传动关系。

进一步的，主电机转子与法兰联轴器的法兰端固联，法兰联轴器的另一端开有键槽，与所述阻尼调节电机安装轴通过平键连接，当主电机转子转动时通过法兰联轴器带动传动装置的输入端转动，完成驱动器的主运动。

进一步的，所述转动基座的一端为圆平面结构，所述转动基座的圆平面结构与阻尼缸盖的底端贴合且通过阻尼腔密封o型圈密封。

进一步的，所述主传动轴与所述转动基座之间设有中轴承和主传动轴密封o型圈，所述阻尼调节电机安装轴与外壳的左端之间设有所述左轴承和左轴承安装座，阻尼缸盖的输出轴与外壳的右端之间设有所述右轴承和右轴承安装座。

进一步的，所述主电机定子内部设有编码器以检测主电机转子的转角和转速，所述传动装置的输出端同样设有编码器以检测驱动器实际输出端的转角和转速。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明实现了利用变阻尼调节机构的阻尼来调节抑制柔顺传动机构因引入柔顺单元而产生的系统震荡的功能。在传动过程中，柔顺传动机构因为引入了柔顺传动弹簧，因而具有柔顺性，使用本发明作为驱动器的机器人在与外界环境交互时，如果受到突然冲击，传动弹簧可以吸收一部分冲击能量，较好地保护机器人本体以及外界环境，提高机器人的人机交互安全性，但是因为驱动器引入了弹性元件，驱动器的刚度降低，在传动过程中的系统震荡会加剧，驱动器的精度也会相应降低，而提高阻尼可以有效抑制系统震荡，但是过高的阻尼会消耗过多的能量，本发明的变阻尼调节机构的阻尼孔开度可以实时受到控制，即可以进一步控制系统的阻尼大小，在需要快速抑制系统震荡时可迅速调低阻尼孔开度增大阻尼以提高驱动器的精度，而在需要高效传动时则可调高阻尼孔开度减小阻尼以降低驱动器的系统响应时间和能耗，较大地提升柔顺驱动器的动态性能。

2.本发明实现了驱动器在柔顺驱动与刚性驱动之间的刚柔转换，本发明将柔顺传动机构的输入构件和输出构件与变阻尼调节机构的输入构件和输出构件分别固联，形成弹簧与阻尼并联的传动关系。变阻尼调节机构的转动活塞上的阻尼孔可以被完全关闭，当阻尼孔没有完全关闭时，转动活塞与阻尼缸盖之间的阻尼介质可在阻尼孔流动，驱动器的驱动方式为柔顺驱动，具有两个自由度，当阻尼孔被完全关闭时，变阻尼调节机构的转动活塞与阻尼缸盖之间的阻尼介质无法流动，而阻尼介质为流体无法被压缩，转动活塞与阻尼缸盖之间变为刚性连接，此时变阻尼调节机构可看作刚性连杆，因为柔顺传动机构与变阻尼调节机构为并联关系，柔顺传动机构的柔顺传动弹簧无法被压缩，传动装置的输入端与输出端之间转化为刚性连接，驱动器的驱动方式为刚性驱动。驱动器在刚柔之间转换，在柔顺驱动时安全性较高，且因为有变阻尼调节机构进行阻尼调节，可保证一定的输出精度，当需要更高输出精度时，驱动器转换成刚性驱动，输出精度可以进一步提高，满足不同应用场合的需求。

3.本发明利用t字型内部液路通道将阻尼调节电机的运动传递至节流口阀门片，实现了变阻尼调节机构运动方向和力的变化。要实现阻尼孔开度的可调节，需要为阻尼孔上的节流口阀门片提供动力，本发明利用t字型内部液路通道将阻尼调节电机的运动传递至节流口阀门片这种液压传动方式，相比使用连杆、滑块等机械构件进行传动，在同等功率条件下体积小、重量轻，因此惯性小、动作灵敏，可实现频繁启动和换向，且液压传动能在各种方位传动，容易实现往复传动，由于其体积小、传递的功率大，可在较小的空间内传递复杂的运动形式，使得驱动器的结构更为紧凑。

4.本发明将变阻尼调节机构嵌入于传动装置的转动构件内部。通过使用导电滑环，使得阻尼调节电机可在随传动装置作持续回转运动的同时接受外部信号产生直线运动，并通过传动装置内部的t字型内部液路通道改变阻尼孔的节流口开度实现变阻尼功能。整个变阻尼调节机构内置于转动构件中，显著减小了驱动器的整体转动惯量，使驱动器结构紧凑，能量损失小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明传动装置的安装示意图。

图3是本发明传动装置的运动配合示意图。

图4是本发明的变阻尼调节机构的结构示意图。

图5是本发明的柔顺传动机构的结构示意图。

图6是本发明的柔顺传动机构的安装示意图。

图7是本发明的传动装置输入端固联方式示意图。

附图标记：1：主电机支架；2-1：主电机定子；2-2：主电机转子；3：导电滑环；4：法兰联轴器；5：平键；6：左轴承安装座；7：左轴承；8：外壳；9：右轴承；10：右轴承安装座；11：编码器读头；12：编码盘；13：阻尼调节电机安装轴；14：阻尼调节电机；14-1：螺纹输出轴；15：弹簧臂板套筒；15-1：弹簧臂板；15-2：弹簧臂板套筒通孔；15-3：簧臂板套筒连接孔；16：柔顺传动弹簧；17：中轴承；18：转动基座；19：主传动轴密封o型圈；20：阻尼腔密封o型圈；21：转动活塞；21-1：转动活塞内部液路通道；21-2：阻尼孔；22：阻尼缸盖；22-1：阻尼腔固定挡板；22-2：输出轴；23：主活塞；23-1：主活塞密封o型圈；24：主传动轴；24-1：主传动轴内部液路通道；25：花键密封o型圈；26：阻尼调节活塞；26-1：阻尼调节活塞密封o型圈；26-2：节流口阀门片；27：回程弹簧；28：回程弹簧挡板；29：弹簧固定座；q1、q2、q3、q4：阻尼小腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，一种新型机器人变阻尼柔顺关节驱动器，主要包括动力输入装置和传动装置，动力输入装置包括主电机支架1、主电机定子2-1、主电机转子2-2、导电滑环3和法兰联轴器4，可为驱动器传动装置的回转运动提供动力；传动装置主要包括柔顺传动机构、变阻尼调节机构，其中柔顺传动机构和变阻尼调节机构各自的输入构件与输出构件分别固联，两者平行并联，整体构成弹簧与阻尼并联的传动关系，提高驱动器的动态性能。

本实施例中，如图1图2所示，动力输入装置包括主电机支架1、主电机定子2-1、主电机转子2-2、导电滑环3和法兰联轴器4，其中主电机定子2-1安装固定在主电机支架1上，主电机支架1与传动装置的外壳8通过螺钉固联；传动装置包括左轴承安装座6、左轴承7、外壳8、柔顺传动机构、变阻尼调节机构、右轴承9和右轴承安装座10，传动装置的输入端与输出端分别通过左轴承7和右轴承9与外壳8连接，两个轴承分别使用左轴承安装座6和右轴承安装座10固定，因此传动装置的输入端和输出端可以相对外壳8转动。主电机转子2-2与法兰联轴器4的法兰端固联，法兰联轴器4的另一端开有键槽，与传动装置的输入端阻尼调节电机安装轴13通过平键5连接，当主电机转子2-2转动时通过法兰联轴器4带动传动装置的输入端转动，完成驱动器的主运动。

如图1所示，主电机定子2-1、主电机转子2-2、法兰联轴器4和阻尼调节电机安装轴13均为中空结构，阻尼调节电机14安装在阻尼调节电机安装轴13的中空结构内，导电滑环3安装在主电机转子2-2的内部中空结构上，分为固定端和转动端两部分，两端均引出有若干对应接通的导线，转动端相对固定端转动时两端导线仍能保持接通状态，导电滑环3固定端的导线穿过主电机定子2-1的中空结构与外部电源和控制信号源连接，转动端的导线与阻尼调节电机14相连。

如图2和图3，驱动器的传动装置包括柔顺传动机构和变阻尼调节机构，两者的输入构件和输出构件分别固联，构成并联传动关系，在进行传动时，变阻尼调节机构可调节柔顺传动机构的弹性元件柔顺传动弹簧16造成的系统震荡，当变阻尼调节机构的阻尼趋于无穷大时(转动活塞21的阻尼孔21-2的节流口被节流口阀门片26-2完全遮挡关闭)，传动装置将由柔顺传动转化为刚性传动。

如图5图6，柔顺传动机构包括弹簧臂板套筒15、6个柔顺传动弹簧16，6个弹簧固定座29和1个转动基座18。弹簧臂板套筒15上有三个均等分布的弹簧臂板15-1，每个弹簧臂板15-1的两面分别与柔顺传动弹簧16的一端接触，每个柔顺传动弹簧16的另一端固定在弹簧固定座29上，弹簧固定座29则与转动基座18上的凸台固联，当弹簧臂板套筒15作为柔顺传动机构的输入构件转动时，三个弹簧臂板15-1的一面分别压缩柔顺传动弹簧16，柔顺传动弹簧16受压带动作为所述柔顺传动机构输出构件的转动基座18转动，实现柔顺传动。

如图3图4，变阻尼调节机构包括阻尼调节电机14、主传动轴24、花键密封o型圈25、主传动轴内部液路通道24-1、主活塞23、主活塞密封o型圈23-1、转动活塞21、2个阻尼调节活塞26、阻尼调节活塞密封o型圈26-1、节流口阀门片26-2、2个回程弹簧27、2个回程弹簧挡板28、转动活塞内部液路通道21-1、阻尼腔密封o型圈20和阻尼缸盖22。主传动轴24的一端与转动活塞21的中端通过花键连接，花键端部放置了花键密封o型圈25，阻尼缸盖22的下端面设有环型槽放置阻尼腔密封o型圈20，转动活塞21安装在阻尼缸盖22的阻尼腔内，与阻尼缸盖22腔内的阻尼腔固定挡板22-1交叉分布，把阻尼缸盖22的阻尼腔分成q1、q2、q3、q4四个独立的阻尼小腔，当主传动轴24受力转动时，可带动转动活塞21在阻尼缸盖22的阻尼腔内相对阻尼腔固定挡板22-1转动，从而使其中两个阻尼小腔容积增大，另外两个阻尼小腔容积减小。当四个阻尼小腔q1、q2、q3、q4注满阻尼介质时，阻尼介质通过转动活塞21上的阻尼孔21-2从容积减小的阻尼小腔流向容积增大的阻尼小腔，在此过程产生压力损失，体积增大的阻尼小腔压力小于体积减小的阻尼小腔，形成压差阻尼力，阻碍转动活塞21转动。

如图3所示，主传动轴24和转动活塞21内部均设有内部液路通道，主传动轴内部液路通道24-1的一端与转动活塞内部液路通道21-1的中端连接，构成有三个出口的t字型内部液路通道，且通过花键密封o型圈25密封。主活塞23安装在主传动轴内部液路通道24-1的入口端，通过主活塞密封o型圈23-1密封，其内部设有螺纹孔，与阻尼调节电机14的螺纹输出轴14-1连接，两个阻尼调节活塞26通过阻尼调节活塞密封o型圈26-1密封，分别安装在转动活塞内部液路通道21-1的两个出口端，阻尼调节活塞26与节流口阀门片26-2通过一根轴刚性连接，轴上套有回程弹簧27，回程弹簧27的一端与阻尼调节活塞26的端面接触，另一端与回程弹簧挡板28接触，当阻尼调节电机14的螺纹输出轴14-1正向转动时，通过螺纹传动使主活塞23直线向前运动，主活塞23推动所述t字型内部液路通道的流体传递压力进而推动两个阻尼调节活塞26向转动活塞21两端作伸出运动，节流口阀门片26-2随阻尼调节活塞26一起向转动活塞21两端伸出，进而遮挡阻尼孔21-2的节流口，此时回程弹簧27受到压缩，当螺纹输出轴14-1反向转动时，主活塞23作直线向后运动，所述t字型内部液路通道内的流体压力减小，回程弹簧27压力大于所述t字型内部液路通道内的流体压力，两个阻尼调节活塞26收缩，带动节流口阀门片26-2收缩使阻尼孔21-2的节流口开度增大，由此，通过阻尼调节电机14控制主活塞23的位置，可以进一步通过所述t字型内部液路通道的流体传动控制节流口阀门片26-2的位置，进而改变阻尼孔21-2的节流口开度，实现变阻尼功能。

如图4图5图6图7所示，阻尼调节电机安装轴13与弹簧臂板套筒15端面贴合且通过螺钉固联，阻尼调节电机14安装在阻尼调节电机安装轴13上，阻尼调节电机14的螺纹输出轴14-1穿过弹簧臂板套筒15的弹簧臂板套筒通孔15-2与安装在主传动轴内部液路通道24-1上的主活塞23上的螺纹孔配合，主传动轴24的输入端安装在弹簧臂板套筒15的簧臂板套筒连接孔15-3上，完成所述柔顺传动机构和变阻尼调节机构输入构件的固联，此外主传动轴24穿过转动基座18，通过中轴承17安装在转动基座18上，且通过主传动轴密封o型圈19密封，柔顺传动机构的转动基座18与变阻尼调节机构的阻尼缸盖22通过螺钉固联，转动基座18的端面与阻尼缸盖22的端面贴合，通过阻尼腔密封o型圈20密封，构成封闭的阻尼腔，完成所述柔顺传动机构和变阻尼调节机构输出构件的固联。

如图1所示，编码器读头11安装在外壳8上，编码盘12安装在输出轴22-2上，编码盘12随输出轴22-2转动时编码器读头11可以读取驱动器输出端的位置信息。

本发明的工作过程如下：

动力输入装置的主电机转子2-2带动传动装置的输入端转动，带动作为柔顺传动机构输入构件的弹簧臂板套筒15转动，弹簧臂板套筒15上的弹簧臂板15-1压缩柔顺传动弹簧16带动转动基座18转动，实现柔顺传动，而此时变阻尼调节机构的转动活塞21跟随弹簧臂板套筒15同步转动，转动活塞21相对阻尼腔固定挡板22-1转动，使得四个阻尼小腔q1、q2、q3、q4中的两个阻尼小腔容积增大，另外两个阻尼小腔容积减小，容积减小的阻尼小腔内的阻尼介质在压力下以一定的速度流过转动活塞21上的阻尼孔21-2，转移到容积增大的阻尼小腔内，在这个过程会产生方向总是与转动活塞21转动方向相反的阻尼力，产生的阻尼力可以有效调节柔顺传动弹簧16产生的系统震荡。阻尼调节电机14的螺纹输出轴14-1带动主活塞23在主传动轴内部液路通道24-1作直线往复运动，通过t字型内部液路通道的流体传动带动节流口阀门片26-2在阻尼孔21-2的节流口上作直线往复运动，控制阻尼孔21-2的节流口开度，实现变阻尼功能，抑制柔顺传动弹簧16产生的系统震荡，有效地改善驱动器在不同工作情况下的动态性能。

由于本发明的柔顺传动机构与变阻尼调节机构是并联平行传动关系，当变阻尼调节机构的阻尼孔21-2的节流口被节流口阀门片26-2完全遮挡关闭时，因为阻尼缸盖22的阻尼小腔内的阻尼介质具有不可压缩性，q1、q2、q3、q4四个阻尼小腔的容积在整个传动过程将不会发生改变，传动装置的输入端阻尼调节电机安装轴13与输出端输出轴22-2不会产生相对转动，柔顺传动弹簧16也不会被压缩，驱动器的柔顺性将会被锁死，转化成纯刚性驱动器。在合适的控制策略下，可以在柔顺传动弹簧16被压缩时关闭阻尼孔21-2的节流口，将弹簧被压缩产生的能量存储起来，然后在需要的时候打开阻尼孔21-2的节流口，释放柔顺传动弹簧16存储的能量，这些能量将转化成动能，叠加在主电机的运动输出上，使得传动装置的输出端获得超出主电机限制的最大输出速度，由此可满足机器人在一些跳跃、投掷和敲打等需要较大爆发式能量输出的任务的使用需求。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。