一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器制造技术

本发明专利技术涉及一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器，其结构为：主轴；输入盘，输入盘可旋转的穿设于主轴上，输入盘上对称式的安装有两个变刚度滑块；螺线齿轮，螺线齿轮可旋转的穿设于主轴上，螺线齿轮上开设有两条螺旋槽；以及变刚度底板，变刚度底板的另一侧侧壁上固定卡接有输出板，变刚度底板的一侧侧壁上安装有两个变刚度杠杆，变刚度杠杆的一端底部安装于变刚度底板上，变刚度杠杆的另一端上部拉结有拉簧。本发明专利技术中以拉簧及变刚度杠杆构成拉簧杠杆结构，并通过呈阿基米德螺线状的螺旋槽约束、调节滑块柱，从而改变拉簧杠杆结构中受力支点的位置，借此改变变刚度杠杆力臂长度，进而最终改变输出板的输出刚度。进而最终改变输出板的输出刚度。进而最终改变输出板的输出刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器。

技术介绍

[0002]柔性驱动技术是在电机与负载之间串联弹性单元构成的柔性驱动方案，该技术方案融合了传统电机响应快、位置/力可控及精度高等优点，允许弹性单元在受到外力作用下偏离平衡位置，具有：缓冲/抗冲击能力强、结构紧凑、吸收和储存能量、安全性高、力学性能好等优点，是机器人驱动技术中最具潜力的研究方向。
[0003]然而现有的设计方案中变刚度的设计原理较少，并且存在结构复杂、传动间隙大、输出力矩精度低、刚度变化范围有限、能量利用率低等不足，因此以柔顺驱动器设计为方向，寻求以新型柔性驱动方案提高智能人机交互机器人安全性、可靠性和高效性的新方法就显得较为迫切。
[0004]目前，国内外对于变刚度驱动器的研究已取得一些不错的进展，但还存在一些问题：如变刚度驱动器刚度可节范围较小、机构复杂不够紧凑、难以实现连续旋转。如申请号为CN201910231413.3的中国专利技术专利中公开了一种变刚度驱动器，其包括驱动壳体、主动轴、从动轴、板簧、滑动轴和绳索机构，其通过改变板簧的可变形长度来改变刚度，但是因为可变形长度改变有限以及绳索结构预紧的困难使得刚度范围有限以及结构不紧凑；申请号为CN202110665948.9的中国专利技术专利公开了一种模块化低能耗的变刚度驱动器，其包括驱动壳体、关节电机、丝杠、输入杆和输出杆，以通过离线与在线调节刚度，但是其刚度调节的范围有限，应用场景有局限；申请号为CN201611249889.2的中国专利技术专利中公开了一种基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器，该驱动器包括动力输入机构、动力输出机构和两套刚度调节结构，其两套刚度调节结构沿动力输出机构的中心对称布置，并采用了带有阿基米德螺旋曲线槽的齿轮来调节支点，以改变杠杆力臂长度，该驱动器能够实现刚度的大范围调节，但是该设计为串联式变刚度结构，所采用的副电机沿着支点轨道围绕主电机转动，需要消耗主电机输出功率，整体输出力和能效不佳。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，现提供一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器，旨在有效解决上述技术问题。
[0006]本专利技术中以拉簧及变刚度杠杆构成拉簧杠杆结构，并通过呈阿基米德螺线状的螺旋槽约束、调节滑块柱，从而改变拉簧杠杆结构中受力支点的位置，并借此改变变刚度杠杆力臂长度，并进而最终改变输出板的输出刚度。由于支点位置的可动范围是从变刚度杠杆的旋转点至变刚度杠杆末端，因此本专利技术中提供的变刚度结构理论上可以实现低刚度到完全刚性的变刚度效果。
[0007]相比于压簧结构，本专利技术中采用的对称分布式拉簧杠杆结构能防止输出板扭转过
程中弹簧的非轴向偏移，以延长弹簧使用寿命的同时进一步使得输出刚度更稳定；并且，上述对称分布结构可有效利用驱动器的工作空间、使得结构更为紧凑，还能有效消除驱动器工作时的偏心力。
[0008]本专利技术中采取了双电机拮抗式驱动，即副电机与主电机同时固定于底座上构成拮抗式布置方案，主电机输出力矩与转角，副电机调节螺线齿轮的旋转角度，而驱动器最终的总输出力矩是双电机相互拮抗后的输出结果，所以副电机对最终的总输出力矩还能起到限定范围内的微调作用，即有一定限度的放大缩小效果。不同于本课题组在先申请的CN201611249889.2中国专利技术专利所提供的一种基于可变支点的对称式变刚度柔性驱动器中因副电机围绕主电机转动会消耗主电机输出功率，本申请中副电机与主电机同时固定于底座上，因而副电机不需要沿着支点转动，进而可以优化驱动器输出力和能量。
[0009]可见，本专利技术相较于传统变刚度柔性驱动器具有如下优势：结构紧凑，在实际应用中能更为轻便以及提高空间利用率；旋转模块的对称分布和双电机拮抗驱动，能有效消除驱动器旋转时因偏心重量引起的周期性震动以及减小整体转动惯量；杠杆式变刚度驱动，能实现刚度的极大范围变化；模块化设计，能根据使用者的实际需求改变各模块中的使用元素，如电机型号以及输出方式，有更广的适用范围。
附图说明
[0010]图1为本专利技术的实施例中提供的拮抗式变刚度结构的分解结构示意图；
[0011]图2为本专利技术的实施例中提供的输入盘的部分分解结构图；
[0012]图3为本专利技术的实施例中提供的螺线齿轮的结构示意图；
[0013]图4为本专利技术的实施例中提供的输出盘的部分分解结构示意图；
[0014]图5为本专利技术的实施例中提供的变刚度柔性驱动器的结构示意图。
[0015]附图中：1、主轴；2、输入盘；3、变刚度滑块；4、滑块柱；5、螺线齿轮；6、螺旋槽；7、变刚度底板；8、输出板；9、变刚度杠杆；10、拉簧；11、变刚度槽；12、变刚度导轨；13、机架；14、电机固定板；15、主电机；16、副电机；17、电机连接件；18、第一齿轮轴；19、第二齿轮轴；20、底板；21、编码器。
具体实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0018]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0019]如图1至图4所示，本专利技术的实施例中提供的拮抗式变刚度结构包括：主轴1；输入盘2，输入盘2通过滚珠轴承可旋转的穿设于主轴1上，且输入盘2上对称式的安装有两个变刚度滑块3，变刚度滑块3可沿输入盘2的径向方向向往复滑动(输入盘2上以输入盘2轴心为对称轴沿径向方向对称式的安装有两个变刚度导轨，变刚度滑块3对应嵌设于变刚度导轨
12上)，变刚度滑块3上固定安装有滑块柱4；螺线齿轮5，螺线齿轮5通过滚珠轴承可旋转的穿设于主轴1上，螺线齿轮5上开设有两条螺旋槽6(螺旋槽6的中心线为变径螺旋线)；以及变刚度底板7，变刚度底板7固定穿设于主轴1上，且变刚度底板7背离螺线齿轮5的另一侧侧壁上固定卡接有输出板8，变刚度底板7朝向螺线齿轮5的一侧侧壁上左、右对称式的安装有两个变刚度杠杆9，变刚度杠杆9的一端底部通过挡边轴承可旋转式的安装于变刚度底板7上，变刚度杠杆9的另一端上部上、下对称式的拉结有拉簧10，拉簧10的另一端拉结于变刚度底板7上，滑块柱4对应穿过螺旋槽6后嵌设于变刚度杠杆9上的变刚度槽11中。
[0020]本专利技术中以拉簧10及变刚度杠杆9构成拉簧杠杆结构，并通过呈阿基米德螺线状的螺旋槽6约束、调节滑块柱4，从而利用滑块柱4改变拉簧杠杆结构中受力支点的位置，并借此改变变刚度杠杆9力臂长度，并进而最终改变输出板8的输出刚度。具体的，当螺线齿轮5与输入盘2同步旋转时螺线齿轮5与输入盘2的相对位置不变，此时拉簧杠杆结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拮抗式变刚度结构，其特征在于，包括：主轴；输入盘，所述输入盘可旋转的穿设于所述主轴上，且所述输入盘上对称式的安装有两个变刚度滑块，所述变刚度滑块可沿所述输入盘的径向方向向往复滑动，所述变刚度滑块上固定安装有滑块柱；螺线齿轮，所述螺线齿轮可旋转的穿设于所述主轴上，所述螺线齿轮上开设有两条螺旋槽；以及变刚度底板，所述变刚度底板固定穿设于所述主轴上，且所述变刚度底板背离所述螺线齿轮的另一侧侧壁上固定卡接有输出板，所述变刚度底板朝向所述螺线齿轮的一侧侧壁上左、右对称式的安装有两个变刚度杠杆，所述变刚度杠杆的一端底部可旋转式的安装于所述变刚度底板上，所述变刚度杠杆的另一端上部上、下对称式的拉结有拉簧，所述拉簧的另一端拉结于所述变刚度底板上，所述滑块柱对应穿过所述螺旋槽后嵌设于所述变刚度杠杆上的变刚度槽中。2.根据权利要求1所述的拮抗式变刚度结构，其特征在于，所述输入盘通过滚珠轴承可旋转的穿设于所述主轴上。3.根据权利要求1所述的拮抗式变刚度结构，其特征在于，所述输入盘上沿径向方向对称式的安装有两个变刚度导轨，所述变刚度滑块对应嵌设于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭朝，廖峻北，钱伟，周智雍，雷飞，刘思宇，肖晓晖，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：