[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

摘要

本发明公开了一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法，主要应用于康复医疗机器人，特别是针对外骨骼型下肢康复这种需要人机协同作业的机器人。本发明所设计的驱动器具有柔性驱动能力，相对于其它现有弹性驱动器，具有快速变刚度和阶跃变刚度的能力，结构相对简单紧凑，而且质量较轻。该驱动器能够减少外界的冲击，提高系统的能量利用效率和安全性，并且可以精准的测量系统的输出力矩。

主权项

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。