專利名稱：雙并聯(lián)彈性驅動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機構的驅動器，特別涉及一種用于機器人關節(jié)、基于力控制 的驅動器。
(二)
背景技術：
機器人在未知的環(huán)境操作中，能夠適應外部環(huán)境的力控制機器人是令人滿意 的。當前，機器人的力控制方法有1.主動控制法，通過控制算法以及感測的 外部信息來決定機器人關節(jié)的轉矩，使機器人對外部環(huán)境產(chǎn)生合適的作用力。2. 被動控制法，通過彈性緩沖裝置避免過大的沖擊作用力。本發(fā)明屬于一種被動控 制法驅動裝置，其特點是不能精確控制作用力，但是其適應的力變化帶寬非常大， 同時由于具有兩個并聯(lián)剛度，當外部沖擊力幅值變化很大時，具有良好的適應性。
驅動器作為一種設備或機械裝置，是將某種形式的能量或者轉化為機械力、 力矩，或者轉化為直線速度、旋轉速度。作為機器人用驅動器首先應該重量輕， 輸出功率大，能夠提供較高力或力矩，并且造價低。另外，與外部環(huán)境互動過程 中，在較寬的輸出力范圍內(nèi)應有良好的力輸出特性的一致性，以免引起機器人本 身或與之接觸的外部設施的損害。最后，機器人在未知的環(huán)境工作時，所產(chǎn)生的 沖擊能量通過機器人結構傳遞到驅動器中，提高驅動器抗沖擊載荷能力，避免其 損傷是必需的。
現(xiàn)階段，力控制裝置主要有直接驅動裝置、齒輪驅動裝置、繩索驅動裝置等。 這些裝置本身有相互矛盾的性質(zhì)。例如齒輪減速機構，將電動機的高轉速、低 轉矩轉換為機器人所需要的低轉速、高轉矩。但由于齒輪機構自身的摩擦、齒輪 間隙等非線性因素，以及增大了負載轉動慣量，使驅動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，適應高帶寬變化力以及保持 其穩(wěn)定性的驅動器越來越受到重視，是機器人技術重點研發(fā)的領域之一。
GillAPratt等人設計的彈性驅動器，其結構特點是在動力源與負載之間裝有 一組彈簧，使其單獨承擔動力源的驅動力及負載的反作用力。而在生物肢體中, 軟組織(如肌、腱、軟骨)是加強剛度的組織。當負荷和變形增加時,相應的剛度也會隨著增加。生物肌肉的這種變剛度特性使得由肌肉組成的關節(jié)運動具有很好 的柔順性和適應性。該驅動器彈簧剛度隨著外界作用力的不同而變化,這一點是 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，適應的力變化帶寬非常 大，當外部負載變化很大時具有良好的適應性的雙并聯(lián)彈性驅動器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括兩端固定在支架上的兩根導向桿， 一端 的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個 彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向桿上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動 板，彈簧驅動板通過驅動桿與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的 彈簧擋板之間設置有彈簧，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，硬彈簧套在導向桿上且與彈簧驅動板之間有段間隙。
本發(fā)明還可以包括
1、 所述的驅動器是伺服電機，所述的驅動桿是絲杠，伺服電機的輸出軸通 過連軸器與絲杠連為一體，所述的彈簧驅動板的中間是與絲杠相配合的螺母。
2、 所述的驅動器是液壓缸，所述的驅動桿是柱塞推桿，液壓缸的輸出桿通 過連接器與柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。
3、 兩根導向桿與兩根推桿交錯排布。
本發(fā)明通過驅動器帶動驅動桿、驅動桿帶動彈簧驅動板作直線往復運動以壓 縮彈簧。這樣，驅動器輸出力經(jīng)過兩組不同剛度彈簧的緩沖帶動負載。這種結構 的設計，可以充分保護驅動器及齒系，提高抗沖擊載荷的能力。而且，該結構相 對簡單，容易制造，對驅動器的設計要求不高，重量較輕，經(jīng)濟性好。另外，機 器人用驅動器要求力有低輸出阻尼及適應外部負載力的高帶寬變化，彈簧剛度對 這兩參數(shù)有重要影響。彈簧剛度系數(shù)減小可以更好地對外部負載力進行濾波，其 增大可以提高輸出帶寬。通過對兩串聯(lián)彈簧剛度系數(shù)的優(yōu)化分析，選擇出不同剛 度彈簧，以達到符合機器人作業(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驅動負載較小時，主要是剛度較小的彈簧起緩沖作 用，避免沖擊力過大，當驅動負載較大時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，避免驅動帶寬受過大影響。(四)


圖1是本發(fā)明的第一種實施方式的結構示意圖； 圖2是圖1的俯視圖； 圖3是圖1的右視；
圖4是本發(fā)明的第二種實施方式的結構示意圖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。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
結合圖1至圖3，本發(fā)明的第一種實施方式是一種電機驅動雙并聯(lián)彈性驅動
器，其主要組成包括兩端固定在支架上的兩根導向桿9， 一端的支架上有兩個通 孔，兩根推桿8穿在通孔中，推桿上通過螺栓7固定有兩個彈簧擋板4，兩個彈 簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向桿上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板 6，彈簧驅動板通過驅動桿與安裝在支架上的驅動器1相連，彈簧驅動板與兩側 的彈簧擋板之間設置有彈簧，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，硬彈簧套在導向桿上且與彈簧驅動板之間有 段間隙。驅動器l是伺服電機，驅動桿是絲杠3，伺服電機的輸出軸通過連軸器 2與絲杠連為一體，彈簧驅動板的中間是與絲杠相配合的螺母。兩根導向桿與兩 根推桿交錯排布。
其動力傳遞過程為動力源為一個伺服電機，該電機通過螺絲和支架固聯(lián)，電 機的輸出軸又通過連接器與絲杠連為一體。這樣，電機轉矩傳遞到絲杠。絲杠螺 母在導向桿導向作用下，只能沿絲杠軸線方向往復移動，這時傳遞到絲杠的轉矩 轉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 通過螺絲與推桿固聯(lián)在一起)，該時整個系統(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 絲杠螺母同時壓縮軟彈簧和硬彈簧，整個系統(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力通過推桿向外輸出，作用在負載上。
結合圖4至圖6，本發(fā)明的第二種實施方式是一種液壓驅動雙并聯(lián)彈性驅動器，其驅動器l是液壓缸，驅動桿是柱塞推桿3，液壓缸的輸出桿通過連接器與 柱塞推桿相連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。其他部分與第一種具體實施方式
的 相同。
結合圖7，兩組并聯(lián)彈簧置于驅動器1與外部負載12之間，使其單獨承擔 驅動器的推力及負載12的反作用力，軟、硬彈簧5、 IO的壓縮量表示驅動器向 負載12輸出力的大小。力傳感器14通過測量作用在負載12的作用力而產(chǎn)生一 個力測量信號?？刂破?1將接收的力測量信號與給定信號13進行處理?；诳?制法則，控制器產(chǎn)生控制電機電流量的控制信號，使電機輸出期望轉矩以壓縮彈 簧或控制柱塞式液壓缸供給壓力的控制信號，使柱塞式液壓缸輸出期望推力以壓 縮彈簧。
權利要求
1、一種雙并聯(lián)彈性驅動器，它包括兩端固定在支架上的兩根導向桿，一端的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，其特征是推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向桿上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板，彈簧驅動板通過驅動桿與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的彈簧擋板之間設置有彈簧，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，硬彈簧套在導向桿上且與彈簧驅動板之間有段間隙。
2、 根據(jù)權利要求1所述的雙并聯(lián)彈性驅動器，其特征是所述的驅動器是 伺服電機，所述的驅動桿是絲杠，伺服電機的輸出軸通過連軸器與絲杠連為一 體，所述的彈簧驅動板的中間是與絲杠相配合的螺母。
3、 根據(jù)權利要求1所述的雙并聯(lián)彈性驅動器，其特征是所述的驅動器是 液壓缸，所述的驅動桿是柱塞推桿，液壓缸的輸出桿通過連接器與柱塞推桿相 連，柱塞推桿與彈簧驅動板相連。
4、 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的雙并聯(lián)彈性驅動器，其特征是兩根導 向桿與兩根推桿交錯排布。
全文摘要
本發(fā)明是一種雙并聯(lián)彈性驅動器。包括兩端固定在支架上的兩根導向桿，一端的支架上有兩個通孔，兩根推桿穿在通孔中，推桿上固定有兩個彈簧擋板，兩個彈簧擋板上有孔，彈簧擋板穿在導向桿上，在兩個彈簧擋板之間設置有彈簧驅動板，彈簧驅動板通過驅動桿與安裝在支架上的驅動器相連，彈簧驅動板與兩側的彈簧擋板之間設置有彈簧，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，硬彈簧套在導向桿上且與彈簧驅動板之間有段間隙。本發(fā)明當驅動負載較小時，主要是剛度較小的彈簧起緩沖作用，避免沖擊力過大，當驅動負載較大時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，避免驅動帶寬受過大影響。
文檔編號F16H35/00GK101318330SQ20081006491
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權日2008年7月14日
發(fā)明者揚 宋, 博 尹, 席承菊, 朱宏業(yè), 偉 李, 剛 王, 王成軍, 王立權, 穆星科, 馬洪文 申請人:哈爾濱工程大學