本发明专利技术属于外骨骼机器人用的驱动器技术领域，其公开了一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，包括：驱动转盘座，其相对两侧面上固定有第一安装横轴和第二安装横轴，第一安装横轴上有空心旋转输出轴；柔性侧驱动输入滑轮，其通过固定支座安装在驱动转盘座一侧；滑动连接在驱动转盘座一侧上的多个柔性侧曲柄连杆机构，其一侧均与空心旋转输出轴外壁铰接；刚度调节侧输入滑轮，其通过空心转动轴座套设在第二安装横轴上；滑动连接在驱动转盘座另一侧上的多个刚度调节曲柄连杆机构，其一侧均与空心转动轴座外壁铰接，其另一侧均通过弹簧与对应的柔性侧曲柄连杆机构另一侧连接。该驱动器不仅结构简单、质量轻、输出刚度范围大，而且刚度调节方式简单。方式简单。方式简单。
【技术实现步骤摘要】
一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器
[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人用的驱动器
，更具体的说是涉及一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器。
技术介绍
[0002]目前，在人机协同作业过程中，人与机器人之间发生接触甚至碰撞是不可避免的，为此，如何确保冲击力不伤害人体是至关重要的，快速降低机器人的关节刚度是最为可行的解决方法之一。在机器人进行精确的定位或者轨迹控制时，用户总是期望机器人的关节刚度很大，从而确保末端定位精度，这就需要快速增大关节刚度。因此，在人机交互作业环境下，对机器人关节的刚度进行实时调节是必不可少的。
[0003]例如，外骨骼机器人被用于辅助残疾患者的康复训练。为提高人
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机物理交互的稳定性和安全性，关节交互驱动器应具有一定的屈服遵从性。提供遵从性的策略有两种：主动策略与被动策略。主动策略使用力/扭矩反馈和控制算法来模拟柔度行为，而不添加柔性组件(例如弹簧或者其他弹性体)。然而，当传感器失效时，主动策略不能提供安全交互。随后，通过引入弹性元件，提出了基于被动策略的弹性驱动器。与主动策略相比，弹性元件为被动弹性驱动器提供了更低的机械阻抗，使其具有内在的安全性。此外，固有的柔性使得力/转矩控制可以被转换为位置控制问题，这可以被用于提高力/转矩控制的性能。
[0004]现有的被动弹性驱动器可分为固定刚度驱动器(FSAs)和可变刚度驱动器(VSAs)。固定刚度驱动器通常使用固定的机械结构的执行机构和弹性元件。固定刚度驱动器的柔性行为通常是基于预先设定的工作条件设计的，这限制了响应带宽和转矩控制精度、储能能力以及对环境的动态适应性。因此，可变刚度驱动器就是为了克服上述限制。可变刚度驱动器使用的策略有很多：1)改变弹簧预紧力，例如MACCEPA和MACCEPA2.0；2)改变弹簧的有效长度；3)改变弹簧与驱动器输出之间的传动比，例如AwAS
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II和vsaUT；4)改变弹性元件的配置，例如JASR和RVSA。可变的刚度使驱动器能够更好地适应不同的场景。然而，这需要通过电机直接驱动额外的机构如齿轮传动机构或齿条传动机构来实现刚度调整，如CN113414760B、CN103192406A，这使得驱动器的设计较为复杂且重量增加，不符合关节轻量化设计需求。而基于弹簧预紧力变化的弹性阻尼器通常较轻，易于控制，此外，其与基于其他原理的可变刚度驱动器相比，该执行器具有更好的兼容性和更平滑的刚度调节。但是，基于弹簧预紧力变化的弹性阻尼器一般采用单一弹性元件，限制了其刚度调节范围。
[0005]而为减小关节驱动器对身体质量分布的影响，驱动器的重量应尽可能轻。最近的研究报告了各种减轻外骨骼重量的方法，例如算法补偿，以及使用碳纤维等轻质材料。特别是波顿拉线传动(如CN114831857A)作为动力传递单元，因其质量轻和高载荷，已被广泛应用于外骨骼中。
[0006]因此，如何提供一种结构和刚度调节简单、且可提高输出刚度范围，同时质量轻的基于改变弹簧预紧力原理的线驱动的轻型刚度可调的串联弹性驱动器是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种结构和刚度调节简单、且可提高输出刚度范围，同时质量轻的基于改变弹簧预紧力原理的线驱动的刚度可调的串联弹性驱动器。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，包括：
[0010]驱动转盘座，所述驱动转盘座的相对两侧面上分别固定有第一安装横轴和第二安装横轴，所述第一安装横轴上套设有空心旋转输出轴；
[0011]柔性侧驱动输入滑轮，所述柔性侧驱动输入滑轮通过固定支座可拆卸安装在所述驱动转盘座一侧，所述柔性侧驱动输入滑轮上绕设有钢丝绳，所述空心旋转输出轴位于所述固定支座与所述驱动转盘座之间；
[0012]柔性侧曲柄连杆机构，所述柔性侧曲柄连杆机构为均布且滑动连接在所述驱动转盘座一侧面上的多个，每个所述柔性侧曲柄连杆机构一侧均与所述空心旋转输出轴外壁铰接；
[0013]刚度调节侧输入滑轮，所述刚度调节侧输入滑轮通过空心转动轴座套设在所述第二安装横轴上，所述刚度调节侧输入滑轮上绕设有钢丝绳；
[0014]刚度调节曲柄连杆机构，所述刚度调节曲柄连杆机构为均布且滑动连接在所述驱动转盘座另一侧面上的多个，每个所述刚度调节曲柄连杆机构一侧均与所述空心转动轴座外壁铰接，每个所述刚度调节曲柄连杆机构另一侧均通过弹簧与所述柔性侧曲柄连杆机构另一侧连接。
[0015]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其中，柔性侧的钢丝绳由电机和齿轮箱进行驱动，当钢丝绳带动柔性侧驱动输入滑轮转动时，柔性侧驱动输入滑轮带动驱动转盘座一起转动，驱动转盘座带动柔性侧曲柄连杆机构一起转动，而柔性侧曲柄连杆机构在驱动转盘上同时滑动，并拉伸弹簧，使得空心旋转输出轴转动，进而实现机器人相应关节的柔性动作，因此，柔性侧曲柄连杆机构和弹簧可提供驱动器固有的柔顺性。当需要增大驱动器的输出刚度时，刚度侧的钢丝绳带动刚度调节侧输入滑轮转动，刚度调节侧输入滑轮带动刚度调节曲柄连杆机构转动，同时刚度调节曲柄连杆机构在驱动转盘座上滑动，并拉动弹簧，使得弹簧的拉伸长度增大，即预紧力增大，同时，弹簧会拉动柔性侧曲柄连杆机构在驱动转盘座上同步滑动，进而将力传递给空心旋转输出轴，使其旋转。因此，本专利技术的串联弹性驱动器，其刚度调节和柔性部分的曲柄连杆共用一个输出轴，并且通过刚度调节曲柄连杆机构调节弹簧预载荷，达到驱动器刚度的调节，使得刚度调节的方式更简单，并且本专利技术的串联弹性驱动器采用多个弹簧，增大了驱动器输出刚度的范围，提高了驱动器的使用范围。另外，本专利技术采用钢丝绳作为驱动器的动力的输入，而无需在驱动器上设置电机、齿轮传动等机构，使得驱动器的结构不仅简单、而且质量更加轻量化，满足了机器人驱动器重量轻的需求。
[0016]进一步的，所述驱动转盘座一侧面上间隔固定有多个安装柱，所述固定支座的外周侧壁上均布固定有多个安装耳板，每个所述安装耳板均与其对应的所述安装柱可拆卸连接，每个所述柔性侧曲柄连杆机构置于相邻的两个所述安装柱之间。
[0017]采用上述技术方案产生的有益效果是，使得固定支座与驱动转盘座之间具有一定的空隙，便于容纳空心旋转输出轴和柔性侧曲柄连杆机构。
[0018]进一步的，所述柔性侧驱动输入滑轮通过螺栓固定在所述固定支座远离所述驱动转盘座的侧面上。
[0019]采用上述技术方案产生的有益效果是，易于柔性侧驱动输入滑轮与固定支座之间的拆装。
[0020]进一步的，每个所述柔性侧曲柄连杆机构均包括：
[0021]第一线轨，所述第一线轨固定在所述驱动转盘座一侧面上，所述第一线轨上滑动连接有第一滑块；
[0022]第一连接板，所述第一连接板固定在所述第一滑块上，所述第一连接板一端与所述弹簧一端连接；
[0023]连杆A，所述连杆A一端与所述第一连接板一端铰本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其特征在于，包括：驱动转盘座(1)，所述驱动转盘座(1)的相对两侧面上分别固定有第一安装横轴(2)和第二安装横轴(3)，所述第一安装横轴(2)上套设有空心旋转输出轴(4)；柔性侧驱动输入滑轮(5)，所述柔性侧驱动输入滑轮(5)通过固定支座(6)可拆卸安装在所述驱动转盘座(1)一侧，所述柔性侧驱动输入滑轮(5)上绕设有钢丝绳，所述空心旋转输出轴(4)位于所述固定支座(6)与所述驱动转盘座(1)之间；柔性侧曲柄连杆机构(7)，所述柔性侧曲柄连杆机构(7)为均布且滑动连接在所述驱动转盘座(1)一侧面上的多个，每个所述柔性侧曲柄连杆机构(7)一侧均与所述空心旋转输出轴(4)外壁铰接；刚度调节侧输入滑轮(8)，所述刚度调节侧输入滑轮(8)通过空心转动轴座(9)套设在所述第二安装横轴(3)上，所述刚度调节侧输入滑轮(8)上绕设有钢丝绳；刚度调节曲柄连杆机构(10)，所述刚度调节曲柄连杆机构(10)为均布且滑动连接在所述驱动转盘座(1)另一侧面上的多个，每个所述刚度调节曲柄连杆机构(10)一侧均与所述空心转动轴座(9)外壁铰接，每个所述刚度调节曲柄连杆机构(10)另一侧均通过弹簧(11)与所述柔性侧曲柄连杆机构(7)另一侧连接。2.根据权利要求1所述的一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其特征在于，所述驱动转盘座(1)一侧面上间隔固定有多个安装柱(12)，所述固定支座(6)的外周侧壁上均布固定有多个安装耳板(61)，每个所述安装耳板(61)均与其对应的所述安装柱(12)可拆卸连接，每个所述柔性侧曲柄连杆机构(7)置于相邻的两个所述安装柱(12)之间。3.根据权利要求1所述的一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其特征在于，所述柔性侧驱动输入滑轮(5)通过螺栓固定在所述固定支座(6)远离所述驱动转盘座(1)的侧面上。4.根据权利要求1
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3任一项所述的一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其特征在于，每个所述柔性侧曲柄连杆机构(7)均包括：第一线轨(71)，所述第一线轨(71)固定在所述驱动转盘座(1)一侧面上，所述第一线轨(71)上滑动连接有第一滑块(72)；第一连接板(73)，所述第一连接板(73)固定在所述第一滑块(72)上，所述第一连接板(73)一端与所述弹簧(11)一端连接；连杆A(74)，所述连杆A(74)一端与所述第一连接板(73)一端铰接，所述连杆A(74)另一端与所述空心旋转输出轴(4)的外壁铰接。5.根据权利要求4所述的一种轻型刚度可调的串联弹性驱动器，其特征在于，所述第一连接板(73)上靠近其一端的位置固定有第一连接柱(731)，所述第一连接柱(731)上套固有第一轴承(13)，所述连杆A(74)一端开设有第一套孔，所述第一套孔套固在所述第一轴承(13)外圈上；所述空心旋转输出轴(4)外壁上均...
【专利技术属性】
技术研发人员：王超，谢胜泉，李振弘，李古强，沈双，曲家乐，胡京汇，
申请(专利权)人：滨州医学院，
类型：发明
国别省市：
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