一种柔性可控的关节驱动器制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性可控的关节驱动器，其特征在于：它包括外壳、刚度调节机构、动力输入机构和控制器；刚度调节机构包括电机，电机的输出轴连接主动齿轮，主动齿轮的两侧各啮合从动齿轮，两从动齿轮的中心轴均为丝杠；两丝杠上分别螺旋连接螺母滑块，两螺母滑块的外侧凸缘分别插入外壳两侧盖内壁设置的导向滑槽内，两螺母滑块的内侧夹设有L形簧片；其中一螺母滑块的侧面固定连接有滑动片，滑动片的另一端插设在一固定在外壳内的位移传感器中，动力输入机构包括用于连接外部驱动电机的输入轴，输入轴通过轴承连接在外壳后盖上，输入轴的末端沿轴向设置有凹槽，L形簧片短边固定在凹槽内，L形簧片的长边与外壳底盖固定连接成一体。本发明专利技术可以广泛用于双足、外骨骼和智能假肢等机器人领域的研究和应用中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种驱动器，特别是关于一种用于双足、外骨骼和智能假肢等机器人 的柔性可控的关节驱动器。
技术介绍
目前，机器人领域大多采用大力矩、高刚度的伺服电机作为驱动器，通过精确的伺 服控制使外骨骼在步行过程中准确跟踪预定义的关节角度轨迹，实现稳定步行。该方法的 有效性虽然得到多个机器人项目的验证，但是伺服电机及其减速系统的高刚度和高惯性使 机器人在行走中难于克服与地面的碰撞现象，即机器人在快速行走时，因其摆动脚在落脚 瞬间与地面发生碰撞，使得零力矩点产生较大跳变，造成了机器人的稳定度降低，严重时导 致机器人跌倒。另外，采用刚性元件和传统驱动器的精密组合来实现机器人的地面行走，只 是现代先进机械操作臂的地面行走类衍生产品而已，其刚性机构和仅以电机伺服驱动控制 跟踪离线规划运动轨迹的控制方法，与传统的操作臂无本质的差别，能量效率低下且能耗 很大。所以，要想真正使机器人尽可能的类似于人的行为，必须提高其行走能量效率及其环 境适应性。在人类步行的研究中发现以下现象在摆动腿落地前腿部肌肉会放松以吸收冲 击，而在摆动腿落地后的双脚支撑中，腿部肌肉收缩以维持平衡。通过这种机制，人类在快 速行走和跑步过程中可以有效降低冲击保持稳定，从而克服机器人的冲击现象，人体腿部 肌肉的松弛和张紧动作类似于柔性驱动器的刚度控制过程，采用可变刚度的柔性驱动器作 为机器人的驱动源可以有效吸收冲击，实现快速步行。因此研究柔性可控的关节驱动器，成 为机器人领域的一个热门，可以推动双足、外骨骼、假肢等机器人领域的发展。由于柔性可控的关节驱动器既要像人的关节一样具有柔性，又要能为人提供足够 大的动力，同时还要在体积和重量上和人的关节相仿，因此对关节的动力驱动器提出了很 高的要求。目前，传统的动力驱动器主要有电机、液压和气压三种驱动器。这三种驱动器虽 然各有优点，但是都不能满足对动力、柔性和精度要求都很高的机器人关节的要求。电机虽 然有很高的控制精度，但是电机的柔性及抗冲击能力差。液压和气压驱动器虽然具有一定 的柔性，但是控制精度低，噪音大，体积大。因此需要设计新型的柔性动力结构，使机器人的 关节的功能和尺寸和人的关节最大程度的相似。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种柔性可控的关节驱动器。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种柔性可控的关节驱动器，其特征 在于它包括外壳、刚度调节机构、动力输入机构和控制器；所述刚度调节机构包括一固定 连接在所述外壳顶盖上的电机，所述电机的输出轴连接一主动齿轮，所述主动齿轮的两侧 各啮合一从动齿轮，两所述从动齿轮的中心轴均为一转动连接在所述外壳内的丝杠；两所 述丝杠上分别螺旋连接一螺母滑块，两所述螺母滑块的外侧凸缘分别插入所述外壳两侧盖内壁设置的导向滑槽内，两所述螺母滑块的内侧夹设有一 L形簧片；其中一所述螺母滑块 的侧面固定连接有一滑动片，所述滑动片的另一端插设在一固定在所述外壳内的位移传感 器中；所述动力输入机构包括一用于连接外部驱动电机的输入轴，所述输入轴通过一轴承 连接在所述外壳后盖上，所述输入轴的末端沿轴向设置有一凹槽，所述L形簧片短边固定 在所述凹槽内，所述L形簧片的长边与外壳底盖固定连接成一体；所述控制器分别与所述 电机和位移传感器电连接。所述控制器采用“闭环控制策略”，对所述螺母滑块的位置进行采集和移动调节。所述控制器根据所述位移传感器测量得到的当前所述螺母滑块的位置，通过计算 得到所述螺母滑块应该调节的高度值，并将控制指令并发送给所述电机，所述电机启动通 过所述主动齿轮带动两所述从动齿轮转动，每一所述从动齿轮再带动与之连接的所述丝杠 转动，所述丝杆24的转动带动所述螺母滑块沿所述簧片上、下运动。所述控制器采用一单片机来实现。所述外壳包括一如盖，左、右两侧盖和一底盖，所述如盖、两侧盖和底盖是一体成 型的壳体；所述壳体顶部固定连接一顶盖，所述壳体背部固定连接一后盖；所述前盖中部 设置有一通孔，所述通孔外的前盖上设置有一端盖；所述两侧盖内壁分别设置有由两凸棱 形成的一导向滑槽。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术由于在动力输入和输 出之间串联了作为弹性元件的簧片，输入轴通过簧片把动力传输给外壳，由外壳再把动力 输送给需要动力的部件，因此本专利技术具有很好抗冲击能力和柔性动力特性，为机器人应用 于复杂路况的运动建立了良好的基础。2、本专利技术由于设置了一控制器，控制器通过控制电 机使得螺母滑块在丝杠上运动到不同位置，进而改变簧片的有效工作长度，实现本专利技术柔 性可控的目的。3、本专利技术的控制器根据位移传感器测量得到的当前螺母滑块的位置，以此 来控制电机驱动丝杠转动，使螺母滑块到达所要求的位置，从而实现本专利技术采用闭环控制 螺母滑块位置的目的，使本专利技术的柔性控制更准确可靠。本专利技术可以广泛用于双足、外骨骼 和智能假肢等机器人领域的研究和应用中。附图说明图1是本专利技术整体结构示意图图2是本专利技术另一角度整体结构等轴测图图3是本专利技术外壳结构示意图图4是本专利技术外壳内结构示意图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1所不,本专利技术包括一外壳1、一刚度调节机构2、一动力输入机构3和一控制器4。如图1、图2、图3所示，本专利技术的外壳I包括一前盖11，左、右两侧盖12和一底盖 13，前盖11、两侧盖12和底盖13是一体成型的壳体。壳体顶部固定连接一顶盖14，壳体背 部固定连接一后盖15。前盖11中部设置有一通孔16，通孔16外的前盖11上设置有一端盖17 ;两侧盖12内壁分别设置有由两凸棱形成的一导向滑槽18。导向滑槽18也可以采用 其它方式设置。如图1、图3、图4所示，本专利技术的刚度调节机构2包括一固定连接在外壳I顶盖14 上的电机21，电机21的输出轴向下连接一主动齿轮22，主动齿轮22的两侧各啮合一从动 齿轮23，两从动齿轮23的中心轴均为一丝杠24，两丝杠24的顶端分别通过一轴承25连接 在顶盖14上，两丝杠24的底端分别通过另一轴承26连接在底盖13上。两丝杠24中部分 别螺旋连接一螺母滑块27，其中一螺母滑块27的侧面固定连接有一滑动片28，滑动片28 的另一端折弯后插设在一位移传感器29内，位移传感器29与导向滑槽18并排固定在靠近 前盖11 一端的侧壁12上。两螺母滑块27的外侧凸缘分别插入相应一侧的导向滑槽18中。本专利技术的动力输入机构3包括一连接外部驱动电机的输入轴31，输入轴31通过一 轴承32支撑在后盖11的通孔16内。输入轴31的末端沿轴向通过一凹槽固定连接一倒置 的L形簧片33，簧片33的底端与底盖13固定连接成一体，簧片33的两侧分别被两螺母滑 块27的内侧夹住。本专利技术的控制器4分别与电机21和位移传感器27电连接电连接。控制器4采用 一单片机来实现，其主要是采用“闭环控制策略”，对螺母滑块27的位置进行采集和移动调 节，以实现对簧片33的长度即柔性进行调节，而具体的控制程序可以由技术人员根据柔性 输出的要求采用常规设计完成，在此不再赘述。本专利技术工作时，将输入轴31的输入端与一外部关节驱动电机的输出端固定连接， 并将需要驱动的部件(比如关节)连接在外壳I上；这样，当驱动电机启动时，便可以驱动输 入轴31通过簧片33带动外壳I转动；由于簧片33的弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性可控的关节驱动器，其特征在于：它包括外壳、刚度调节机构、动力输入机构和控制器；所述刚度调节机构包括一固定连接在所述外壳顶盖上的电机，所述电机的输出轴连接一主动齿轮，所述主动齿轮的两侧各啮合一从动齿轮，两所述从动齿轮的中心轴均为一转动连接在所述外壳内的丝杠；两所述丝杠上分别螺旋连接一螺母滑块，两所述螺母滑块的外侧凸缘分别插入所述外壳两侧盖内壁设置的导向滑槽内，两所述螺母滑块的内侧夹设有一L形簧片；其中一所述螺母滑块的侧面固定连接有一滑动片，所述滑动片的另一端插设在一固定在所述外壳内的位移传感器中；所述动力输入机构包括一用于连接外部驱动电机的输入轴，所述输入轴通过一轴承连接在所述外壳后盖上，所述输入轴的末端沿轴向设置有一凹槽，所述L形簧片短边固定在所述凹槽内，所述L形簧片的长边与外壳底盖固定连接成一体；所述控制器分别与所述电机和位移传感器电连接。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可控的关节驱动器，其特征在于它包括外壳、刚度调节机构、动力输入机构和控制器； 所述刚度调节机构包括一固定连接在所述外壳顶盖上的电机，所述电机的输出轴连接一主动齿轮，所述主动齿轮的两侧各哨合一从动齿轮，两所述从动齿轮的中心轴均为一转动连接在所述外壳内的丝杠；两所述丝杠上分别螺旋连接一螺母滑块，两所述螺母滑块的外侧凸缘分别插入所述外壳两侧盖内壁设置的导向滑槽内，两所述螺母滑块的内侧夹设有一 L形簧片；其中一所述螺母滑块的侧面固定连接有一滑动片，所述滑动片的另一端插设在一固定在所述外壳内的位移传感器中； 所述动力输入机构包括一用于连接外部驱动电机的输入轴，所述输入轴通过一轴承连接在所述外壳后盖上，所述输入轴的末端沿轴向设置有一凹槽，所述L形簧片短边固定在所述凹槽内，所述L形簧片的长边与外壳底盖固定连接成一体； 所述控制器分别与所述电机和位移传感器电连接。2.如权利要求1所述的一种柔性可控的关节驱动器，其特征在于所述控制器采用“闭环控制策略”，对所述螺母滑块的位置进行采集和移动调节。3.如权利要求2所述的一种柔性可控的关节驱动器，其特征在于所述控制器根据所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志浩，王启宁，王龙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：