液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種新型的采用液壓伺服技術(shù)與串聯(lián)彈性技術(shù)相結(jié)合的驅(qū)動機構(gòu)，主要由液壓缸、轉(zhuǎn)接板、伺服閥、套筒、驅(qū)動軸、輸出軸、彈簧、固定銷、彈簧擋圈、輸出端、拉壓力傳感器和相關(guān)附件組成。伺服閥通過轉(zhuǎn)接板與液壓缸固連，套筒與液壓缸的端蓋固連，驅(qū)動軸一端與液壓缸的活塞桿固連，其另外一端通過固定銷與彈簧擋圈固連，輸出軸與輸出端通過螺紋固連，彈簧擋圈安裝在輸出軸上，兩側(cè)分別安裝彈簧，通過彈簧將力傳遞到輸出端，拉壓力傳感器一端與輸出端固連，另一端與負載固連。通過液壓伺服閥控制液壓缸的方式提供驅(qū)動力，可以提高現(xiàn)有串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出功率；所設(shè)計的彈性驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于實現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器，屬于液壓伺服控制和機器人【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，機器人在空間實驗、環(huán)境探索、搶險救災(zāi)、醫(yī)療以及家庭服務(wù)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多。在這些應(yīng)用環(huán)境中，環(huán)境與共事者將不再會向過去那樣遷就機器人進行改變，而要求機器人配合工作人員、對象或者環(huán)境，適應(yīng)多變的環(huán)境及工作任務(wù)。機器人走下主角的位置，成為了真正意義上的“仆從”。因此，在與人類共事、以及工作于復(fù)雜多變的環(huán)境中時，是否能夠精確平穩(wěn)以及安全地運動，成為機器人技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)！
[0003]針對上述人們對機器人技術(shù)需求的變化，目前的研究工作從機器人的驅(qū)動系統(tǒng)入手，開展了柔順機器人系統(tǒng)、力控制技術(shù)以及可變剛度驅(qū)動等方面的研究，并取得了非常顯著的成績，部分成果已經(jīng)商業(yè)化，產(chǎn)品也逐漸地走入了人類的事業(yè)，開始改變著我們的生活。
[0004]然而，以上的驅(qū)動方式，由于驅(qū)動剛度過大，以及成本、系統(tǒng)帶寬方面的要求很高，在與環(huán)境交互以及與人類共事時，仍然具有一定的安全隱患。針對以上的問題，Gill Pratt在1995年提出了具有彈性環(huán)節(jié)的驅(qū)動方式，被稱為串聯(lián)彈性驅(qū)動(SEA，Series ElasticActuators)。串聯(lián)彈性驅(qū)動打破了傳統(tǒng)的追求高傳遞剛度的觀念，而是在作動器與負載之間串聯(lián)了一個彈性環(huán)節(jié)，使得傳遞剛度降低，通過作動器與彈性環(huán)節(jié)的共同作用使負載獲得驅(qū)動力。這樣的驅(qū)動方式更加類似于自然界動物的肌肉一肌腱的驅(qū)動方式，因此從仿生角度，串聯(lián)彈性驅(qū)動在柔順驅(qū)動以及交互安全中，具有很大的潛力。
[0005]經(jīng)過十幾年的技術(shù)鋪墊，串聯(lián)彈性驅(qū)動技術(shù)開始迅速地應(yīng)用在具有獨立行走、奔跑能力的機器人上，如美國IHMC的雙足仿人機器人Yobotics和FastRunner、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的StarlETH等。國內(nèi)的哈爾濱工程大學(xué)、北京交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校也相繼展開了針對串聯(lián)彈性驅(qū)動方式的研究。可以說該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展是生機勃勃，而且成為機器人領(lǐng)域中解決變剛度控制及可靠力控制的主要技術(shù)手段。
[0006]然而，目前的串聯(lián)彈性驅(qū)動依然存在輸出功率很難提高、剛度變化范圍無法超過串聯(lián)彈性環(huán)節(jié)的剛度約束和串聯(lián)彈性環(huán)節(jié)的對稱性要求高等缺陷，這些缺陷使得目前的串聯(lián)彈性驅(qū)動技術(shù)還很難真正走進工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種新型的采用液壓伺服技術(shù)與串聯(lián)彈性技術(shù)相結(jié)合的驅(qū)動機構(gòu)，通過對其進行高集成度一體化設(shè)計和高動態(tài)變剛度力伺服控制，解決上述缺陷。
[0008]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明的液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器，主要包括液壓缸、轉(zhuǎn)接板、伺服閥、六角螺栓、六角螺母、套筒、驅(qū)動軸連接螺母、驅(qū)動軸、輸出軸、彈簧、固定銷、彈簧擋圈、輸出端、傳感器連接螺母和拉壓力傳感器；[0010]所述的伺服閥通過轉(zhuǎn)接板與液壓缸固連，用于控制液壓缸活塞桿的運動位移、速度和輸出力；
[0011]所述的套筒通過8個六角螺栓和六角螺母與液壓缸的端蓋固連，套筒內(nèi)側(cè)在其圓周上開有三個成120°的凹槽，用于輸出軸的導(dǎo)向和定位，同時可以承受一定的徑向偏載；
[0012]所述的驅(qū)動軸一端通過驅(qū)動軸連接螺母與液壓缸的活塞桿固連，其另外一端在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷；
[0013]所述的輸出軸與輸出端通過螺紋固連，輸出軸上安裝有彈簧和彈簧擋圈，同時在輸出軸的圓周上開有三個成120°的腰形孔，固定銷可在其中自由運動；
[0014]所述的輸出軸一端帶有凸板，用于安裝彈簧，同時在其圓周上留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒的相應(yīng)凹槽中，用于導(dǎo)向和定位；
[0015]所述的彈簧擋圈安裝在輸出軸上，兩側(cè)分別安裝有彈簧，彈簧擋圈在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷，通過固定銷將彈簧擋圈與驅(qū)動軸固連，這樣就可以將驅(qū)動軸的運動轉(zhuǎn)換為彈簧擋圈的運動，進而彈簧擋圈通過與其連接的彈簧將力傳遞到輸出軸和輸出端上，帶動其運動；
[0016]所述的彈簧擋圈在其圓周上還留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒的相應(yīng)凹槽中，與輸出軸上的三個凸臺一起完成對輸出軸的導(dǎo)向和定位；
[0017]所述的拉壓力傳感器一端通過傳感器連接螺母與輸出端固連，另一端與負載固連。由于實際中的彈簧非理想彈簧，彈簧的性能隨著使用時間的增加也可能發(fā)生變化，拉壓力傳感器可用于修正這些誤差，并對液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器的性能進行標定。同時，當彈簧的壓縮量達到最大時，胡克定律失效，可直接利用拉壓力傳感器反饋作用在負載上力的大小，從而使得驅(qū)動器力伺服的剛度不受彈簧剛度的限制。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:通過液壓伺服閥控制液壓伺服油缸的方式提供驅(qū)動力，可以提高現(xiàn)有串聯(lián)彈性驅(qū)動器的輸出功率；所設(shè)計的彈性驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的剖視圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的主視圖；
[0021]圖3是本發(fā)明的右視圖；
[0022]圖4是本發(fā)明的立體圖；
[0023]圖中，1.液壓缸，2.活塞桿，3.轉(zhuǎn)接板，4.伺服閥，5.六角螺栓，6.六角螺母，7.套筒，8.驅(qū)動軸連接螺母，9.驅(qū)動軸，10.輸出軸，11.彈簧，12.固定銷，13.彈簧擋圈，14.輸出端，15.傳感器連接螺母，16.拉壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0025]本發(fā)明是一種液壓驅(qū)動的串聯(lián)彈性驅(qū)動器，伺服閥4通過轉(zhuǎn)接板3與液壓缸I固連，用于控制液壓缸活塞桿的運動位移、速度和輸出力；套筒7通過8個六角螺栓和六角螺母與液壓缸I的端蓋固連，套筒內(nèi)側(cè)在其圓周上開有三個成120°的凹槽，用于輸出軸10的導(dǎo)向和定位，同時可以承受一定的徑向偏載；套筒7的長度應(yīng)保證彈簧擋圈12在運動過程中始終不與其脫開；驅(qū)動軸9的一端通過驅(qū)動軸連接螺母8與液壓缸的活塞桿2連接在一起，其另外一端在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷12 ;輸出軸10與輸出端14通過螺紋固連，輸出軸10上安裝有彈簧11和彈簧擋圈13，同時在輸出軸10的圓周上開有三個成120°的腰形孔，固定銷12可在其中自由運動；腰形孔的長度應(yīng)保證彈簧11壓縮時不會與固定銷12發(fā)生碰撞；輸出軸10的一端帶有凸板，用于安裝彈簧11，同時在其圓周上留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒7的相應(yīng)凹槽中，用于導(dǎo)向和定位；彈簧擋圈13安裝在輸出軸10上，兩側(cè)分別安裝彈簧11，彈簧擋圈13在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷12，通過固定銷12將彈簧擋圈13與驅(qū)動軸9固連，這樣就可以將驅(qū)動軸9的運動轉(zhuǎn)換為彈簧擋圈13的運動，進而彈簧擋圈13通過與其連接的彈簧11將力傳遞到輸出軸10和輸出端14上，帶動其運動；彈簧擋圈13在其圓周上還留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒7的相應(yīng)凹槽中，與輸出軸10上的三個凸臺一起完成對輸出軸10的導(dǎo)向和定位；拉壓力傳感器16的一端通過傳感器連接螺母15與輸出端14固連，另一端與負載固連。由于實際中的彈簧11非理想彈簧，彈簧11的性能隨著使用時間的增加也可能發(fā)生變化，拉壓力傳感器16可用于修正這些誤差，并對液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器的性能進行標定。同時，當彈簧11的壓縮量達到最大時，胡克定律失效，可直接利用拉壓力傳感器16反饋作用在負載上力的大小，從而使得驅(qū)動器力伺服的剛度不受彈簧11剛度的限制。
[0026]其動力傳遞過程為:動力源為一個液壓缸1，液壓缸I的活塞桿2通過驅(qū)動軸連接螺母8與驅(qū)動軸9固連，驅(qū)動軸9通過固定銷12與彈簧擋圈13固連。這樣，液壓缸I的活塞桿2的運動位移、速度和力就通過驅(qū)動軸連接螺母8、驅(qū)動軸9和固定銷12傳遞給了彈簧擋圈13。彈簧擋圈13所受到的力再傳到與其相連的彈簧11，彈簧擋圈13右側(cè)的受壓彈簧11的另一端將力傳遞到輸出端14上輸出，彈簧擋圈13左側(cè)的受壓彈簧11的另一端將力傳遞到輸出軸10的凸板上，進而將力傳遞到輸出端14上輸出。
【權(quán)利要求】
1.液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于:包括液壓缸、轉(zhuǎn)接板、伺服閥、六角螺栓、六角螺母、套筒、驅(qū)動軸連接螺母、驅(qū)動軸、輸出軸、彈簧、固定銷、彈簧擋圈、輸出端、傳感器連接螺母、拉壓力傳感器； 伺服閥通過轉(zhuǎn)接板與液壓缸固連； 套筒通過8個六角螺栓和六角螺母與液壓缸的端蓋固連，套筒內(nèi)側(cè)在其圓周上開有三個成120°的凹槽； 驅(qū)動軸一端通過驅(qū)動軸連接螺母與液壓缸的活塞桿固連，其另外一端在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷； 輸出軸一端與輸出端通過螺紋固連，在輸出軸上安裝有彈簧和彈簧擋圈，同時在輸出軸的圓周上開有三個成120°的腰形孔，固定銷可在其中自由運動； 輸出軸另外一端帶有凸板，用于安裝彈簧，同時在其圓周上留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒的相應(yīng)凹槽中；輸出端帶有凸板，用于安裝彈簧； 彈簧擋圈安裝在輸出軸上，兩側(cè)分別安裝彈簧，彈簧擋圈在圓周上開有三個成120°的圓孔，每個圓孔處分別安裝固定銷，通過固定銷將彈簧擋圈與驅(qū)動軸固連； 彈簧擋圈在其圓周上留有三個成120°的凸臺，該凸臺嵌入在套筒的相應(yīng)凹槽中； 拉壓力傳感器一端通過傳感器連接螺母與輸出端固連，另一端與負載固連。
2.如權(quán)利要求1所述的液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動器，其特征在于:輸出軸上腰形孔的長度應(yīng)保證彈簧壓縮時不會與固定銷發(fā)生碰撞。
【文檔編號】B25J9/14GK104015202SQ201410280277
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】齊海濤, 史成坤, 王亮 申請人:北京航空航天大學(xué)