一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器制造技术

本发明专利技术涉及机器人技术领域，公开了一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴、驱动电机、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴的前端盖、外壳主体和用于固定驱动电机的后端盖依次连接固定构成；外壳主体内腔设有行星差速器，行星差速器由行星齿轮组和可转动的齿圈构成，齿圈外表面两侧分别设有棘轮和第一挡板；棘轮与铰接于外壳主体之上的棘爪配合安装，棘爪通过安装于外壳主体之上的扭簧支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除锁定；第一挡板与板簧一端固定连接，板簧另一端固定于外壳主体上第二挡板之上。本发明专利技术解决了现有关节驱动器在大负载周期运动的要求下，存在不具备缓冲能力，抗冲击能力差，运行功耗大的问题。

An Energy Controllable Redundant Elastic Actuator Based on Metamorphic Mechanisms

【技术实现步骤摘要】
一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器
本专利技术涉及机器人
，具体是指一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器
技术介绍
关节驱动器是弹跳机器人和腿型机器人中的重要部件，目前关节驱动器的小型化、高功率密度和抗冲击性是该领域的研究重点和难点。首先，关节驱动器输出转速一般并不高，需要由大减速比的减速机构来保证，但这些减速器往往外形和重量较大，使得关节驱动器整体尺寸及重量也随之增加。其次，驱动弹跳机构和腿型机器人运动所需的扭矩较大，较大的转动扭矩需要电机本身具有较大功率和输出扭矩，而一般电机机械性能与电机外形尺寸相关，较大的电机尺寸是限制目前关节驱动器小型化的主要原因。再次，腿型机器人在弹跳和奔跑过程中往往伴随着较大的触地冲击，这种速度突变容易对机器人的多处机构造成损耗，从而导致使用寿命减少。在专利CN106514646B中，公开了一种串联弹性驱动器及机器人关节，包括电机驱动组、传动组、驱动器输出组、第一传感器、第二传感器所述传动组包括形成绳传动关系的主动回转机构、从动回转机构及柔索。该机构结构紧凑、传动可靠，但其中弹性驱动器属于被动式释放能量，能量不具备可控性。在专利CN106625751B中，公开了一种自锁型关节并联弹性驱动器。装置采用电机垂直轴布置，第一级减速机构采用直齿轮减速，第二级减速机构采蜗轮蜗杆机构，满足机械自锁，并采用扭簧储能。其中自锁机构只是单纯的机械自锁，简单用于关节角度和扭簧的锁定。当有外力冲击时，关节处并不能得到有效的缓冲减震。且其使用扭簧储能，能量释放亦不具有可控性。在专利CN106584449B中，设计了一种串并联弹性驱动的直线运动单元，它包括电动直线执行器、气弹簧、气弹簧伸出轴连接件、执行器伸出轴连接件、轴、滑动套、上端细弹簧、下端细弹簧、下端粗弹簧和下端弹簧固定件。以解决现有基于并联结构的伸缩机构在大负载的要求下动作十分缓慢，且抗冲击效果差，出力不稳定的问题。该结构中的并联弹性机构虽具有抗冲击性，但仅作为减震使用，未能将冲击能量有效的回收利用。由以上现有弹性驱动器可知，如何减少机器人中的刚性冲击，提高系统整体稳定性，渐渐成为机器人领域中待解决的重要问题之一。而且，弹跳机器人与腿型机器人在工作过程中可近似看作为周期循环运动，如何在周期内减小驱动器功耗，有效储存能量，使之在克服重力阶段再释放，也一直是关节驱动器研发的重点。
技术实现思路
基于以上技术问题，本专利技术提供了一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，解决了现有关节驱动器在大负载周期运动的要求下，存在不具备缓冲能力，抗冲击能力差，运行功耗大的问题。为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴、驱动电机、行星差速器和外壳，外壳由用于支撑输出轴的前端盖、外壳主体和用于固定驱动电机的后端盖依次连接固定构成，前端盖与输出轴之间设有轴承；外壳主体内腔设有行星差速器，驱动电机的输出轴穿过后端盖与行星差速器相连，并将驱动电机动力输入至行星差速器；输出轴尾端穿过前端盖与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；行星差速器由行星齿轮组和可转动的齿圈构成，齿圈外表面两侧分别设有棘轮和第一挡板；棘轮与铰接于外壳主体之上的棘爪配合安装，棘爪通过安装于外壳主体之上的扭簧支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；第一挡板与板簧一端固定连接，板簧另一端固定于外壳主体所设第二挡板之上；外壳主体分别开设有供棘爪伸入和板簧压缩伸出的矩形孔。在本专利技术中，当驱动电机逆时针(从输出轴端面看)启动时，输出轴也同时逆时针转动。此时，当外部无负载或负载较小时，在板簧扭矩的平衡作用下，齿圈具有顺时针(同输出轴相反方向)运动趋势或仅发生轻微角度的旋转，从而保证行星差速器的运转。在输出轴遇到大的外负载或有冲击扭矩时，齿圈可沿顺时针方向旋转。此时板簧被压缩，利用板簧压缩储能起到消减冲击力的作用，以此能够有效减小机器人关节机构在发生碰撞或遇突增扭矩时产生的刚性冲击，提高了机构的减震缓冲能力。在冲击过程中，板簧因齿圈顺时针转动而被压缩。由于系统存在欠约束，此时棘轮、棘爪、板簧、齿圈与外壳主体组合构成的储能机构能够和行星差速器配合进行冗余变减速比驱动。板簧压缩到一定限度后，齿圈停止转动同时在外表面棘轮和棘爪的作用下被锁定，防止其储能后立即反方向转动而把能量释放掉。随后，可在驱动电机再次逆时针转动中，控制释放机构解除棘爪锁定状态，板簧释放其压缩储存的能量瞬时释放使齿圈逆时针旋转与驱动电机一同提供驱动力，形成并联弹性驱动器，增大了驱动器的瞬时最大功率，且提高了能量利用率，从而减少了驱动器的整体功耗。而在电机以顺时针方向启动时，齿圈上的第一挡板与外壳中的第二挡板接触，阻止齿圈转动，利用外壳主体上第二挡板及齿圈上第一挡板相互配合，完成驱动器顺时针和逆时针不同方向运动时机构自由度的改变。此时齿圈可近似看作与外壳固定，行星差速器仅作为减速箱使用，整体驱动装置可简单看作驱动电机与行星减速箱相连。作为一种优选的方式，释放机构包括锁死释放电机，锁死释放电机固定于外壳主体之上，锁死释放电机的电机转轴与牵引绳一端固定连接，牵引绳另一端与棘爪尾端固定连接。作为一种优选的方式，行星齿轮组包括第一级太阳轮、第一级行星轮、第一级行星架和第二级太阳轮、第二级行星轮、第二级行星架；驱动电机的输出轴与第一级太阳轮连接，第一级太阳轮与第一级行星架侧面环绕分布的多个第一级行星轮啮合；第二级太阳轮固定安装于第一级行星架另一侧面中心，第二级太阳轮与第二级行星架侧面环绕分布的多个第二级行星轮啮合，第二级行星架另一侧面中心与输出轴尾端固定连接；第一级行星轮和第二级行星轮均可自由转动且其外侧均与齿圈内齿轮啮合。作为一种优选的方式，齿圈两端套有薄壁轴承，薄壁轴承嵌套于外壳主体内腔。作为一种优选的方式，棘爪下部贯穿设有棘爪轴，棘爪轴卡于外壳主体之上所设棘爪轴孔之内使棘爪与外壳主体铰接相连。作为一种优选的方式，扭簧的螺旋形本体贯穿设置有扭簧轴，通过扭簧轴卡于扭簧轴孔内将扭簧安装于外壳本体之上；扭簧的一个扭臂抵住外壳本体，另一扭臂抵住棘爪为其提供支撑力。作为一种优选的方式，驱动电机为直流无刷电机或直流无刷电机。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术在腿型机器人周期运动中，将冲击能量吸收储存，并在再次起跳或蹬地瞬间释放，增加了驱动器的瞬时最大功率；在机器人运动过程中，减小了腿部关节在触地瞬间收到的冲击，具有一定的减震性，增加了机器人系统整体的稳定性；在机器人周期运动中，合理地对碰撞冲击进行利用，有效储存冲击时的动能，提高了能量利用率，减少驱动器整体功耗。(2)本专利技术通过释放机构包括锁死释放电机，锁死释放电机固定于外壳主体之上，锁死释放电机的输出轴与牵引绳一端固定连接，牵引绳另一端与棘爪尾端固定连接。利用锁死释放电机控制牵引绳牵拉解除棘爪锁定状态，结构简单可控性强。(3)本专利技术通过行星齿轮组与齿圈构成二级行星差速器结构，从而利用两级行星齿轮减速，进而获得较大的减速比，为输出端提供较大的扭矩。(4)本专利技术通过行星齿轮组与可转动的齿圈构成欠约束系统，从而配合由棘轮、棘爪、板簧、齿圈、外壳主体组合构成的储能机构实现冗余变减速比驱动。(5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴(3)、驱动电机(10)、行星差速器和外壳，其特征在于：所述外壳由用于支撑输出轴(3)的前端盖(1)、外壳主体(2)和用于固定驱动电机(10)的后端盖(9)依次连接固定构成，所述前端盖(1)与输出轴(3)之间设有轴承(4)；所述外壳主体(2)内腔设有行星差速器，所述驱动电机(10)的输出轴穿过后端盖(9)与行星差速器相连，并将驱动电机(10)动力输入至行星差速器；所述输出轴(3)尾端穿过前端盖(1)与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；所述行星差速器由行星齿轮组(17)和可转动的齿圈(8)构成，所述齿圈(8)外表面两侧分别设有棘轮(6)和第一挡板(7)；所述棘轮(6)与铰接于外壳主体(2)之上的棘爪(15)配合安装，所述棘爪(15)通过安装于外壳主体(2)之上的扭簧(14)支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；所述第一挡板(7)与板簧(11)一端固定连接，所述板簧(11)另一端固定于外壳主体(2)所设第二挡板(18)之上；所述外壳主体(2)分别开设有供棘爪(15)伸入和板簧(11)压缩伸出的矩形孔。...

【技术特征摘要】
1.一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，包括输出轴(3)、驱动电机(10)、行星差速器和外壳，其特征在于：所述外壳由用于支撑输出轴(3)的前端盖(1)、外壳主体(2)和用于固定驱动电机(10)的后端盖(9)依次连接固定构成，所述前端盖(1)与输出轴(3)之间设有轴承(4)；所述外壳主体(2)内腔设有行星差速器，所述驱动电机(10)的输出轴穿过后端盖(9)与行星差速器相连，并将驱动电机(10)动力输入至行星差速器；所述输出轴(3)尾端穿过前端盖(1)与行星差速器相连，并将经过行星差速器减速后的动力输出至下级设备；所述行星差速器由行星齿轮组(17)和可转动的齿圈(8)构成，所述齿圈(8)外表面两侧分别设有棘轮(6)和第一挡板(7)；所述棘轮(6)与铰接于外壳主体(2)之上的棘爪(15)配合安装，所述棘爪(15)通过安装于外壳主体(2)之上的扭簧(14)支撑使其保持锁定状态，并可通过释放机构解除其锁定；所述第一挡板(7)与板簧(11)一端固定连接，所述板簧(11)另一端固定于外壳主体(2)所设第二挡板(18)之上；所述外壳主体(2)分别开设有供棘爪(15)伸入和板簧(11)压缩伸出的矩形孔。2.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述释放机构包括锁死释放电机(13)，所述锁死释放电机(13)固定于外壳主体(2)之上，所述锁死释放电机(13)的电机转轴与牵引绳(19)一端固定连接，所述牵引绳(21)另一端与棘爪(15)尾端固定连接。3.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的能量可控型冗余弹性驱动器，其特征在于：所述行星齿轮组(17)包括第一级太阳轮(1703)、第一级行星轮(17...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏敦文，高涛，张翔宇，张远舰，周聪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51