專利名稱：雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，特別涉及一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、基于力控制 的驅(qū)動(dòng)器。
(二)
背景技術(shù)：
機(jī)器人在未知的環(huán)境操作中，能夠適應(yīng)外部環(huán)境的力控制機(jī)器人是令人滿意 的。當(dāng)前，機(jī)器人的力控制方法有1.主動(dòng)控制法，通過(guò)控制算法以及感測(cè)的 外部信息來(lái)決定機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境產(chǎn)生合適的作用力。2. 被動(dòng)控制法，通過(guò)彈性緩沖裝置避免過(guò)大的沖擊作用力。本發(fā)明屬于一種被動(dòng)控 制法驅(qū)動(dòng)裝置，其特點(diǎn)是不能精確控制作用力，但是其適應(yīng)的力變化帶寬非常大， 同時(shí)由于具有兩個(gè)并聯(lián)剛度，當(dāng)外部沖擊力幅值變化很大時(shí)，具有良好的適應(yīng)性。
驅(qū)動(dòng)器作為一種設(shè)備或機(jī)械裝置，是將某種形式的能量或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械力、 力矩，或者轉(zhuǎn)化為直線速度、旋轉(zhuǎn)速度。作為機(jī)器人用驅(qū)動(dòng)器首先應(yīng)該重量輕， 輸出功率大，能夠提供較高力或力矩，并且造價(jià)低。另外，與外部環(huán)境互動(dòng)過(guò)程 中，在較寬的輸出力范圍內(nèi)應(yīng)有良好的力輸出特性的一致性，以免引起機(jī)器人本 身或與之接觸的外部設(shè)施的損害。最后，機(jī)器人在未知的環(huán)境工作時(shí)，所產(chǎn)生的 沖擊能量通過(guò)機(jī)器人結(jié)構(gòu)傳遞到驅(qū)動(dòng)器中，提高驅(qū)動(dòng)器抗沖擊載荷能力，避免其 損傷是必需的。
現(xiàn)階段，力控制裝置主要有直接驅(qū)動(dòng)裝置、齒輪驅(qū)動(dòng)裝置、繩索驅(qū)動(dòng)裝置等。 這些裝置本身有相互矛盾的性質(zhì)。例如齒輪減速機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、低 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為機(jī)器人所需要的低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩。但由于齒輪機(jī)構(gòu)自身的摩擦、齒輪 間隙等非線性因素，以及增大了負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使驅(qū)動(dòng)器輸出力的精確度降低， 抗沖擊載荷能力下降。因此，研制出功率質(zhì)量比大，適應(yīng)高帶寬變化力以及保持 其穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)器越來(lái)越受到重視，是機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一。
GillAPratt等人設(shè)計(jì)的彈性驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在動(dòng)力源與負(fù)載之間裝有 一組彈簧，使其單獨(dú)承擔(dān)動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)力及負(fù)載的反作用力。而在生物肢體中, 軟組織(如肌、腱、軟骨)是加強(qiáng)剛度的組織。當(dāng)負(fù)荷和變形增加時(shí),相應(yīng)的剛度也會(huì)隨著增加。生物肌肉的這種變剛度特性使得由肌肉組成的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)具有很好 的柔順性和適應(yīng)性。該驅(qū)動(dòng)器彈簧剛度隨著外界作用力的不同而變化,這一點(diǎn)是 其所做不到的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有生物體肌肉特性，適應(yīng)的力變化帶寬非常 大，當(dāng)外部負(fù)載變化很大時(shí)具有良好的適應(yīng)性的雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括兩端固定在支架上的兩根導(dǎo)向桿， 一端 的支架上有兩個(gè)通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個(gè)彈簧擋板，兩個(gè) 彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導(dǎo)向桿上，在兩個(gè)彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧驅(qū)動(dòng) 板，彈簧驅(qū)動(dòng)板通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿與安裝在支架上的驅(qū)動(dòng)器相連，彈簧驅(qū)動(dòng)板與兩側(cè)的 彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成并聯(lián) 排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導(dǎo)向桿上且與彈簧驅(qū)動(dòng)板之間有段間隙。
本發(fā)明還可以包括
1、 所述的驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)，所述的驅(qū)動(dòng)桿是絲杠，伺服電機(jī)的輸出軸通 過(guò)連軸器與絲杠連為一體，所述的彈簧驅(qū)動(dòng)板的中間是與絲杠相配合的螺母。
2、 所述的驅(qū)動(dòng)器是液壓缸，所述的驅(qū)動(dòng)桿是柱塞推桿，液壓缸的輸出桿通 過(guò)連接器與柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅(qū)動(dòng)板相連。
3、 兩根導(dǎo)向桿與兩根推桿交錯(cuò)排布。
本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿、驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)板作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)以壓 縮彈簧。這樣，驅(qū)動(dòng)器輸出力經(jīng)過(guò)兩組不同剛度彈簧的緩沖帶動(dòng)負(fù)載。這種結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)，可以充分保護(hù)驅(qū)動(dòng)器及齒系，提高抗沖擊載荷的能力。而且，該結(jié)構(gòu)相 對(duì)簡(jiǎn)單，容易制造，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求不高，重量較輕，經(jīng)濟(jì)性好。另外，機(jī) 器人用驅(qū)動(dòng)器要求力有低輸出阻尼及適應(yīng)外部負(fù)載力的高帶寬變化，彈簧剛度對(duì) 這兩參數(shù)有重要影響。彈簧剛度系數(shù)減小可以更好地對(duì)外部負(fù)載力進(jìn)行濾波，其 增大可以提高輸出帶寬。通過(guò)對(duì)兩串聯(lián)彈簧剛度系數(shù)的優(yōu)化分析，選擇出不同剛 度彈簧，以達(dá)到符合機(jī)器人作業(yè)要求的輸出阻尼和輸出帶寬。
本發(fā)明的有意效果在于當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載較小時(shí)，主要是剛度較小的彈簧起緩沖作 用，避免沖擊力過(guò)大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大時(shí)剛度較小的彈簧將被完全壓縮，之后主 要由剛度較大的彈簧起緩沖作用，避免驅(qū)動(dòng)帶寬受過(guò)大影響。(四)


圖1是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1的俯視圖； 圖3是圖1的右視；
圖4是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖5是圖4的俯視圖6是圖4的右視；
圖7是本發(fā)明的控制方框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖1至圖3，本發(fā)明的第一種實(shí)施方式是一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)
器，其主要組成包括兩端固定在支架上的兩根導(dǎo)向桿9， 一端的支架上有兩個(gè)通 孔，兩根推桿8穿在通孔中，推桿上通過(guò)螺栓7固定有兩個(gè)彈簧擋板4，兩個(gè)彈 簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導(dǎo)向桿上，在兩個(gè)彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧驅(qū)動(dòng)板 6，彈簧驅(qū)動(dòng)板通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿與安裝在支架上的驅(qū)動(dòng)器1相連，彈簧驅(qū)動(dòng)板與兩側(cè) 的彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧，彈簧包括軟彈簧5和硬彈簧10，軟彈簧與硬彈簧 組成并聯(lián)排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導(dǎo)向桿上且與彈簧驅(qū)動(dòng)板之間有 段間隙。驅(qū)動(dòng)器l是伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)桿是絲杠3，伺服電機(jī)的輸出軸通過(guò)連軸器 2與絲杠連為一體，彈簧驅(qū)動(dòng)板的中間是與絲杠相配合的螺母。兩根導(dǎo)向桿與兩 根推桿交錯(cuò)排布。
其動(dòng)力傳遞過(guò)程為動(dòng)力源為一個(gè)伺服電機(jī)，該電機(jī)通過(guò)螺絲和支架固聯(lián)，電 機(jī)的輸出軸又通過(guò)連接器與絲杠連為一體。這樣，電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞到絲杠。絲杠螺 母在導(dǎo)向桿導(dǎo)向作用下，只能沿絲杠軸線方向往復(fù)移動(dòng)，這時(shí)傳遞到絲杠的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)換為絲杠螺母壓縮彈簧的壓力。受壓的軟彈簧另一端壓在彈簧擋板(彈簧擋板 通過(guò)螺絲與推桿固聯(lián)在一起)，該時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的剛度系數(shù)為軟彈簧的剛度；絲杠 螺母繼續(xù)壓縮一段距離，與硬彈簧(另一端與彈簧擋板固聯(lián)在一起)接觸，此時(shí) 絲杠螺母同時(shí)壓縮軟彈簧和硬彈簧，整個(gè)系統(tǒng)的剛度系數(shù)為軟彈簧和硬彈簧的剛
度之和。最后，作用到彈簧擋板的動(dòng)力通過(guò)推桿向外輸出，作用在負(fù)載上。
結(jié)合圖4至圖6，本發(fā)明的第二種實(shí)施方式是一種液壓驅(qū)動(dòng)雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)器l是液壓缸，驅(qū)動(dòng)桿是柱塞推桿3，液壓缸的輸出桿通過(guò)連接器與 柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅(qū)動(dòng)板相連。其他部分與第一種具體實(shí)施方式
的 相同。
結(jié)合圖7，兩組并聯(lián)彈簧置于驅(qū)動(dòng)器1與外部負(fù)載12之間，使其單獨(dú)承擔(dān) 驅(qū)動(dòng)器的推力及負(fù)載12的反作用力，軟、硬彈簧5、 IO的壓縮量表示驅(qū)動(dòng)器向 負(fù)載12輸出力的大小。力傳感器14通過(guò)測(cè)量作用在負(fù)載12的作用力而產(chǎn)生一 個(gè)力測(cè)量信號(hào)?？刂破?1將接收的力測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)13進(jìn)行處理?；诳?制法則，控制器產(chǎn)生控制電機(jī)電流量的控制信號(hào)，使電機(jī)輸出期望轉(zhuǎn)矩以壓縮彈 簧或控制柱塞式液壓缸供給壓力的控制信號(hào)，使柱塞式液壓缸輸出期望推力以壓 縮彈簧。
權(quán)利要求
1、一種雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，它包括兩端固定在支架上的兩根導(dǎo)向桿，一端的支架上有兩個(gè)通孔，兩根推桿穿在通孔中，其特征是推桿上固定有兩個(gè)彈簧擋板，兩個(gè)彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導(dǎo)向桿上，在兩個(gè)彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧驅(qū)動(dòng)板，彈簧驅(qū)動(dòng)板通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿與安裝在支架上的驅(qū)動(dòng)器相連，彈簧驅(qū)動(dòng)板與兩側(cè)的彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成并聯(lián)排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導(dǎo)向桿上且與彈簧驅(qū)動(dòng)板之間有段間隙。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，其特征是所述的驅(qū)動(dòng)器是 伺服電機(jī)，所述的驅(qū)動(dòng)桿是絲杠，伺服電機(jī)的輸出軸通過(guò)連軸器與絲杠連為一 體，所述的彈簧驅(qū)動(dòng)板的中間是與絲杠相配合的螺母。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，其特征是所述的驅(qū)動(dòng)器是 液壓缸，所述的驅(qū)動(dòng)桿是柱塞推桿，液壓缸的輸出桿通過(guò)連接器與柱塞推桿相 連，柱塞推桿與彈簧驅(qū)動(dòng)板相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，其特征是兩根導(dǎo) 向桿與兩根推桿交錯(cuò)排布。
全文摘要
本發(fā)明是一種雙并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器。包括兩端固定在支架上的兩根導(dǎo)向桿，一端的支架上有兩個(gè)通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個(gè)彈簧擋板，兩個(gè)彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導(dǎo)向桿上，在兩個(gè)彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧驅(qū)動(dòng)板，彈簧驅(qū)動(dòng)板通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿與安裝在支架上的驅(qū)動(dòng)器相連，彈簧驅(qū)動(dòng)板與兩側(cè)的彈簧擋板之間設(shè)置有彈簧，彈簧包括軟彈簧和硬彈簧，軟彈簧與硬彈簧組成并聯(lián)排列，軟彈簧套在推桿上，硬彈簧套在導(dǎo)向桿上且與彈簧驅(qū)動(dòng)板之間有段間隙。本發(fā)明當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載較小時(shí)，主要是剛度較小的彈簧起緩沖作用，避免沖擊力過(guò)大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載較大時(shí)剛度較小的彈簧將被完全壓縮，之后主要由剛度較大的彈簧起緩沖作用，避免驅(qū)動(dòng)帶寬受過(guò)大影響。
文檔編號(hào)F16H35/00GK101318330SQ20081006491
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月14日
發(fā)明者揚(yáng) 宋, 博 尹, 席承菊, 朱宏業(yè), 偉 李, 剛 王, 王成軍, 王立權(quán), 穆星科, 馬洪文 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)