磁流变串联弹性驱动器

申请号 CN201710242884.5 申请日 2017-04-14 公开(公告)号 CN108721009B 公开(公告)日 2019-08-16
申请人 香港中文大学; 发明人 廖维新; 陈兵; 秦岭; 赵轩; 马浩;
摘要 公开了一种 驱动器 ,包括第一 扭簧 单体 和第二扭簧单体,其特征在于,所述第一扭簧单体和所述第二扭簧单体中的每一个均包括: 内圈 ; 外圈 ;以及并联连接于所述内圈与所述外圈之间的多个弹性单元。所述第一扭簧单体的外圈和所述第二扭簧单体的外圈刚性连接,所述第一扭簧单体的内圈与所述第二扭簧单体的内圈相互对准。驱动器还包括 电机 元件和 制动 元件。电机元件用于提供输出 力 矩,并与所述第一扭簧单体的内圈连接。制动元件用于提供制动力矩,并与所述第二扭簧单体的内圈连接。
权利要求

1.一种驱动器,包括第一扭簧单体和第二扭簧单体,其特征在于,所述第一扭簧单体和所述第二扭簧单体中的每一个均包括:
内圈
外圈;以及
多个弹性单元,并联连接于所述内圈与所述外圈之间;
其中,所述第一扭簧单体的外圈和所述第二扭簧单体的外圈刚性连接,所述第一扭簧单体的内圈与所述第二扭簧单体的内圈相互对准,
所述驱动器还包括:
电机元件,用于提供输出矩,并与所述第一扭簧单体的内圈连接;以及制动元件,用于提供制动力矩,并与所述第二扭簧单体的内圈连接。
2.根据权利要求1所述的驱动器,其特征在于,所述驱动器还包括动力传递元件,所述电机元件通过所述动力传递元件与所述第一扭簧单体的内圈连接。
3.根据权利要求2所述的驱动器,其特征在于,所述动力传递元件为行星减速器。
4.根据权利要求1所述的驱动器,其特征在于,在所述第一扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部和所述第二扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部分别设置有传感器,以测量所述第一扭簧单体的内圈和所述第二扭簧单体的内圈产生的形变差。
5.根据权利要求4所述的驱动器,其特征在于,所述角度传感器包括绝对式编码器增量式编码器和/或电位计中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的驱动器,其特征在于,所述制动元件包括:
转轴,由高导磁材料制成,其一端与所述第二扭簧单体的内圈连接;
线圈,缠绕于所述转轴;以及
腔体,用于容纳流体
其中,所述流体能够在所述线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力
7.根据权利要求6所述的驱动器,其特征在于,所述转轴的轴截面轮廓为曲线和/或分段折线。
8.根据权利要求6或7所述的驱动器,其特征在于,所述转轴为芯转轴。
9.根据权利要求6所述的驱动器,其特征在于,所述流体为磁流变流体。
10.根据权利要求6所述的驱动器,其特征在于,在所述腔体内布置有多对内部片和外部硅钢片,所述流体分布于所述内部硅钢片和所述外部硅钢片的重合区域。
11.根据权利要求10所述的驱动器,其特征在于,所述内部硅钢片和所述外部硅钢片采用碟片形式设计。
12.根据权利要求6所述的驱动器,其特征在于,所述线圈的两个电极端通过刷引出。
13.根据权利要求6所述的驱动器,其特征在于,所述驱动器还包括传动齿轮组,所述传动齿轮组中的第一传动齿轮与所述转轴的另一端连接。
14.根据权利要求13所述的驱动器,其特征在于,所述传动齿轮组包括锥齿轮、圆柱齿轮和/或蜗轮蜗杆中的一种或多种。
15.一种驱动器,其特征在于,所述驱动器包括:
电机元件,用于提供输出力矩;
磁流变制动元件,用于提供制动力矩;以及
扭簧,串联连接于所述电机元件与所述磁流变制动元件之间,以在所述电机元件与所述磁流变制动元件之间提供柔性连接,
其中,所述扭簧包括第一扭簧单体和第二扭簧单体,所述第一扭簧单体和所述第二扭簧单体中的每一个均包括:
内圈;
外圈;以及
多个弹性单元,并联连接于所述内圈与所述外圈之间;
其中,所述第一扭簧单体的外圈和所述第二扭簧单体的外圈刚性连接,所述第一扭簧单体的内圈与所述第二扭簧单体的内圈相互对准。
16.根据权利要求15所述的驱动器,其特征在于,所述驱动器还包括动力传递元件,所述电机元件通过所述动力传递元件与所述第一扭簧单体的内圈连接。
17.根据权利要求16所述的驱动器,其特征在于,所述动力传递元件为行星减速器。
18.根据权利要求15所述的驱动器,其特征在于,在所述第一扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部和所述第二扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部分别设置有角度传感器,以测量所述第一扭簧单体的内圈和所述第二扭簧单体的内圈产生的形变差。
19.根据权利要求15所述的驱动器,其特征在于,所述磁流变制动元件包括:
转轴,由高导磁材料制成,其一端与所述第二扭簧单体的内圈连接;
线圈,缠绕于所述转轴;以及
腔体,用于容纳磁流变流体,
其中,所述磁流变流体能够在所述线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力
20.根据权利要求19所述的驱动器,其特征在于,所述转轴的轴截面轮廓为曲线和/或分段折线。
21.根据权利要求19所述的驱动器,其特征在于,所述线圈的两个电极端通过碳刷引出。
22.根据权利要求19所述的驱动器,其特征在于,所述驱动器还包括用于改变力矩传动方向的传动齿轮组,所述传动齿轮组中的第一传动齿轮与所述转轴的另一端连接。
23.根据权利要求22所述的驱动器,其特征在于,所述传动齿轮组包括锥齿轮、圆柱齿轮和/或蜗轮蜗杆中的一种或多种。

说明书全文

磁流变串联弹性驱动器

技术领域

[0001] 本申请涉及一种驱动器,具体涉及一种用于康复、助行类机器人的磁流变串联弹性驱动器。

背景技术

[0002] 目前,国内外由于中、脊髓损伤、截肢等疾病引起的具有运动障碍的病人逐渐增多。由于这些病人不能像正常人一样进行行走,长期以往,会给他们带来例如骨质疏松症、肌肉萎缩、肥胖等其它疾病。康复、助行类机器人,如可穿戴外骨骼套装、假肢等机器人,能够穿戴在具有运动障碍的病人身上,以帮助病人进行康复训练、辅助行走,从而提高他们的生活质量
[0003] 驱动器是康复、助行类机器人的一个重要组成部分,它能够决定机器人的输出矩、速度,从而决定机器人的性能。在传统工程应用中,一般要求驱动器有足够大的刚度,从而实现系统的精确控制。但是在康复、助行类机器人领域,这些机器人需要与人进行交互,处于安全和舒适度等方面的考虑,通常需要降低驱动器的刚度。另外,由于机器人需要长时间为病人提供辅助力矩,通常需要系统具有高能量效率。
[0004] 而国内外各研究机构目前所公布的康复、助行类机器人的驱动器,大多刚度比较高,不能有效的缓冲外界对系统的冲击;并且需要提供较大的电流,不仅能量效率比较低,还存在安全隐患。
[0005] 因此,需要一种能够很好地降低系统刚度、减小外界冲击对系统的影响,同时具有高能量效率和安全性的驱动器。发明内容
[0006] 本申请提供的技术方案至少部分地解决了以上所述的技术问题。
[0007] 根据本申请的一个方面,提供了这样一种驱动器,该驱动器包括第一扭簧单体和第二扭簧单体,第一扭簧单体和第二扭簧单体中的每一个均包括:内圈外圈;以及并联连接于内圈与外圈之间的多个弹性单元。第一扭簧单体的外圈和第二扭簧单体的外圈刚性连接,所述第一扭簧单体的内圈与第二扭簧单体的内圈相互对准。该驱动器还包括电机元件和制动元件。电机元件用于提供输出力矩,并与第一扭簧单体的内圈连接。制动元件用于提供制动力矩,并与第二扭簧单体的内圈连接。
[0008] 在一个实施方式中,驱动器还可包括动力传递元件,电机元件通过动力传递元件与第一扭簧单体的内圈连接。
[0009] 在一个实施方式中,动力传递元件可为行星减速器。
[0010] 在一个实施方式中,可在第一扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部和第二扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部分别设置有传感器,以测量第一扭簧单体的内圈和第二扭簧单体的内圈产生的形变差。
[0011] 在一个实施方式中,角度传感器可包括绝对式编码器增量式编码器和/或电位计中的一种或多种。
[0012] 在一个实施方式中,制动元件可包括:转轴,由高导磁材料制成,其一端与第二扭簧单体的内圈连接;线圈,缠绕于转轴;以及腔体,用于容纳流体,其中,流体能够在线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力
[0013] 在一个实施方式中,制动元件的转轴的轴截面轮廓可为曲线和/或分段折线。
[0014] 在一个实施方式中,制动元件的转轴可为芯转轴。
[0015] 在一个实施方式中,制动元件中的流体可为磁流变流体。
[0016] 在一个实施方式中,在制动元件的腔体内可布置有多对内部片和外部硅钢片,流体可分布于内部硅钢片和外部硅钢片的重合区域。
[0017] 在一个实施方式中,制动元件中的内部硅钢片和外部硅钢片可采用碟片形式设计。
[0018] 在一个实施方式中,制动元件的线圈的两个电极端可通过刷引出。
[0019] 在一个实施方式中,驱动器还包括传动齿轮组,传动齿轮组中的第一传动齿轮与转轴的另一端连接。
[0020] 在一个实施方式中,传动齿轮组可包括锥齿轮、圆柱齿轮和/或蜗轮蜗杆中的一种或多种。
[0021] 根据本申请的另一个方面,还提供了这样一种驱动器。该驱动器包括:电机元件,用于提供输出力矩;制动元件,用于提供制动力矩;以及扭簧,串联连接于电机元件与制动元件之间,以在电机元件与制动元件之间提供柔性连接。
[0022] 在一个实施方式中,扭簧包括第一扭簧单体和第二扭簧单体,第一扭簧单体和第二扭簧单体中的每一个均包括:内圈;外圈;以及多个弹性单元,并联连接于内圈与外圈之间。其中,第一扭簧单体的外圈和第二扭簧单体的外圈刚性连接,第一扭簧单体的内圈与第二扭簧单体的内圈相互对准。
[0023] 在一个实施方式中,驱动器还包括动力传递元件,电机元件通过动力传递元件与第一扭簧单体的内圈连接。
[0024] 在一个实施方式中,动力传递元件可为行星减速器。
[0025] 在一个实施方式中,在第一扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部和第二扭簧单体的内圈、远离对应外圈的端部分别设置有角度传感器,以测量第一扭簧单体的内圈和第二扭簧单体的内圈产生的形变差。
[0026] 在一个实施方式中,所述制动元件包括:转轴,由高导磁材料制成,其一端与第二扭簧单体的内圈连接;线圈,缠绕于转轴;以及腔体,用于容纳流体。其中,流体能够在线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力
[0027] 在一个实施方式中,制动元件的转轴的轴截面轮廓可为曲线和/或分段折线。
[0028] 在一个实施方式中,制动元件的线圈的两个电极端可通过碳刷引出。
[0029] 在一个实施方式中,驱动器还包括传动齿轮组,传动齿轮组中的第一传动齿轮与转轴的另一端连接。
[0030] 在一个实施方式中,传动齿轮组可包括锥齿轮、圆柱齿轮和/或蜗轮蜗杆中的一种或多种。
[0031] 通过上述配置的驱动器,其传动链中有一对和电机元件串联连接的扭簧单体,可有效地增加系统的柔性;在康复、助行类机器人的应用中,串联连接的扭簧还能够有效地缓冲外界(如地面)对系统的冲击,并且能够存储能量。在扭簧的两端可设计有角度传感器,通过检测扭簧的形变量,能够精确地获得电机的输出力矩,从而实现了力矩传感器的功能。另外,本发明传动链中设计有磁流变制动元件,磁流变制动元件中采用了智能材料磁流变流体,对线圈通入电流以产生感生磁场,磁流变流体在磁场的作用下产生较大的剪切应力,从而能够实现以较小的输入电流获取较大的输出制动力矩。在对具有运动障碍的病人进行康复训练和辅助行走的过程中,磁流变制动元件的应用能够大大地降低电机元件的峰值电流,从而提高系统的能量效率和安全性。并且,本发明传动链中还设计有传动齿轮组,传动齿轮组可改变电机的传动方向,从而使得整个驱动器结构更加紧凑。附图说明
[0032] 通过参照以下附图所作出的详细描述,本申请的实施方式的以上及其它优点将变得显而易见,附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。在附图中:
[0033] 图1是根据本申请实施方式的驱动器的立体结构示意图;
[0034] 图2a是根据本申请实施方式的扭簧单体的立体结构示意图;
[0035] 图2b是根据本申请实施方式的扭簧的立体结构示意图;
[0036] 图3是根据本申请实施方式的角度传感器的安装位置示意图;
[0037] 图4a是根据本申请实施方式的制动元件的立体结构示意图;
[0038] 图4b是根据本申请实施方式的制动元件的转轴的立体结构示意图;
[0039] 图4c是根据本申请实施方式的制动元件的内部结构的剖面示意图;
[0040] 图4d是根据本申请实施方式的制动元件的碳刷结构的剖面示意图。

具体实施方式

[0041] 为了更好地理解本申请,将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解,这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述,而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中,相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
[0042] 应理解的是,在本申请中,当元件被描述为在另一元件“上”、“连接至”或“联接至”另一元件时,其可直接在另一元件上、直接连接至或联接至另一元件,或者可存在介于中间的元件。当元件称为“直接位于”另一元件“上”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件时,不存在介于中间的元件。
[0043] 应注意,在本说明书中,第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来,而不表示对特征的任何限制。因此,在不背离本申请的教导的情况下,下文中讨论的第一扭簧单体也可被称作第二扭簧单体。
[0044] 诸如“在...之下”、“在...下方”、“下”、“在...之上”、“上”等空间相对用语可在本文中为了描述便利而使用,以描述如附图中所示的一个元件或特征与另一个元件(另外多个元件)或另一个特征(另外多个特征)的关系。应理解的是,除了附图中描绘的方向之外,空间相对用语还意在涵盖装置在使用中或操作中的不同的方向。例如,如果附图中的装置翻转,则描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将定向为在其它元件或特征“之上”。因此,示例性用语“在...下方”可包含在...之上和在...下方两个方向。
[0045] 本文中使用的用辞仅用于描述具体实施方式的目的,并不旨在限制本申请。如在本文中使用的,除非上下文中明确地另有指示,否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是,用语“包括”、“包括有”不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、元件、部件和/或它们的组合。此外,当描述本申请的实施方式时,使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且,用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
[0046] 如在本文中使用的,用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语,而不用作表程度的用语,并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
[0047] 除非另外限定,否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是,用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义,并且将不被以理想化或过度正式意义解释,除非本文中明确如此限定。
[0048] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0049] 以下结合具体实施方式进一步描述本申请。
[0050] 图1是根据本申请实施方式的驱动器100的立体结构示意图。根据本申请示例性实施方式的驱动器100可包括电机元件1、扭簧4和制动元件5。电机元件1可通过电机安装座10安装于驱动器支架9。制动元件5可通过固定座8安装于驱动器支架9。电机元件1与扭簧4的一端连接,制动元件5与扭簧4的另一端连接。
[0051] 扭簧4包括两个相互配合的扭簧单体,即,第一扭簧单体4a和第二扭簧单体4b。图2a是根据本申请实施方式的第一扭簧单体4a或第二扭簧单体4b的立体结构示意图;图2b是根据本申请实施方式的扭簧4的立体结构示意图。如图所示,每个扭簧单体均包括外圈4-1、内圈4-3以及多个弹性单元4-2。多个弹性单元4-2并联在外圈4-1与内圈4-3之间,围绕内圈
4-3的轴线中心对称分布,其中,单个弹性单元4-2为轴对称形状。多个弹性单元4-2工作过程中顺时针方向受力和逆时针方向受力的形变量相同;其材料为弹簧钢类,具有优良的力学性能,长期工作性能比较稳定,劲度系数变化很小。第一扭簧单体4a的外圈4a-1与第二扭簧单体4b的外圈4b-1刚性连接;同时,第一扭簧单体4a的内圈4a-3与第二扭簧单体4b的内圈4b-3相互对准但不相连。可分别沿着外圈4a-1的周向和外圈4b-1的周向设置多个通孔4-
4,以通过例如螺栓固定的方式将外圈4a-1与外圈4b-1刚性固定在一起。
[0052] 电机元件1可与第一扭簧单体4a的内圈4a-3连接,制动元件5可与第二扭簧单体4b的内圈4b-3连接。由于第一扭簧单体4a和第二扭簧单体4b仅通过外圈4a-1和外圈4b-1刚性固定,从而实现了电机元件1与制动元件5的柔性连接。将扭簧4与电机元件1进行串联连接,可增加系统的柔性。在康复、助行类机器人的应用中,扭簧4能够有效地缓冲来自例如地面、台阶等外界环境对系统的冲击,提高系统的安全性能,从而对使用者起到保护作用。同时,扭簧4还能够有效地避免由于瞬时冲击而对电机元件1可能造成的潜在损害,从而对电机元件1起到保护作用。另外,扭簧4还能够用于储存能量。
[0053] 在一个实施方式中,驱动器100还可包括动力传递元件2。电机元件1可通过动力传递元件2与第一扭簧单体4a的内圈4a-3连接。在电机元件1与第一扭簧单体4a之间设置动力传递元件2,以利用齿轮的速度转换器,将电机元件1的达的回转数减速到所要的回转数,并且能够同时得到较大的转矩。这样的布置有利于减小电机的输入电流,提高驱动器系统的能量效率与安全性。动力传递元件2可以是行星减速器。
[0054] 在一个实施方式中,驱动器100还可包括角度传感器3。图3示意性示出了根据本申请实施方式的角度传感器3的安装位置。如图3所示,第一角度传感器3-1可安装于第一扭簧单体4a的内圈、远离对应外圈的端部处;第二角度传感器3-2可安装于第二扭簧单体4b的内圈、远离对应外圈端部处。第一角度传感器3-1和第二角度传感器3-2通过对第一扭簧单体4a和第二扭簧单体4b在力矩作用下所产生的形变量进行测量,并根据扭簧4的刚度,便可准确地计算出电机元件1的输出力矩。角度传感器3所计算得到的电机元件1的输出力矩可反馈至控制器(未示出),以用于机器人的力矩反馈控制。角度传感器3可包括绝对式编码器、增量式编码器和/或电位计中的一种或多种。
[0055] 根据本申请示例性实施方式的制动元件5可包括转轴5-1、线圈5-4和腔体5-3。图4a是根据本申请实施方式的制动元件5的立体结构示意图;图4b是根据本申请实施方式的制动元件5的转轴5-1的立体结构示意图;图4c是根据本申请实施方式的制动元件5的内部结构的剖面示意图;图4d是根据本申请实施方式的制动元件5的碳刷结构5-14-1和碳刷结构5-14-2的剖面示意图。如图所示,转轴5-1由高导磁材料制成,其一端5-1-1可与第二扭簧单体4b连接,另一端5-1-2可与传动齿轮组6连接。作为一个示例,转轴5-1可以是由电工纯铁制成的铁芯转轴。转轴5-1采用变截面设计,其轴截面轮廓可以为曲线和/或分段折线,以充分利用磁路空间。线圈5-4缠绕于转轴5-1,当线圈5-4中通入电流时,会产生磁场,磁场强度会随着线圈电流的增大而增大。腔体5-3用于容纳流体5-9。腔体5-3中的流体5-9能够在线圈5-4感生的电磁场作用下而产生剪切应力。
[0056] 制动元件5可以是磁流变制动元件,腔体5-3中的流体5-9可以是磁流变(MR)流体。磁流变流体是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度顿流体特性;而在强磁场作用下,则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。由于磁流变流体在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的,而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系,磁流变流体的使用可使制动元件5具有较好的稳定性和快速的响应时间。同时,由于磁流变流体在磁场作用下时可产生高屈服应力并消耗较少功率,这有助于提高驱动系统整体的能量效率。
[0057] 本领域技术人员应当理解的是,虽然在实施方式中使用了磁流变(MR)流体,但是能够使用例如电流变(ER)流体和/或电磁流变(EMR)流体来替代磁流变(MR)流体。
[0058] 另外,使用磁流变制动元件还可实现系统的无摩擦制动,即,在制动元件5的制动过程中,不会由于元件间的相互接触和摩擦而对制动元件5造成磨损,这可有利于延长驱动系统的使用寿命。
[0059] 如图4c所示,制动元件5可包括由高导磁材料制成的侧板5-6-1和侧板5-6-2。侧板5-6-1和侧板5-6-2均可由电工纯铁制成。在腔体5-3中设置有多对内部硅钢片5-7和外部硅钢片5-8,硅钢片采用碟片形式设计,以使制动元件5具有较为紧凑的结构。流体5-9可分布在内部硅钢片5-7和外部硅钢片5-8重合的区域。在线圈5-4和腔体5-3之间设置有绝缘层5-
5,绝缘层5-5可由合金材料制成。线圈5-4的两端分别连接在片5-10-1和铜片5-10-2上,经碳刷5-14-1和碳刷5-14-2连向外面。碳刷的导电、导热以及润滑性能良好,并且碳刷还具有良好的换向和集流性能,使用寿命较长。碳刷5-14-1安装在空心螺钉5-11中,并经过弹簧5-13压紧,从而与铜片5-10-1紧密接触。碳刷5-14-2的安装与碳刷5-14-1的安装类似。
空心螺钉5-11可由3D打印制造。线圈5-4和腔体5-3由制动元件5的外壳5-12包裹。在外壳5-
12上设置有流体注射孔5-2,用于将流体5-9注射至腔体5-3。
[0060] 以上所描述的驱动器100可作为关节驱动器应用于康复、助行类机器人中。在使用中,驱动器100还可包括传动齿轮组6。如图1所示,传动齿轮组6可包括第一传动齿轮6a和第二传动齿轮6b。第一传动齿轮6a与制动元件5的转轴5-1相连接,第二传动齿轮6b与关节连接件7向连接。传动齿轮组6可以改变由电机元件1产生的输出力矩和由制动元件5产生的制动力矩的方向,并将改变方向后的力矩传递至关节连接件7。传动齿轮组6的这种设计可实现电机元件1、扭簧4以及制动元件5与驱动器支架9的平行布置,从而有利于实现驱动器100的结构紧凑。在应用中,传动齿轮组6可包括以下齿轮中的一种或多种:锥齿轮,圆柱齿轮,蜗轮蜗杆。
[0061] 在机器人运动的过程中,关节驱动器100在不同的阶段需要向关节连接件7提供不同的功能,如驱动功能和制动功能。
[0062] 当需要驱动器100向关节连接件7提供驱动功能时,电机元件1将输出驱动力矩,该驱动力矩可经过动力传递元件2放大后传递给扭簧4。第一扭簧单体4a和第二扭簧单体4b将会承受同样的力矩,由于弹性单元4-2的作用,第一扭簧单体4a的内圈4a-3和第二扭簧单体4b的内圈4b-3将产生形变差,通过第一角度传感器3-1和第二角度传感器3-2准确测量出扭簧4的形变量,并根据扭簧4的刚度,准确计算出电机元件1的输出力矩。所计算出的输出力矩用于机器人的力矩反馈控制。电机元件1的输出力矩经过扭簧4传递至制动元件5的转轴
5-1,由于此时驱动器需要提供驱动力矩,制动元件5的线圈5-4将不通入电流,因此制动元件5不会产生制动力矩。最后,电机元件1的输出力矩经过传动齿轮组6改变方向后传递给关节连接件7,从而实现驱动功能。
[0063] 当需要驱动器100向关节连接件关节7提供制动功能,并且所需制动力矩不超过制动元件5所能提供的峰值制动力矩时,电机元件1将处于非工作状态,不提供输出力矩。此时线圈5-4将通入电流,制动元件5中将产生感生磁场,流体5-9在磁场的作用下将产生很大剪切应力,当内部硅钢片5-7随着转轴5-1一起转动时将切割流体5-9,使得制动元件5提供所需制动力矩。由于通入线圈5-4的电流是可控的,因此制动元件5能够产生可控的制动力矩。最后,制动元件5产生的制动力矩经过传动齿轮组6改变方向后传递给关节连接件7,从而实现制动功能。由于在提供相同的制动力矩的情况下,制动元件5所需的电流远远小于电机元件1所需的电流,从而有效地提高了系统的能量效率和安全性。
[0064] 当需要驱动器100向关节连接件关节7提供制动功能,并且所需制动力矩超过制动元件5所能提供的峰值制动力矩时,将使用电机元件1与制动元件5的混合制动功能。此时,电机元件1将处于工作状态,提供输出力矩。电机元件1的输出力矩经过动力传递元件2放大后传递给扭簧4,进而传递给制动元件5的转轴5-1。与此同时,线圈5-4将通入电流,制动元件5中将产生感生磁场,流体5-9在磁场的作用下产生剪切应力,当内部硅钢片5-7随着转轴5-1一起转动时将切割流体5-9,使得制动元件5提供所需制动力矩。由于电机元件1和制动元件5是串联连接,电机元件1经过动力传递元件2放大后的输出力矩可以和制动元件5产生的制动力矩相加。最后,传动齿轮组6将相加后的力矩改变方向后传递给关节连接件7,从而实现电机元件1与制动元件5的混合制动功能。
[0065] 以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
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