本發(fā)明屬于關(guān)節(jié)驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器。

背景技術(shù)：

關(guān)節(jié)驅(qū)動器是動力外骨骼和人形機器人中的必需原件，目前關(guān)節(jié)驅(qū)動器的小型化仍然是該領(lǐng)域的研發(fā)重點和難點。首先，關(guān)節(jié)驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)速一般并不高，需要由大減速比的減速機構(gòu)來保證，這些減速器往往外形和重量較大，使得關(guān)節(jié)驅(qū)動器整體尺寸及重量也受到影響。其次，驅(qū)動動力外骨骼和人形機器人正常行走所需扭矩較大，較大的轉(zhuǎn)動扭矩需要電機本身具有較大功率和輸出扭矩，而一般電機機械性能與電機外形尺寸相關(guān)，較大的電機尺寸是限制目前關(guān)節(jié)驅(qū)動器小型化的主要原因。再次，目前移動穿戴式動力外骨骼和人形機器人多采用電池能源，受制于當(dāng)前電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些外骨骼和機器人工作時間有限，大大限制了其實際應(yīng)用和推廣。而且，動力外骨骼和人形機器人在工作時往往接近于正常人體步態(tài)，在這種行進(jìn)狀態(tài)下大量的能源被消耗在抵消垂直軸的重力波動上，真正應(yīng)用于前向行走的能源所占比例較小。如何在有限的電池供應(yīng)下，減小驅(qū)動器功耗降低行走周期內(nèi)的重力波動影響，一直是當(dāng)前關(guān)節(jié)驅(qū)動器研發(fā)和外骨骼研究的重點。

早期動力外骨骼和一些人形機器人多采用液壓或氣壓驅(qū)動，其優(yōu)點是可以將動力源放在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)處而用液壓和氣壓管道將驅(qū)動能量引到驅(qū)動器處，以此可減小關(guān)節(jié)驅(qū)動器整體尺寸。但其缺點是能效比低、附屬管路及其他器件較多、控制復(fù)雜。當(dāng)前電機驅(qū)動已成為關(guān)節(jié)驅(qū)動器領(lǐng)域的主流。主要常見的有電機+諧波減速器，電機+齒輪減速器，電機+齒輪齒條組合，電機+同步帶，電機+滾珠絲杠。如果按電機布置分又可以分為電機平行軸布置和電機垂直軸布置。電機平行軸布置時電機和減速器在同一軸線上，優(yōu)點是直接套接機構(gòu)簡單，缺點是軸向尺寸較大機構(gòu)臃腫，除非采用盤式電機和諧波減速器的組合，否則這種方式難以兼顧尺寸和性能。但諧波減速器屬于精密減速器件其價格相比普通齒輪減速器高出許多。電機+同步帶方式也屬于平行軸布置，但同步帶減速比與帶輪直徑比相關(guān)，帶輪直徑又受制于關(guān)節(jié)驅(qū)動器尺寸因而無法做的很大，導(dǎo)致同步帶傳動無法獲得大減速比進(jìn)而影響了其輸出扭矩。垂直軸布置時電機沿腿部方向布置，可以充分利用腿部空間，這種布置方式目前應(yīng)用最廣的是電機+絲杠模式，但由于絲杠是將直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，存在轉(zhuǎn)動范圍有限的缺點。在控制方面還要實時計算反三角函數(shù)因而控制器運算負(fù)擔(dān)較大，造成控制復(fù)雜。此外，目前關(guān)節(jié)驅(qū)動器需要保證在無電或電機不轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定自鎖，主流方案多采用電機剎車。雖然這種方式可以保證驅(qū)動器的有效制動，但電機剎車本質(zhì)上屬于電磁制動器，它需要額外的能源消耗且增加控制元件因而不利于機構(gòu)的簡化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器。

一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器，其包括外殼、電機、減速機構(gòu)和儲能機構(gòu)；其中，

所述外殼主要由上殼和下殼連接組合而成；所述上殼，其左右兩側(cè)后下方為上殼連接部，該處呈圓形并向內(nèi)凹陷，并在上殼的上部設(shè)有上肢連接平臺；所述下殼，其左右兩側(cè)的上部呈圓形且與上殼的凹陷處相對應(yīng)，作為下殼連接部，并在下殼的下部設(shè)有下肢連接平臺；

所述電機由上殼支撐固定，采用垂直輸出軸的形式；

所述減速機構(gòu)分為兩級，第一級減速機構(gòu)采用大圓柱齒輪和小圓柱齒輪的嚙合機構(gòu)，第二級減速機構(gòu)采用蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)；小圓柱齒輪與電機的輸出軸連接，大圓柱齒輪與小圓柱齒輪嚙合連接；上殼凹陷處的前側(cè)為蝸桿的安裝部，蝸桿的上下兩端分別通過軸承固定在蝸桿安裝部，且蝸桿的上端與大圓柱齒輪連接；輸出軸通過軸承與上殼連接，蝸輪與輸出軸連接，位于上殼凹陷處的內(nèi)部；蝸桿與蝸輪之間嚙合連接；

所述儲能機構(gòu)包括左右扭簧；在左右上殼連接部的外側(cè)壁上分別設(shè)有第一凸臺，并在第一凸臺的中心線處分別加工有第一固定槽；在左右下殼連接部的內(nèi)側(cè)壁上分別設(shè)有第二凸臺與第一凸臺相對應(yīng)，并在第二凸臺的中心線處分別加工有第二固定槽與第一固定槽相對應(yīng)；輸出軸的左右兩端分別設(shè)有輸出軸平鍵，第一凸臺上設(shè)有中心通孔，第二凸臺上設(shè)有中心凹槽，并在中心凹槽側(cè)壁設(shè)有平鍵凹槽，輸出軸的左右兩端由第一凸臺的中心通孔穿出，并嵌入第二凸臺的中心凹槽內(nèi)形成平鍵連接，從而使上殼與下殼之間形成連接；所述扭簧套裝在第一凸臺和第二凸臺上，其兩頭末端插入固定槽，分別布置在輸出軸的兩側(cè)。

優(yōu)選地，所述下殼的內(nèi)側(cè)壁上，沿第二凸臺的圓周加工有凹槽。

優(yōu)選地，所述電機采用小直徑大長度的形式。

優(yōu)選地，上肢連接平臺的尺寸較下肢連接平臺的尺寸大。

優(yōu)選地，所述下肢連接平臺內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述上殼內(nèi)設(shè)有支撐平臺，所述電機支撐在所述支撐平臺上。

在一種實施方式中，所述上殼由上左殼和上右殼連接組合而成；所述下殼由下左殼和下右殼連接組合而成。優(yōu)選地，所述上左殼、上右殼、下左殼和下右殼分別為一體加工成型。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明采用一體化設(shè)計，使減速器的外殼本身就是關(guān)節(jié)驅(qū)動器，與采用普通的電機、減速器、關(guān)節(jié)機械部分套接的方式相比，結(jié)構(gòu)緊湊尺寸小。由于關(guān)節(jié)驅(qū)動器對橫向尺寸敏感，因而在減速器末級采用本身軸向尺寸就小的蝸輪，為安裝其他必要器件留出空間。而在遠(yuǎn)離上下殼連接處的地方由于可使用橫向尺寸變大因而采用普通齒輪連接。這種不同部分采用不同齒輪減速方法的設(shè)計可以充分利用不同齒輪的特性以平衡驅(qū)動器不同部分的空間要求。電機采用垂直軸布置并使用細(xì)長軸電機，可以充分利用沿腿部縱向的空間而避免增加橫向尺寸。

采用普通齒輪減速和蝸輪蝸桿減速的配合方案，整體減速比可以接近諧波齒輪的水平，因而可以保證大扭矩的要求。此外，與普通電機+普通減速的垂直軸設(shè)計與盤式電機+諧波減速器的平行軸設(shè)計相比，本發(fā)明在橫向尺寸更小的情況下相對價格更低。第一級減速采用普通齒輪減速器的設(shè)計可以做到更靈活的配湊中心距。由于電機和蝸輪蝸桿選擇類型相對有限，而普通圓柱齒輪使用和加工方法都已經(jīng)非常成熟，選擇性較多。第一級選擇普通圓柱齒輪可以根據(jù)不同的關(guān)節(jié)驅(qū)動器的要求，作為連接蝸輪蝸桿和電機的媒介靈活調(diào)配。第二級減速采用了蝸輪蝸桿，除了如前所述的蝸輪優(yōu)異的大減速比同時較小的軸向尺寸外，還有其機械自鎖特性。采用機械自鎖比采用電機電磁剎車更為可靠，在電機不轉(zhuǎn)和失電情況下可以有效保證停在原位。此外，關(guān)節(jié)驅(qū)動器的外殼本身可以作為轉(zhuǎn)動范圍的機械限位，這在動力外骨骼領(lǐng)域尤為關(guān)鍵，作為膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器時，伸展角被限制在0度，而彎曲角被限制在約120度，因而整個膝關(guān)節(jié)可在0～120度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，使得當(dāng)出現(xiàn)電器及其他不可預(yù)測性的故障時有效保障使用者安全。此外由于一般蝸桿外徑大于蝸輪軸向尺寸，而驅(qū)動器外殼非蝸輪安裝處的軸向尺寸設(shè)計的高于上下殼連接處，蝸桿被安裝在此處以充分利用此處的空間。

為了將在正常行走時垂直向重力波動造成的能量消耗降到最小，本發(fā)明在上殼和下殼之間添加儲能機構(gòu)。一般可采用的儲能機構(gòu)是拉簧和扭簧。由于關(guān)節(jié)驅(qū)動器本身屬于旋轉(zhuǎn)器件，如果使用拉簧需要采用將旋轉(zhuǎn)角度變?yōu)榫€性移動的機械裝置，這會增加額外的機械結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在上殼和下殼連接處添加了左右兩塊扭簧以降低重力波動對能量的消耗。此外扭簧采用機械凸臺定位且儲能與扭轉(zhuǎn)角度直接相關(guān)，簡化了整體儲能結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為實施例所述一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器的減速機構(gòu)示意圖。

圖2為實施例所述一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器的儲能機構(gòu)示意圖。

圖3為實施例所述一種自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器的整體外觀示意圖。

標(biāo)號說明：

1-電機 2-電機固定螺栓

3-大圓柱齒輪 4-蝸桿軸承

5-蝸桿 6-輸出軸平鍵

7-小圓柱齒輪 8-蝸輪

9-蝸輪軸承 10-輸出軸

11-扭簧 12-第一凸臺

13-第一固定槽 14-凹槽

15-第二固定槽 16-第二凸臺

17-上肢連接平臺 18-上殼連接螺栓

19-下殼連接螺栓 20-下肢連接平臺

21-上左殼 22-上右殼

23-下左殼 24-下右殼

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

以下公開詳細(xì)的示范實施例。然而，應(yīng)該強調(diào)的是，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)僅僅是出于描述示范實施例的目的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于公開的具體示范實施例，而是覆蓋落入本公開范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。

同時應(yīng)該理解，如在此所用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的列出項的任意和所有組合。另外應(yīng)該理解，當(dāng)部件或單元被稱為“連接”或“耦接”到另一部件或單元時，它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描述部件或單元之間關(guān)系的其他詞語應(yīng)該按照相同的方式理解(例如，“之間”對“直接之間”、“相鄰”對“直接相鄰”等)。

如圖1-圖3所示，本發(fā)明具體實施方式中公開了一種用于動力外骨骼和人形機器人的自鎖型關(guān)節(jié)并聯(lián)彈性驅(qū)動器，此處描述的主要是膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器，包括電機1、減速機構(gòu)、儲能機構(gòu)和外殼；其中，

關(guān)節(jié)驅(qū)動器外殼既是減速機構(gòu)和儲能機構(gòu)的外殼，也是電機1、減速機構(gòu)、儲能機構(gòu)的固定支架，同時也是連接動力外骨骼或人形機器人上肢和下肢(如股骨和脛骨)的連接器。外殼選用的材料為鋁合金，但并不限于此。外殼主要由上左殼21、上右殼22、下左殼23和下右殼24四部分連接組合而成，各部分采用一體成型加工。以右側(cè)膝關(guān)節(jié)為例，上左殼21和上右殼22通過三顆上殼連接螺栓18相向連接組合成上殼，下左殼23和下右殼24通過兩顆下殼連接螺栓19相向連接組合成下殼。所述上左殼21和上右殼22，其后下方的外側(cè)為上殼連接部，該處呈圓形并向內(nèi)凹陷以盡可能的減小徑向尺寸。所述下左殼23和下右殼24，其上部呈圓形與上殼的凹陷處相對應(yīng)，作為下殼連接部。通過將上殼連接部和下殼連接部連接實現(xiàn)上殼和下殼的連接。在上殼的上部銑出一上肢連接平臺17，用于連接動力外骨骼或人形機器人的上肢部分(如股骨)；在下殼的下部銑出一下肢連接平臺20，用于連接動力外骨骼或人形機器人的下肢部分(如脛骨)。由于下殼所需傳遞的力量較上殼小，因而下殼的尺寸可以相對于上殼的尺寸減小。為進(jìn)一步減小重量，將下殼的下部內(nèi)側(cè)切去一部分材料，形成內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)。

在上殼內(nèi)部設(shè)有支撐平臺，電機1采用垂直輸出軸的形式并通過電機固定螺栓2固定在所述支撐平臺上。由于一般情況下電機功率和尺寸成正比，因而此處采用了小直徑大長度的永磁無刷外轉(zhuǎn)子電機，以盡可能的減小驅(qū)動器橫向尺寸而盡可能利用縱向空間。

減速機構(gòu)分為兩級。第一級減速機構(gòu)采用普通的大圓柱齒輪3和小圓柱齒輪7的嚙合機構(gòu)，第二級減速機構(gòu)采用蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)。

上殼凹陷處上側(cè)部分由于尺寸寬裕因而用來安裝第一級減速機構(gòu)。小圓柱齒輪7通過軸承固接在電機1的輸出軸上，大圓柱齒輪3與小圓柱齒輪7嚙合連接。上殼凹陷處的前側(cè)呈方形，其外部尺寸與關(guān)節(jié)驅(qū)動器整體尺寸保持一致，由于蝸桿5徑向尺寸一般大于蝸輪8的軸向尺寸，因而將此處作為蝸桿5的安裝部用來安裝蝸桿5，蝸桿5的上下兩端通過蝸桿軸承4固接在蝸桿5的安裝部，且蝸桿5的上端與大圓柱齒輪3連接。輸出軸10通過軸承與上殼連接，蝸輪8通過蝸輪軸承9固接在輸出軸10上，位于上殼凹陷處的內(nèi)部。蝸桿5與蝸輪8之間嚙合連接。關(guān)節(jié)驅(qū)動器的橫向尺寸由電機1的直徑?jīng)Q定，前后向尺寸由蝸輪8的直徑?jīng)Q定，轉(zhuǎn)動范圍由第一級減速機構(gòu)中圓柱齒輪的中心距決定。由于電機1和蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)可選型號相對有限，而圓柱齒輪減速的應(yīng)用成熟且豐富，第一級減速機構(gòu)采用普通圓柱齒輪可在電機1和蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)傳動確定的情況下更靈活的調(diào)配中心距，作為調(diào)整媒介連接電機1和蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)。第二級減速機構(gòu)采用蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)主要是考慮到傳動換向和自鎖。雖然錐齒輪也可以換向但其軸向尺寸較大且傳動過程中會產(chǎn)生可觀的軸向載荷，而且無法自鎖。蝸輪蝸桿傳動軸向尺寸一般由蝸輪8的軸向尺寸決定因而相對較小，且不會造成太大的軸向載荷。蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)另外一個有益的特性是可以機械自鎖，應(yīng)用時無需在電機1上安裝電機剎車因而簡化了系統(tǒng)機電結(jié)構(gòu)。

上殼凹陷處的橫向尺寸較小，留出來的橫向尺寸空間用于安裝儲能機構(gòu)。儲能機構(gòu)主要采用扭簧11，且左右各一個。上左殼21和上右殼22的上殼連接部的外側(cè)壁上分別加工有第一凸臺12，并在第一凸臺12的中心線處加工有第一固定槽13；下左殼23和下右殼24的下殼連接部的內(nèi)側(cè)壁上分別加工有第二凸臺16與第一凸臺12相對應(yīng)，并在第二凸臺16的中心線處加工有第二固定槽15與第一固定槽13相對應(yīng)。輸出軸10的左右兩端分別設(shè)有輸出軸平鍵6，第一凸臺12上設(shè)有中心通孔，第二凸臺16上設(shè)有中心凹槽，并在中心凹槽側(cè)壁設(shè)有平鍵凹槽，輸出軸10的左右兩端由第一凸臺12的中心通孔穿出，并嵌入第二凸臺16的中心凹槽內(nèi)形成平鍵連接，使得下殼與上殼之間形成轉(zhuǎn)動連接。上殼中蝸桿安裝部處的殼體后側(cè)與下殼連接部的圓形相切合，兩者相切合的圓弧部分為該關(guān)節(jié)驅(qū)動器的實際可轉(zhuǎn)動角度，以此實現(xiàn)對關(guān)節(jié)驅(qū)動器彎曲最大角的限位。扭簧11套裝在第一凸臺12和第二凸臺16上，由第一凸臺12和第二凸臺16實現(xiàn)扭簧11的內(nèi)跳限位，在下左殼23和下右殼24的內(nèi)側(cè)壁上，沿第二凸臺16的圓周加工有凹槽14以包裹扭簧11和限制扭簧11外跳。扭簧11的兩頭末端插入固定槽，采用拮抗布置方式布置在輸出軸10的兩側(cè)，實現(xiàn)11扭簧的扭轉(zhuǎn)固定。膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器彎曲時，扭簧11被扭轉(zhuǎn)變形從而儲能，而伸展時扭簧11回位從而釋放能量。該設(shè)計與未有儲能設(shè)計的關(guān)節(jié)驅(qū)動器相比，可以盡可能的減小周期性重力波動對能量的消耗。

在動力外骨骼應(yīng)用中，本發(fā)明的設(shè)計可以在出現(xiàn)電器或其他不可預(yù)測故障時保證使用者的安全。

需要說明的是，上述實施方式僅為本發(fā)明較佳的實施方案，不能將其理解為對本發(fā)明距離保護(hù)范圍的限制，在未脫離本發(fā)明構(gòu)思前提下，對本發(fā)明所做的任何微小變化與修飾均屬于本發(fā)明的距離保護(hù)范圍。