一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器

1.本发明涉及机器人领域，具体涉及一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器。


背景技术：

2.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重视，这些机器人在人机交互过程的安全性和对环境的适应能力也有着更高的要求。而传统的电机驱动是刚性驱动，在人机交互过程中与环境发生刚性碰撞的可能性很大，并且对机器人造成机械损伤，也可能对人体造成伤害。而采用柔性驱动器可以很好地解决这一问题。
3.柔性驱动器通过在传动环节中加入弹性元件，将驱动器的刚性输出变成柔性输出，并且可以实时改变刚度值。柔性驱动器可以利用弹性元件进行动能与势能的相互转换，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性元件，也可以改善系统的动力学性能，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性元件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。但是，现有技术中的机器人用柔性驱动器，大都结构复杂、刚度调节过程繁琐，且无法模拟生物关节的双向不对称性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，以解决现有技术中柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐的问题，实现结构紧凑、刚度调节范围大、允许双向不对称刚度，能够较好的模拟生物关节形状与功能的目的。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，包括壳体，还包括扭矩输入轴、用于驱动所述扭矩输入轴转动的驱动电机、与所述扭矩输入轴刚性连接的弹性件、与所述弹性件径向滑动配合的滑动件、用于调节所述滑动件滑动位置的刚度调节机构；所述弹性件位于壳体内部且弹性件带动壳体同向转动。
7.针对现有技术中柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐等问题，本发明提出一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其中扭矩输入轴与弹性件之间弹性连接，滑动件可沿弹性件做径向滑动，此处的径向指代扭矩输入轴的径向。通过刚度调节机构调节滑动件相对于弹性件的径向位置，从而调整弹性件的有效长度，进而调节驱动器整体的刚度特性。本技术中，壳体作为驱动器的输出部件，由位于壳体内部的弹性件带动壳体同向转动，壳体与弹性件之间可以是直接或间接的连接，具体传动方式在此不做限定。
8.可以看出，本技术是一种主、被动相结合的驱动器，主动器件是驱动电机，被动器件是弹性件。驱动电机通过扭矩输入轴与弹性件相连，并由弹性件将扭矩通过传递到壳体；刚度调节机构可用于实现连续刚度调节的功能，其仅在本技术的串联弹性驱动器的在运动
过程中的适时阶段进行启动，充分利用弹性件的储能并有效释能的优点使得可连续刚度调节的串联弹性驱动器具有低功耗的特点。本技术特别适用于对机器人关节部位的柔性驱动，利用弹性件进行动能与势能的相互转换，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性件，也可以改善系统的动力学性能，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。
9.本技术尤其适用于机器人的脚踝关节使用，其中刚度调节机构可在需要脚踝助力的阶段进行驱动，能够较好的模拟生物关节的形状与功能。
10.进一步的，所述弹性件包括若干环形均布的弹片组，所述弹片组包括至少两片相互平行的弹片，所述滑动件滑动配合在相邻两弹片之间。
11.若干弹片组环形均布以实现对驱动器刚度的整体调节。其中弹片组数量在此不做限定，可以通过增减弹片组的数量来改变储能能力，从而改变刚度调节范围、扩大本技术的使用范围。在本方案的弹片组中，包括至少两片弹片，滑动组件夹设在其中两片相邻的弹片之间、在该两片弹片之间的间隙内进行移动，由两侧弹片对其进行导向和限位。必然的，由于本技术的滑动件是沿径向方向滑动，因此弹片的延伸方向也是朝径向延伸，这使得在保持滑动件的位置时，不需要刚度调节组件产生额外力矩来抵消扭矩输入轴转动所引起的滑动趋势，因此能够降低能量消耗、并有效简化了驱动器的整体结构、有利于驱动器的结构节凑化、小型化。
12.当然，本方案中任一弹片组所对应的滑动件的数量也是不定的，本领域技术人员可根据实际情况增减滑动件的数量，以此改变驱动器承受的力矩上限、进而控制刚度调节范围。
13.进一步的，位于滑动件两侧的弹片刚度不等。
14.现有的弹性驱动器在实现双向不对称刚度调节时，需要在运动方向切换时通过电机快速连续地调节刚度；而本方案在运动方向切换时不用电机调节刚度，而是通过在双向配置的不同刚度弹簧来实现中立位(运动方向切换的点)附近刚度的离散切换，相较于现有技术而言能够提高切换效率、进而提高对生物关节的模拟能力。
15.进一步的，所述壳体包括输出框架，以及分别连接在输出框架相对两侧的前盖、后盖；所述输出框架内部具有与滑动件相匹配的直槽。
16.本方案中前盖和后盖分别从两端封堵输出框架，三者共同围绕可构成壳体结构。输出框架上的直槽与滑动件相匹配，因此当驱动电机驱动扭矩输入轴转动时，带动弹性件转动，由弹性件带动滑动件转动，此时滑动件与直槽的槽壁接触，即可驱动输出框架发生同向转动。
17.进一步的，所述刚度调节机构包括刚度调节电机、连接在刚度调节电机输出端的第一锥齿轮、与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮、与所述第二锥齿轮连接的丝杠滑块机构，所述丝杠滑块机构用于驱动滑动件做直线运动。
18.本方案中的刚度调节机构由刚度调节电机提供动力、带动第一锥齿轮转动，由第一锥齿轮带动与之啮合的各第二锥齿轮转动，从而驱动丝杠滑块机构动作，使滑块在对应的丝杠上做直线运动。本方案通过丝杠滑块机构作为滑动件的执行机构，可通过设置丝杠方向来控制滑块的径向调节，保证了滑块运动的稳定性和可靠性；同时，一个第一锥齿轮可
同时驱动若干环形均布的第二锥齿轮的转动，有利于在简化结构的同时保证若干滑动件的同步径向滑动。
19.所述丝杠滑块机构包括与第二锥齿轮固定连接的丝杠、与所述丝杠螺纹配合的丝杠滑块，所述丝杠滑块与所述滑动件固定连接。当然，本方案在实施时根据实际情况对丝杠滑块在转动方向上进行限位即可。
20.进一步的，所述丝杠通过第二轴承与壳体内壁连接。本方案通过丝杠实现弹性件与壳体之间的间接连接，确保了壳体随弹性件的同向转动。具体的，当弹性件在驱动电机的驱动下转动时，由于弹性件对滑动件的限制，使得滑动件随之转动、带动丝杠滑块转动，由丝杠滑块带动丝杠转动，丝杠一端通过第二锥齿轮绕第一锥齿轮稳定行走、另一端即可带动壳体转动。
21.进一步的，还包括用于反馈扭矩输入轴与壳体之间相对转动角度的编码器。本方案通过编码器实时采集扭矩输入轴与壳体之间的相对转动角度，可实现在工作过程中对驱动器刚度的闭环控制，显著提高了生物模拟效果。
22.进一步的，还包括与所述编码器配套的编码器磁铁；编码器磁铁镶嵌在磁铁座内、磁铁座安装在磁铁架内、磁铁架和编码器均固定在壳体外壁；还包括固定套设在扭矩输入轴上的第一齿轮、与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述第二齿轮与所述磁铁座固定连接。
23.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
24.1、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，通过两个驱动机构分别控制刚度输出的平衡位置和刚度值，从而实现弹性驱动器输出刚度的连续调节。
25.2、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，驱动电机通过扭矩输入轴与弹性件相连，并由弹性件将扭矩通过传递到壳体；刚度调节机构可用于实现连续刚度调节的功能，其仅在本技术的串联弹性驱动器的在运动过程中的适时阶段进行启动，充分利用弹性件的储能并有效释能的优点使得可连续刚度调节的串联弹性驱动器具有低功耗的特点。
26.3、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，利用弹性件进行动能与势能的相互转换，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性件，也可以改善系统的动力学性能，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。
27.4、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，在弹性件数量不变的情况下，可以通过增减滑动件数量来改变装置承受的力矩上限、进而改变刚度调节范围。
28.5、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，利用了丝杠滑块的自锁特性，不需要刚度调节组件产生额外力矩来抵消扭矩输入轴转动所引起的滑动趋势，因此能够降低能量消耗、并有效简化了驱动器的整体结构、有利于驱动器的结构节凑化、小型化。
29.6、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，滑动件两侧的弹片厚度不等，使得本技术的驱动器具有双向不对称刚度，显著提高了本技术对生物关节的模拟能力。
30.7、本发明一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，具有降低关节厚度、低重量、低功耗、刚度调节范围大、允许双向不对称刚度、可更换不同特性弹性件等优点，充分利用弹性元件在行走阶段储能、释放的功能，较好的模拟生物关节的形状与功能，并且可实现在工作过程中对驱动器刚度的闭环控制。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
32.图1为本发明具体实施例的结构示意图；
33.图2为本发明具体实施例的局部结构示意图；
34.图3为本发明具体实施例中弹性件的主视图；
35.图4为本发明具体实施例中刚度调节机构的结构示意图；
36.图5为本发明具体实施例中输出框架的结构示意图。
37.附图中标记及对应的零部件名称：
38.1-壳体，101-输出框架，102-前盖，103-后盖，104-直槽，2-驱动电机，3-刚度调节电机， 4-第一齿轮，5-第二齿轮，6-弹性件，7-扭矩输入轴，8-滑动件，9-第一锥齿轮，10-第二锥齿轮，11-丝杠，12-丝杠滑块，13-第三轴承，14-第二轴承，15-编码器，16-磁铁架，17-磁铁座， 18-第一轴承。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
40.实施例1：
41.如图1与图2所示的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，包括壳体1，还包括扭矩输入轴7、用于驱动所述扭矩输入轴7转动的驱动电机2、与所述扭矩输入轴7刚性连接的弹性件6、与所述弹性件6径向滑动配合的滑动件8、用于调节所述滑动件8滑动位置的刚度调节机构；所述弹性件6位于壳体1内部且弹性件6带动壳体1同向转动。
42.弹性件6包括若干环形均布的弹片组，所述弹片组包括至少两片相互平行的弹片，所述滑动件8滑动配合在相邻两弹片之间。
43.位于滑动件8两侧的弹片刚度不等；优选的，在两侧弹片材质相同的前提下，该刚度不等可用厚度不等来表征。
44.如图1至图3所示，本实施例中的弹性件6呈十字型，可视为四组环形均布的弹片组，且每组弹片组由两片厚度不等的弹片组成，滑动件8被夹设在该两片弹片之间。
45.本实施例中，驱动电机2通过扭矩输入轴7与弹性件6相连，并由弹性件6将扭矩传递到壳体1，刚度调节电机3通过刚度调节机构向外输出扭矩，以此调整滑动件8的径向位置，从而改变壳体1的受力支点、改变本实施例驱动器的整体刚度。
46.本实施例特别适用于机器人的脚踝关节驱动，驱动电机2仅在机器人的行走过程中适时进行驱动，也即是驱动电机2仅在脚踝需要助力的阶段进行驱动，本实施例的弹性驱动器充分利用弹性件6作为储能器件，弹性件6在工作过程中储能并有效释能，使得可连续
刚度调节的串联弹性驱动器具有低功耗的特点。
47.本实施例具体使用时，可在壳体1上设置夹子等连接部件，用于与外部杆件固定连接以输出动力。
48.实施例2：
49.一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，在实施例1的基础上，如图1至图4所示，所述滑动件8与两侧弹片之间通过第三轴承13接触。
50.所述刚度调节机构包括刚度调节电机3、连接在刚度调节电机3输出端的第一锥齿轮9、与所述第一锥齿轮9啮合的第二锥齿轮10、与所述第二锥齿轮10连接的丝杠滑块机构，所述丝杠滑块机构用于驱动滑动件8做直线运动。
51.所述丝杠滑块机构包括与第二锥齿轮10固定连接的丝杠11、与所述丝杠11螺纹配合的丝杠滑块12，所述丝杠滑块12与所述滑动件8固定连接。
52.所述丝杠滑块12的一侧面与壳体1内壁滑动接触。
53.在更为优选的实施方式中，滑动件8远离丝杠滑块12的一端连接第一轴承18，所述第一轴承18与壳体内壁滑动接触。
54.在更为优选的实施方式中，滑动件8呈杆状。
55.在更为优选的实施方式中，所述丝杠11通过第二轴承14与壳体1内壁连接。
56.在更为优选的实施方式中，滑动件8由三个轴承、两个轴套和一根与丝杠螺母固定连接的轴组成。三个轴承分别与弹性件6、壳体内壁i、壳体内壁ii接触。其中，与弹性件6接触的轴承即是本实施例中的第三轴承13。当然，各轴承可使用轴套进行定位。
57.本实施例的刚度调节原理为：
58.当刚度调节电机3转动时通过第一锥齿轮9将运动传递给四个第二锥齿轮10，同时第二锥齿轮10带动位于轴承座上的丝杠11转动，丝杠11将旋转运动转换为丝杠滑块12的直线运动，从而改变滑动件8与弹片组的接触点，由于接触点的改变，弹片组的力臂发生变化：当滑块由内向外运动时，弹片组力臂变长，驱动器刚度降低；当滑块由外向内运动时，弹片组力臂变短，驱动器刚度增加，实现了串联弹性驱动器的连续刚度调节功能。
59.本实施例在工作过程中，弹性驱动器充分利用了弹片组储能、释能的特点，驱动电机2 仅在机器人或下肢外骨骼行走的过程中的适时阶段进行动力补偿，故其具有低功耗的优点。
60.本实施例中，由于用于主驱动的传动机构与刚度调节机构的模块化结构，因此具有容易安装与更换，运动过程中相互间不会产生运动干涉与对抗，减少能量损耗等优点。
61.本实施例在弹片组的数量不变的情况下，可以通过增减每个弹片组内滑动配合的滑块数量来改变装置承受的力矩上限，刚度调节范围也发生变化。
62.本实施例将驱动电机2的力矩作用方向设置为与滑块移动方向垂直布置，并利用丝杠滑块机构自锁的特点，使保持滑块位置不变时，不需要刚度调节电机产生额外力矩来抵消驱动力矩引起的滑块移动趋势，从而降低能量消耗并使结构紧凑。
63.本实施例采用十字弹片与丝杠滑块机构，降低了关节厚度，并具有低重量、低功耗、刚度调节范围大、允许双向不对称刚度、可更换不同特性弹簧等优点，充分利用弹性元件在行走阶段储能、释放的功能，较好的模拟生物关节的形状与功能。
64.实施例3：
65.一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，在实施例1或实施例2的基础上，所述壳体1 包括输出框架101，以及分别连接在输出框架101相对两侧的前盖102、后盖103；所述输出框架101内部具有与滑动件8相匹配的直槽104。
66.本实施例中的输出框架101具体结构请参考图5，其中直槽104为与弹性件相匹配的十字型。
67.优选的，前盖102、后盖103与输出框架101之间均通过螺栓连接。
68.实施例4：
69.一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，在上述任一实施例的基础上，如图1所示，还包括用于反馈扭矩输入轴7与壳体1之间相对转动角度的编码器15。还包括与所述编码器15 配套的编码器磁铁；编码器磁铁镶嵌在磁铁座17内、磁铁座17安装在磁铁架16内、磁铁架 16和编码器15均固定在壳体1外壁；还包括固定套设在扭矩输入轴7上的第一齿轮4、与所述第一齿轮4啮合的第二齿轮5，所述第二齿轮5与所述磁铁座17固定连接。
70.本实施例可通过磁旋转编码器组件实时采集扭矩输入轴与壳体之间相对转动的角度，以实现刚度闭环控制。具体的：
71.扭矩输入轴7将旋转运动通过第一齿轮4和第二齿轮5传递到镶嵌有编码器磁铁的磁铁座17内，磁铁座17与磁铁架16连接，磁铁架16与编码器15和壳体1的端盖固定连接。在机器人行走过程中，可由编码器实时反馈扭矩输入轴7和壳体1的转动角度差，再由控制器根据反馈结果对刚度调节电机进行实时控制。
72.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
73.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。