[发明专利]一种被动变刚度串联弹性驱动器

说明书

本发明公开一种被动变刚度串联弹性驱动器，通过电机组件产生扭矩，由传动组件带动与输出件周向位置固定的丝杠螺母转动，在工作过程中丝杠的旋转运动受到小腿的约束，因此螺母转动致使输出件移动。在外部载荷的作用下，输出件上套接的板簧端部滚针轴承沿输出件前端滑道滚动产生相对位移，体现出串联弹性特性。直线电位器可记录下所述凸轮与板簧间的相对位移，进而根据设计的刚度曲线，即变形‑力曲线计算得到施加于驱动器的外部负载，由于受力平衡，外部负载与驱动器输出的力相等。本发明驱动器刚度可随外部负载改变，与定刚度串联弹性驱动器相比，可保证低刚度时的力测量分辨率与高刚度时的控制带宽。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种被动变刚度串联弹性驱动器，可用于外骨骼机器人。

背景技术

传统的工业机器人为了实现精确控制工作空间中的位置和速度，减小运动误差，便于控制，多采用刚性驱动器进行驱动。然而，随着机器人技术的不断发展，机器人与环境以及人类之间的交互性能也日益提升，因此需要机器人具有一定的柔顺性与安全交互能力。1995年，麻省理工学院Gill A.Pratt提出了串联弹性驱动器的概念，通过在电机驱动端与负载端之间串联一个弹性元件，可将力控制问题转化为位置控制问题，极大地提高了力控制精度，同时还可以提高系统柔性，加强系统抗冲击性能，提升与外部环境交互的安全性。

外骨骼设备是一种可穿戴装置，主要应用于瘫痪病人的康复训练及正常人的助力行走。目前，国内外研究人员对下肢外骨骼设备的研究主要集中于刚性驱动外骨骼，且主要考虑对髋关节与膝关节的驱动，忽略了踝关节的重要作用。在关节中使用串联弹性驱动器可以实现精确的力/力矩控制，减小输出阻抗，提高人机交互安全性。然而现有串联弹性驱动器多采用刚度恒定的弹性体，很难同时实现高力控带宽与高力测量分辨率，且驱动器能量效率不高。为提升驱动器上述性能，可设计一种刚度随负载变化的被动变刚度串联弹性驱动器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种刚度可以调节的串联弹性驱动器，通过改变整个驱动器的等效刚度，进而实现刚度可控；测量驱动器在负载下弹性体的形变，即可获得驱动器的受力情况，实现力控制。

本发明被动变刚度串联弹性驱动器，包括背侧固定板、输入杆、输出件、丝杠组件、电机组件、传动组件、板簧组件与直线电位器。

所述输出件末端固定于背侧固定板中部，输出件前部两侧设计有对称的滑道；输出件前端设计有平台；平台与背侧固定板间安装有输入杆。

丝杠组件中，丝杠置于输出件中部通道内，丝杠前端用于连接小腿杆；丝杠螺母周向上通过轴承安装于平台上的轴承座内，使丝杠螺母与输出件间的轴向固定；丝杠螺母由电机组件驱动，传动组件传动实现旋转；

板簧组件套于输出件以及输入杆上；板簧组件具有相对的板簧以及板簧端部安装的滚针轴承，分别与输出件前部两侧滑道配合滑动；滚针轴承与板簧间的相对位移，由直线电位器测量。

由此通过上述电机组件产生一个扭矩并带动所述小带轮转动，所述小带轮通过所述同步带带动大带轮转动，所述大带轮带动所述丝杠螺母转动，在工作过程中所述丝杠旋转运动受到约束，所述螺母转动致使所述输出件移动。在外部载荷的作用下，滚针轴承与板簧之间受力，从而二者之间产生相对位移，进而体现出串联弹性特性。直线电位器可记录下所述凸轮与板簧间的相对位移，进而根据设计的刚度曲线，即变形-力曲线计算得到施加于驱动器的外部负载，由于受力平衡，外部负载与驱动器输出的力相等。

本发明的优点在于：

(1)本发明刚度可以调节的串联弹性驱动器，可针对设计需求，通过设计凸轮形状和板簧结构尺寸实现驱动器串联弹性部件刚度曲线定制化设计；

(2)本发明刚度可以调节的串联弹性驱动器，驱动器刚度可随外部负载改变，与定刚度串联弹性驱动器相比，可保证低刚度时的力测量分辨率与高刚度时的控制带宽；