一种拮抗式变刚度结构及拮抗式变刚度柔性驱动器

1.本发明涉及机器人技术领域，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。

背景技术：

2.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。
3.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。
4.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的中国发明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的中国发明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的中国发明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。

技术实现要素：

5.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。
6.本发明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，因此本发明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。
7.相比于压簧结构，本发明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。
8.本发明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中国发明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，本技术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。
9.可见，本发明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
10.图1为本发明的实施例中提供的拮抗式变刚度结构的分解结构示意图；
11.图2为本发明的实施例中提供的输入盘的部分分解结构图；
12.图3为本发明的实施例中提供的螺线齿轮的结构示意图；
13.图4为本发明的实施例中提供的输出盘的部分分解结构示意图；
14.图5为本发明的实施例中提供的变刚度柔性驱动器的结构示意图。
15.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
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
19.如图1至图4所示，本发明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。
20.本发明中以拉簧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，此时拉簧杠杆结构中受力支点的位置也不变(滑块柱4在变刚度杠杆9中变刚度槽11的相对位置不变)，从而达到依次利用输入盘2、变刚度滑块3、滑块柱4及变刚度底板7实现定刚度驱动的效果；当螺线齿轮5与输入盘2间存在相对旋转时，螺旋槽6约束、调节滑块柱4，从而改变滑块柱4在变刚度杠杆9中变刚度槽11的相对位置，从而改变拉簧杠杆结构中受力支点与变刚度底板7的相对位置，以实现变刚度驱动的效果。
21.本发明中由于拉簧杠杆结构中支点位置的可动范围是从变刚度杠杆9的旋转点至变刚度杠杆9末端，因此本发明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。
22.相比于压簧结构，本发明中采用的对称分布式拉簧杠杆结构能防止输出板8扭转过程中拉簧10的非轴向偏移，以延长拉簧10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。
23.于上述基础上，本发明中还提供了一种拮抗式变刚度柔性驱动器，具体还包括：机架13；电机固定板14，电机固定板14安装于机架13上，电机固定板14上安装有主电机15及副电机16，主电机15的输出轴通过电机连接件17连接于输入盘2上，副电机16的输出轴上安装有第一齿轮轴18，第一齿轮轴18通过转动安装于电机固定板14上的第二齿轮轴19与螺线齿轮5传动连接；以及底板20，底板20转动安装于主轴1的大端上，底板20上安装有编码器21，编码器21上的d形轴与主轴1上的d形轴孔固定连接，用来记录驱动器的输出角度。
24.本发明中利用主电机15驱动输入盘2，以副电机16驱动螺线齿轮5，以根据需要使得螺线齿轮5与输入盘2间存在相对运动或同步运动。本发明中双电机拮抗式驱动下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。
25.本发明中变刚度驱动的引入不仅能使得驱动器拥有更强的环境适应性；不仅如此，该拮抗式变刚度驱动器的集成效果优良，能应用在各种机器人上。
26.需要指出的是，本发明中也可将输出板8换成线盘，以将上述装置应用到绳驱驱动当中。
27.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替
换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

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变刚度导轨上。4.根据权利要求1所述的拮抗式变刚度结构，其特征在于，所述螺线齿轮通过滚珠轴承可旋转的的穿设于所述主轴上。5.根据权利要求1所述的拮抗式变刚度结构，其特征在于，所述变刚度杠杆的一端底部通过挡边轴承可旋转的安装于所述变刚度底板上。6.根据权利要求1所述的拮抗式变刚度结构，其特征在于，所述螺旋槽呈阿基米德螺线状。7.一种使用权利要求1-6任一项所述拮抗式变刚度结构的拮抗式变刚度柔性驱动器，其特征在于，还包括：机架；电机固定板，所述电机固定板安装于所述机架上，所述电机固定板上安装有主电机及副电机，所述主电机的输出轴通过电机连接件连接于输入盘上，所述副电机的输出轴上安装有第一齿轮轴，所述第一齿轮轴通过转动安装于所述电机固定板上的第二齿轮轴与螺线齿轮传动连接；以及底板，所述底板转动安装于所述主轴的大端上，所述底板上安装有编码器，所述编码器上的d形轴与所述主轴上的d形轴孔固定连接。8.根据权利要求7所述的拮抗式变刚度柔性驱动器，其特征在于，所述底板通过推力滚子轴承转动安装于所述主轴的大端上。

技术总结

本发明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。