[发明专利]一种可重构紧凑型变刚度驱动器

说明书

本发明公开一种可重构紧凑型变刚度驱动器，通过副电机带动传动轴上的大齿轮转动，大齿轮上开有对称式阿基米德螺线凸轮槽，保证了两个支点同步运动，大齿轮的转动带动支点在传动轴两侧设计的平移滑槽内以及传动轴两侧安装的板簧上平移，从而改变驱动器的刚度，实现主动变刚度；在调定支点位置的情况下，将具有不同凹槽曲线的凸轮盘安装在传动轴组件上可得具有刚度渐增、刚度渐减与定刚度等不同刚度曲线的变刚度驱动器，实现被动变刚度和可重构性。本发明可重构紧凑型变刚度驱动器拥有较大的输出刚度调节范围和较低的能量消耗。

技术领域

本发明涉及机械设计领域，具体涉及一种机器人用的可重构紧凑型变刚度驱动器。

背景技术

随着机器人技术应用的普及，对人机交互的安全性的要求越来越高，这就对机器人的柔顺性有了一定的要求，且传统的刚性驱动器具有体积大、能耗多、无法避免外界冲击等缺点，研究紧凑型变刚度驱动器就显得十分有意义。现有的多数变刚度驱动器的刚度特性由其机构构型与结构尺寸决定，不可根据工况需求进行定制化设计，因此对有特殊性要求的机器人就具有一定局限性，例如，对于需要与人或环境进行交互的机器人的关节驱动器，显然运动时驱动器的刚度渐减性能可对用户、环境及机器人都能起到更好的保作用；承受外界冲击的作用的机器人为了避免过长的缓冲距离，驱动器的刚度渐增性就能很好的解决这一问题。为了使驱动器适用不同的场景，就需要设计一种可重构紧凑型变刚度驱动器。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种可重构紧凑型变刚度驱动器，采用基于变板簧有效作用长度的变刚度原理，拥有较大的输出刚度调节范围和较低的能量消耗。

本发明可重构紧凑型变刚度驱动器，包括固定部件、传动部件、刚度调节部件。其中，固定部件用于实现前部凸轮盘与后部封板间的同轴相对定位。刚度调节部件包括副电机、小齿轮、大齿轮、支点、板簧、传动轴、凸轮盘与滚子；传动轴与凸轮盘和封板间同轴安装，由传动部件驱动转动；传动轴上套有大齿轮，大齿轮由安装于封板上的辅电机驱动转动。

上述传动轴上，位于大齿轮与凸轮盘之间开孔插入板簧，板簧垂直于传动轴，且传动轴相对两侧板簧长度相等。板簧两端活动连接有滚子；同时，在大齿轮与板簧间设置两个支点，两个支点前端分别于传动轴两侧板簧接触，另一端分别穿过传动轴两侧所设计滑道的平移滑槽后，安插于大齿轮上设计的两个阿基米德螺旋线槽内。

当大齿轮转动时，支点沿阿基米德螺旋线槽内移动，同时还在平移滑槽内滑动，从而改变支点与板簧间的接触点位置；当凸轮盘没有负载的时候，主电机带动传动轴转动进而带动固定在其上的板簧转动，连接在板簧上的滚子也跟随传动轴转动，此时由滚子带动凸轮盘跟随转动；当凸轮盘有负载的时候，主电机带动传动轴转动，传动轴带动板簧转动，板簧受到凸轮盘的挤压产生变形，使得传动轴与凸轮盘之间产生相对转角。

本发明可重构紧凑型变刚度驱动器，还包括角度传感器，包括第一编码器与第二编码器。其中，第一编码器安装在主电机上，用于测量主电机的绝对转角；第二编码器安装在凸轮盘上，用于测量凸轮盘的绝对转角，从而可以得到传动轴与凸轮盘之间的相对转角。

本发明的优点：

(1)本发明可重构紧凑型变刚度驱动器，采用基于变板簧有效作用长度的变支点杠杆原理，拥有较大的输出刚度调节范围和较低的能量消耗。

(2)本发明可重构紧凑型变刚度驱动器，在调定支点情况下，通过安装具有不同凹槽曲线的凸轮盘，可得到具有刚度渐增、刚度渐减与定刚度等不同刚度曲线的变刚度驱动器，使驱动器可重构而适用不同的场景；此外，还可以在传动轴上安装2根板簧，在凸轮盘上开4条凹槽，形成4组基于变支点杠杆原理的变刚度调节结构，来改变刚度调节的范围，可见，本发明的可重构型非常高。

(3)本发明可重构紧凑型变刚度驱动器，通过设计集成了板簧、支点平移滑槽的传动轴，仅需使用单个推力球轴承抵消掉了因板簧变形而产生的由传动部件施加给固定部件的轴向力，减少了零件的使用，整体结构简单紧凑，达到小型化的目的。