一种自锁型关节并联弹性驱动器制造技术

本发明专利技术涉及一种自锁型关节并联弹性驱动器。采用电机垂直轴布置，减速器外壳本身属于驱动器的一部分而非电机减速的普通套接。第二级减速机构采用蜗轮蜗杆机构，降低横向尺寸并满足机械自锁。上壳与下壳的连接处横向尺寸小以安装蜗轮，而其他部分安装蜗杆和第一级减速机构。第一级减速机构采用普通圆柱齿轮传动以在蜗轮蜗杆和电机型号确定的情况下根据不同要求调整中心距，尽可能的扩大关节驱动器的转动范围。关节驱动器的最大弯曲角和最大伸展角被外壳尺寸限制以保护外骨骼使用者安全。储能机构采用扭簧，布置在上下壳的连接处并由机械凸台定位。蜗轮轴作为输出轴使上壳与下壳连接，下壳与上壳分别与动力外骨骼或人形机器人的下肢和上肢相连。

Self locking type joint parallel elastic actuator

The invention relates to a self locking joint parallel elastic actuator. Using the motor vertical shaft arrangement, the reducer housing itself is part of the drive, rather than motor slow down the common sleeve. The second speed reduction mechanism adopts worm gear mechanism to reduce the transverse dimension and satisfy the mechanical self-locking. The connecting position between the upper shell and the lower shell is small in order to install the worm gear, while the other part is provided with a worm and a first speed reducing mechanism. The first stage reduction mechanism adopts ordinary cylindrical gear drive, so as to adjust the center distance according to different requirements in the case of worm gear, worm and motor model, so as to expand the rotation range of the joint driver as much as possible. The maximum bending angle and maximum extension angle of the joint drive are limited by the size of the enclosure to protect the exoskeleton user. The energy storage mechanism adopts a torsion spring arranged at the connecting position of the upper and lower shells and is positioned by a mechanical boss. The worm wheel shaft is used as an output shaft to connect the upper shell to the lower shell, and the lower shell and the upper shell are respectively connected with the lower limb and the upper limb of the power exoskeleton or the humanoid robot.

【技术实现步骤摘要】
一种自锁型关节并联弹性驱动器
本专利技术属于关节驱动器
，特别涉及一种自锁型关节并联弹性驱动器。
技术介绍
关节驱动器是动力外骨骼和人形机器人中的必需原件，目前关节驱动器的小型化仍然是该领域的研发重点和难点。首先，关节驱动器输出转速一般并不高，需要由大减速比的减速机构来保证，这些减速器往往外形和重量较大，使得关节驱动器整体尺寸及重量也受到影响。其次，驱动动力外骨骼和人形机器人正常行走所需扭矩较大，较大的转动扭矩需要电机本身具有较大功率和输出扭矩，而一般电机机械性能与电机外形尺寸相关，较大的电机尺寸是限制目前关节驱动器小型化的主要原因。再次，目前移动穿戴式动力外骨骼和人形机器人多采用电池能源，受制于当前电池产业的发展，这些外骨骼和机器人工作时间有限，大大限制了其实际应用和推广。而且，动力外骨骼和人形机器人在工作时往往接近于正常人体步态，在这种行进状态下大量的能源被消耗在抵消垂直轴的重力波动上，真正应用于前向行走的能源所占比例较小。如何在有限的电池供应下，减小驱动器功耗降低行走周期内的重力波动影响，一直是当前关节驱动器研发和外骨骼研究的重点。早期动力外骨骼和一些人形机器人多采用液压或气压驱动，其优点是可以将动力源放在远离关节处而用液压和气压管道将驱动能量引到驱动器处，以此可减小关节驱动器整体尺寸。但其缺点是能效比低、附属管路及其他器件较多、控制复杂。当前电机驱动已成为关节驱动器领域的主流。主要常见的有电机+谐波减速器，电机+齿轮减速器，电机+齿轮齿条组合，电机+同步带，电机+滚珠丝杠。如果按电机布置分又可以分为电机平行轴布置和电机垂直轴布置。电机平行轴布置时电机和减速器在同一轴线上，优点是直接套接机构简单，缺点是轴向尺寸较大机构臃肿，除非采用盘式电机和谐波减速器的组合，否则这种方式难以兼顾尺寸和性能。但谐波减速器属于精密减速器件其价格相比普通齿轮减速器高出许多。电机+同步带方式也属于平行轴布置，但同步带减速比与带轮直径比相关，带轮直径又受制于关节驱动器尺寸因而无法做的很大，导致同步带传动无法获得大减速比进而影响了其输出扭矩。垂直轴布置时电机沿腿部方向布置，可以充分利用腿部空间，这种布置方式目前应用最广的是电机+丝杠模式，但由于丝杠是将直线运动转化为转动进而驱动关节运动，存在转动范围有限的缺点。在控制方面还要实时计算反三角函数因而控制器运算负担较大，造成控制复杂。此外，目前关节驱动器需要保证在无电或电机不转时的稳定自锁，主流方案多采用电机刹车。虽然这种方式可以保证驱动器的有效制动，但电机刹车本质上属于电磁制动器，它需要额外的能源消耗且增加控制元件因而不利于机构的简化。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供了一种自锁型关节并联弹性驱动器。一种自锁型关节并联弹性驱动器，其包括外壳、电机、减速机构和储能机构；其中，所述外壳主要由上壳和下壳连接组合而成；所述上壳，其左右两侧后下方为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷，并在上壳的上部设有上肢连接平台；所述下壳，其左右两侧的上部呈圆形且与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部，并在下壳的下部设有下肢连接平台；所述电机由上壳支撑固定，采用垂直输出轴的形式；所述减速机构分为两级，第一级减速机构采用大圆柱齿轮和小圆柱齿轮的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构；小圆柱齿轮与电机的输出轴连接，大圆柱齿轮与小圆柱齿轮啮合连接；上壳凹陷处的前侧为蜗杆的安装部，蜗杆的上下两端分别通过轴承固定在蜗杆安装部，且蜗杆的上端与大圆柱齿轮连接；输出轴通过轴承与上壳连接，蜗轮与输出轴连接，位于上壳凹陷处的内部；蜗杆与蜗轮之间啮合连接；所述储能机构包括左右扭簧；在左右上壳连接部的外侧壁上分别设有第一凸台，并在第一凸台的中心线处分别加工有第一固定槽；在左右下壳连接部的内侧壁上分别设有第二凸台与第一凸台相对应，并在第二凸台的中心线处分别加工有第二固定槽与第一固定槽相对应；输出轴的左右两端分别设有输出轴平键，第一凸台上设有中心通孔，第二凸台上设有中心凹槽，并在中心凹槽侧壁设有平键凹槽，输出轴的左右两端由第一凸台的中心通孔穿出，并嵌入第二凸台的中心凹槽内形成平键连接，从而使上壳与下壳之间形成连接；所述扭簧套装在第一凸台和第二凸台上，其两头末端插入固定槽，分别布置在输出轴的两侧。优选地，所述下壳的内侧壁上，沿第二凸台的圆周加工有凹槽。优选地，所述电机采用小直径大长度的形式。优选地，上肢连接平台的尺寸较下肢连接平台的尺寸大。优选地，所述下肢连接平台内部为中空结构。优选地，所述上壳内设有支撑平台，所述电机支撑在所述支撑平台上。在一种实施方式中，所述上壳由上左壳和上右壳连接组合而成；所述下壳由下左壳和下右壳连接组合而成。优选地，所述上左壳、上右壳、下左壳和下右壳分别为一体加工成型。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用一体化设计，使减速器的外壳本身就是关节驱动器，与采用普通的电机、减速器、关节机械部分套接的方式相比，结构紧凑尺寸小。由于关节驱动器对横向尺寸敏感，因而在减速器末级采用本身轴向尺寸就小的蜗轮，为安装其他必要器件留出空间。而在远离上下壳连接处的地方由于可使用横向尺寸变大因而采用普通齿轮连接。这种不同部分采用不同齿轮减速方法的设计可以充分利用不同齿轮的特性以平衡驱动器不同部分的空间要求。电机采用垂直轴布置并使用细长轴电机，可以充分利用沿腿部纵向的空间而避免增加横向尺寸。采用普通齿轮减速和蜗轮蜗杆减速的配合方案，整体减速比可以接近谐波齿轮的水平，因而可以保证大扭矩的要求。此外，与普通电机+普通减速的垂直轴设计与盘式电机+谐波减速器的平行轴设计相比，本专利技术在横向尺寸更小的情况下相对价格更低。第一级减速采用普通齿轮减速器的设计可以做到更灵活的配凑中心距。由于电机和蜗轮蜗杆选择类型相对有限，而普通圆柱齿轮使用和加工方法都已经非常成熟，选择性较多。第一级选择普通圆柱齿轮可以根据不同的关节驱动器的要求，作为连接蜗轮蜗杆和电机的媒介灵活调配。第二级减速采用了蜗轮蜗杆，除了如前所述的蜗轮优异的大减速比同时较小的轴向尺寸外，还有其机械自锁特性。采用机械自锁比采用电机电磁刹车更为可靠，在电机不转和失电情况下可以有效保证停在原位。此外，关节驱动器的外壳本身可以作为转动范围的机械限位，这在动力外骨骼领域尤为关键，作为膝关节驱动器时，伸展角被限制在0度，而弯曲角被限制在约120度，因而整个膝关节可在0～120度范围内自由转动，使得当出现电器及其他不可预测性的故障时有效保障使用者安全。此外由于一般蜗杆外径大于蜗轮轴向尺寸，而驱动器外壳非蜗轮安装处的轴向尺寸设计的高于上下壳连接处，蜗杆被安装在此处以充分利用此处的空间。为了将在正常行走时垂直向重力波动造成的能量消耗降到最小，本专利技术在上壳和下壳之间添加储能机构。一般可采用的储能机构是拉簧和扭簧。由于关节驱动器本身属于旋转器件，如果使用拉簧需要采用将旋转角度变为线性移动的机械装置，这会增加额外的机械结构，本专利技术在上壳和下壳连接处添加了左右两块扭簧以降低重力波动对能量的消耗。此外扭簧采用机械凸台定位且储能与扭转角度直接相关，简化了整体储能结构。附图说明图1为实施例所述一种自锁型关节并联弹性驱动器的减速机构示意图。图2为实施例所述一种自锁型关节并联弹性驱动器的储能机构示意图。图3为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，包括外壳、电机、减速机构和储能机构；其中，所述外壳主要由上壳和下壳连接组合而成；所述上壳，其左右两侧后下方为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷，并在上壳的上部设有上肢连接平台；所述下壳，其左右两侧的上部呈圆形且与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部，并在下壳的下部设有下肢连接平台；所述电机由上壳支撑固定，采用垂直输出轴的形式；所述减速机构分为两级，第一级减速机构采用大圆柱齿轮和小圆柱齿轮的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构；小圆柱齿轮与电机的输出轴连接，大圆柱齿轮与小圆柱齿轮啮合连接；上壳凹陷处的前侧为蜗杆的安装部，蜗杆的上下两端分别通过轴承固定在蜗杆安装部，且蜗杆的上端与大圆柱齿轮连接；输出轴通过轴承与上壳连接，蜗轮与输出轴连接，位于上壳凹陷处的内部；蜗杆与蜗轮之间啮合连接；所述储能机构包括左右扭簧；在左右上壳连接部的外侧壁上分别设有第一凸台，并在第一凸台的中心线处分别加工有第一固定槽；在左右下壳连接部的内侧壁上分别设有第二凸台与第一凸台相对应，并在第二凸台的中心线处分别加工有第二固定槽与第一固定槽相对应；输出轴的左右两端分别设有输出轴平键，第一凸台上设有中心通孔，第二凸台上设有中心凹槽，并在中心凹槽侧壁设有平键凹槽，输出轴的左右两端由第一凸台的中心通孔穿出，并嵌入第二凸台的中心凹槽内形成平键连接，从而使上壳与下壳之间形成连接；所述扭簧套装在第一凸台和第二凸台上，其两头末端插入固定槽，分别布置在输出轴的两侧。...

【技术特征摘要】
1.一种自锁型关节并联弹性驱动器，其特征在于，包括外壳、电机、减速机构和储能机构；其中，所述外壳主要由上壳和下壳连接组合而成；所述上壳，其左右两侧后下方为上壳连接部，该处呈圆形并向内凹陷，并在上壳的上部设有上肢连接平台；所述下壳，其左右两侧的上部呈圆形且与上壳的凹陷处相对应，作为下壳连接部，并在下壳的下部设有下肢连接平台；所述电机由上壳支撑固定，采用垂直输出轴的形式；所述减速机构分为两级，第一级减速机构采用大圆柱齿轮和小圆柱齿轮的啮合机构，第二级减速机构采用蜗轮蜗杆啮合机构；小圆柱齿轮与电机的输出轴连接，大圆柱齿轮与小圆柱齿轮啮合连接；上壳凹陷处的前侧为蜗杆的安装部，蜗杆的上下两端分别通过轴承固定在蜗杆安装部，且蜗杆的上端与大圆柱齿轮连接；输出轴通过轴承与上壳连接，蜗轮与输出轴连接，位于上壳凹陷处的内部；蜗杆与蜗轮之间啮合连接；所述储能机构包括左右扭簧；在左右上壳连接部的外侧壁上分别设有第一凸台，并在第一凸台的中心线处分别加工有第一固定槽；在左右下壳连接部的内侧壁上分别设有第二凸台与第一凸台相对应，并在第二凸台的中心线处分别加工有第二固定槽与第一固定槽相对应；输出轴的左右两端分别设有输出轴平键，第一凸台上设有中心通孔，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：季林红，马青川，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11