具有大刚度范围的可变刚度致动器制造技术

在一个实施方式中，可选比率弹簧包括连接到可旋转轴的可弯曲杆，可弯曲杆具有至少一个拱形部分。可选比率弹簧还包括可连接到联接构件的至少一个旋转接触件，其中旋转接触件围绕轴旋转同时与可弯曲杆的拱形部分保持接触。当旋转接触件旋转时，其改变可旋转轴与联接构件之间的连接刚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
致动器是将存储能量转换成运动的部件，并且基于此致动器类似于机械手的“肌肉”。当前的传统机械手利用高刚度致动器或者动力关节，来提供在自由空间中的绝对定位精度。例如，在机械手以高速率与准确度于受控环境中执行乏味与重复任务的传统制造操作中，严格按照预定关节轨迹的位置受控机械手是最佳的。传统位置受控致动器根据刚度越大越好的前提进行设计。此方法提供了高的带宽系统，但是容易受到接触不稳定性、噪音、以及低能量密度的问题。可变刚度致动器提供了在约束非结构环境中的机械手的力控制中的多个益处。在其中对环境了解很少的非结构化的环境中，力控制关节或可变刚度致动器是理想的，因为它们允许机械手符合周围的事物。此机械手可以在变化与不可预测环境中执行动态活动，例如类人机械手、在粗糙地形上行走的有支腿的机械手、与人相互作用的机械臂、耐磨性能-增强外骨骼、触觉界面、以及其它机械手应用。可变刚度致动器提供了益处，包括冲击容限、较低的反射惰性、更加准确与稳定的力控制、极低的阻抗、低摩擦、对环境的较小损害、以及能量存储。然而，本领域中可获得的当前可变刚度致动器未提供多种应用所需的刚度的充分范围。例如，当前可获得致动器仅能够获得最高刚度与最低刚度的在大约10的范围中的比率。此外，许多当前可变刚度致动器不能提供尤其用于全运动范围的足够的最大刚度。此外，许多当前可变刚度致动器在调节它们刚度以充分地执行它们功能中太慢。
技术实现思路
r>在一个实施方式中，可选比率弹簧包括连接到可旋转轴的可弯曲杆，可弯曲杆具有至少一个拱形部分。可选比率弹簧还包括可连接到联接构件的至少一个旋转接触件，其中旋转接触件围绕轴旋转同时与可弯曲杆的拱形部分保持接触。当旋转接触件旋转时，其改变可旋转轴与联接构件之间的连接刚度。可变刚度致动器可以包括，所述驱动电机具有驱动轴与刚性地连接到驱动轴的可弯曲杆，此可弯曲杆具有拱形部分。可变刚度致动器还可以包括连接到联接构件的旋转接触件，其中旋转接触件围绕轴旋转同时与可弯曲杆的拱形部分保持接触。连接到旋转接触件的电机使所述旋转接触件旋转，其中当所述旋转接触件旋转时，其改变了所述驱动轴与所述联接构件之间的连接刚度。用于提供可变刚度致动的系统的一个实施方式包括具有驱动轴与可选比率弹簧的驱动电机。可选比率弹簧可以包括刚性地连接到驱动轴的可弯曲杆，所述可弯曲杆具有至少两个拱形部分，以及连接到联接构件的至少两个旋转接触件。旋转接触件各自都围绕轴旋转同时与可弯曲杆保持接触。此系统还可以包括电机，所述电机连接到两个旋转接触件以便使旋转接触件旋转来改变可选比率弹簧的刚度。通过下面结合附图的描述将使得本专利技术的多个其它特征、目的与优点显而易见。附图说明附图示出了执行本公开的目前预期的最佳模式。在附图中：图1A提供了可选比率弹簧的示例性实施方式。图1B提供了图1A中示出的平面图。图2A-图2B描述了用于提供可变刚度致动的系统的示例性实施方式。图3A-图3D描述了可选比率弹簧的多个实施方式。具体实施方式本专利技术克服了上述相对于当前可获得的可变刚度致动器的缺点。本专利技术的可变刚度致动器(VSA)设计为在紧凑尺寸中提供非常大的刚度范围。本专利技术的VSA还允许用于全运动范围的连续可变刚度、用于小运动范围的零刚度，并且可以从最小刚度快速地改变到最大刚度。由此，本专利技术的VSA提供了执行复杂任务的增加的安全性与更好的功能。诸如图1A和图1B中示出的实施方式的可选比率弹簧可以包括为电机致动器的一部分以允许驱动电机12与从动载荷之间的改进的力控制。如这里描述的，通过改变由接触件实现的沿着杠的限制接触的位置来改变刚度。由此，可以通过改变关于VSA的杠的可变厚度与面积的范围的限定力的方向来进行刚度控制。利用本专利技术的可选比率弹簧2，VSA能够提供大于最小刚度1200倍的最大刚度，以允许用于致动器的宽范围的操作刚度。VSA3可以提供360°的运动，并且还可以成为用于限定范围的自由关节。在图1-图2的示例性实施方式中，VSA可以非常快速地诸如在0.12秒内从最大刚度改变到最小刚度。如图2A中所示，可变刚度致动器可以包括连接到从动元件的驱动电机12，此从动元件可以连接到连接点17。在可变刚度致动器中，可以在驱动电机与从动载荷之间布置顺从元件以便有意地减小致动器的刚度，并且如在公开的VSA的情形中，提供了可变刚度控制。图1A提供了用于包含在VSA3中的可选比率弹簧2的示例性实施方式。可选比率弹簧2具有可连接到诸如驱动轴的可旋转轴9的可弯曲杆。可弯曲杆具有形成为与一个或多个旋转接触件6相应的至少一个拱形部分。相应地，拱形部分5可以是圆形、或者半圆形、或者恒定曲率的曲线。在图1A和图1B的实施方式中，可选比率弹簧2具有每个都在可弯曲杆4的相对侧上的四个旋转接触件6。旋转接触件6各自都围绕轴32旋转，以便改变它们与可弯曲杆4接触位置。更具体地说，图1A-图1B的实施方式具有第一旋转接触件42、第二旋转接触件43、第三旋转接触件44、以及第四旋转接触件45。旋转接触件42-45中每个都围绕相应旋转轴32旋转。对于此旋转的至少一部分来说，旋转接触件42-45与可弯曲杆4的四个拱形部分5中的一个保持接触。可选比率弹簧2操作为使得旋转接触件6可以朝向可弯曲杆4的中心向内旋转以产生刚性致动，或者驱动电机与从动载荷之间的连接刚度。相反地，旋转接触件6可以远离可弯曲杆4的中心向外旋转，以在驱动电机与从动载荷之间形成较松散较小刚度的连接。图1B显示了各旋转接触件42-45的可能的旋转方向36。旋转接触件朝向提供到可旋转轴9的连接点35的可弯曲杆4的中心向内旋转。例如，第一旋转接触件42与第四旋转接触件45沿着逆时针方向旋转以使它们的接触端47移向可弯曲杆4的中心，由此增强致动。相反地，第二旋转接触件43与第三旋转接触件44围绕它们的旋转轴32沿着顺时针的旋转方向36旋转，以使它们的接触端47朝向可弯曲杆4的中心旋转。相反地，为了提供较小刚度致动，旋转接触件42-45将沿着如图1B中描述的相反旋转方向36移动，由此使旋转接触件42-45的接触端47远离可弯曲杆4的中心旋转。图1B描述了使其旋转接触件42-45在中间位置处的可选比率弹簧2，这与最大刚度等级相比将提供低数量的刚度。旋转接触件42-46可以旋转到在可弯曲杆4上的最向内点49，以便在驱动电机与从动元件之间形成最刚度连接。相反地，旋转接触件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可选比率弹簧，所述可选比率弹簧包括：可弯曲杆，其能够连接到可旋转轴，所述可弯曲杆具有至少一个拱形部分；以及至少一个旋转接触件，其能够连接到联接构件，其中所述旋转接触件围绕轴旋转同时与所述可弯曲杆的所述拱形部分保持接触；其中，当所述旋转接触件旋转时，其改变所述可旋转轴与所述联接构件之间的连接刚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.24 US 61/815,4851.一种可选比率弹簧，所述可选比率弹簧包括：
可弯曲杆，其能够连接到可旋转轴，所述可弯曲杆具有至少一个拱形部分；
以及
至少一个旋转接触件，其能够连接到联接构件，其中所述旋转接触件围绕
轴旋转同时与所述可弯曲杆的所述拱形部分保持接触；
其中，当所述旋转接触件旋转时，其改变所述可旋转轴与所述联接构件之
间的连接刚度。
2.根据权利要求1所述的可选比率弹簧，还包括在所述旋转接触件的接触端
处的至少一个轴承，其中当所述接触件围绕轴旋转时，所述轴承沿着所述可弯
曲杆的所述拱形部分滚动。
3.根据权利要求1所述的可选比率弹簧，还包括连接到所述至少一个旋转接
触件的电机以便使所述旋转接触件旋转。
4.根据权利要求1所述的可选比率弹簧，还包括所述可弯曲杆的第二拱形部
分与能够连接到所述联接构件的第二旋转接触件，其中所述第二旋转接触件围
绕第二轴旋转同时与所述可弯曲杆的所述第二拱形部分保持接触。
5.根据权利要求4所述的可选比率弹簧，还包括驱动电机，所述驱动电机连
接到所述第一旋转接触件与第二旋转接触件，以便使所述旋转接触件沿着相反
的旋转方向同时地旋转。
6.根据权利要求4所述的可选比率弹簧，其中，所述第一旋转接触件与第二
旋转接触件定位在所述可旋转轴的相对侧上。
7.根据权利要求1所述的可选比率弹簧，还包括可连接到所述联接构件的四
个旋转接触件，其中所述可弯曲杆具有四个拱形部分，并且每个旋转接触件都
围绕相应轴旋转同时与所述四个拱形部分中的相应一个保持接触。
8.根据权利要求7所述的可选比率弹簧，其中，所述四个旋转接触件中的每
个都包括在所述旋转接触件的接触端处的至少一个轴承，其中当所述旋转接触
件围绕各自的轴旋转时，所述轴承沿着所述可弯曲杆的相应拱形部分滚动。
9.根据权利要求8所述的可选比率弹簧，还包括围绕所述可弯曲杆与所述四
个旋转接触件的壳体；
其中所述壳体提供了连接到所述联接构件的连接点，并且其中所述四个旋
转接触件可旋转地连接到所述壳体。
10.根据权利要求1所述的可选比率弹簧，其中所述可弯曲杆由超弹性合金
制成。
11.一种可变刚度致动器，其包括：
驱动电机，其具有驱动轴；
可弯曲杆，其刚性地连接到所述驱动轴，所述可弯曲杆具有拱形部分；
至少一个旋转接触件，其连接到联接构件...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·M·席梅尔，丹尼尔·加尔斯，
申请(专利权)人：马凯特大学，
类型：发明
国别省市：美国;US