一種自鎖型關節並聯彈性驅動器的製作方法

2023-11-09 20:00:02

本發明屬於關節驅動器技術領域，特別涉及一種自鎖型關節並聯彈性驅動器。

背景技術：

關節驅動器是動力外骨骼和人形機器人中的必需原件，目前關節驅動器的小型化仍然是該領域的研發重點和難點。首先，關節驅動器輸出轉速一般並不高，需要由大減速比的減速機構來保證，這些減速器往往外形和重量較大，使得關節驅動器整體尺寸及重量也受到影響。其次，驅動動力外骨骼和人形機器人正常行走所需扭矩較大，較大的轉動扭矩需要電機本身具有較大功率和輸出扭矩，而一般電機機械性能與電機外形尺寸相關，較大的電機尺寸是限制目前關節驅動器小型化的主要原因。再次，目前移動穿戴式動力外骨骼和人形機器人多採用電池能源，受制於當前電池產業的發展，這些外骨骼和機器人工作時間有限，大大限制了其實際應用和推廣。而且，動力外骨骼和人形機器人在工作時往往接近於正常人體步態，在這種行進狀態下大量的能源被消耗在抵消垂直軸的重力波動上，真正應用於前向行走的能源所佔比例較小。如何在有限的電池供應下，減小驅動器功耗降低行走周期內的重力波動影響，一直是當前關節驅動器研發和外骨骼研究的重點。

早期動力外骨骼和一些人形機器人多採用液壓或氣壓驅動，其優點是可以將動力源放在遠離關節處而用液壓和氣壓管道將驅動能量引到驅動器處，以此可減小關節驅動器整體尺寸。但其缺點是能效比低、附屬管路及其他器件較多、控制複雜。當前電機驅動已成為關節驅動器領域的主流。主要常見的有電機+諧波減速器，電機+齒輪減速器，電機+齒輪齒條組合，電機+同步帶，電機+滾珠絲槓。如果按電機布置分又可以分為電機平行軸布置和電機垂直軸布置。電機平行軸布置時電機和減速器在同一軸線上，優點是直接套接機構簡單，缺點是軸向尺寸較大機構臃腫，除非採用盤式電機和諧波減速器的組合，否則這種方式難以兼顧尺寸和性能。但諧波減速器屬於精密減速器件其價格相比普通齒輪減速器高出許多。電機+同步帶方式也屬於平行軸布置，但同步帶減速比與帶輪直徑比相關，帶輪直徑又受制於關節驅動器尺寸因而無法做的很大，導致同步帶傳動無法獲得大減速比進而影響了其輸出扭矩。垂直軸布置時電機沿腿部方向布置，可以充分利用腿部空間，這種布置方式目前應用最廣的是電機+絲槓模式，但由於絲槓是將直線運動轉化為轉動進而驅動關節運動，存在轉動範圍有限的缺點。在控制方面還要實時計算反三角函數因而控制器運算負擔較大，造成控制複雜。此外，目前關節驅動器需要保證在無電或電機不轉時的穩定自鎖，主流方案多採用電機剎車。雖然這種方式可以保證驅動器的有效制動，但電機剎車本質上屬於電磁製動器，它需要額外的能源消耗且增加控制元件因而不利於機構的簡化。

技術實現要素：

針對現有技術不足，本發明提供了一種自鎖型關節並聯彈性驅動器。

一種自鎖型關節並聯彈性驅動器，其包括外殼、電機、減速機構和儲能機構；其中，

所述外殼主要由上殼和下殼連接組合而成；所述上殼，其左右兩側後下方為上殼連接部，該處呈圓形並向內凹陷，並在上殼的上部設有上肢連接平臺；所述下殼，其左右兩側的上部呈圓形且與上殼的凹陷處相對應，作為下殼連接部，並在下殼的下部設有下肢連接平臺；

所述電機由上殼支撐固定，採用垂直輸出軸的形式；

所述減速機構分為兩級，第一級減速機構採用大圓柱齒輪和小圓柱齒輪的嚙合機構，第二級減速機構採用蝸輪蝸杆嚙合機構；小圓柱齒輪與電機的輸出軸連接，大圓柱齒輪與小圓柱齒輪嚙合連接；上殼凹陷處的前側為蝸杆的安裝部，蝸杆的上下兩端分別通過軸承固定在蝸杆安裝部，且蝸杆的上端與大圓柱齒輪連接；輸出軸通過軸承與上殼連接，蝸輪與輸出軸連接，位於上殼凹陷處的內部；蝸杆與蝸輪之間嚙合連接；

所述儲能機構包括左右扭簧；在左右上殼連接部的外側壁上分別設有第一凸臺，並在第一凸臺的中心線處分別加工有第一固定槽；在左右下殼連接部的內側壁上分別設有第二凸臺與第一凸臺相對應，並在第二凸臺的中心線處分別加工有第二固定槽與第一固定槽相對應；輸出軸的左右兩端分別設有輸出軸平鍵，第一凸臺上設有中心通孔，第二凸臺上設有中心凹槽，並在中心凹槽側壁設有平鍵凹槽，輸出軸的左右兩端由第一凸臺的中心通孔穿出，並嵌入第二凸臺的中心凹槽內形成平鍵連接，從而使上殼與下殼之間形成連接；所述扭簧套裝在第一凸臺和第二凸臺上，其兩頭末端插入固定槽，分別布置在輸出軸的兩側。

優選地，所述下殼的內側壁上，沿第二凸臺的圓周加工有凹槽。

優選地，所述電機採用小直徑大長度的形式。

優選地，上肢連接平臺的尺寸較下肢連接平臺的尺寸大。

優選地，所述下肢連接平臺內部為中空結構。

優選地，所述上殼內設有支撐平臺，所述電機支撐在所述支撐平臺上。

在一種實施方式中，所述上殼由上左殼和上右殼連接組合而成；所述下殼由下左殼和下右殼連接組合而成。優選地，所述上左殼、上右殼、下左殼和下右殼分別為一體加工成型。

本發明的有益效果為：

本發明採用一體化設計，使減速器的外殼本身就是關節驅動器，與採用普通的電機、減速器、關節機械部分套接的方式相比，結構緊湊尺寸小。由於關節驅動器對橫向尺寸敏感，因而在減速器末級採用本身軸向尺寸就小的蝸輪，為安裝其他必要器件留出空間。而在遠離上下殼連接處的地方由於可使用橫向尺寸變大因而採用普通齒輪連接。這種不同部分採用不同齒輪減速方法的設計可以充分利用不同齒輪的特性以平衡驅動器不同部分的空間要求。電機採用垂直軸布置並使用細長軸電機，可以充分利用沿腿部縱向的空間而避免增加橫向尺寸。

採用普通齒輪減速和蝸輪蝸杆減速的配合方案，整體減速比可以接近諧波齒輪的水平，因而可以保證大扭矩的要求。此外，與普通電機+普通減速的垂直軸設計與盤式電機+諧波減速器的平行軸設計相比，本發明在橫向尺寸更小的情況下相對價格更低。第一級減速採用普通齒輪減速器的設計可以做到更靈活的配湊中心距。由於電機和蝸輪蝸杆選擇類型相對有限，而普通圓柱齒輪使用和加工方法都已經非常成熟，選擇性較多。第一級選擇普通圓柱齒輪可以根據不同的關節驅動器的要求，作為連接蝸輪蝸杆和電機的媒介靈活調配。第二級減速採用了蝸輪蝸杆，除了如前所述的蝸輪優異的大減速比同時較小的軸向尺寸外，還有其機械自鎖特性。採用機械自鎖比採用電機電磁剎車更為可靠，在電機不轉和失電情況下可以有效保證停在原位。此外，關節驅動器的外殼本身可以作為轉動範圍的機械限位，這在動力外骨骼領域尤為關鍵，作為膝關節驅動器時，伸展角被限制在0度，而彎曲角被限制在約120度，因而整個膝關節可在0～120度範圍內自由轉動，使得當出現電器及其他不可預測性的故障時有效保障使用者安全。此外由於一般蝸杆外徑大於蝸輪軸向尺寸，而驅動器外殼非蝸輪安裝處的軸向尺寸設計的高於上下殼連接處，蝸杆被安裝在此處以充分利用此處的空間。

為了將在正常行走時垂直向重力波動造成的能量消耗降到最小，本發明在上殼和下殼之間添加儲能機構。一般可採用的儲能機構是拉簧和扭簧。由於關節驅動器本身屬於旋轉器件，如果使用拉簧需要採用將旋轉角度變為線性移動的機械裝置，這會增加額外的機械結構，本發明在上殼和下殼連接處添加了左右兩塊扭簧以降低重力波動對能量的消耗。此外扭簧採用機械凸臺定位且儲能與扭轉角度直接相關，簡化了整體儲能結構。

附圖說明

圖1為實施例所述一種自鎖型關節並聯彈性驅動器的減速機構示意圖。

圖2為實施例所述一種自鎖型關節並聯彈性驅動器的儲能機構示意圖。

圖3為實施例所述一種自鎖型關節並聯彈性驅動器的整體外觀示意圖。

標號說明：

1-電機 2-電機固定螺栓

3-大圓柱齒輪 4-蝸杆軸承

5-蝸杆 6-輸出軸平鍵

7-小圓柱齒輪 8-蝸輪

9-蝸輪軸承 10-輸出軸

11-扭簧 12-第一凸臺

13-第一固定槽 14-凹槽

15-第二固定槽 16-第二凸臺

17-上肢連接平臺 18-上殼連接螺栓

19-下殼連接螺栓 20-下肢連接平臺

21-上左殼 22-上右殼

23-下左殼 24-下右殼

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

以下公開詳細的示範實施例。然而，應該強調的是，此處公開的具體結構和功能細節僅僅是出於描述示範實施例的目的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。

然而，應該理解，本發明不局限於公開的具體示範實施例，而是覆蓋落入本公開範圍內的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標記表示相同的元件。

同時應該理解，如在此所用的術語「和/或」包括一個或多個相關的列出項的任意和所有組合。另外應該理解，當部件或單元被稱為「連接」或「耦接」到另一部件或單元時，它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描述部件或單元之間關係的其他詞語應該按照相同的方式理解(例如，「之間」對「直接之間」、「相鄰」對「直接相鄰」等)。

如圖1-圖3所示，本發明具體實施方式中公開了一種用於動力外骨骼和人形機器人的自鎖型關節並聯彈性驅動器，此處描述的主要是膝關節驅動器，包括電機1、減速機構、儲能機構和外殼；其中，

關節驅動器外殼既是減速機構和儲能機構的外殼，也是電機1、減速機構、儲能機構的固定支架，同時也是連接動力外骨骼或人形機器人上肢和下肢(如股骨和脛骨)的連接器。外殼選用的材料為鋁合金，但並不限於此。外殼主要由上左殼21、上右殼22、下左殼23和下右殼24四部分連接組合而成，各部分採用一體成型加工。以右側膝關節為例，上左殼21和上右殼22通過三顆上殼連接螺栓18相向連接組合成上殼，下左殼23和下右殼24通過兩顆下殼連接螺栓19相向連接組合成下殼。所述上左殼21和上右殼22，其後下方的外側為上殼連接部，該處呈圓形並向內凹陷以儘可能的減小徑向尺寸。所述下左殼23和下右殼24，其上部呈圓形與上殼的凹陷處相對應，作為下殼連接部。通過將上殼連接部和下殼連接部連接實現上殼和下殼的連接。在上殼的上部銑出一上肢連接平臺17，用於連接動力外骨骼或人形機器人的上肢部分(如股骨)；在下殼的下部銑出一下肢連接平臺20，用於連接動力外骨骼或人形機器人的下肢部分(如脛骨)。由於下殼所需傳遞的力量較上殼小，因而下殼的尺寸可以相對於上殼的尺寸減小。為進一步減小重量，將下殼的下部內側切去一部分材料，形成內部中空的結構。

在上殼內部設有支撐平臺，電機1採用垂直輸出軸的形式並通過電機固定螺栓2固定在所述支撐平臺上。由於一般情況下電機功率和尺寸成正比，因而此處採用了小直徑大長度的永磁無刷外轉子電機，以儘可能的減小驅動器橫向尺寸而儘可能利用縱向空間。

減速機構分為兩級。第一級減速機構採用普通的大圓柱齒輪3和小圓柱齒輪7的嚙合機構，第二級減速機構採用蝸輪蝸杆嚙合機構。

上殼凹陷處上側部分由於尺寸寬裕因而用來安裝第一級減速機構。小圓柱齒輪7通過軸承固接在電機1的輸出軸上，大圓柱齒輪3與小圓柱齒輪7嚙合連接。上殼凹陷處的前側呈方形，其外部尺寸與關節驅動器整體尺寸保持一致，由於蝸杆5徑向尺寸一般大於蝸輪8的軸向尺寸，因而將此處作為蝸杆5的安裝部用來安裝蝸杆5，蝸杆5的上下兩端通過蝸杆軸承4固接在蝸杆5的安裝部，且蝸杆5的上端與大圓柱齒輪3連接。輸出軸10通過軸承與上殼連接，蝸輪8通過蝸輪軸承9固接在輸出軸10上，位於上殼凹陷處的內部。蝸杆5與蝸輪8之間嚙合連接。關節驅動器的橫向尺寸由電機1的直徑決定，前後向尺寸由蝸輪8的直徑決定，轉動範圍由第一級減速機構中圓柱齒輪的中心距決定。由於電機1和蝸輪蝸杆嚙合機構可選型號相對有限，而圓柱齒輪減速的應用成熟且豐富，第一級減速機構採用普通圓柱齒輪可在電機1和蝸輪蝸杆嚙合機構傳動確定的情況下更靈活的調配中心距，作為調整媒介連接電機1和蝸輪蝸杆嚙合機構。第二級減速機構採用蝸輪蝸杆嚙合機構主要是考慮到傳動換向和自鎖。雖然錐齒輪也可以換向但其軸向尺寸較大且傳動過程中會產生可觀的軸向載荷，而且無法自鎖。蝸輪蝸杆傳動軸向尺寸一般由蝸輪8的軸向尺寸決定因而相對較小，且不會造成太大的軸向載荷。蝸輪蝸杆嚙合機構另外一個有益的特性是可以機械自鎖，應用時無需在電機1上安裝電機剎車因而簡化了系統機電結構。

上殼凹陷處的橫向尺寸較小，留出來的橫向尺寸空間用於安裝儲能機構。儲能機構主要採用扭簧11，且左右各一個。上左殼21和上右殼22的上殼連接部的外側壁上分別加工有第一凸臺12，並在第一凸臺12的中心線處加工有第一固定槽13；下左殼23和下右殼24的下殼連接部的內側壁上分別加工有第二凸臺16與第一凸臺12相對應，並在第二凸臺16的中心線處加工有第二固定槽15與第一固定槽13相對應。輸出軸10的左右兩端分別設有輸出軸平鍵6，第一凸臺12上設有中心通孔，第二凸臺16上設有中心凹槽，並在中心凹槽側壁設有平鍵凹槽，輸出軸10的左右兩端由第一凸臺12的中心通孔穿出，並嵌入第二凸臺16的中心凹槽內形成平鍵連接，使得下殼與上殼之間形成轉動連接。上殼中蝸杆安裝部處的殼體後側與下殼連接部的圓形相切合，兩者相切合的圓弧部分為該關節驅動器的實際可轉動角度，以此實現對關節驅動器彎曲最大角的限位。扭簧11套裝在第一凸臺12和第二凸臺16上，由第一凸臺12和第二凸臺16實現扭簧11的內跳限位，在下左殼23和下右殼24的內側壁上，沿第二凸臺16的圓周加工有凹槽14以包裹扭簧11和限制扭簧11外跳。扭簧11的兩頭末端插入固定槽，採用拮抗布置方式布置在輸出軸10的兩側，實現11扭簧的扭轉固定。膝關節驅動器彎曲時，扭簧11被扭轉變形從而儲能，而伸展時扭簧11回位從而釋放能量。該設計與未有儲能設計的關節驅動器相比，可以儘可能的減小周期性重力波動對能量的消耗。

在動力外骨骼應用中，本發明的設計可以在出現電器或其他不可預測故障時保證使用者的安全。

需要說明的是，上述實施方式僅為本發明較佳的實施方案，不能將其理解為對本發明距離保護範圍的限制，在未脫離本發明構思前提下，對本發明所做的任何微小變化與修飾均屬於本發明的距離保護範圍。