刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置

摘要

本发明涉及一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置。本装置包括刚度调节机构、刚柔切换机构和传动机构。刚度调节电机通过刚度调节机构控制滑块在刚度调节机构上的位移来改变压缩弹簧与输出轴轴心的距离，从而调节驱动器刚度的大小；通过刚柔切换机构中环形电磁铁控制下卡盘轴向移动使其与上卡盘实现卡紧与分离，实现刚柔自动切换功能；主电机通过传动机构控制输出轴的输出。本发明用于机器人关节的柔性驱动，不必通过增加传感器在控制上实现驱动系统的柔顺性，从而在人机交互过程中提高人的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置，用于机器人关节的柔性驱动，属于机器人领域。

背景技术

在机器人领域，常采用电机驱动来控制机器人关节的运动。电机驱动具有精度高、控制准确、响应迅速的优点，但由于电机驱动机构是纯刚性，不利于在人机交换的过程中人与机器人的安全，减少了人机互动的可能性。

随着机器人技术的不断发展，越来越多的研究者将机器人技术运用到康复、照顾老人与残疾人、搬运等与人密切接触的领域中来，要求机器人与人能够和谐相处，使得机器人的设计必须具有足够的安全性，这就要求机器人关节运动具有一定的柔顺性。对于传统电机驱动的纯刚性常见的解决方法是增加传感器，在控制上实现驱动系统的柔性，但却增加了控制上的难度以及导致了信号处理延迟等不可靠问题的出现。因此，具有柔性的驱动器成为机器人驱动系统更好的选择。

目前，国内外关于柔性驱动器的研究基本上分为拮抗式和系列化设计两类。拮抗式设计偏向于气动人工肌肉和非线性弹簧的设计与研究，气动人工肌肉的变形为非线性，使准确控制位移十分困难，非线性弹簧在设计以及制造加工中存在误差，很难获得理想的非线性关系；系列化设计分为通过改变位置来调整刚度和改变弹簧的初始力来调整刚度。虽然相关的系列化设计达到了变刚度柔性驱动的要求，但不具有刚柔自动切换功能，在面对突发状况时刚度不足，不具有足够的安全性。并且有一些结构不具有互换性，只能应用于特定的驱动结构，限制了应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置，以解决一直以来机器人驱动系统柔性控制存在的缺陷以及安全隐患。

为解决上述技术问题本发明的构思是：

一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器，它主要由一刚度调节电机通过刚度调节机构控制滑块在基体上的位移来改变压缩弹簧与输出轴轴心的距离从而调节机构刚度的大小；由环形电磁铁的吸合，来控制下卡盘沿定位中心的轴向移动使其与上卡盘实现卡紧与分离从而实现刚柔自动切换功能。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置，包括刚度调节机构、刚柔切换机构和传动机构， 

1）所述刚度调节机构由刚度调节电机、谐波减速器、小齿轮轴、底端盖板、第一小齿轮、大齿轮、轴承、基体、锥齿轮轴、第二小齿轮、小锥齿轮、大锥齿轮、刚度调节轴、套筒、刚度调节轴固定块、滑块、弹簧安装轴、线性压缩弹簧、弹簧滑块、输出轴连接杆、输出轴定位中心、输出轴组成，所述刚度调节电机与小齿轮轴通过谐波减速器相连，所述小齿轮轴通过轴承安装在底端盖板上，所述第一小齿轮与小齿轮轴为过盈连接，所述大齿轮通过轴承安装在基体的轴上，所述大齿轮下端与第一小齿轮相啮合，上端与第二小齿轮相啮合；所述第二小齿轮与小锥齿轮为整体式且通过轴承安装在锥齿轮轴上，所述锥齿轮轴通过过盈连接固定安装在基体上，所述大锥齿轮与刚度调节轴为过盈连接，所述套筒与刚度调节轴为间隙配合，用来调节大锥齿轮轴向位置，所述基体开有燕尾槽，刚度调节轴固定块通过螺钉固定安装在基体燕尾槽两端，所述刚度调节轴与两刚度调节轴固定块通过旋转副连接，所述刚度调节轴与左侧滑块通过左旋螺纹连接、与右侧滑块通过右旋螺纹连接，所述滑块在燕尾槽内由刚度调节轴的转动向两侧移动，所述线性压缩弹簧、弹簧滑块与弹簧安装轴通过圆柱形移动副连接，线性压缩弹簧左右两端分别与滑块弹簧滑块直接接触，所述弹簧安装轴与滑块通过螺纹连接，所述输出轴连接杆与输出轴为过盈连接，所述弹簧滑块与输出轴连接杆相接触，所述基体带动滑块、弹簧滑块转动，推动输出轴连接杆转动，输出轴连接杆带动输出轴转动，弹簧滑块受到输出轴连接杆的推力作用从而使线性压缩弹簧压缩，因此系统具有柔性；所述刚度调节轴与左侧滑块通过左旋螺纹连接、与右侧滑块通过右旋螺纹连接，大锥齿轮带动刚度调节轴转动，左右两滑块沿刚度调节轴轴向移动，弹簧滑块与输出轴连接杆接触位置发生改变，因此系统的刚度发生改变，通过刚度调节电机控制弹簧滑块与输出轴连接杆的接触位置，实现对系统刚度大小的控制；

2）所述刚柔切换机构由输出轴定位中心、输出轴、顶端盖板、环形电磁铁、吸铁块、上卡盘、下卡盘、拉伸弹簧组成，所述输出轴定位中心通过螺钉安装在基体中心位置，输出轴定位中心上端开有孔，与输出轴下端组成转动副，所述输出轴上端通过轴承安装在顶端盖板上上，所述上卡盘与输出轴为过盈连接，所述下卡盘与输出轴定位中心采用正六边形型面连接，下卡盘沿输出轴定位中心轴向移动，所述环形电磁铁与顶端盖板为螺钉连接，所述吸铁块与下卡盘为焊接，下卡盘底端与拉伸弹簧相连，拉伸弹簧底端与输出轴定位中心相连，所述环形电磁铁处于常闭状态，工作时吸引吸铁块向上移动带动下卡盘向上移动与上卡盘相互卡紧，此时输出轴与基体为刚性连接，系统不具有柔性，所述环形电磁铁断电后，下卡盘在拉伸弹簧的拉力作用下下移，使系统恢复柔性；

3）所述传动机构由主电机、谐波减速器、滚针轴承、外壳组成，所述主电机通过谐波减速器与基体的输入轴相连接，所述基体与滚针轴承内圈固定，所述滚针轴承外圈安装在外壳上。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点：

本刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器能够通过机械结构实现刚度的调节和刚柔自动切换功能。首先，刚度调节机构能够实现主电机和输出轴之间的刚度调节；其次，刚柔切换机构能够实现主电机和输出轴之间的刚柔切换功能；另外，此装置结构简单，易于控制，可直接安装在机械关节上，不必通过增加传感器在控制上实现驱动系统的柔性。

附图说明

图1是刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器总图。

图2、图3是刚度调节机构示意图。

图4是刚柔切换机构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

如图1至图4所示，一种刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器装置，包括刚度调节机构、刚柔切换机构和传动机构：

1）所述刚度调节机构由刚度调节电机1、谐波减速器2、小齿轮轴3、底端盖板4、第一小齿轮5、大齿轮6、轴承7、基体8、锥齿轮轴9、第二小齿轮10、小锥齿轮11、大锥齿轮12、刚度调节轴13、套筒14、刚度调节轴固定块15、滑块16、弹簧安装轴17、线性压缩弹簧18、弹簧滑块19、输出轴连接杆20、输出轴22组成，所述刚度调节电机1与小齿轮轴3通过谐波减速器2相连，所述小齿轮轴3通过轴承安装在底端盖板4上，所述第一小齿轮5与小齿轮轴3为过盈连接，所述大齿轮6通过轴承7安装在基体8的轴上，所述大齿轮6下端与第一小齿轮5相啮合，上端与第二小齿轮10相啮合；所述第二小齿轮10与小锥齿轮11为整体式且通过轴承安装在锥齿轮轴9上，所述锥齿轮轴9通过过盈连接固定安装在基体8上，所述大锥齿轮12与刚度调节轴13为过盈连接，所述套筒14与刚度调节轴13为间隙配合，用来调节大锥齿轮12轴向位置，所述基体8开有燕尾槽，刚度调节轴固定块15通过螺钉固定安装在基体8燕尾槽两端，所述刚度调节轴13与两刚度调节轴固定块15通过旋转副连接，所述刚度调节轴13与左侧滑块16通过左旋螺纹连接、与右侧滑块16通过右旋螺纹连接，所述滑块16在燕尾槽内由刚度调节轴13的转动向两侧移动；所述线性压缩弹簧18、弹簧滑块19与弹簧安装轴17通过圆柱形移动副连接，线性压缩弹簧18左右两端分别与滑块16弹簧滑块19直接接触，所述弹簧安装轴17与滑块16通过螺纹连接，所述输出轴连接杆20与输出轴22为过盈连接，所述弹簧滑块19与输出轴连接杆20相接触；所述基体8带动滑块16、弹簧滑块19转动，推动输出轴连接杆20转动，输出轴连接杆20带动输出轴22转动，弹簧滑块19受到输出轴连接杆20的推力作用从而使线性压缩弹簧18压缩，因此系统具有柔性；所述刚度调节轴13与左侧滑块16通过左旋螺纹连接、与右侧滑块16通过右旋螺纹连接，大锥齿轮12带动刚度调节轴13转动，左右两滑块16沿刚度调节轴13轴向移动，弹簧滑块19与输出轴连接杆20接触位置发生改变，因此系统的刚度发生改变，通过刚度调节电机1控制弹簧滑块19与输出轴连接杆20的接触位置，实现对系统刚度大小的控制；

2）所述刚柔切换机构由输出轴定位中心21、输出轴22、顶端盖板23、环形电磁铁24、吸铁块25、上卡盘26、下卡盘27、拉伸弹簧28组成，所述输出轴定位中心21通过螺钉安装在基体8中心位置，输出轴定位中心21上端开有孔，与输出轴22下端组成转动副，所述输出轴22上端通过轴承安装在顶端盖板上23上，所述上卡盘26与输出轴22为过盈连接，所述下卡盘27与输出轴定位中心21采用正六边形型面连接，下卡盘27沿输出轴定位中心21轴向移动，所述环形电磁铁24与顶端盖板23为螺钉连接，所述吸铁块25与下卡盘27为焊接，下卡盘27底端与拉伸弹簧28相连，拉伸弹簧28底端与输出轴定位中心21相连，所述环形电磁铁24处于常闭状态，工作时吸引吸铁块25向上移动带动下卡盘27向上移动与上卡盘26相互卡紧，此时输出轴22与基体8为刚性连接，系统不具有柔性，所述环形电磁铁24断电后，下卡盘27在拉伸弹簧28的拉力作用下下移，使系统恢复柔性；

3）所述传动机构由主电机29、谐波减速器30、滚针轴承31、外壳32组成，所述主电机29通过谐波减速器30与基体8的输入轴相连接，所述基体8与滚针轴承31内圈固定，所述滚针轴承31外圈安装在外壳32上。

本刚柔自动切换可变刚度柔性驱动器使用调整过程如下：

参见图3，环形电磁铁24断电，处于常闭状态。基体8绕轴心转动带动滑块16绕轴心转动，安装在滑块16上的弹簧滑块19跟随滑块16一起绕轴心转动，由于弹簧滑块19跟输出轴连接杆20接触，因此弹簧滑块19推动输出轴连接杆20绕输出轴轴心一起转动并沿弹簧安装轴17轴向压缩弹簧18，弹簧18的压缩使基体8与输出轴22之间具有柔性，使系统具有了柔性。

参见图2，环形电磁铁24断电，处于常闭状态，系统具有柔性。刚度调节电机1通过谐波减速器2带动第一小齿轮5转动，第一小齿轮5通过大齿轮6、第二小齿轮10和小锥齿轮11、大锥齿轮12带动刚度调节轴13转动，刚度调节轴13与左侧滑块16通过左旋螺纹连接，与右侧滑块16通过右旋螺纹连接，因此左右两滑块16随刚度调节轴13的转动相向或背向移动，滑块16的移动改变线性压缩弹簧18与输出轴22轴心的距离，因此改变了系统刚度，实现了系统可变刚度的调节。

参见图1，环形电磁铁24断电，处于常闭状态，系统具有柔性。主电机29通过谐波减速器30带动基体8在滚针轴承31上转动，基体8通过刚度调节机构推动输出轴连接杆20带动输出轴22转动，实现了主电机29到输出轴22的输入输出；此时大锥齿轮12跟随基体8转动，经过刚度调节机构带动刚度调节电机1被动转动，刚度调节电机1的被动转动不影响滑块16的移动。

参见图4，环形电磁铁24通电，吸合吸铁块25带动下卡盘27沿输出轴定位中心21向上运动与上卡盘26卡紧，由于输出轴定位中心21与基体8由螺钉固定连接，下卡盘27输出轴定位中心21采用正六边形型面连接，因此此时输出轴22与基体8不能发生相对转动，系统具有纯刚度，当环形电磁铁24断电，下卡盘27在拉伸弹簧28的拉力作用下向下运动与上卡盘26分离，系统恢复柔性。