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1、(10)申请公布号 CN 103538079 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103538079 A (21)申请号 201310437171.6 (22)申请日 2013.09.24 B25J 17/00(2006.01) (71)申请人 南京工程学院 地址 211167 江苏省南京市江宁科学园弘景 大道 1 号 (72)发明人 韩亚丽 朱松青 祁兵 于建铭 高海涛 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 张惠忠 (54) 发明名称 一种机器人关节的旋转弹性驱动器 (57) 摘要 本发明是一种旋转弹性驱动器， 包括第一关 节臂、 第二关节。
2、臂、 回转油缸、 涡旋弹簧， 回转油缸 的缸体与第一关节臂相连接， 回转油缸的传动轴 与涡旋弹簧相连接， 涡旋弹簧与第二关节臂相连 接。进而实现旋转弹性驱动器对机器人关节的转 动驱动。 本发明组合了主动驱动元件与弹性元件， 是一种体积小巧、 性能可靠、 低功耗且具有仿生特 征的旋转弹性驱动器。 用于仿人机器人下肢关节， 在仿人机器人运动驱动过程中能量具有存储和放 大作用， 因此旋转弹性驱动器的仿生驱动技术及 能量放大特性具有很高的研究价值， 且此旋转弹 性驱动器也具有广阔的应用前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局。
3、 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103538079 A CN 103538079 A 1/1 页 2 1. 一种机器人关节的旋转弹性驱动器， 包括第一关节臂 （5） 、 第二关节臂 （4） ， 其特征 在于 ： 还包括回转油缸、 涡旋弹簧 （2） ， 回转油缸的缸体 （1） 与第一关节臂 （5） 相连接， 回转 油缸的传动轴 （9） 与涡旋弹簧 （2） 相连接， 涡旋弹簧 （2） 与第二关节臂 （4） 相连接。 2. 根据权利要求 1 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 涡旋弹簧 （2） 与第二关节臂 （4） 之间还安装有传动部件， 传动。
4、部件一侧与涡旋弹簧 （2） 相连接， 另一侧与第二关节臂 （4） 相 连。 3. 根据权利要求 1 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 涡旋弹簧 （2） 与传动轴 （9） 之间还 安装有传动部件， 传动部件的一侧与传动轴 （9） 相连接， 传动部件的另一侧与涡旋弹簧 （2） 相连接。 4.根据权利要求2或3所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 传动部件为卡盘 （3） ， 卡盘 （3） 上有沿圆周方向排列的凸起， 涡旋弹簧 （2） 的内圈上有与凸起相配合的凹槽， 所述凸起安装 在涡旋弹簧 （2） 上的凹槽中。 5. 根据权利要求 1 或 2 或 3 或 4 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 回转。
5、油缸为中空回 转油缸。 6. 根据权利要求 1 或 2 或 3 或 4 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 所述的中空回转油 缸采用薄壁轻型中空回转油缸。 7. 根据权利要求 1 或 2 或 3 或 4 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 涡旋弹簧 （2） 的圈数 为一圈。 8. 根据权利要求 1 或 2 或 3 或 4 所述的弹性驱动器， 其特征在于 ： 涡旋弹簧 （2） 为板弹 簧。 权 利 要 求 书 CN 103538079 A 2 1/3 页 3 一种机器人关节的旋转弹性驱动器 技术领域 0001 本发明涉及一种机器人关节的驱动器， 特别涉及一种机器人关节的旋转弹性驱动 器。属于机器。
6、人领域。 背景技术 0002 仿生驱动技术是近年来机器人领域的研究热点。 人体的行走运动是由多块肌肉有 节律的收缩， 以驱动骨骼绕关节协同运动的结果， 是控制系统 （神经系统 ) 与运动载体 ( 人 肢体 ) 衍生出的复杂的运动， 故借鉴人体运动机理进行仿人机器人关节驱动器的研究对提 高仿人机器人行走的稳定性与柔韧性具有重要意义。 0003 目前， 基于人体运动仿生机理进行的关节弹性驱动器设计主要有 ： 1. 直线型弹性 驱动器。 采用电机、 液压缸， 通过丝杆螺母副组合弹簧实现机器人关节的驱动。 2.旋转型弹 性驱动器。采用电机， 通过钢丝绳或锥齿轮组合弹簧实现机器人关节的驱动。作为仿人机 。
7、器人系统中的关节驱动器， 首先应该具有重量轻、 输出功率及力矩满足系统需求、 造价低、 可靠性高等特点。同时要想实现仿人机器人更好的仿生运动效果， 其驱动器还需具有较低 的机械输出阻抗、 能适应较大的控制带宽， 类似肌肉工作原理一样具有较好的自然柔顺性 与缓冲功能。 0004 现阶段， 弹性驱动器主要以电机与液压缸作为驱动源， 驱动源与弹性元件进行串 联， 具有高能量密度、 对外界冲击负载实现缓冲的优点， 但仍存在体积大， 重量重、 功率 / 重 量比偏低等不足， 而弹性驱动器的微型化， 对弹性驱动器的应用起着至关重要的作用。 发明内容 0005 针对上述技术问题， 本发明提供一种体积小、 重。
8、量轻、 功率 / 重量比偏高的机器人 关节的旋转弹性驱动器。 0006 为达到上述技术目的， 本发明采用的技术方案是 ： 一种机器人关节的旋转弹性驱 动器， 包括第一关节臂、 第二关节臂、 回转油缸、 涡旋弹簧， 回转油缸的缸体与第一关节臂相 连接， 回转油缸的传动轴与涡旋弹簧相连接， 涡旋弹簧与第二关节臂相连接。 在传动轴与第 二关节臂之间加装涡旋弹簧做缓冲器,有效地减缓了速度突变,减轻了系统在正反转换向 瞬间受到的冲击 , 提高了系统寿命的同时 , 由于涡旋弹簧的储能、 释能的特点， 节能效果 十分明显。 在仿人机器人行走过程中， 足部是唯一与地面接触的部位， 地面反力和反力矩通 过足部作。
9、用于仿人机器人腿部， 而本发明涉及的这种驱动方式能有效缓冲仿人机器人行走 过程中足部与地面之间接触碰撞产生的冲击力。涡旋弹簧也具有体积小的特点。回转油缸 与液压缸的原理是一样的， 回转油缸的转动轴可以作小于 360 度的旋转， 回转油缸具有体 积小、 输出扭矩大的特点， 非常适合作为驱动器。 0007 优选地 ： 涡旋弹簧与第二关节臂之间还安装有传动部件， 传动部件一侧与涡旋弹 簧相连接， 另一侧与第二关节臂相连。 0008 优选地 ： 涡旋弹簧与传动轴之间还安装有传动部件， 传动部件的一侧与传动轴相 说 明 书 CN 103538079 A 3 2/3 页 4 连接， 传动部件的另一侧与涡旋。
10、弹簧相连接。 0009 优选地 ： 传动部件为卡盘， 卡盘上有沿圆周方向排列的凸起， 涡旋弹簧的内圈上有 与凸起相配合的凹槽， 所述凸起安装在涡旋弹簧上的凹槽中。 0010 优选地 ： 回转油缸为中空回转油缸。 回转油缸包括中空油缸及中实油缸， 使用中空 油缸可以进一步减轻旋转弹性驱动器的重量。 0011 优选地 ： 中空回转油缸采用薄壁轻型中空回转油缸。 0012 优选地 ： 涡旋弹簧的圈数为一圈。 0013 优选地 ： 涡旋弹簧为板弹簧。 0014 有益效果 ： 本发明的一种面向仿人机器人下肢关节的旋转弹性驱动器是一种采用 主被动相结合的驱动方式。 主动元件为中空回转油缸， 被动元件为涡旋。
11、弹簧， 充分利用涡旋 弹簧的储能、 释能的特点， 实现对机构的缓冲作用， 具有低功耗的特点 ； 本发明涉及的机构 相对简单， 易于制造， 重量较轻， 能耗低， 经济性好。 0015 本发明属于一种旋转型弹性驱动器。 其特点是用薄壁轻型回转油缸组合涡旋弹簧 实现机器人关节的驱动。 回转油缸具有体积小、 输出扭矩大的特点， 且涡旋弹簧也具有体积 小、 缓冲效果好等特点， 使得由回转油缸组合涡旋弹簧形成的旋转弹性驱动器具有机构紧 凑、 低阻抗、 重量轻、 能耗低等优点。 附图说明 0016 图 1 是第一种实施例的结构示意图。 0017 图 2 是第二种实施例的结构示意图。 0018 图 3 是驱动。
12、器的主视图。 0019 图 4 是驱动器的侧视图。 0020 图 5 是驱动器的俯视图。 0021 图 6 是驱动器的剖视图。 0022 附图标记名称如下 ： 1、 缸体 ； 2、 涡旋弹簧 ； 3、 卡盘 ； 4、 第二关节臂 ； 5、 第一关节臂 ； 6、 油孔 ； 7、 螺栓 ； 8、 螺 栓 ； 9、 传动轴 ； 10、 螺栓。 具体实施方式 0023 结合图 1-6， 对本发明的具体方案做进一步描述。 0024 本发明的一种机器人关节的旋转弹性驱动器由中空回转油缸作为驱动器， 当然也 可以使用其它回转油缸作为驱动器， 例如 ： 中实回转油缸。 中空回转油缸采用薄壁轻型叶片 式中空回转。
13、油缸， 主要包括缸体 1、 传动轴 9， 通过液压驱动传动轴 9 旋转。油孔 6 安装在缸 体 1 上， 液压油通过油孔 6 进入缸体 1 内。所述的薄壁轻型中空回转油缸为叶片式中空回 转油缸， 与典型叶片式回转油缸组成机构相同， 主要包括进油孔 6、 出油孔 6、 缸体 1、 隔板、 叶片、 花键、 转子组成， 叶片固定在转子上， 用花键将转子与中空传动轴 9 连接， 用螺栓将隔 板与缸体连接。在密封的缸体 1 内， 隔板与活动叶片之间围城两个油腔， 液压力作用在活动 叶片的端面上， 对中空的传动轴 9 中心产生力矩使被驱动传动轴 9 转动。 0025 中空回转油缸的缸体 1 与第一关节臂 。
14、5 通过螺栓 8 相连接， 中空回转油缸的传动 说 明 书 CN 103538079 A 4 3/3 页 5 轴 9 通过缓冲装置与第二关节臂 4 相连接， 缓冲装置的作用就是为了减轻系统在正反转换 向瞬间受到的冲击 , 提高了系统寿命的。为了更好的解决关节抗冲击载荷的问题， 本实施 例中采用涡旋弹簧 2 作为缓冲装置主要部件。涡旋弹簧 2 可以是利用圆的渐开线来描述弹 簧的涡旋槽曲线而进行设计的板弹簧， 各个涡旋槽的中心按一定的角度均匀分布。在实际 设计中， 可以需要根据特定的尺寸及性能要求对涡旋弹簧 2 的结构尺寸进行设计， 也可根 据负载需求采用双重或多重涡旋弹簧的设计方式。 在本发明的。
15、第一种实施方式中把传动轴 9 与涡旋弹簧 2 通过螺栓 7 相连接， 涡旋弹簧 2 与传动部件的一侧相连接， 第二关节臂 4 通 过螺栓10与传动部件的另一侧相连接 ； 在本发明的第二种实施方式中把传动轴9与传动部 件的一侧相连接， 传动部件的另一侧与涡旋弹簧 2 相连接， 涡旋弹簧 2 与第二关节臂 4 相连 接。也可以直接使用涡旋弹簧 2 把传动轴 9 与第二关节臂 4 连接起来。但是由于上述部件 的连接都是通过螺栓连接的， 为了避免在涡旋弹簧 2 上开有过多的螺纹孔， 所以使用了传 动部件。所述传动部件为卡盘 3， 卡盘 3 的一侧有沿圆周方向排列的凸起， 涡旋弹簧 2 的内 圈上有与凸。
16、起相配合的凹槽， 卡盘 3 与涡旋弹簧 2 相连接， 卡盘 3 上的凸起嵌入在涡旋弹簧 2 内圈上的凹槽中。在第一实施例中卡盘 3 的另一侧通过螺栓 10 与第二关节臂 4 相连接 ； 在第二实施例中卡盘 3 的一侧通过螺栓 10 与传动轴 9 相连接。 0026 本发明在工作时， 其具体的工作过程为 ： 动力源为回转油缸， 回转油缸的缸体 1 与 关节臂 1 相连， 回转油缸的传动轴 9 的转动带动涡旋弹簧 2 的转动， 进而带动传动部件 3 的 转动， 而传动部件3的转动进而带动第二关节臂的转动， 最终实现第一关节臂与关节臂2之 间的相对转动。在整个传动过程中， 涡旋弹簧不仅起传动作用而且。
17、具有运动的缓冲功能。 0027 本发明通过回转油缸的转动， 带动涡旋弹簧， 进而驱动关节的转动。通过这种传 动方式， 驱动器输出的力通过涡旋弹簧的缓冲带动负载， 这种机构设计， 可以充分保护驱动 器， 提高抗冲击载荷的能力。在仿人机器人行走过程中， 足部是唯一与地面接触的部位， 地 面反力和反力矩通过足部作用于仿人机器人腿部， 而本发明涉及的这种驱动方式能有效缓 冲仿人机器人行走过程中足部与地面之间接触碰撞产生的冲击力。另外， 仿人机器人所用 的驱动器要具有适应外部负载力的高带宽变化能力， 对涡旋弹簧的弹簧刚度系数进行合理 设计， 通过根据关节负载需求采用双重或多重涡旋弹簧的设计方式， 进而提高驱动系统的 输出带宽。 说 明 书 CN 103538079 A 5 1/3 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103538079 A 6 2/3 页 7 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103538079 A 7 3/3 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103538079 A 8 。