本发明专利技术公开了一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，包括壳体，还包括扭矩输入轴、用于驱动所述扭矩输入轴转动的驱动电机、与所述扭矩输入轴刚性连接的弹性件、与所述弹性件径向滑动配合的滑动件、用于调节所述滑动件滑动位置的刚度调节机构；所述弹性件位于壳体内部且弹性件带动壳体同向转动。本发明专利技术提供一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，以解决现有技术中柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐，且无法模拟生物关节的双向不对称性的问题，实现结构紧凑、刚度调节范围大、允许双向不对称刚度，能够较好的模拟生物关节形状与功能的目的。的。的。
【技术实现步骤摘要】
一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器
[0001]本专利技术涉及机器人领域，具体涉及一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器。
技术介绍
[0002]在机器人领域，运动驱动的方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动等，而电机驱动具有精度高、控制准确、响应迅速等优势，成为一种主要的驱动方式。随着机器人技术的发展，康复辅助机器人和助力机器人的研究也越来越受到重视，这些机器人在人机交互过程的安全性和对环境的适应能力也有着更高的要求。而传统的电机驱动是刚性驱动，在人机交互过程中与环境发生刚性碰撞的可能性很大，并且对机器人造成机械损伤，也可能对人体造成伤害。而采用柔性驱动器可以很好地解决这一问题。
[0003]柔性驱动器通过在传动环节中加入弹性元件，将驱动器的刚性输出变成柔性输出，并且可以实时改变刚度值。柔性驱动器可以利用弹性元件进行动能与势能的相互转换，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性元件，也可以改善系统的动力学性能，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性元件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。但是，现有技术中的机器人用柔性驱动器，大都结构复杂、刚度调节过程繁琐，且无法模拟生物关节的双向不对称性。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，以解决现有技术中柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐的问题，实现结构紧凑、刚度调节范围大、允许双向不对称刚度，能够较好的模拟生物关节形状与功能的目的。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，包括壳体，还包括扭矩输入轴、用于驱动所述扭矩输入轴转动的驱动电机、与所述扭矩输入轴刚性连接的弹性件、与所述弹性件径向滑动配合的滑动件、用于调节所述滑动件滑动位置的刚度调节机构；所述弹性件位于壳体内部且弹性件带动壳体同向转动。
[0007]针对现有技术中柔性驱动器结构复杂、刚度调节过程繁琐等问题，本专利技术提出一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其中扭矩输入轴与弹性件之间弹性连接，滑动件可沿弹性件做径向滑动，此处的径向指代扭矩输入轴的径向。通过刚度调节机构调节滑动件相对于弹性件的径向位置，从而调整弹性件的有效长度，进而调节驱动器整体的刚度特性。本申请中，壳体作为驱动器的输出部件，由位于壳体内部的弹性件带动壳体同向转动，壳体与弹性件之间可以是直接或间接的连接，具体传动方式在此不做限定。
[0008]可以看出，本申请是一种主、被动相结合的驱动器，主动器件是驱动电机，被动器件是弹性件。驱动电机通过扭矩输入轴与弹性件相连，并由弹性件将扭矩通过传递到壳体；刚度调节机构可用于实现连续刚度调节的功能，其仅在本申请的串联弹性驱动器的在运动
过程中的适时阶段进行启动，充分利用弹性件的储能并有效释能的优点使得可连续刚度调节的串联弹性驱动器具有低功耗的特点。本申请特别适用于对机器人关节部位的柔性驱动，利用弹性件进行动能与势能的相互转换，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性件，也可以改善系统的动力学性能，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。
[0009]本申请尤其适用于机器人的脚踝关节使用，其中刚度调节机构可在需要脚踝助力的阶段进行驱动，能够较好的模拟生物关节的形状与功能。
[0010]进一步的，所述弹性件包括若干环形均布的弹片组，所述弹片组包括至少两片相互平行的弹片，所述滑动件滑动配合在相邻两弹片之间。
[0011]若干弹片组环形均布以实现对驱动器刚度的整体调节。其中弹片组数量在此不做限定，可以通过增减弹片组的数量来改变储能能力，从而改变刚度调节范围、扩大本申请的使用范围。在本方案的弹片组中，包括至少两片弹片，滑动组件夹设在其中两片相邻的弹片之间、在该两片弹片之间的间隙内进行移动，由两侧弹片对其进行导向和限位。必然的，由于本申请的滑动件是沿径向方向滑动，因此弹片的延伸方向也是朝径向延伸，这使得在保持滑动件的位置时，不需要刚度调节组件产生额外力矩来抵消扭矩输入轴转动所引起的滑动趋势，因此能够降低能量消耗、并有效简化了驱动器的整体结构、有利于驱动器的结构节凑化、小型化。
[0012]当然，本方案中任一弹片组所对应的滑动件的数量也是不定的，本领域技术人员可根据实际情况增减滑动件的数量，以此改变驱动器承受的力矩上限、进而控制刚度调节范围。
[0013]进一步的，位于滑动件两侧的弹片刚度不等。
[0014]现有的弹性驱动器在实现双向不对称刚度调节时，需要在运动方向切换时通过电机快速连续地调节刚度；而本方案在运动方向切换时不用电机调节刚度，而是通过在双向配置的不同刚度弹簧来实现中立位(运动方向切换的点)附近刚度的离散切换，相较于现有技术而言能够提高切换效率、进而提高对生物关节的模拟能力。
[0015]进一步的，所述壳体包括输出框架，以及分别连接在输出框架相对两侧的前盖、后盖；所述输出框架内部具有与滑动件相匹配的直槽。
[0016]本方案中前盖和后盖分别从两端封堵输出框架，三者共同围绕可构成壳体结构。输出框架上的直槽与滑动件相匹配，因此当驱动电机驱动扭矩输入轴转动时，带动弹性件转动，由弹性件带动滑动件转动，此时滑动件与直槽的槽壁接触，即可驱动输出框架发生同向转动。
[0017]进一步的，所述刚度调节机构包括刚度调节电机、连接在刚度调节电机输出端的第一锥齿轮、与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮、与所述第二锥齿轮连接的丝杠滑块机构，所述丝杠滑块机构用于驱动滑动件做直线运动。
[0018]本方案中的刚度调节机构由刚度调节电机提供动力、带动第一锥齿轮转动，由第一锥齿轮带动与之啮合的各第二锥齿轮转动，从而驱动丝杠滑块机构动作，使滑块在对应的丝杠上做直线运动。本方案通过丝杠滑块机构作为滑动件的执行机构，可通过设置丝杠方向来控制滑块的径向调节，保证了滑块运动的稳定性和可靠性；同时，一个第一锥齿轮可
同时驱动若干环形均布的第二锥齿轮的转动，有利于在简化结构的同时保证若干滑动件的同步径向滑动。
[0019]所述丝杠滑块机构包括与第二锥齿轮固定连接的丝杠、与所述丝杠螺纹配合的丝杠滑块，所述丝杠滑块与所述滑动件固定连接。当然，本方案在实施时根据实际情况对丝杠滑块在转动方向上进行限位即可。
[0020]进一步的，所述丝杠通过第二轴承与壳体内壁连接。本方案通过丝杠实现弹性件与壳体之间的间接连接，确保了壳体随弹性件的同向转动。具体的，当弹性件在驱动电机的驱动下转动时，由于弹性件对滑动件的限制，使得滑动件随之转动、带动丝杠滑块转动，由丝杠滑块带动丝杠转动，丝杠一端通过第二锥齿轮绕第一锥齿轮稳定行走、另一端即可带动壳体转动。
[0021]进一步的，还包括用于反馈扭矩输入轴与壳体之间相对转动角度的编码器。本方案通过编码器实时本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，包括壳体(1)，其特征在于，还包括扭矩输入轴(7)、用于驱动所述扭矩输入轴(7)转动的驱动电机(2)、与所述扭矩输入轴(7)刚性连接的弹性件(6)、与所述弹性件(6)径向滑动配合的滑动件(8)、用于调节所述滑动件(8)滑动位置的刚度调节机构；所述弹性件(6)位于壳体(1)内部且弹性件(6)带动壳体(1)同向转动。2.根据权利要求1所述的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其特征在于，所述弹性件(6)包括若干环形均布的弹片组，所述弹片组包括至少两片相互平行的弹片，所述滑动件(8)滑动配合在相邻两弹片之间。3.根据权利要求2所述的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其特征在于，位于滑动件(8)两侧的弹片刚度不等。4.根据权利要求2所述的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其特征在于，所述滑动件(8)与两侧弹片之间通过第三轴承(13)接触。5.根据权利要求1所述的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其特征在于，所述壳体(1)包括输出框架(101)，以及分别连接在输出框架(101)相对两侧的前盖(102)、后盖(103)；所述输出框架(101)内部具有与滑动件(8)相匹配的直槽(104)。6.根据权利要求1～5中任一项所述的一种可连续刚度调节的串联弹性驱动器，其特征在于，所述刚度...
【专利技术属性】
技术研发人员：何朝明，孙浩然，徐红先，张书玮，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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