[发明专利]一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器

说明书

一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，该驱动器包括机架、动力输入及传动机构和输出机构。所述动力输入及传动机构包括电机、齿轮、齿条、齿条支架、连杆和滑块；所述输出机构包括输出圆筒、板簧、输出板和输出板连接件，板簧安装在输出圆筒上，且与滑块连接构成移动副；两输出板的一端固接在输出圆筒上，另一端通过输出圆柱固接在一起。本发明采用双电机并联对抗式的结构，使其输出响应更加迅速；采用板簧作为弹性元件使得驱动器变刚度模块结构变得简单，并且本发明结构紧凑、高度对称。

技术领域

本发明属于柔性驱动技术领域，特别涉及一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器。

背景技术

机器人领域的运动驱动方式主要有以下几种，如气压驱动、液压驱动以及电机驱动等。电机驱动因为其控制准确、调节精度高、响应迅速等优势成为一种主要的驱动方式。随着机器人技术的发展，康复机器人和仿生服务机器人的研发越来越受重视，这些机器人在人机交互过程的安全性和对环境的适应能力也有着更高的要求。而传统的电机驱动是刚性驱动，在人机交互过程中与环境发生刚性碰撞的可能性很大，并且对机器人造成机械性损伤，也可能对人体造成伤害。而采用变刚度柔性驱动器可以很好地解决这一问题。

变刚度柔性驱动器通过在传动环节中加入弹性元件，将驱动器的刚性输出变成柔性输出，并且可以实时改变刚度值。柔性驱动器可以利用弹性元件进行动能与势能的相互转化，降低了系统能耗，提高了能量的利用效率；通过引入弹性元件，也可以改善系统的动力学特性，使机器人的运动变得更协调、稳定、自然；利用弹性元件的缓冲作用，还可以避免机器人与环境的刚性碰撞，减轻机器人的零部件损伤，提高了机器人的寿命，同时也提高了人机交互的安全性。

发明专利CN104626196A公开了一种变刚度柔性驱动器，该驱动器包括机架，在机架上安装一动力输入轴，在动力输入轴上滑动地设置一滑套；动力输出轴与动力输入轴共轴，并由多个拉伸弹簧连接滑套和动力输出轴；动力输入轴可带动滑套转动，并使拉伸弹簧发生扭转，进而带动动力输出轴转动，实现动力的柔性输出；在机架上与动力输入轴平行地设置一丝杠，在丝杠上螺接一拨叉，拨叉的两个伸出臂插设到滑套的环形槽内；丝杠转动时，通过拨叉带动滑套沿滑动改变拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。该驱动器的结构不够紧凑，串联的电机控制方式使得驱动器的控制响应相对并联控制方式较慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，使其不仅具有更加快速的输出响应，更优秀的力学性能，而且使得驱动器结构更为简单、紧凑，从而可有效改善机器人的动力学特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于齿轮齿条传动的板簧式变刚度柔性驱动器，包括机架、动力输入及传动机构和输出机构，其特征在于：

所述动力输入及传动机构包括A电机、B电机、A齿轮、B齿轮、第一A齿条、第二A 齿条、第一B齿条、第二B齿条、第一A连杆、第二A连杆、第一B连杆、第二B连杆、第一滑块、第二滑块和齿条支架；A电机和B电机分别安装在机架的两侧；A电机和B电机的输出轴分别与A齿轮和B齿轮同轴连接；A齿轮轴和B齿轮轴的轴线位于同一直线上；第一A齿条和第二A齿条分别与A齿轮啮合且上下平行布置；第一B齿条和第二B齿条分别与B齿轮啮合且上下平行布置；四根齿条安装在齿条支架上，并与齿条支架构成四个移动副；第二A连杆和第一B连杆的一端分别与第二A齿条和第一B齿条的一端固接；第二 A连杆和第一B连杆的另一端分别通过转动副与第一滑块连接；第一A连杆和第二B连杆的一端分别与第一A齿条和第二B齿条的一端固接，第一A连杆和第二B连杆的另一端分别通过转动副与第二滑块连接；第一滑块和第二滑块关于A齿轮轴和B齿轮轴的轴线对称布置；所述输出机构包括第一板簧、第二板簧、输出圆筒、A输出板和B输出板和输出板连接件；第一板簧(和第二板簧的一端均固定安装在输出圆筒内壁上；第一滑块安装在第一板簧上，且与第一板簧构成移动副；第二滑块安装在第二板簧上，且与第二板簧构成移动副；A输出板和B输出板的一端分别固定在输出圆筒的两侧，另一端通过输出板连接件固接在一起。