一种可实现连续刚度调节的串联弹性驱动器

1.本实用新型涉及机器人领域，具体地，涉及一种可实现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，难以实现固定长度的变刚度问题，且无法模拟生物关节的双向不对称性。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种可实现连续刚度调节的串联弹性驱动器，以解决现有技术中的柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐，且难以模拟生物关节的双向不对称性的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
6.一种可实现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和/或第一齿轮盘、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，所述刚度调节机构包括刚度调节电机、与所述刚度调节电机输出轴固定连接的第二齿轮盘，所述第一齿轮盘和第二齿轮盘均开设有用于嵌入所述滑动件的螺旋通孔，所述滑动件与所述壳体周向定位连接，所述第一齿轮盘和第二齿轮盘通过同步齿轮连接。
7.本实用新型中，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。通过刚度调节电机带动第二齿轮盘转动，进而通过螺旋通孔转动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，而壳体作为驱动器的输出部件，由滑动件带动壳体同向转动。
8.驱动电机通过扭矩输入轴与弹性件相连，并由弹性件将扭矩传递到滑动件上，进而传递到壳体；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.进一步的，所述弹性件包括若干围绕所述扭矩输入轴周向均匀设置的弹片组，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。
10.若干弹片组围绕所述扭矩输入轴周向均匀设置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，那么滑动件受弹片的作用力方向垂直于滑动件的移动方向，因此只需刚度调节电机提供一个较小的扭矩就能避免滑动件移动，保持刚度不变，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。
11.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。
12.进一步的，位于所述滑动件两侧的弹片刚度不等。
13.现有技术中的弹性驱动器均是双向对称，在用于机器人脚踝等特殊关节处时仿生性能较弱，无法较好的模拟生物关节的双向异性。为此，本方案将滑动件两侧的弹片刚度设置为不相等的，使得本技术的驱动器具有双向不对称刚度，以此显著提高本技术对生物关节的模拟能力。
14.进一步的，所述滑动件与两侧弹片、所述第一齿轮盘、第二齿轮盘和壳体之间均通过若干轴承接触，相邻两个所述轴承之间通过轴套定位。
15.若干轴承为滑动件提供保护，以及使滑动件分别在两侧弹片之间、第一齿轮盘上、第二齿轮盘上和壳体上滑动，并避免滑动件与两侧弹片、第一齿轮盘、第二齿轮盘和壳体直接摩擦，延长滑动件、弹片、第一齿轮盘、第二齿轮盘和壳体的使用寿命，同时可提高滑动件的滑动稳定性，提高在使用过程中对刚度的流程、连续调节能力。
16.进一步的，所述壳体包括侧板和与所述侧板固定连接的顶板与底板，所述顶板与底板内侧均开设有与所述滑动件两端匹配的凹槽。
17.滑动件的两端分别嵌入顶板与底板上的凹槽内，当扭矩传导到滑动件上时，滑动件将扭矩通过凹槽侧壁传导到壳体上。
18.进一步的，所述凹槽长度方向的中心线穿过所述扭矩输入轴的轴心线。即凹槽方向与扭矩输入轴径向相同，而扭矩输入轴传导到滑动件上的扭矩为垂直于扭矩输入轴径向的，因此，滑动件也能将扭矩以垂直于凹槽的方向传导到壳体上，减少能量的损耗。
19.进一步的，所述凹槽的长度大于或者等于所述弹性件的长度。滑动件能够移动到弹性件之间的任意一点，使得整个的弹性件均加入刚度调节，增加驱动器刚度的可调范围。
20.进一步的，所述螺旋通孔的两端分别与所述弹性件的两端对应。
21.本技术中，开设有螺旋通孔的第二齿轮盘作为滑动件的径向移动的驱动结构，滑动件由于弹性件的周向定位，使得滑动件只能轴向滑动，由于螺旋通孔与第二齿轮盘的轴心线之间的距离为由内向外逐渐变大的，第二齿轮盘旋转时，螺旋通孔正向(顺着螺旋通孔)或反向(逆着螺旋通孔)旋转，滑动件被螺旋通孔的侧壁推动轴向滑动，螺旋通孔靠近第二齿轮盘的轴心线的一端与弹性件靠近第二齿轮盘的轴心线的一端对应，滑动件位于此处时作为驱动器的最大刚度点；螺旋通孔远离第二齿轮盘的轴心线的一端与弹性件远离第二齿轮盘的轴心线的一端对应，滑动件位于此处时作为驱动器的最小刚度点。
22.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。
23.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。
24.本实用新型提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
25.(1)本实用新型通过两个驱动机构分别控制扭矩输出和刚度控制，结构简单，操作简捷，实现弹性驱动器输出刚度的连续调节；
26.(2)驱动电机通过扭矩输入轴与弹性件相连，并由弹性件将扭矩传递到滑动件上，进而传递到壳体；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；
27.(3)通过滑动件两侧的弹片的长度以及不等的厚度不等，使得本技术的驱动器具有实现固定长度的变刚度操作，以及双向不对称的刚度，显著提高了本技术对生物关节的模拟能力。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本实用新型的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；
29.图1是本实用新型中驱动器结构示意图；
30.图2是本实用新型中驱动器内部结构示意图；
31.图3是本实用新型中弹性件结构示意图；
32.图4是本实用新型中第二齿轮盘结构示意图；
33.图5是本实用新型中壳体的底板结构示意图；
34.其中，1-壳体，2-扭矩输入轴，3-弹性件，4-第一齿轮盘，5-滑动件，6-刚度调节电机，7-第二齿轮盘，8-螺旋通孔，9-同步齿轮，10-底板，11-编码器，12-磁铁座，13-磁铁架，14-第一齿轮，15-第二齿轮，16-凹槽。
具体实施方式
35.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具
体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
37.实施例一
38.本实施例提供了一种可实现连续刚度调节的串联弹性驱动器，如图1-2所示，包括壳体1，还包括扭矩输入轴2、用于驱动所述扭矩输入轴2转动的驱动电机、与所述扭矩输入轴2刚性连接的弹性件3和/或第一齿轮盘4、与所述弹性件3径向滑动配合的滑动件5、用于调节所述滑动件5滑动位置的刚度调节机构，所述刚度调节机构包括刚度调节电机6、与所述刚度调节电机6输出轴固定连接的第二齿轮盘7，所述第一齿轮盘4和第二齿轮盘7均开设有用于嵌入所述滑动件5的螺旋通孔8，所述滑动件5与所述壳体1周向定位连接，所述第一齿轮盘4和第二齿轮盘7通过同步齿轮9连接。
39.其中，驱动电机和刚度调节电机6均可使用伺服电机或者步进电机，第一齿轮盘4和第二齿轮盘7等大小且等齿数，并在同步齿轮9的啮合下同步转动，同步齿轮9的大小和齿数本实施例不做具体限定；并且第一齿轮盘4和第二齿轮盘7上开设的螺旋通孔8也是相同大小，开设位置也是相互对应的。
40.在更为优选的实施例中，所述弹性件3包括若干围绕所述扭矩输入轴2周向均匀设置的弹片组，所述弹片组包括至少两片相互平行的弹片，所述滑动件5滑动配合在相邻两弹片之间。位于所述滑动件5两侧的弹片刚度不等。
41.如图1至图3所示，本实施例中的弹性件3优选四个，呈十字型设置，可视为四组环形均匀布设的弹片组，且每组弹片组由两片刚度不等的弹片组成，即弹片厚度不等，滑动件5被夹设在该两片弹片之间。
42.在更为优选的实施例中，如图1-2和图5所示，所述壳体1包括侧板和与所述侧板固定连接的顶板与底板10，所述顶板与底板10内侧均开设有与所述滑动件5两端匹配的凹槽16。
43.其中，侧板与顶板、底板10的固定连接方式为螺栓连接，方便拆装；滑动件5为圆柱形结构，两端分别嵌入顶板与底板10上的凹槽16内，使得滑动件5上传导到壳体1上的扭矩能够从滑动件5两端分别传导，具有平衡性，不会使滑动件5受力不均而倾斜卡死。
44.在更为优选的实施例中，如图5所示，所述凹槽16长度方向的中心线穿过所述扭矩输入轴2的轴心线。所述凹槽16的长度大于或者等于所述弹性件3的长度。优选凹槽16的长度等于弹性件3的长度，且本实施例中的凹槽16与弹性件3的位置和数量一一对应，同样为十字型结构，凹槽16的宽度与两片弹片之间的距离相等。
45.在更为优选的实施例中，如图1-4所示，所述螺旋通孔8的两端分别与所述弹性件3的两端对应。即滑动件5位于弹性件3靠近扭矩输入轴2的一侧时，滑动件5同样位于螺旋通孔8靠近扭矩输入轴2的一侧，螺旋通孔8旋转推动滑动件5移动，当滑动件5位于弹性件3远离扭矩输入轴2的一侧时，滑动件5同样位于螺旋通孔8远离扭矩输入轴2的一侧，使得滑动件5移动更加平滑。
46.在更为优选的实施例中，如图4所示，螺旋通孔8在第一齿轮盘4和第二齿轮盘7均
优选采用双螺旋对称设置，能够使用多块滑动件5，减少单个滑动件5的行程，刚度调节效率低，本实施例优选四个滑动件5，如图1-2所示分布，对应呈十字型设置的弹性件3和凹槽16，使每一个滑动件5对应一个弹性件3，刚度调节范围更大，受力更均匀。
47.本实施例中，驱动电机通过扭矩输入轴2与弹性件3相连，并由弹性件3将扭矩传递到滑动件5上，在通过滑动件5与凹槽16配合，将扭矩传递到壳体1，刚度调节电机6通过第二齿轮盘7向外输出扭矩，螺旋通孔8旋转带动滑动件8做径向移动，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。
48.本实施例的弹性驱动器充分利用弹性件3作为储能器件，弹性件3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。
49.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。
50.在更为优选的实施例中，所述滑动件5与两侧弹片、所述第一齿轮盘4、第二齿轮盘7和壳体1之间均通过若干轴承接触，相邻两个所述轴承之间通过轴套定位。
51.实施例二
52.在实施例一的基础上，如图1所示，还包括用于反馈扭矩输入轴2与壳体1之间相对转动角度的编码器11。还包括与所述编码器11配套的编码器11磁铁；编码器11磁铁镶嵌在磁铁座12内、磁铁座12安装在磁铁架13内、磁铁架13和编码器11均固定在壳体1外壁；还包括固定套设在扭矩输入轴2上的第一齿轮14、与所述第一齿轮14啮合的第二齿轮15，所述第二齿轮15与所述磁铁座12固定连接。
53.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：
54.扭矩输入轴2将旋转运动通过第一齿轮14和第二齿轮15传递到镶嵌有编码器磁铁的磁铁座12内，磁铁座12与磁铁架13连接，磁铁架13与编码器11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2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。
55.尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
56.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。