一种具有给定刚度特性的非线性弹性机构及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种能实现给定刚度特性的非线性弹性机构，可用于弹性驱动器或无源外骨骼

【技术实现步骤摘要】
一种具有给定刚度特性的非线性弹性机构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人技术，特别涉及一种具有给定刚度特性的非线性弹性机构及其设计方法
。

技术介绍

[0002]外骨骼技术对于解决辅助老年人运动和伤病员下肢康复等问题表现出较大的适用性
。
当前的外骨骼主要包括主动外骨骼和被动外骨骼，其中主动外骨骼使用电机等动力源来驱动关节，而被动外骨骼则完全利用穿戴者本身的能量作为驱动力，不需要额外动力
。
主动外骨骼的优势在于可以实现精确控制，劣势在于结构复杂
、
成本高，而且将穿戴者的势能白白浪费
。
相比于主动外骨骼，被动外骨骼可以将周期性运动中的势能进行有规律地存储和释放，其结构相对简单，成本低，且有效利用穿戴者的势能，有较大的理论和应用价值
。
[0003]关节是被动外骨骼的核心部件，通常采用非线性机构实现关节的力矩
‑
变形关系，其刚度特性直接决定了与外骨骼穿戴者的交互效果，故非线性弹性机构的设计具有重要意义<br/>。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有给定刚度特性的非线性弹性机构及其设计方法，其特征在于，根据给定的力矩
‑
转角关系，设计特定的机械结构，使所述非线性弹性机构绕转动中心转过不同角度时产生与给定力矩
‑
转角关系描述相符的力矩，即在不同的转角呈现出不同的转动刚度，可用于弹性驱动器或无源外骨骼，以表现给定刚度特性
。
所述具有给定刚度特性的非线性弹性机构主要包括输入法兰
、
输出法兰
、
拉簧
、
拉簧自由端滑块
、
力矩传感器
、
旋转编码器几部分
。
其中输入法兰与输出法兰同轴心轴向布置，可以产生相对转动
。
拉簧一端固连于输入法兰一端，另一端固连于拉簧自由端滑块
。
输入法兰一端用于固连拉簧，另一端设置与给定刚度特性有关的弯曲导轨
。
输出法兰上设置有一条或放射性均匀设置多条沿半径方向的直线导轨
。
在轴向方向上，随着输入法兰与输出法兰的相对转动，一条输出法兰上的直线导轨与输入法兰上的弯曲导轨在任一角度均有唯一交点，即拉簧自由端滑块的预期位置
。
拉簧自由端滑块下端位于输入法兰上的弯曲导轨内，上端位于输出法兰上的直线导轨内，可以在弯曲导轨和直线导轨内自由滑动，因此，与拉簧自由端滑块固连的拉簧一端可以随滑块到达由弯曲导轨和直线导轨约束的特定位置，以此调整拉簧伸长量，进而调整拉簧拉力的大小和方向
、
拉簧拉力作用点，即调整拉簧拉力绕转动中心周向分力的大小和相对转动中心的力臂大小，实现调整力矩大小的目的
。2.
根据权利要求1所述的具有给定刚度特性的非线性弹性机构，其特征在于，采取了输入法兰和输出法兰同轴心轴向布置，分别设置弯曲导轨和直线导轨，两种导轨叠加的结构，输入法兰和输出法兰能够相对转动，两种导轨叠加以确定唯一的拉簧拉力作用点
。3.
根据权利要求1所述的具有给定刚度特性的非线性弹性机构，其特征在于，输入法兰与输出法兰中心位置开孔，便于布置安装用的主轴
。4.
根据权利要求1所述的具有给定刚度特性的非线性弹性机构，其特征在于，固连于输入法兰一端的拉簧数量，根据给定刚度特性的不同，以及出于所需拉簧刚度合理性的考虑，可以调整固连的拉簧数量，多于一条时，拉簧固定点在以转动中心为圆心的圆周上均匀布置
。5.
根据权利要求1所述的具有给定刚度特性的非线性弹性机构，其特征在于，拉簧自由端滑块下端，即与弯曲导轨接触的一端，截面形状为圆形，滑块与弯曲导轨之间为线接触，以降低滑块与弯曲导轨之间的摩擦，保证滑块能沿弯曲导轨自由滑动而不出现卡死
。
拉簧自由端滑块上端，即与直线导轨接触的一端，截面形状为矩形，滑块与弯曲导轨之间为面接触，保证滑块与直线导轨不会发生相对转动而严格按照直线导轨的轨迹运动
。6.
一种上述权利要求1至5任一项所述的具有给定刚度特性的非线性弹性机构设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：步骤1，建立平面直角坐标系，以驱动器转动中心为原点，垂直输入法兰或输出法兰轴线并从法兰中心指向法兰外沿的半径方向为
X
轴正方向，
X
轴正方向逆时针旋转
90
度为
Y
轴正方向；步骤2，根据使用情境和零件加工实际条件，给定拉簧固定端转动半径
r2
，拉簧上下固定点垂直距离
h
，拉簧刚度
k
，拉簧线径
dx
，拉簧外半径
rs
，拉簧剪切模量
G
，拉簧根数
n。
步骤3，计算拉簧圈数
num
，拉簧圈数
num
与拉簧刚度
k、
拉簧线径
dx、
拉簧外半径
rs、
拉簧剪切模量
G
的关系如式
(1.1)
所示：
根据拉簧圈数
num
和拉簧线径
dx
计算拉簧原长
l0，拉簧原长
l0与拉簧圈数
num、
拉簧线径
dx
的关系如式
(1.2)
所示：
l0＝
num
·
dx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.2)
步骤4，设初始状态下拉簧固定端位于
(0
，
‑
r2)
，拉簧自由端位于
(0
，
‑
r10)
，输入法兰与输出法兰之间相对转角为
α
，计算拉簧自由端初始转动半径
r10。
由于初始状态下，
α
为0，拉簧拉力沿转动半径方向，不能产生沿相对转动中心周向的分力，无法产生关于转动中心的力矩，因此，选取给定力矩
‑
转角关系中转角接近0的一组数据：力矩
T
i
、
转角
α
i
,
以此近似计算拉簧自由端初始转动半径
r10。
拉簧拉伸长度
l
ab
可由式
(1.3)
计算得到：拉簧在水平面内投影长度
l
ab_
可由式
(1.4)
计算得到：依据式
(1.5)
计算拉簧拉力
F
k
：
F
k
＝
k
·
(l
ab
‑
l0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.5)
依据式
(1.6)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵竞夫，鞠文杰，詹毓靖，侯振民，赵振伟，宋智斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：