[发明专利]一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法

权利要求书

1.一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：包括动力输入机构、刚度调节机构及动力输出机构，所述动力输出机构为动力输出轴，刚度调节机构包括输入支撑元件、输出支撑元件、连接臂、滚珠丝杠螺杆、丝杠螺母、簧片结构、变刚度电机，其中：刚度调节机构中的输入支撑元件、输出支撑元件分别轴向固定并可周向转动，输入支撑元件、输出支撑元件中心轴线重合，输入支撑元件、输出支撑元件分别设有中心通孔，输入支撑元件、输出支撑元件之间通过数量大于一的多个连接臂连接，多个连接臂均匀分布于输入支撑元件、输出支撑元件中心通孔的中心轴线方向周围，多个连接臂形状相同，每个连接臂分别为连续变化的曲线形，每个连接臂中间分别设有随连接臂曲线形状延伸的滑槽口；

动力输出轴由轴体和连接于轴体轴向一端的多个滑槽臂结构构成，多个滑槽臂结构均匀分布于轴体中心轴线的延长线周围，动力输出轴的轴体通过轴承同轴安装于所述输出支撑元件的中心通孔中，使动力输出轴轴向固定且动力输出轴与输出支撑元件能够相对周向转动工作配合，动力输出轴的滑槽臂结构伸入输入支撑元件、输出支撑元件之间，滑槽臂结构数量与连接臂数量相同，且滑槽臂与连接臂呈一一对应相对，由呈相对应的滑槽臂结构和连接臂构成滑动支撑机构，每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间间距随连接臂形状变化；

刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆中有一段通过轴承同轴安装于输入支撑元件的中心通孔中，使滚珠丝杠螺杆轴向固定且滚珠丝杠螺杆与输入支撑元件能够相对周向转动工作配合，滚珠丝杠螺杆沿多个滑动支撑机构之间空间的中轴线延伸；

刚度调节机构中的簧片结构包括多个簧片，簧片一一对应滑动安装于滑动支撑机构，使簧片能够在对应的滑动支撑机构中连接臂的滑槽口和滑槽臂结构中滑动，丝杠螺母螺合装配在滚珠丝杠螺杆上，由滚珠丝杠螺杆位于多个滑动支撑机构之间空间部分提供丝杠螺母运动行程，多个簧片各自一端分别连接于丝杠螺母形成整体结构，并且多个簧片沿丝杠螺母周向均匀分布；

所述动力输入机构与刚度调节机构中的输入支撑元件传动连接，由动力输入机构提供动力使输入支撑元件带动连接臂、输出支撑元件整体转动，并且连接臂通过簧片扭转将扭矩传递至动力输出轴对应的滑槽臂结构，最终使动力输出轴在扭矩作用下转动，其中簧片位于对应滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的长度为产生扭矩的有效作用长度，同时丝杠螺母与簧片形成的整体结构随扭转后的簧片整体转动；

所述刚度调节机构中的变刚度电机与滚珠丝杠螺杆的轴向一端传动连接，由变刚度电机提供动力使滚珠丝杠螺杆转动；

所述刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆转动的角速度，与动力输入机构通过输入支撑元件、连接臂、簧片使丝杠螺母转动的角速度之间形成差值时，丝杠螺母沿滚珠丝杠螺杆轴向运动，使每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的簧片长度改变，即簧片的有效扭转长度改变，进而实现驱动器刚度变化，且刚度的变化随滑动支撑机构中连接臂形状呈连续曲线变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂在输入支撑元件、输出支撑元件中的连接分别为可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂根据驱动器不同的工作环境设计为不同曲线形状，从而能够实现复杂刚度变化下驱动器刚度的快速跟随能力。

4.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂为中间至少有一处呈阶跃突变的曲线形状结构，由此使刚度的变化随连接臂形状的阶跃突变呈现出至少有一处阶跃变化点的曲线，使驱动器具有阶跃变刚度能力。

5.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述动力输入机构包括驱动器主电机、齿轮减速器、齿轮对，驱动器电机的主轴一端与齿轮减速器主轴一端传动连接，齿轮对的其中一个齿轮固定于齿轮减速器主轴另一端，齿轮对的另一个齿轮同轴固定于输入支撑元件，且齿轮对的两齿轮传动啮合，由此实现驱动器主电机的动力向输入支撑元件的传递。