[发明专利]基于压簧的线性串联弹性驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生驱动器，一般用于机器人领域。

背景技术

机器人与人或环境交互时，需要力控制技术。当前，机器人的力控制技术有：1.主动力控制技术，通过控制算法以及传感器信息来决定机器人关节的输入，使机器人对人或外部环境产生合适的输出力。2.被动力控制技术，通过设计弹性机构缓冲对外界的作用力。

驱动器是一种将其他形式的能量转化为力、力矩、速度或者转速的一种设备或机械装置。机器人驱动器应具备以下几方面特点：首先应该重量轻，输出功率大，能够拥有很高的能量密度，并且成本低。另外，与人或环境的交互过程中，拥有很好的力输出精度和较低的阻抗，以确保人的安全或环境不会受到破坏。最后，机器人在工作状态下，由于碰撞所产生的冲击能量应当通过一定的结构传递到驱动器中来，以提高机器人的抗冲载荷能力，避免机器人受到损伤。

现阶段，机器人力控制装置主要分为以下三类：直接驱动装置、齿轮驱动装置、绳索驱动装置。这些装置本身具有各自的不足。例如：直接驱动装置，将电机输出轴直接与负载连接起来，这种驱动方式的主要不足在于其本身输出力矩能力有限；齿轮减速装置，将电动机自身的高转速、低转矩转换为机器人所需要的低转速、高转矩。齿轮驱动装置往往存在着摩擦、齿轮间隙等非线性因素，并且增大了负载端的转动惯量，使驱动器整体力输出精度降低，抗冲击能力下降；绳索驱动装置，通过电机对线缆的拉动来驱动负载，该方式的主要不足体现在系统带宽较低且无法建立精确的模型，使其精度受到一定的限制。因此，研制出高能量密度，适应高带宽变化的力以及保持其稳定性的驱动器越来越受到重视，是机器人技术重点研究的领域之一。

传统的串联弹性驱动器，多采用扭簧直接串联于电机与负载之间，相较于压簧，扭簧本身的能量密度偏低。而目前存在的其他基于压簧的串联弹性驱动器，其机械结构导致驱动器力矩输出和电机与负载的相对角度间呈现复杂的非线性关系，从而导致驱动器本身的力控制难度增加，限制了其在机器人领域的应用。

发明内容

本发明的目的是在于提出一种新型的基于压簧的线性串联弹性驱动器，通过模型分析和设计，解决上述缺陷。

本发明是的技术方案如下：

基于压簧的线性串联弹性驱动器，包括伺服电机、驱动器底座、轴承、轴承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板、负载连接单元、输出轴、联轴器和编码器。所述的伺服电机固定在驱动器底座上，伺服电机输出端通过法兰盘与轴承滚动底盘固定相连，压簧固定底板相对轴承滚动底盘一侧通过三个细轴安装有三个轴承，轴承滚动底盘上有线性轨道(展开线为两条相交的直线段)，三个轴承分别安装在对应的轨道内，压簧固定底板的另一侧安装有三个铜柱(压簧固定底板圆周上开有三个螺纹孔，相邻两个螺纹孔间隔120°，每个螺纹孔处分别安装一个铜柱)，每个铜柱上各套装一个压簧，三个铜柱的末端由压簧固定顶板相应位置所开圆孔中穿过并可相对移动，压簧固定顶板上固定安装有输出轴，输出轴侧面安装有负载连接单元，负载连接单元留置负载安装孔，根据任务需求，不同的负载通过螺丝安装在负载连接单元上，输出轴的末端通过联轴器和编码器固定连接，编码器通过编码器底座固接在驱动器底座上。

本发明的优点在于，利用压簧设计了能量密度高的串联弹性驱动器，同时通过设计轴承滚动的轨道，使力输出呈现线性特性，便于实际应用于机器人领域中。

附图说明

图1是本发明基于压簧的线性串联弹性驱动器的实施示意简图。

图2是图1中轴承、轴承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板装配

后的实施示意简图。

图3是本发明力矩输出的模型推导示意图。

图1中，1伺服电机，2驱动器底座，3轴承滚动底盘，4线性轨道，5轴承，6压簧固定底板，7压簧、8铜柱，9压簧固定顶板，10输出轴，11负载连接单元，12联轴器，13编码器，14编码器底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述