雙並聯彈性驅動器的製作方法
2023-05-02 16:48:36 1
專利名稱：雙並聯彈性驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機構的驅動器，特別涉及一種用於機器人關節、基於力控制 的驅動器。
(二)
背景技術：
機器人在未知的環境操作中，能夠適應外部環境的力控制機器人是令人滿意 的。當前，機器人的力控制方法有1.主動控制法，通過控制算法以及感測的 外部信息來決定機器人關節的轉矩，使機器人對外部環境產生合適的作用力。2. 被動控制法，通過彈性緩衝裝置避免過大的衝擊作用力。本發明屬於一種被動控 製法驅動裝置，其特點是不能精確控制作用力，但是其適應的力變化帶寬非常大， 同時由於具有兩個並聯剛度，當外部衝擊力幅值變化很大時，具有良好的適應性。
驅動器作為一種設備或機械裝置，是將某種形式的能量或者轉化為機械力、 力矩，或者轉化為直線速度、旋轉速度。作為機器人用驅動器首先應該重量輕， 輸出功率大，能夠提供較高力或力矩，並且造價低。另外，與外部環境互動過程 中，在較寬的輸出力範圍內應有良好的力輸出特性的一致性，以免引起機器人本 身或與之接觸的外部設施的損害。最後，機器人在未知的環境工作時，所產生的 衝擊能量通過機器人結構傳遞到驅動器中，提高驅動器抗衝擊載荷能力，避免其 損傷是必需的。
現階段，力控制裝置主要有直接驅動裝置、齒輪驅動裝置、繩索驅動裝置等。 這些裝置本身有相互矛盾的性質。例如齒輪減速機構，將電動機的高轉速、低 轉矩轉換為機器人所需要的低轉速、高轉矩。但由於齒輪機構自身的摩擦、齒輪 間隙等非線性因素，以及增大了負載轉動慣量，使驅動器輸出力的精確度降低， 抗衝擊載荷能力下降。因此，研製出功率質量比大，適應高帶寬變化力以及保持 其穩定性的驅動器越來越受到重視，是機器人技術重點研發的領域之一。
GillAPratt等人設計的彈性驅動器，其結構特點是在動力源與負載之間裝有 一組彈簧，使其單獨承擔動力源的驅動力及負載的反作用力。而在生物肢體中, 軟組織(如肌、腱、軟骨)是加強剛度的組織。當負荷和變形增加時,相應的剛度也會隨著增加。生物肌肉的這種變剛度特性使得由肌肉組成的關節運動具有很好 的柔順性和適應性。該驅動器彈簧剛度隨著外界作用力的不同而變化,這一點是 其所做不到的。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有生物體肌肉特性，適應的力變化帶寬非常 大，當外部負載變化很大時具有良好的適應性的雙並聯彈性驅動器。
本發明的目的是這樣實現的它包括兩端固定在支架上的兩根導向杆， 一端 的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個 彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向杆上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動 板，彈簧驅動板通過驅動杆與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的 彈簧擋板之間設置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成並聯 排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導向杆上且與彈簧驅動板之間有段間隙。
本發明還可以包括
1、 所述的驅動器是伺服電機，所述的驅動杆是絲槓，伺服電機的輸出軸通 過連軸器與絲槓連為一體，所述的彈簧驅動板的中間是與絲槓相配合的螺母。
2、 所述的驅動器是液壓缸，所述的驅動杆是柱塞推桿，液壓缸的輸出杆通 過連接器與柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。
3、 兩根導向杆與兩根推桿交錯排布。
本發明通過驅動器帶動驅動杆、驅動杆帶動彈簧驅動板作直線往復運動以壓 縮彈簧。這樣，驅動器輸出力經過兩組不同剛度彈簧的緩衝帶動負載。這種結構 的設計，可以充分保護驅動器及齒系，提高抗衝擊載荷的能力。而且，該結構相 對簡單，容易製造，對驅動器的設計要求不高，重量較輕，經濟性好。另外，機 器人用驅動器要求力有低輸出阻尼及適應外部負載力的高帶寬變化，彈簧剛度對 這兩參數有重要影響。彈簧剛度係數減小可以更好地對外部負載力進行濾波，其 增大可以提高輸出帶寬。通過對兩串聯彈簧剛度係數的優化分析，選擇出不同剛 度彈簧，以達到符合機器人作業要求的輸出阻尼和輸出帶寬。
本發明的有意效果在於當驅動負載較小時，主要是剛度較小的彈簧起緩衝作 用，避免衝擊力過大，當驅動負載較大時剛度較小的彈簧將被完全壓縮，之後主 要由剛度較大的彈簧起緩衝作用，避免驅動帶寬受過大影響。(四)
圖1是本發明的第一種實施方式的結構示意圖； 圖2是圖1的俯視圖； 圖3是圖1的右視；
圖4是本發明的第二種實施方式的結構示意圖5是圖4的俯視圖6是圖4的右視；
圖7是本發明的控制方框圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
結合圖1至圖3，本發明的第一種實施方式是一種電機驅動雙並聯彈性驅動
器，其主要組成包括兩端固定在支架上的兩根導向杆9， 一端的支架上有兩個通 孔，兩根推桿8穿在通孔中，推桿上通過螺栓7固定有兩個彈簧擋板4，兩個彈 簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向杆上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板 6，彈簧驅動板通過驅動杆與安裝在支架上的驅動器1相連，彈簧驅動板與兩側 的彈簧擋板之間設置有彈簧，彈簧包括軟彈簧5和硬彈簧10，軟彈簧與硬彈簧 組成並聯排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導向杆上且與彈簧驅動板之間有 段間隙。驅動器l是伺服電機，驅動杆是絲槓3，伺服電機的輸出軸通過連軸器 2與絲槓連為一體，彈簧驅動板的中間是與絲槓相配合的螺母。兩根導向杆與兩 根推桿交錯排布。
其動力傳遞過程為動力源為一個伺服電機，該電機通過螺絲和支架固聯，電 機的輸出軸又通過連接器與絲槓連為一體。這樣，電機轉矩傳遞到絲槓。絲槓螺 母在導向杆導向作用下，只能沿絲槓軸線方向往復移動，這時傳遞到絲槓的轉矩 轉換為絲槓螺母壓縮彈簧的壓力。受壓的軟彈簧另一端壓在彈簧擋板(彈簧擋板 通過螺絲與推桿固聯在一起)，該時整個系統的剛度係數為軟彈簧的剛度；絲槓 螺母繼續壓縮一段距離，與硬彈簧(另一端與彈簧擋板固聯在一起)接觸，此時 絲槓螺母同時壓縮軟彈簧和硬彈簧，整個系統的剛度係數為軟彈簧和硬彈簧的剛
度之和。最後，作用到彈簧擋板的動力通過推桿向外輸出，作用在負載上。
結合圖4至圖6，本發明的第二種實施方式是一種液壓驅動雙並聯彈性驅動器，其驅動器l是液壓缸，驅動杆是柱塞推桿3，液壓缸的輸出杆通過連接器與 柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。其他部分與第一種具體實施方式
的 相同。
結合圖7，兩組並聯彈簧置於驅動器1與外部負載12之間，使其單獨承擔 驅動器的推力及負載12的反作用力，軟、硬彈簧5、 IO的壓縮量表示驅動器向 負載12輸出力的大小。力傳感器14通過測量作用在負載12的作用力而產生一 個力測量信號。控制器11將接收的力測量信號與給定信號13進行處理。基於控 製法則，控制器產生控制電機電流量的控制信號，使電機輸出期望轉矩以壓縮彈 簧或控制柱塞式液壓缸供給壓力的控制信號，使柱塞式液壓缸輸出期望推力以壓 縮彈簧。
權利要求
1、一種雙並聯彈性驅動器，它包括兩端固定在支架上的兩根導向杆，一端的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，其特徵是推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向杆上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板，彈簧驅動板通過驅動杆與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的彈簧擋板之間設置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成並聯排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導向杆上且與彈簧驅動板之間有段間隙。
2、 根據權利要求1所述的雙並聯彈性驅動器，其特徵是所述的驅動器是 伺服電機，所述的驅動杆是絲槓，伺服電機的輸出軸通過連軸器與絲槓連為一 體，所述的彈簧驅動板的中間是與絲槓相配合的螺母。
3、 根據權利要求1所述的雙並聯彈性驅動器，其特徵是所述的驅動器是 液壓缸，所述的驅動杆是柱塞推桿，液壓缸的輸出杆通過連接器與柱塞推桿相 連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的雙並聯彈性驅動器，其特徵是兩根導 向杆與兩根推桿交錯排布。
全文摘要
本發明是一種雙並聯彈性驅動器。包括兩端固定在支架上的兩根導向杆，一端的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向杆上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板，彈簧驅動板通過驅動杆與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的彈簧擋板之間設置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成並聯排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導向杆上且與彈簧驅動板之間有段間隙。本發明當驅動負載較小時，主要是剛度較小的彈簧起緩衝作用，避免衝擊力過大，當驅動負載較大時剛度較小的彈簧將被完全壓縮，之後主要由剛度較大的彈簧起緩衝作用，避免驅動帶寬受過大影響。
文檔編號F16H35/00GK101318330SQ20081006491
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月14日 優先權日2008年7月14日
發明者揚 宋, 博 尹, 席承菊, 朱宏業, 偉 李, 剛 王, 王成軍, 王立權, 穆星科, 馬洪文 申請人:哈爾濱工程大學