本發(fā)明涉及機(jī)器人，具體涉及一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。

背景技術(shù)：

1、近年來，用于腦卒中康復(fù)與能力增強(qiáng)的輔助機(jī)器人發(fā)展迅速，尤其是步態(tài)輔助型外骨骼在改善用戶運(yùn)動功能與提升生活質(zhì)量方面表現(xiàn)突出。在這類應(yīng)用中，輔助機(jī)器人必須與人類進(jìn)行直接的物理交互。為提升物理人機(jī)交互的安全性，驅(qū)動器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。柔順性是輔助機(jī)器人的核心性能指標(biāo)，對提升動態(tài)適應(yīng)性、環(huán)境魯棒性及實(shí)現(xiàn)安全交互具有重要意義。相比剛性驅(qū)動系統(tǒng)，柔性驅(qū)動器在沖擊力吸收與外部負(fù)載感知等方面表現(xiàn)優(yōu)越。串聯(lián)彈性驅(qū)動器是最具代表性的柔性驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過在剛性驅(qū)動器與負(fù)載之間引入彈性元件，實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗、良好反向驅(qū)動性、抗沖擊性和高效穩(wěn)定的力傳遞，顯著提升物理人機(jī)交互的安全性。

2、在確保人機(jī)交互安全的前提下，串聯(lián)彈性驅(qū)動器的設(shè)計(jì)面臨多重需求與挑戰(zhàn)。首先，需具備內(nèi)在的力感知能力，以實(shí)現(xiàn)交互力的精確測量與調(diào)節(jié)，依賴于明確且可預(yù)測的扭矩-變形特性。其次，人機(jī)交互場景通常要求驅(qū)動器具備低摩擦、小滯后、無死區(qū)及雙向一致的力輸出，適應(yīng)快速方向切換的控制需求。此外，良好的柔順性亦是保障舒適與安全交互的關(guān)鍵，要求驅(qū)動器具備低剛度和較大形變能力。然而，串聯(lián)彈性驅(qū)動器通常使用剛度固定的彈簧作為力傳遞的彈性元件，導(dǎo)致驅(qū)動器存在根本局限。一方面，軟彈簧可產(chǎn)生高力控制保真度、低輸出阻抗，但同時(shí)限制力輸出范圍與帶寬。另一方面，硬彈簧會增加力帶寬，但降低交互柔順性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，現(xiàn)提供一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器，旨在有效解決上述串聯(lián)彈性驅(qū)動器的固有局限。

2、本發(fā)明的目的是提出一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器具備優(yōu)異的機(jī)械性能，如良好的柔順性、低摩擦、微小的滯后以及足夠的力帶寬和輸出力。所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器在剛度范圍、輸出力矩、緊湊性，輕量化等方面都具有優(yōu)勢。同時(shí)，為可穿戴外骨骼機(jī)器人提供了一種兼具緊湊性、輕量化與高精度力控制能力的柔順驅(qū)動單元。本發(fā)明所要解決的問題是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器包括：輸入部件，所述輸入部件包括準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)固定裝置，輸入環(huán)，用于與外部驅(qū)動力連接，以將外部驅(qū)動力矩傳輸至可調(diào)剛度柔性部件。可調(diào)剛度柔性部件，所述可調(diào)剛度柔性部件包括由線性拉伸彈簧構(gòu)成的軸向空間彈簧陣列，用于賦予驅(qū)動器非線性和可調(diào)剛度特性。輸出部件，所述輸出部件包括輸出環(huán)和驅(qū)動器輸出連桿，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的輔助訓(xùn)練任務(wù)。支撐部件，所述支撐部件包括驅(qū)動器支架，用于支撐所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。

3、所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)將9:1的行星減速器，單圈絕對值編碼器和高集成驅(qū)動器整合為一體，實(shí)現(xiàn)大扭矩平穩(wěn)運(yùn)行并有利于所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的緊湊設(shè)計(jì)。所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)通過內(nèi)六角螺釘與所述電機(jī)固定裝置緊固連接。所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)的輸出端與輸入環(huán)的后端通過內(nèi)六角螺釘進(jìn)行固定。所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)帶動所述輸入環(huán)運(yùn)動并導(dǎo)致所述線性拉伸彈簧產(chǎn)生形變。所述輸出環(huán)與所述驅(qū)動器外殼之間安裝有所述薄壁軸承，以減少摩擦。所述旋轉(zhuǎn)編碼器由讀數(shù)頭和永磁環(huán)組成。其中，永磁環(huán)固定在所述輸出環(huán)，讀數(shù)頭固定在所述驅(qū)動器外殼用于實(shí)時(shí)讀取所述輸出環(huán)的轉(zhuǎn)動角度。所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)自帶單圈絕對值編碼器和所述旋轉(zhuǎn)編碼器作差測量軸向空間彈簧陣列的偏轉(zhuǎn)角，精準(zhǔn)計(jì)算所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出扭矩。

4、所述軸向空間彈簧陣列是所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的核心結(jié)構(gòu)。所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)采用同軸配置，并通過線性拉伸彈簧耦合，利用所述法蘭深溝球軸承實(shí)現(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)，減少摩擦。所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)分別包含內(nèi)、外環(huán)。所述內(nèi)、外環(huán)各配置四組對稱分布的線性拉伸彈簧，相鄰組間相位角為90°。當(dāng)所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)發(fā)生相對角位移時(shí)，線性拉伸彈簧始終維持預(yù)緊拉伸狀態(tài)，其切向分力在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)形成合成扭矩。

5、所述軸向空間彈簧陣列內(nèi)環(huán)的四組線性拉伸彈簧的設(shè)計(jì)目的是增大所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出扭矩和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的緊湊性。所述軸向空間彈簧陣列外環(huán)的四組彈簧通過改變初始偏轉(zhuǎn)角度重構(gòu)為三種不同的構(gòu)型。所述輸出環(huán)包含可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)?；趲缀螀?shù)設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)，所述軸向空間彈簧陣列無需硬件重構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)剛度模式快速切換，通過非線性到準(zhǔn)線性的多模態(tài)剛度特性，覆蓋柔順交互至高動態(tài)負(fù)載的全工況需求，顯著提升所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器在康復(fù)訓(xùn)練、步態(tài)矯正及負(fù)重外骨骼等輔助機(jī)器人場景中的任務(wù)適應(yīng)性。

6、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：?1.?所述軸向空間彈簧陣列通過基于幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)無需更換硬件，即可賦予所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器可調(diào)節(jié)的剛度特性。2.?所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)之間安裝有法蘭深溝球軸承，減少所述軸向空間彈簧陣列旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦。3.?所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)的內(nèi)、外環(huán)均安裝有線性拉伸彈簧，有效提高所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的緊湊性和輸出力矩。?4.通過調(diào)節(jié)所述軸向空間彈簧陣列的初始偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)高非線性到準(zhǔn)線性剛度曲線，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)導(dǎo)向的剛度優(yōu)化。高非線性剛度適用于輔助等對低阻抗與精確交互力控制要求較高的應(yīng)用；中低非線性或低非線性剛度則適用于步態(tài)矯正和負(fù)重外骨骼等需穩(wěn)定高帶寬輸出的場景。5.?所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)自帶單圈絕對值編碼器和所述旋轉(zhuǎn)編碼器作差獲取所述軸向空間彈簧陣列的旋轉(zhuǎn)角度，通過等效剛度模型精準(zhǔn)計(jì)算所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出扭矩。6.?所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器通過剛度、扭矩與質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化，在安全交互、動態(tài)負(fù)載適應(yīng)性與系統(tǒng)集成度之間實(shí)現(xiàn)均衡設(shè)計(jì)，為輔助機(jī)器人提供一種高柔順、強(qiáng)驅(qū)動、低慣量的驅(qū)動裝置。

技術(shù)特征：

1.一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于，包括：輸入部件，所述輸入部件包括準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)（1），電機(jī)固定裝置（2），輸入環(huán)（3），用于與外部驅(qū)動力連接，以將外部驅(qū)動力矩傳輸至可調(diào)剛度柔性部件；所述準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)（1）通過電機(jī)固定裝置（2）穩(wěn)固安裝，其輸出端連接輸入環(huán)（3），以驅(qū)動可調(diào)剛度柔性部件運(yùn)動；可調(diào)剛度柔性部件，所述可調(diào)剛度柔性部件包括由線性拉伸彈簧（4）構(gòu)成的軸向空間彈簧陣列，用于賦予所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器非線性和可調(diào)剛度特性；所述軸向空間彈簧陣列內(nèi)環(huán)的四組線性拉伸彈簧增大可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出扭矩和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的緊湊性；所述軸向空間彈簧陣列外環(huán)的四組彈簧通過改變初始偏轉(zhuǎn)角度重構(gòu)為三種不同的構(gòu)型；所述線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉(zhuǎn)角度為零時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出高度非線性的剛度特性，適用于低阻抗與高精度力控制要求較高的輔助任務(wù)；隨著所述線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉(zhuǎn)角度增加，輸出剛度趨于中等非線性或低非線性，有利于提升扭矩輸出的穩(wěn)定性與帶寬，適用于步態(tài)矯正及負(fù)載輔助等場景；輸出部件，所述輸出部件包括帶有可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)（5）的輸出環(huán)（6）和驅(qū)動器輸出連桿（11），用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的輔助訓(xùn)練任務(wù)；支撐部件，所述支撐部件包括驅(qū)動器支架（10），用于支撐所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于，所述輸入環(huán)（3）和所述輸出環(huán)（6）采用同軸配置，并通過所述線性拉伸彈簧（4）耦合，利用所述法蘭深溝球軸承（12）實(shí)現(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)，減少運(yùn)動摩擦；所述輸入環(huán)（3）和所述輸出環(huán)（6）分別包含內(nèi)、外環(huán)；所述內(nèi)、外環(huán)各配置四組對稱分布的線性拉伸彈簧，相鄰組間相位角為90°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于，所述電機(jī)固定裝置（2）設(shè)計(jì)有定位凸臺，提升與所述驅(qū)動器外殼（9）連接時(shí)的裝配精度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于，所述可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)（5）均勻分布在所述輸出環(huán)（6），用于改變線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉(zhuǎn)角度，從而賦予所述可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器可調(diào)剛度特性；基于幾何參數(shù)設(shè)計(jì)所述可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)（5），所述軸向空間彈簧陣列無需硬件重構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)剛度模式快速切換，實(shí)現(xiàn)非線性到準(zhǔn)線性的多模態(tài)剛度特性，覆蓋柔順交互至高動態(tài)負(fù)載的全工況需求。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。所述驅(qū)動器包含輸入部件，可調(diào)剛度柔性部件，輸出部件和支撐部件。所述輸入部件包括準(zhǔn)直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)固定裝置，輸入環(huán)，用于與外部驅(qū)動力連接，以將外部驅(qū)動力矩傳輸至可調(diào)剛度柔性部件。所述可調(diào)剛度柔性部件包括由線性拉伸彈簧構(gòu)成的軸向空間彈簧陣列，用于賦予所述驅(qū)動器非線性特性。所述輸出部件包括帶有可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)的輸出環(huán)和驅(qū)動器輸出連桿，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的輔助訓(xùn)練任務(wù)。所述軸向空間彈簧陣列通過幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)錨點(diǎn)無需更換硬件即可賦予所述驅(qū)動器可調(diào)剛度特性。所述支撐部件包括驅(qū)動器支架，用于支撐所述可調(diào)剛度的可重構(gòu)非線性旋轉(zhuǎn)串聯(lián)彈性驅(qū)動器。

技術(shù)研發(fā)人員：孫中波,許長賢,聶寶振,王剛,趙立銘,馬晟帛,王闖,焦崢
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長春工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/22