CN107856018A - 一种变刚度柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度柔性驱动器，包括变刚度机构、变支点行星轮系、差动行星轮系和作为支撑的驱动器支撑机构，变刚度机构包括输出轴、输出连杆和三个盘，其中，输出连杆、盘一和盘三与输出轴之间固连，盘二与输出轴活动链接，盘一和盘三上设有尺寸相同的两个弧形槽孔，盘二上设有与弧形槽孔对应的槽孔，槽孔内安装有导轨和弹簧，导轨上滑块分别伸入到盘一和盘三的弧形槽孔内，杠杆一端与输出连杆固定相连，另一端通过第一支点活动安装盘三上，杠杆还通过中部设置的滑槽与变支点行星轮系活接，通过变支点行星轮系使得杠杆力臂发生变化，从而改变输出刚度，本发明可以实现变刚度和固定位置同时调节，其变刚度变化具有连续性。

Description

一种变刚度柔性驱动器

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种驱动器，具体涉及一种变刚度柔性驱动器。

背景技术

随着现代机器人技术的快速发展，未来新型智能机器人在人类社会的各个方面应用呈现快速增长趋势。新型智能机器人可协助人类甚至完全替代人类工作，完成康复医疗任务或增强人类活动能力等。而传统刚性直驱的机器人关节，存在能耗多、柔性不足、无法避免外界冲击、在实现人机交互时易导致伤害等不足。电机驱动具有速度变化范围大、效率高、转动惯性小、速度和位置精度高等优点，采用电机驱动的变刚度柔性驱动器可以很好的解决上述问题。

目前，国内外对于变刚度驱动器的研究，已取得一些不错的，是还是存在一些问题：变刚度驱动器刚度可节范围较小、机构复杂不够紧凑、难以实现连续旋转。

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201510072095.2，该技术公开了一种可同步调整位移式变刚度关节驱动器，包括基座，摇臂位置控制组件，变刚度调整组件，角度偏差测量组件，利用阿基米德螺旋线盘改变板簧受力第二支点位置达到变刚度目的，结构比较紧凑，刚度范围较大，但难以实现输出的连续旋转。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，开发一种新型的变刚度柔性驱动装置，核心是开发一种基于可变第二支点的槽凸轮盘片+双行星轮系式变刚度柔性驱动器。该设计通过调节杠杆的第二支点位置，改变杠杆的力臂长度，进而改变驱动器的输出刚度，实现刚度的大范围调节，理论上可实现驱动器的零刚度和完全刚性，通过两台直流伺服电机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。

本发明采用了一种利用槽凸轮盘片间相对偏转实现对称压缩弹簧的结构，以及双行星轮系(变支点行星轮系和差动行星轮系)。其中：变支点行星轮系用于调节第二支点位置，改变杠杆力臂，实现输出刚度的改变；差动行星轮系用于协调输出位置与输出刚度的独立控制，便于实现连续旋转输出。与其他的变刚度柔性驱动器相比，本发明的刚度调节范围更大，理论上可实现从零刚度到完全刚性可调输出，槽凸轮形状可根据不同应用目标对输出刚度曲线进行修整优化，可实现连续旋转输出，同时这种设计结构紧凑，双行星轮系配合使用使驱动器的运动控制更准确、可靠性更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：包括驱动器支撑机构、变刚度机构和变支点机构，所述驱动器支撑机构包括驱动器支撑座、驱动器前盖、驱动器外壳和驱动器后盖，所述驱动器外壳固定安装在驱动器支撑座上，驱动器前盖和驱动器后盖分别安装在驱动器外壳前后两端，所述变刚度机构和变支点机构通过间隙配合安装在驱动器外壳内；

所述变刚度机构包括输出轴、杠杆、和依次安装在输出轴上的输出连杆、盘一、盘二和盘三，其中，输出连杆、盘一和盘三与输出轴之间固定相连，盘二通过轴承与输出轴相连，所述盘一和盘三的盘面上都设有尺寸一样且为对称设置的两个弧形槽孔，盘二上设有两个位置与弧形槽孔对应的槽孔，每个槽孔内设有一个套有弹簧的导轨，弹簧两端分别设有一个可以在导轨上自由滑动的滑块，所述滑块两端分别伸入到盘一和盘三的弧形槽孔内，通过弹簧带动滑块作用于盘一和盘三弧形槽孔的内壁，使得盘一、盘三与盘二趋于相对固定的装配位置，所述杠杆中部设有长条形的滑槽，其一端通过连接件与盘一前侧的输出连杆固定相连，另一端安装在盘三相对侧后方设置的第一支点上，第一支点可在杠杆的滑槽内自由滑动；

所述变支点机构包括变支点行星轮系和差动行星轮系，所述变支点行星轮系包括内齿圈一、盘片和支点齿轮，所述支点齿轮与内齿圈一的齿圈啮合安装，且满足支点齿轮的分度圆半径等于内齿圈一的齿圈的分度圆半径的一半，支点齿轮的分度圆上设有与其盘面垂直的第二支点，所述第二支点可自由滑动的安装在杠杆的滑槽内，支点齿轮通过支点齿轮连接轴偏心的安装在盘片上，盘片与内齿圈一同轴设置，内齿圈一通过连接件与盘二固定安装在一起；所述差动行星轮系包括行星轮、内齿圈二、行星架、两个输入齿轮，行星轮系中心轴以及固定安装在行星轮系中心轴上的太阳轮一和太阳轮二，行星轮系中心轴中部通过轴承安装在行星架中部，两个太阳轮分别位于行星架前后两侧，盘片固定安装在行星轮系中心轴前侧端部，行星架通过齿轮连接盘与内齿圈一固定一起，行星轮安装在行星架前侧且同时与内齿圈二和太阳轮一啮合，两个输入齿轮设于行星轮架后侧，且分别与内齿圈二和太阳轮二啮合传动，与内齿圈二啮合的输入齿轮与位置伺服电机相连，与太阳轮二啮合的输入齿轮与刚度伺服电机相连；

作为改进，所述驱动器支撑机构前端还设有动力输出机构，所述动力输出机构包括包括输出杆和旋转编码器，所述旋转编码器固定安装在输出轴端部，用于对输出位置测量，所述输出杆与输出轴动力传动相连。

作为改进，所述输出轴与驱动器前盖通过轴承安装。

作为改进，所述盘二的弧形槽孔内导轨的两端分别设有一个止推滑块，止推滑块位于滑块和弧形槽孔内壁之间。

作为改进，所述盘一和盘三上弧形槽孔的为内面均为弧形，弧形槽孔形状根据不同应用目标对输出刚度曲线进行修整优化。

作为改进，所述弧形槽孔为在径向的两个弧形面为同心圆弧面。

作为改进，所述盘二两个槽孔内的两个导轨相互平行设置。

作为改进，所述盘一和盘三上弧形槽孔在导轨长度方向的高度大于垂直于导轨长度方向的宽度。

作为改进，所述刚度伺服电机固定安装在驱动器支撑机构上。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本设计的变刚度机构结构新颖，采用了可根据应用目标优化的槽凸轮盘片来对称压缩弹簧，利用杠杆变第二支点原理实现变刚度。本设计理论上能实现驱动器从零刚度到完全刚性的刚度可调输出，刚度调节范围大。采用差动行星轮系使控制刚度的电机可固定安装，不需随输出转动，实现连续旋转输出。通过双行星轮系配合使用，能准确控制第二支点的直线移动，使驱动器的运动控制更准确、可靠性更高。同时这种设计结构紧凑，减小了驱动器的尺寸。

附图说明

图1是本发明的变刚度柔性驱动器结构示意图；

图2是本发明的主体结构分解示意图；

图3是本发明的变刚度柔性驱动器结构爆炸图；

图4是本发明变刚度柔性驱动器沿轴向剖视图；

图5为本发明变刚度机构示意图；

图6为本发明变刚度机构分解示意图；

图7是本发明变刚度柔性驱动器在盘二前端面处横切剖视图；

图8是本发明的变支点行星轮系示意图；

图9是本发明的变支点行星轮系分解示意图；

图10是本发明的差动行星轮系局部剖切示意图；

图11是差动行星轮系局部装配示意图。

附图标记，1-旋转编码器，2-输出杆，3-驱动器前盖，4-驱动器外壳，5-驱动器后盖，6-刚度伺服电机，7-位置伺服电机，8-驱动器支撑座，9-编码器支撑架，10-输出轴，11-盘一，12-盘二，13-盘三，14-杠杆，15-输出连杆，16、27-导轨，17、21、22、26-止推滑块，18、20、23、25-滑块，19、24-弹簧，28-内齿圈一，29-支点齿轮，30-支点齿轮连接轴，31-第二支点，32-盘片，33-连接块，34-齿轮连接盘，35-内齿圈二，36-行星轮，37-行星架，38-输入齿轮二，39-太阳轮二，40-输入齿轮一，41-太阳轮一，42-行星轮系中心轴，43-行星轮轴，44-第一支点，Ⅰ-变刚度机构，Ⅱ-变支点机构，ⅰ-变支点行星轮系，ⅱ-差动行星轮系。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图10所示，一种基于本槽凸轮盘片+双行星轮系式的变刚度柔性驱动器包括：驱动器支撑机构、变刚度机构Ⅰ、变支点机构Ⅱ(双行星轮系，包含动力输入)、动力输出机构。

如图1所示，所述的驱动器支撑机构包括：驱动器支撑座8、驱动器前盖3、驱动器外壳4和驱动器后盖5。

其中，驱动器支撑座8与驱动器外壳4固定连接。驱动器外壳4前后两端分别与驱动器前盖3、驱动器后盖5固定连接，所述变刚度机构Ⅰ和变支点机构Ⅱ通过间隙配合安装在驱动器外壳4内，起到对驱动器的支撑、固定、保护的作用。

如图4至图7所示，所述变刚度机构Ⅰ包括输出轴10、杠杆14、和依次安装在输出轴10上的输出连杆15、盘一11、盘二12和盘三13，其中，输出连杆15、盘一11和盘三13通过螺栓固定在一起并与输出轴10之间固定相连，盘二12通过止推轴承与输出轴10相连，盘二12通过连接块33与内齿圈一28固定为一体，所述盘一11和盘三13的盘面上都设有尺寸一样且为对称设置的两个弧形槽孔，盘二12上设有两个位置与弧形槽孔对应的槽孔，每个槽孔内设有一个套有弹簧的导轨，弹簧两端分别设有一个可以在导轨上自由滑动的滑块，所述滑块两端分别伸入到盘一11和盘三13的弧形槽孔内，通过弹簧带动滑块作用于盘一11和盘三13弧形槽孔的内壁，使得盘一11、盘三13与盘二12趋于相对固定的装配位置，所述杠杆14中部设有长条形的滑槽，其一端通过连接件与盘一11前侧的输出连杆15端部固定相连，另一端安装在盘三13相对侧后方设置的第一支点44上，第一支点44可在杠杆14的滑槽内自由滑动；

如图7所示，滑块18、20可自由滑动的套在导轨16两端，并且滑块18、20的两端均伸入到与盘一11和盘三13上的弧形槽孔内，导轨16固定安装在盘二12的一个槽孔内，弹簧19安装在滑块18和滑块20之间的导轨16上，滑块18、20可沿导轨16直线滑动，止推滑块17、21固定安装在导轨16两端，且与盘二12固定相连；滑块23、25可自由滑动的套在导轨27两端，并且滑块23、25的两端均伸入到与盘一11和盘三13上的弧形槽孔内，弹簧24安装在滑块23和滑块25之间的导轨27上，滑块23、25可沿导轨27直线滑动，止推滑块22、26固定安装在导轨27两端，且与盘二12固定相连；盘一11和盘三13上的弧形槽孔内壁平衡作用于滑块18、20、23、25上，实现弹簧19、24平衡压缩。

如图8和图9所示，所述变支点机构Ⅱ包括变支点行星轮系ⅰ和差动行星轮系ⅱ两大部分，所述变支点行星轮系ⅰ包括内齿圈一28、盘片32和支点齿轮29，所述支点齿轮29与内齿圈一28的齿圈啮合安装，且满足支点齿轮29的分度圆半径等于内齿圈一28的齿圈的分度圆半径的一半，支点齿轮29的分度圆上设有与其盘面垂直的第二支点31，所述第二支点31可自由滑动的安装在杠杆14的滑槽内，支点齿轮29通过支点齿轮连接轴30偏心的安装在盘片32上，盘片32与内齿圈一28同轴设置，内齿圈一28通过连接块33与盘二12固定安装在一起，盘片32转动时，带动支点齿轮29旋转，由于支点齿轮29分度圆半径等于内齿圈一28分度圆半径的一半，且与之啮合，所以支点齿轮29的旋转使得其分度圆上设置的第二支点31沿着内齿圈一28的直径方向做往复运动，因此改变变盘片32与内齿圈一28的相对偏转角可调节第二支点31在杠杆14的滑槽中位置，进而改变杠杆14力臂长度；

如图10和图11所示，所述差动行星轮系ⅱ包括行星轮36、内齿圈二35、行星架37、两个输入齿轮，行星轮系中心轴42以及固定安装在行星轮系中心轴42上的太阳轮一41和太阳轮二39，行星轮系中心轴42中部通过轴承安装在行星架37中部，两个太阳轮分别位于行星架37前后两侧，盘片32固定安装在行星轮系中心轴42前侧端部，行星架37通过齿轮连接盘34与内齿圈一28固定在一起，本实施例行星轮36有三个，三个行星轮36分别通过行星轮轴43安装在行星架37前侧，且所有行星轮36同时与内齿圈二35和太阳轮一41啮合，需要指出的是行星轮36数量根据不一定是三个，根据需要设计，满足与内齿圈二35和太阳轮一41同时稳定啮合传递动力即可，两个输入齿轮设于行星轮36架后侧，且分别与内齿圈二35和太阳轮二39啮合传动，其中与内齿圈二35啮合的输入齿轮一40与位置伺服电机7的输出转轴相连，与太阳轮二39啮合的输入齿轮二38与刚度伺服电机6的输出转轴相连。

做另外一种实施例，所述变刚度柔性驱动器包括动力输出机构，所述的动力输出机构包括：输出杆2、编码器支撑架9和旋转编码器1。

其中，旋转编码器1与输出轴10固定连接，实现输出位置的测量。输出杆2与输出轴10固定连接，实现动力的输出。编码器支撑架9与旋转编码器1固定连接。本实施例基于槽凸轮盘片+双行星轮系的变刚度柔性驱动器工作时：给驱动器设定一个目标位置和目标刚度，驱动器利用一定的控制算法控制位置伺服电机7和刚度伺服电机6转动，根据旋转编码器1返回的位置，快速调整输出位置直到目标位置；同时根据第二支点31的位置可计算得杠杆14的力臂，进一步计算出刚度，从而快速调整输出刚度直至目标刚度。

当位置伺服电机7和刚度伺服电机6上电后，给定输出位置和刚度，位置伺服电机7和刚度伺服电机6开始转动。位置伺服电机7带动输入齿轮一40旋转，输入齿轮一40带动内齿圈二35绕行星轮系中心轴42的轴心线做旋转运动，刚度伺服电机6带动输入齿轮二38旋转，输入齿轮二38带动太阳轮二39绕行星轮系中心轴42的轴心线做旋转运动，太阳轮一41、太阳轮二39和盘片32同步旋转。差动行星轮系ⅱ中的内齿圈二35和太阳轮一41两个部件同时作为主动输入时，行星架37作为被动部件有唯一的输出，行星架37与齿轮连接盘34、内齿圈一28固定连接为一体。盘片32与内齿圈一28发生相对偏转时，支点齿轮29与内齿圈一28产生相对运动，使位于支点齿轮29分度圆上的第二支点31沿着内齿圈一28直径方向做往复直线运动，第二支点31在杠杆14的滑槽中的位置发生改变，从而改变杠杆14力臂长度，进而改变刚度。由于第二支点31在杠杆14的滑槽中做周期性的往复直线运动，故只需设定一个初始点，便可通过调节盘片32与内齿圈一28的相对偏转角控制第二支点31在杠杆14的滑槽中的位置。以360°相对偏转角为一个周期，设0°为刚度最小时的位置，选定正方向，则盘片32与内齿圈一28相对偏转角由0°增大至180°或由360°减小至180°时刚度增大，最大可使驱动器至完全刚性；相对偏转角由180°增大至360°或由180°减小至0°时刚度减小，最小可至零刚度。

当位置伺服电机7正转，刚度伺服电机6与位置伺服电机7保持一定的角速度比旋转以使第二支点31与杠杆14的相对位置固定，即驱动器刚度恒定，输出轴10有反转趋势时，由于外负载阻抗作用的存在，输出杆2或输出轴10暂未转动，此时弹簧19、24、开始对称压缩(压缩量相等)，盘二12与输出杆2的偏差角开始产生并逐渐增大。当弹簧19、24的压缩量达到一定值足以推动输出杆2转动时，在弹簧19、24的作用下输出轴10带动输出杆2开始反转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。

当位置伺服电机7反转，刚度伺服电机6与位置伺服电机7保持一定的角速度比旋转以使第二支点31与杠杆14相对位置固定，即驱动器刚度恒定，输出轴10有正转趋势时，由于外负载阻抗作用的存在，输出杆2或输出轴10暂未转动，此时弹簧19、24开始对称压缩(压缩量相等)，盘二12与输出杆2的偏差角开始产生并逐渐增大。当弹簧19、24的压缩量达到一定值足以推动输出杆2运动时，在弹簧19、24的作用下输出轴10带动输出杆2开始正转。由于弹簧的缓冲作用，从而实现柔性驱动的功能。

盘一11、盘二12和盘三13上弧形槽孔形状相同，均为对称布置，导轨16、27和弹簧19、24都是以输出轴10的轴心线为中心对称分布，在调节刚度时，对称的结构可以使弹簧19、24的压缩量一致，使盘一11、盘二12和盘三13均衡受力，使刚度调节过程更稳定。

Claims (9)

1.一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：包括驱动器支撑机构、变刚度机构和变支点机构，所述驱动器支撑机构包括驱动器支撑座、驱动器前盖、驱动器外壳和驱动器后盖，所述驱动器外壳固定安装在驱动器支撑座上，驱动器前盖和驱动器后盖分别安装在驱动器外壳前后两端，所述变刚度机构和变支点机构通过间隙配合安装在驱动器外壳内；

所述变刚度机构包括输出轴、杠杆、和依次安装在输出轴上的输出连杆、盘一、盘二和盘三，其中，输出连杆、盘一和盘三与输出轴之间固定相连，盘二通过轴承与输出轴相连，所述盘一和盘三的盘面上都设有尺寸一样且为对称设置的两个弧形槽孔，盘二上设有两个位置与弧形槽孔对应的槽孔，每个槽孔内设有一个套有弹簧的导轨，弹簧两端分别设有一个可以在导轨上自由滑动的滑块，所述滑块两端分别伸入到盘一和盘三的弧形槽孔内，通过弹簧带动滑块作用于盘一和盘三弧形槽孔的内壁，使得盘一、盘三与盘二趋于相对固定的装配位置，所述杠杆中部设有长条形的滑槽，其一端通过连接件与盘一前侧的输出连杆固定相连，另一端安装在盘三相对侧后方设置的第一支点上，第一支点可在杠杆的滑槽内自由滑动；

所述变支点机构包括变支点行星轮系和差动行星轮系，所述变支点行星轮系包括内齿圈一、盘片和支点齿轮，所述支点齿轮与内齿圈一的齿圈啮合安装，且满足支点齿轮的分度圆半径等于内齿圈一的齿圈的分度圆半径的一半，支点齿轮的分度圆上设有与其盘面垂直的第二支点，所述第二支点可自由滑动的安装在杠杆的滑槽内，支点齿轮通过支点齿轮连接轴偏心的安装在盘片上，盘片与内齿圈一同轴设置，内齿圈一通过连接件与盘二固定安装在一起；所述差动行星轮系包括行星轮、内齿圈二、行星架、两个输入齿轮，行星轮系中心轴以及固定安装在行星轮系中心轴上的太阳轮一和太阳轮二，行星轮系中心轴中部通过轴承安装在行星架中部，两个太阳轮分别位于行星架前后两侧，盘片固定安装在行星轮系中心轴前侧端部，行星架通过齿轮连接盘与内齿圈一固定一起，行星轮安装在行星架前侧且同时与内齿圈二和太阳轮一啮合，两个输入齿轮设于行星轮架后侧，且分别与内齿圈二和太阳轮二啮合传动，与内齿圈二啮合的输入齿轮与位置伺服电机相连，与太阳轮二啮合的输入齿轮与刚度伺服电机相连。

2.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器支撑机构前端还设有动力输出机构，所述动力输出机构包括包括输出杆和旋转编码器，所述旋转编码器固定安装在输出轴端部，用于对输出位置测量，所述输出杆与输出轴动力传动相连。

3.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述输出轴与驱动器前盖通过轴承安装。

4.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述盘二的槽孔内导轨的两端分别设有一个止推滑块，止推滑块位于滑块和槽孔内壁之间。

5.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述盘一和盘三上弧形槽孔的为内面均为弧形，弧形槽孔形状根据不同应用目标对输出刚度曲线进行修整优化。

6.如权利要求5所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述弧形槽孔为在径向的两个弧形面为同心圆弧面。

7.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述盘二两个槽孔内的两个导轨相互平行设置。

8.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述盘一和盘三上弧形槽孔在导轨长度方向的高度大于垂直于导轨长度方向的宽度。

9.如权利要求1所述的一种变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述刚度伺服电机固定安装在驱动器支撑机构上。