本发明专利技术提供了一种差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器。该差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器采用双驱动源耦合方式完成动力输出，并且所述双驱动源中的两个单驱动源输入状态互反，所述双驱动源耦合方式采用行星减速器进行动力耦合，其中，一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的太阳轮输入给所述行星减速器的行星轮，另一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的大齿圈输入给所述行星轮，最后由所述行星轮的系杆输出耦合动力。本发明专利技术的尺寸小、机械效率高、动态响应速度快、运动精度高。运动精度高。运动精度高。
【技术实现步骤摘要】
差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器
[0001]本专利技术属于关节驱动器领域，尤其是涉及一种差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器。
技术介绍
[0002]关节驱动器作为核心动力设备广泛应用于假肢、外骨骼、人形机器人、机械臂。
[0003]现有关节驱动器主要存在以下问题，首先，在动力学方面，现有的关节驱动器存在功率和尺寸二者无法兼顾的矛盾。现有关节驱动器基本都是单一驱动源，以电机驱动为例，人体峰值关节驱动功率约为150瓦，一般电机机械性能与电机尺寸相关，保持和人体膝关节同样尺寸的情况下，现有电机功率按技术能力只能实现60
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80瓦。如要实现输出150瓦的要求，电机尺寸会远超人体膝关节外形尺寸。目前普遍做法是牺牲尺寸以保持功率要求，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。
[0004]此外，人体的膝关节峰值扭矩可达60Nm并且膝关节转动速度相比电机的转动速度存在数量级的差距，不得不使用减速器来获得大扭矩并降低转速。然而，多级减速器不但会带来功率效率的损失，而且齿轮对数越多意味着齿隙累加效应越大，最终影响转动精度。使用谐波减速器是可行的补偿方法，然而谐波减速器减速比与其尺寸成正比，满足要求的常用谐波减速器外形在100mm以上。虽然液压驱动密度高于电机，但其控制复杂，并非目前主流。
[0005]其次，在驱动控制方面，目前主流的驱动控制采用电子控制方式实现驱动器的调速、转向、制动。以电机驱动为例，调速以PWM波控制电桥接通占比实现，转向则通过将驱动电路反接实现，制动可采用电子制动或电磁刹车。电机的旋转有最佳效率区间，调速无法实现电机在较长时间内保持在最佳效率区间内。实现电机转向需要额外三片电桥，在一组工作时一组闲置，并且在转向时存在电气冲击。制动时电机完全停止，再启动时响应较慢。在传统驱动器中改变末端执行器的转动状态必须依赖电子或机械换向，在此期间动力源需要先从正常转动速度减为零，然后再反方向加速到设定的速度。这种转动状态的急速变化是引入电气和机械冲击的关键。同时，在有减速器的驱动器中，换向时齿轮需要反转。由于所有齿轮传动都有齿隙，并且速比越大、齿轮对数越多引入的累加齿隙就越大。齿隙的存在不但会带来转向时的冲击，而且会一步步增大最终误差，造成执行端的定位误差增加。
[0006]最后，在运动学方面，目前的关节驱动器以绕单轴旋转为主。由于股骨和胫骨位于同一旋转轴线，使其旋转轨迹有干涉，无法做到0
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180度旋转。解决办法主要有两种，一是时胫骨或股骨宽度小于或等于一半的旋转外轴直径，但这会使旋转外轴直径过大。二是将胫骨和股骨侧置，但这会使二者轴线不是位于一个平面，使动力学和运动学建模变复杂。
技术实现思路
[0007]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，尺寸小、能量密度高，动态响应速度
快，运动精度高。
[0008]根据本专利技术实施例的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，采用双驱动源耦合方式完成动力输出，并且所述双驱动源中的两个单驱动源输入状态互反。
[0009]根据本专利技术实施例的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，具有如下优点，第一、在使用现有驱动源的情况下，采用双驱动源耦合的方式实现了能量密度的加倍，输出的功率可以和人体峰值驱动功率接近，且在较小的外形尺寸下满足了对功率的要求；第二、本专利技术的双驱动源采用耦合的方式输出，两个单驱动源输入状态相反，通过控制两个驱动源输出的转速差来实现关节驱动器转动方向和减速比的改变，具有更高的机械效率、更高的动态响应能力、更高的运动精度。
[0010]在一些实施例中，所述双驱动源耦合方式采用行星减速器进行动力耦合，其中，一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的太阳轮输入给所述行星减速器的行星轮，另一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的大齿圈输入给所述行星轮，最后由所述行星轮的系杆输出耦合动力。
[0011]在一些实施例中，两个所述单驱动源分别为两个所述电机，两个所述电机在工作过程中的转动方向始终保持互反，且两个所述电机在工作过程中各自的转向始终不变。
[0012]在一些实施例中，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器的转动状态由两个所述电机之间的转速差值控制；当所述转速差值大于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器正转；当所述转速差值小于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器反转；当所述转速差值等于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器静止。
[0013]在一些实施例中，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器模拟人体膝关节结构，包括股骨端和胫骨端，两个所述电机分别安装于所述股骨端和胫骨端，一个所述电机将自身动力通过传动机构传递给另一个所述电机所在的所述行星减速器，经过耦合后输出。
[0014]在一些实施例中，所述股骨端和所述胫骨端由连接板连接在一起，所述股骨端和所述胫骨端的各自端面上安装有彼此啮合的髁齿；当两个所述电机转动时，所述股骨端和所述胫骨端在所述髁齿和所述连接板的约束下作端面转动。
[0015]在一些实施例中，所述股骨端包括第一机架、第一长轴、第一电机、所述传动机构和第一髁齿；所述第一电机为两个所述电机中的一个电机，所述传动机构为第一行星减速器，所述第一行星减速器包括第一太阳轮、第一行星轮和第一大齿圈，所述第一髁齿为位于所述股骨端的所述髁齿；所述第一长轴的两端固定在所述第一机架上，所述第一电机的内圈定子固定在所述第一长轴上，所述第一电机的外圈转子与所述第一太阳轮同轴固定，所述第一电机驱动所述第一太阳轮转动，所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮和所述第一大齿圈的内齿啮合；所述第一大齿圈被转动地支撑在所述第一机架上，所述第一行星轮的轮轴固定在所述第一机架上，所述第一髁齿安装在所述第一机架或所述第一长轴上；
[0016]所述胫骨端包括第二机架、第二长轴、第二电机、第二行星减速器和第二髁齿；所述第二电机为两个所述电机中的另一个所述电机，所述行星减速器为所述第二行星减速器，所述第二行星减速器包括第二太阳轮、第二行星轮和第二大齿圈，所述第二髁齿为位于所述胫骨端的所述髁齿；所述第二长轴的两端固定在所述第二机架上，所述第二电机的内圈定子固定在所述第二长轴上，所述第二电机的外圈转子与所述第二太阳轮同轴固定，所述第二电机驱动所述第二太阳轮转动，所述第二行星轮分别与所述第二太阳轮和所述第二
大齿圈的内齿啮合；所述第二大齿圈被转动地支撑在所述第二机架上，所述第二行星轮的轮轴固定在所述第二机架上，所述第二髁齿安装在所述第二机架或所述第二长轴上，所述第二髁齿与所述第一髁齿啮合；
[0017]所述连接板分别可转动地安装在所述第一长轴和所述第二长轴上；
[0018]所述第一电机和所述第二电机的参数相同，所述第一行星减速器和所述第二行星减速器的参数相同，所述股骨端和所述胫骨端的机械结构相同且彼此对称，当所述股骨端和所述胫骨端中的一方作为机架时，则所述股骨端和所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，采用双驱动源耦合方式完成动力输出，并且所述双驱动源中的两个单驱动源输入状态互反。2.根据权利要求1所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，所述双驱动源耦合方式采用行星减速器进行动力耦合，其中，一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的太阳轮输入给所述行星减速器的行星轮，另一个所述单驱动源的自身动力由所述行星减速器的大齿圈输入给所述行星轮，最后由所述行星轮的系杆输出耦合动力。3.根据权利要求2所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，两个所述单驱动源分别为两个所述电机，两个所述电机在工作过程中的转动方向始终保持互反，且两个所述电机在工作过程中各自的转向始终不变。4.根据权利要求3所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器的转动状态由两个所述电机之间的转速差值控制；当所述转速差值大于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器正转；当所述转速差值小于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器反转；当所述转速差值等于零时，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器静止。5.根据权利要求4所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，所述差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器模拟人体膝关节结构，包括股骨端和胫骨端，两个所述电机分别安装于所述股骨端和胫骨端，一个所述电机将自身动力通过传动机构传递给另一个所述电机所在的所述行星减速器，经过耦合后输出。6.根据权利要求5所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，所述股骨端和所述胫骨端由连接板连接在一起，所述股骨端和所述胫骨端的各自端面上安装有彼此啮合的髁齿；当两个所述电机转动时，所述股骨端和所述胫骨端在所述髁齿和所述连接板的约束下作端面转动。7.根据权利要求6所述的差速控制的双驱动源耦合式关节驱动器，其特征在于，所述股骨端包括第一机架、第一长轴、第一电机、所述传动机构和第一髁齿；所述第一电机为两个所述电机中的一个电机，所述传动机构为第一行星减速器，所述第一行星减速器包括第一太阳轮、第一行星轮和第一大齿圈，所述第一髁齿为位于所述股骨端的所述髁齿；所述第一长轴的两端固定在所述第一机架上，所述第一电机的内圈定子固定在所述第一长轴上，所述第一电机的外圈转子与所述第一太阳轮同轴固定，所述第一电机驱动所述第一太阳轮转动，所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮和所述第一大齿圈的内齿啮合；所述第一大齿圈被转动地支撑在所述第一机架上，所述第一行星轮的轮轴固定在所述第一机架上，所述第一髁齿安装在所述第一机架或所述第一长轴上；所述胫骨端包括第二机架、第二长轴、第二电机、第二行星减速器和第二髁齿；所述第二电机为两个所述电机中的另一个所述电机，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：马青川，樊瑜波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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