基于壓簧的線性串聯彈性驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種仿生驅動器，一般用于機器人領域。
【背景技術】
[0002] 機器人與人或環境交互時，需要力控制技術。當前，機器人的力控制技術有：1·主 動力控制技術，通過控制算法以及傳感器信息來決定機器人關節的輸入，使機器人對人或 外部環境產生合適的輸出力。2.被動力控制技術，通過設計彈性機構緩沖對外界的作用力。
[0003] 驅動器是一種將其他形式的能量轉化為力、力矩、速度或者轉速的一種設備或機 械裝置。機器人驅動器應具備以下幾方面特點：首先應該重量輕，輸出功率大，能夠擁有很 高的能量密度，并且成本低。另外，與人或環境的交互過程中，擁有很好的力輸出精度和較 低的阻抗，以確保人的安全或環境不會受到破壞。最后，機器人在工作狀態下，由于碰撞所 產生的沖擊能量應當通過一定的結構傳遞到驅動器中來，以提高機器人的抗沖載荷能力， 避免機器人受到損傷。
[0004] 現階段，機器人力控制裝置主要分為以下三類：直接驅動裝置、齒輪驅動裝置、繩 索驅動裝置。這些裝置本身具有各自的不足。例如：直接驅動裝置，將電機輸出軸直接與負 載連接起來，這種驅動方式的主要不足在于其本身輸出力矩能力有限；齒輪減速裝置，將電 動機自身的高轉速、低轉矩轉換為機器人所需要的低轉速、高轉矩。齒輪驅動裝置往往存在 著摩擦、齒輪間隙等非線性因素，并且增大了負載端的轉動慣量，使驅動器整體力輸出精度 降低，抗沖擊能力下降；繩索驅動裝置，通過電機對線纜的拉動來驅動負載，該方式的主要 不足體現在系統帶寬較低且無法建立精確的模型，使其精度受到一定的限制。因此，研制出 高能量密度，適應高帶寬變化的力以及保持其穩定性的驅動器越來越受到重視，是機器人 技術重點研究的領域之一。
[0005] 傳統的串聯彈性驅動器，多采用扭簧直接串聯于電機與負載之間，相較于壓簧，扭 簧本身的能量密度偏低。而目前存在的其他基于壓簧的串聯彈性驅動器，其機械結構導致 驅動器力矩輸出和電機與負載的相對角度間呈現復雜的非線性關系，從而導致驅動器本身 的力控制難度增加，限制了其在機器人領域的應用。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是在于提出一種新型的基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，通過模型 分析和設計，解決上述缺陷。
[0007] 本發明是的技術方案如下：
[0008] 基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，包括伺服電機、驅動器底座、軸承、軸承滾動底 盤、壓簧、銅柱、壓簧固定底板、壓簧固定頂板、負載連接單元、輸出軸、聯軸器和編碼器。所 述的伺服電機固定在驅動器底座上，伺服電機輸出端通過法蘭盤與軸承滾動底盤固定相 連，壓簧固定底板相對軸承滾動底盤一側通過三個細軸安裝有三個軸承，軸承滾動底盤上 有線性軌道（展開線為兩條相交的直線段），三個軸承分別安裝在對應的軌道內，壓簧固定 底板的另一側安裝有三個銅柱（壓簧固定底板圓周上開有三個螺紋孔，相鄰兩個螺紋孔間 隔120 °，每個螺紋孔處分別安裝一個銅柱），每個銅柱上各套裝一個壓簧，三個銅柱的末 端由壓簧固定頂板相應位置所開圓孔中穿過并可相對移動，壓簧固定頂板上固定安裝有輸 出軸，輸出軸側面安裝有負載連接單元，負載連接單元留置負載安裝孔，根據任務需求，不 同的負載通過螺絲安裝在負載連接單元上，輸出軸的末端通過聯軸器和編碼器固定連接， 編碼器通過編碼器底座固接在驅動器底座上。
[0009] 本發明的優點在于，利用壓簧設計了能量密度高的串聯彈性驅動器，同時通過設 計軸承滾動的軌道，使力輸出呈現線性特性，便于實際應用于機器人領域中。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明基于壓簧的線性串聯彈性驅動器的實施示意簡圖。
[0011] 圖2是圖1中軸承、軸承滾動底盤、壓簧、銅柱、壓簧固定底板、壓簧固定頂板裝配
[0012] 后的實施示意簡圖。
[0013] 圖3是本發明力矩輸出的模型推導示意圖。
[0014] 圖1中，1伺服電機，2驅動器底座，3軸承滾動底盤，4線性軌道，5軸承，6壓簧固 定底板，7壓簧、8銅柱，9壓簧固定頂板，10輸出軸，11負載連接單元，12聯軸器，13編碼器， 14編碼器底座。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖對本發明做更詳細的描述
[0016] 結合圖1-3,本發明是一種由電機驅動的基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，伺服電 機1通過四個螺絲安裝在驅動器底座2的一端，電機輸出端法蘭盤通過兩個螺絲與軸承滾 動底盤3固定相連，壓簧固定底板6相對軸承滾動底盤一側底面伸出三個細軸，三個軸承5 分別安裝在三個細軸上，三個銅柱8安裝在壓簧固定底板6上的另一側（壓簧固定底板6 圓周上開有三個螺紋孔，相鄰兩個螺紋孔間隔120°，每個螺紋孔處分別安裝一個銅柱）， 三個壓簧7分別套在三個銅柱上，同時壓簧固定頂板9在壓簧固定底板銅柱所處的相應位 置分別開有銅柱可以穿過的圓孔，銅柱始終保持在該圓孔內進行上下運動，當壓簧處于原 長時，軸承位于滾動底盤線性軌道4 (展開線為兩條相交的直線段）的最低點位置（三個軸 承處于相同狀態），此時，銅柱8的圓柱軸心穿過該點。壓簧固定頂板9同時通過四個螺絲 與輸出軸10的一端固定相連，輸出軸10側面與負載連接單元11通過三個螺絲連接，輸出 軸10另一端通過聯軸器12與編碼器13固定連接在一起，編碼器13可以測量負載端的轉 動角度，編碼器13通過四個螺絲安裝在編碼器底座14上，同時編碼器底座14通過兩個螺 絲固接在驅動器底座2的另一端上。
[0017] 整套串聯彈性驅動器的動力傳遞過程為：動力源為伺服電機1，伺服電機輸出端 法蘭盤與軸承滾動底盤相連，這樣，伺服電機1轉動會帶動軸承滾動底盤2轉動，三個軸承 5就會沿軸承滾動底盤3上的一條線性軌道4滾動，由于軸承5與壓簧固定底板6相連，這 樣就使得壓簧7被壓縮，軸承滾動底盤3會對軸承5產生斜向的支持力，該支持力垂直于銅 柱軸心方向的分量會推動軸承5和與其連接的壓簧固定底板6轉動，同時安裝在壓簧固定 底板6上并伸入壓簧固定頂板9的銅柱8會帶動壓簧固定頂板9轉動，壓簧固定頂板會帶 動與其連接的驅動輸出軸10轉動，驅動輸出軸10帶動負載安裝單元11與安裝在其上的負 載轉動，聯軸器12連接驅動輸出軸10和編碼器13,編碼器13測得的角度為負載端轉動的 角度。
[0018] 結合圖2-3,本發明的力矩輸入輸出推導過程如下：假設軸承的半徑忽略不計， 設滾動底盤的半徑為c，壓簧的剛度系數為ks，線性軌道的斜率為k，當電機與負載間產 生轉角差議I時，會導致軸承滾動
；此時壓簧壓縮
|壓簧產生力為，
此時軌道法線與銅柱的軸向夾角Θ和軌道與軸向的法線夾角α相等，滿 足關系式tan0=tana=k，則驅動器產生的力矩為τ=3cFx=3cF
可知驅動器的力矩輸出與電機和負載的相對轉角呈線性關系。
[0019] 綜上所述，本發明的結構設計，可以充分保護驅動器，提高抗沖擊載荷的能力。而 且重量較輕，經濟性好。另外，通過對壓簧剛度系數的優化分析（共振頻率），可以根據實際 需求選擇壓簧，以達到符合機器人作業要求的輸出阻尼和輸出帶寬。
【主權項】
1. 基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，其特征是：包括伺服電機、驅動器底座、軸承、軸 承滾動底盤、壓簧、銅柱、壓簧固定底板、壓簧固定頂板、負載連接單元、輸出軸、聯軸器和編 碼器，所述的伺服電機固定在驅動器底座上，伺服電機輸出端通過法蘭盤與軸承滾動底盤 固定相連，壓簧固定底板相對軸承滾動底盤一側通過三個細軸安裝有三個軸承，軸承滾動 底盤上有線性軌道，三個軸承分別安裝在對應的軌道內，壓簧固定底板的另一側安裝有三 個銅柱，每個銅柱上各套裝一個壓簧，三個銅柱的末端由壓簧固定頂板相應位置所開圓孔 中穿過并可相對移動，壓簧固定頂板上固定安裝輸出軸，負載連接單元通過螺絲固定在輸 出軸側面并留置負載安裝孔，用以與負載相連接；輸出軸的末端通過聯軸器和編碼器固定 連接，編碼器通過編碼器底座固接在驅動器底座上。2. 根據權利要求1所述的基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，其特征在于所述負載連 接單元的力矩源于壓簧的形變，壓簧的形變源于軸承在軸承滾動底盤沿具有線性軌道的滾 動。3. 根據權利要求1或2所述的基于壓簧的線性串聯彈性驅動器，其特征在于所述的線 性軌道的展開線為兩條相交的直線段。
【專利摘要】本發明為一種基于壓簧的線性彈性驅動器，包括編碼器、伺服電機、驅動器底座、聯軸器、軸承、軸承滾動底盤、壓簧、銅柱、壓簧固定頂板和底板、輸出軸和負載連接單元，編碼器與驅動輸出軸相連測量負載端轉動的角度，伺服電機的法蘭盤與軸承滾動底盤相連，軸承滾動底盤上加工線性軌道，使得驅動器輸出力矩和電機與負載間相對轉角呈線性關系。壓簧固定底板上開有間隔120°的三個螺紋孔，每個螺紋孔處分別安裝銅柱，并將壓簧套裝在銅柱上，負載連接單元留置負載安裝孔。本發明是一種新型的高能量密度、線性化的彈性驅動器，為設計一種具有本質安全特性、具有關節緩沖能力的串聯彈性臂提供技術基礎，具有很高的研究價值和廣闊的應用前景。
【IPC分類】B25J9/12
【公開號】CN105397808
【申請號】CN201510945316
【發明人】劉景泰, 孫雷, 王萌, 尹偉, 董帥
【申請人】南開大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月15日