线性串联弹性致动器的制作方法

本发明涉及一种致动器，尤指一种适用于人形机器人、复健机构等技术领域的线性串联弹性致动器。

背景技术：

现有工业机器人皆是以马达模块作为驱动器，但是因工业机器人的运动强调速度及刚性，故而使用机构较庞大的驱动器。但是，复健机器人、人形机器人或义肢机器人等，其运动速度及刚性的需求不如工业机器人高，而是着重于移动性与人机亲和性。因此，对于复健机器人、人形机器人或义肢机器人等使用的驱动器需有不同的思维，而应以轻量化的马达模块为主要设计考虑，因此需选用高扭矩密度比的马达。

然而，目前已知复健机器人使用的马达模块仍沿袭工业机器人的设计思维，皆以直流有刷马达或直流无刷马达为主，其扭矩密度比不佳，难以对复健机器人、人形机器人或义肢机器人提供合适的驱动器。其次，现有驱动器中的马达模块是利用皮带轮组或齿轮组将马达输入轴提供的力量传递至螺杆输出轴，造成输入与输出不共轴，因而会增加马达扭矩传递的损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种线性串联弹性致动器，解决现有复健机器人等使用的直流有刷或无刷马达的扭矩密度比不佳，难以符合复健机器人轻量化需求，以及输入与输出不共轴导致马达扭矩传递的损耗等问题。

为了达成前述目的，本发明所提出的线性串联弹性致动器包含：

一线性驱动机构，其包含一步进马达、一螺杆组件以及一线性运动部件，该螺杆组件连接该步进马达，该线性运动部件设于该步进马达一侧且连接该螺杆组件，该线性运动部件能被该螺杆组件驱动而沿着一动力输入轴向直线往复运动；

一动力输出部件，其设置于该线性运动部件的轴向一侧，且能沿着一动力输出轴向直线往复运动，该动力输出轴向与该动力输入轴向为同轴向；以及

一弹性部件，其连接于该线性运动部件与该动力输出部件之间，并能提供与该动力输入轴向同轴向的弹力。

如上所述的线性串联弹性致动器中，其包含一位移感测器，该位移感测器设于该弹性部件的一侧，且能感测该弹性部件的变形量而换算输出力量。

通过前述线性串联弹性致动器的发明，其相比于现有线性致动器，本发明线性串联弹性致动器至少具备以下特点：

1、兼具顺、逆向驱动及高扭矩密度比的功能：本发明于其线性驱动机构中使用步进马达作为动力源，该步进马达具备顺向与逆向驱动功能，同时还具备高扭矩密度比，价格便宜以及可靠度高等功能，具有良好的优势。

2、具备精准力量控制功能：本发明利用连接于该线性运动部件与该动力输出部件之间的弹性部件的刚性较小，让步进马达能在弹性部件的变形量内轻易而精准地控制输出力量。

3、输入输出共轴，结构精简化且能减少传递扭矩的损耗：本发明还利用其线性驱动机构中能被螺杆驱动的线性运动部件沿着一动力输入轴向直线往复运动，动力输出部件能沿着一动力输出轴向直线往复运动，该动力输出轴向与该动力输入轴向为同轴向，且连接于该线性运动部件与该动力输出部件之间的弹性部件能双向传递力量，并提供与该动力输入轴向同轴向的弹力，如此使输入的动力、输出动力以及弹力等三者的力量作用方向皆位于同一轴向上，使该线性串联弹性致动器的整体结构的安排较紧密，零部件数量少而具备结构精简化的特点，且步进马达能够直接驱动螺杆，并通过共轴的线性运动部件、弹性部件对动力输出部件输入力量，使动力输出部件产生直线运动，故能有效减少步进马达传递扭矩的损耗。

4、具备尺寸小、轻量化的优势：承上所述，本发明利用输入输出共轴的机构创作，使该线性串联弹性致动器整体结构的安排较紧密，而具备尺寸小的特点，同时因零部件数量较少而具备结构精简化的特点，达到轻量化的优势。

5、能普遍应用于需与人或环境互动接触的机器人等领域：本发明利用其线性串联弹性致动器的整体机构创作，其中利用弹性部件同轴连接于线性运动部件与动力输出部件之间双向传递力量，并能提供与该动力输入轴向同轴向的弹力，使其具备储能及冲击保护能力，对于特别强调移动性与人机亲和性等需与人或环境互动接触的机器人，例如复健机器人、人形机器人或义肢机器人等技术领域，本发明线性串联弹性致动器确能提供优异的驱动基础，并能确保协动安全。

本发明还能进一步使用一位移感测器设置于弹性部件的一侧，利用位移感测器感测该弹性部件的变形量而换算输出力量，使该线性串联弹性致动器能够利用低成本的位移感测器，产生更准确的顺向与逆向的力量控制的特性，而达到高扭矩密度及力量控制准确等优点。

附图说明

图1为本发明线性串联弹性致动器的第一较佳实施例的立体示意图。

图2为图1所示线性串联弹性致动器第一较佳实施例的另一观视角度的立体示意图。

图3为图1及图2所示线性串联弹性致动器第一较佳实施例的俯视平面示意图。

图4为本发明线性串联弹性致动器的第二较佳实施例的立体示意图。

图5为图4所示线性串联弹性致动器第二较佳实施例的另一观视角度的立体示意图。

图6为图4及图5所示线性串联弹性致动器第二较佳实施例的俯视平面示意图。

附图标记说明：

1a、1b线性驱动机构

10a、10b步进马达11b转子

12a、12b螺杆组件121a、121b螺杆

123a联轴器122b螺套

13a、13b线性运动部件

15a基板16a滑轨

17a支撑架18a螺杆支撑座

2a、2b动力输出部件21a通孔

3a、3b弹性部件30a、30b弹簧

5a、5b位移感测器21b通孔

22b活动空间23b第一侧板

24b第二侧板。

具体实施方式

如图1及图4所示，是揭示本发明线性串联弹性致动器的多种较佳实施例，由这些附图中可以见及，所述线性串联弹性致动器a、b包含一线性驱动机构1a、1b、一动力输出部件2a、2b以及一弹性部件3a、3b。

如图1、图2及图3、图4所示，该线性驱动机构1a、1b包含一步进马达10a、10b、一螺杆组件12a、12b以及一线性运动部件13a、13b，该螺杆组件12a、12b连接该步进马达10a、10b，该线性运动部件13a、13b设于该步进马达10a、10b一侧且连接该螺杆组件12a、12b，该线性运动部件13a、13b能被该螺杆组件12a、12b驱动而沿着一动力输入轴向直线往复运动。

如图1、图2及图3、图4所示，该动力输出部件2a、2b设置于该线性运动部件13a、13b的轴向一侧，且能沿着一动力输出轴向直线往复运动，该动力输出轴向与该动力输入轴向为同一轴向。

如图1、图2及图3、图4所示，该弹性部件3a、3b连接于该线性运动部件13a、13b与该动力输出部件2a、2b之间双向传递力量，并能提供与该动力输入轴向同轴向的弹力。

如图1至图3所示，于本发明线性串联弹性致动器a的第一较佳实施例中，该步进马达10a包含一驱动轴，该动力输出部件2a设于该线性运动部件13a与该步进马达10a之间，该动力输出部件2a中具有一通孔21a，该螺杆组件12a包含一螺杆121a及一螺套，该螺套设于该线性运动部件13a中，该螺杆121a通过该动力输出部件2a的通孔21a，该螺杆121a以一联轴器123a同轴连接该步进马达10a的驱动轴，该螺杆121a背向该步进马达10a的一端枢设于一螺杆支撑座18a中，该联轴器123a外侧设有一支撑架17a，该支撑架17a固定步进马达10a，该支撑架17a中具有一轴承座171a，该螺杆121a面向该步进马达10a的一端枢设于该支撑架17a的轴承座171a中，该螺杆121a螺接设于该线性运动部件13a中的螺套。

如图1至图3所示，该线性串联弹性致动器a还包含至少一滑轨16a，于附图中揭示具有两滑轨16a，所述滑轨16a平行于该螺杆121a，该线性运动部件13a与该动力输出部件2a分别设置所述滑轨16a上且能沿着滑轨16a直线运动，该线性串联弹性致动器a可设置于一基板15a上，该步进马达10a通过该支撑架17a组设于该基板15a上，所述滑轨16a与该螺杆支撑座18a固定于该基板15a上。

于图1至图3所示的第一较佳实施例中，所述弹性部件3a包含一弹簧30a，该弹簧30a套设于该螺杆121a外侧，且该弹簧30a两端分别连接于该线性运动部件13a与该动力输出部件2a。

如图1至图3所示的线性串联弹性致动器a第一较佳实施例中，所述线性串联弹性致动器a还包含一位移感测器5a，该位移感测器5a设于该弹性部件3a的一侧，且能感测连接于该线性运动部件13a与该动力输出部件2a之间的弹性部件3a的变形量而换算输出力量，进而能精准控制该线性串联弹性致动器a的输出力量。

如图4至图6所示，于本发明线性串联弹性致动器b的第二较佳实施例中，该步进马达10b包含一轴向贯通的转子11b，该线性运动部件13中设于该动力输出部件2b中，该螺杆组件12b包含一螺杆121b与一螺设于该螺杆121b上的螺套122b，该螺杆121b同轴连接该转子11b，且沿着该动力输入轴向通过该动力输出部件2b，螺杆121b末端枢接该线性运动部件13b，所述弹性部件3b包含一弹簧30b，该弹簧30b套设于该螺杆组件12b外侧，且该弹簧30b两端分别连接于该线性运动部件13b与该动力输出部件2b。

如图4至图6所示的线性串联弹性致动器b第二较佳实施例中，该步进马达10b包含一轴向贯通的转子11b，该动力输出部件2b包含一活动空间22b，以及位于该活动空间22b轴向相对两侧的一第一侧板23b与一第二侧板24b，该第一侧板23b中形成一连通该活动空间22b的通孔21b，该线性运动部件13b能直线运动地设于该动力输出部件2b的活动空间22b中，该螺杆组件12b包含一螺杆121b与一螺套122b，该螺套122b固接于该转子11b的轴向一端，该螺杆121b能直线运动地通过该转子11b及螺设于该螺套122b中，该螺杆121b还通过该第一侧板23b的通孔21b且伸入该活动空间22b中枢接该线性运动部件13b，所述弹性部件3b包含一弹簧30b，该弹簧30b套设于该螺杆组件12b外侧，且该弹簧30b两端分别连接于该线性运动部件13b与该动力输出部件2b的第一侧板23b。

如图4至图6所示的线性串联弹性致动器第二较佳实施例中，所述线性串联弹性致动器还包含一位移感测器5b，该位移感测器5b设于该弹性部件3b的一侧，且能感测该弹性部件3b的变形量而换算输出力量。

本发明线性串联弹性致动器适用于复健机器人、人形机器人、义肢机器人，或是其他需与人或环境互动接触的机器人等领域，并以本发明线性串联弹性致动器作为供给动力的驱动器，并以动力输出部件连接前述机器人能运动的部件。

以图1至图3所示线性串联弹性致动器第一较佳实施例为例，本发明线性串联弹性致动器中，其线性驱动机构1a是使用步进马达10a作为动力源，该步进马达10a具备顺、逆向双向驱动功能，该步进马达10a能够提供扭矩而驱动螺杆组件12a并带动线性运动部件13a、13b直线运动，进而经由弹性部件3a带动连接负载的动力输出部件2a同轴向直线运动，进而机器人能够产生动作。前述中，连接于该线性运动部件13a、13b与该动力输出部件2a之间的弹性部件3a的刚性较小，让步进马达10a能在弹性部件3a的变形量内轻易而精准地控制输出力量。

本发明还能进一步使用一位移感测器5a设置于弹性部件3a的一侧，利用位移感测器5a感测该弹性部件3a的变形量而换算输出力量，使该线性串联弹性致动器能够利用低成本的位移感测器5a，产生更准确的顺向与逆向的力量控制的特性，而达到高扭矩密度及力量控准确等优点。

综上所述，本发明线性串联弹性致动器中的线性驱动机构是使用步进马达作为动力源，该步进马达具备顺、逆向双向驱动功能，且具备高扭矩密度比，价格便宜以及可靠度高等特点，并利用连接于该线性运动部件与该动力输出部件之间的弹性部件的刚性较小，让步进马达能在弹性部件的变形量内轻易而精准地控制输出力量，使本发明线性串联弹性致动器具有良好的优势。

再者，本发明线性串联弹性致动器通过其输入输出共轴，使该线性串联弹性致动器的整体结构的安排较紧密，零部件数量少而具备结构精简化、整体尺寸小与轻量化的特点。该步进马达还能够直接驱动螺杆，并通过共轴的线性运动部件、弹性部件对动力输出部件输入力量，而使动力输出部件产生直线运动，故能有效减少步进马达传递扭矩的损耗。而且，本发明利用其线性串联弹性致动器还利用弹性部件同轴连接于线性运动部件与动力输出部件之间双向传递力量，使其具备储能及冲击保护能力，对于特别强调移动性与人机亲和性等需与人或环境互动接触的机器人，例如复健机器人、人形机器人或义肢机器人等技术领域，本发明线性串联弹性致动器确能提供优异的驱动基础，并能确保协动安全。