本發(fā)明涉及機器人，具體涉及一種可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器。
背景技術：
1、近年來，用于腦卒中康復與能力增強的輔助機器人發(fā)展迅速，尤其是步態(tài)輔助型外骨骼在改善用戶運動功能與提升生活質量方面表現突出。在這類應用中，輔助機器人必須與人類進行直接的物理交互。為提升物理人機交互的安全性，驅動器設計至關重要。柔順性是輔助機器人的核心性能指標，對提升動態(tài)適應性、環(huán)境魯棒性及實現安全交互具有重要意義。相比剛性驅動系統(tǒng)，柔性驅動器在沖擊力吸收與外部負載感知等方面表現優(yōu)越。串聯(lián)彈性驅動器是最具代表性的柔性驅動結構，通過在剛性驅動器與負載之間引入彈性元件，實現低輸出阻抗、良好反向驅動性、抗沖擊性和高效穩(wěn)定的力傳遞，顯著提升物理人機交互的安全性。
2、在確保人機交互安全的前提下，串聯(lián)彈性驅動器的設計面臨多重需求與挑戰(zhàn)。首先，需具備內在的力感知能力，以實現交互力的精確測量與調節(jié)，依賴于明確且可預測的扭矩-變形特性。其次，人機交互場景通常要求驅動器具備低摩擦、小滯后、無死區(qū)及雙向一致的力輸出，適應快速方向切換的控制需求。此外，良好的柔順性亦是保障舒適與安全交互的關鍵，要求驅動器具備低剛度和較大形變能力。然而，串聯(lián)彈性驅動器通常使用剛度固定的彈簧作為力傳遞的彈性元件，導致驅動器存在根本局限。一方面，軟彈簧可產生高力控制保真度、低輸出阻抗，但同時限制力輸出范圍與帶寬。另一方面，硬彈簧會增加力帶寬，但降低交互柔順性。
技術實現思路
1、針對上述問題，現提供一種可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器，旨在有效解決上述串聯(lián)彈性驅動器的固有局限。
2、本發(fā)明的目的是提出一種可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器。所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器具備優(yōu)異的機械性能，如良好的柔順性、低摩擦、微小的滯后以及足夠的力帶寬和輸出力。所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器在剛度范圍、輸出力矩、緊湊性，輕量化等方面都具有優(yōu)勢。同時，為可穿戴外骨骼機器人提供了一種兼具緊湊性、輕量化與高精度力控制能力的柔順驅動單元。本發(fā)明所要解決的問題是由以下技術方案實現的：一種可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器包括：輸入部件，所述輸入部件包括準直驅電機，電機固定裝置，輸入環(huán)，用于與外部驅動力連接，以將外部驅動力矩傳輸至可調剛度柔性部件?？烧{剛度柔性部件，所述可調剛度柔性部件包括由線性拉伸彈簧構成的軸向空間彈簧陣列，用于賦予驅動器非線性和可調剛度特性。輸出部件，所述輸出部件包括輸出環(huán)和驅動器輸出連桿，用于實現人機交互中的輔助訓練任務。支撐部件，所述支撐部件包括驅動器支架，用于支撐所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器。
3、所述準直驅電機將9:1的行星減速器，單圈絕對值編碼器和高集成驅動器整合為一體，實現大扭矩平穩(wěn)運行并有利于所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的緊湊設計。所述準直驅電機通過內六角螺釘與所述電機固定裝置緊固連接。所述準直驅電機的輸出端與輸入環(huán)的后端通過內六角螺釘進行固定。所述準直驅電機帶動所述輸入環(huán)運動并導致所述線性拉伸彈簧產生形變。所述輸出環(huán)與所述驅動器外殼之間安裝有所述薄壁軸承，以減少摩擦。所述旋轉編碼器由讀數頭和永磁環(huán)組成。其中，永磁環(huán)固定在所述輸出環(huán)，讀數頭固定在所述驅動器外殼用于實時讀取所述輸出環(huán)的轉動角度。所述準直驅電機自帶單圈絕對值編碼器和所述旋轉編碼器作差測量軸向空間彈簧陣列的偏轉角，精準計算所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的輸出扭矩。
4、所述軸向空間彈簧陣列是所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的核心結構。所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)采用同軸配置，并通過線性拉伸彈簧耦合，利用所述法蘭深溝球軸承實現相對旋轉，減少摩擦。所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)分別包含內、外環(huán)。所述內、外環(huán)各配置四組對稱分布的線性拉伸彈簧，相鄰組間相位角為90°。當所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)發(fā)生相對角位移時，線性拉伸彈簧始終維持預緊拉伸狀態(tài)，其切向分力在旋轉平面內形成合成扭矩。
5、所述軸向空間彈簧陣列內環(huán)的四組線性拉伸彈簧的設計目的是增大所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的輸出扭矩和優(yōu)化結構的緊湊性。所述軸向空間彈簧陣列外環(huán)的四組彈簧通過改變初始偏轉角度重構為三種不同的構型。所述輸出環(huán)包含可調節(jié)錨點?；趲缀螀翟O計可調節(jié)錨點，所述軸向空間彈簧陣列無需硬件重構即可實現剛度模式快速切換，通過非線性到準線性的多模態(tài)剛度特性，覆蓋柔順交互至高動態(tài)負載的全工況需求，顯著提升所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器在康復訓練、步態(tài)矯正及負重外骨骼等輔助機器人場景中的任務適應性。
6、本發(fā)明相對于現有技術取得了以下技術效果：?1.?所述軸向空間彈簧陣列通過基于幾何參數設計的可調節(jié)錨點無需更換硬件，即可賦予所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器可調節(jié)的剛度特性。2.?所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)之間安裝有法蘭深溝球軸承，減少所述軸向空間彈簧陣列旋轉過程中的摩擦。3.?所述輸入環(huán)和所述輸出環(huán)的內、外環(huán)均安裝有線性拉伸彈簧，有效提高所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的緊湊性和輸出力矩。?4.通過調節(jié)所述軸向空間彈簧陣列的初始偏轉角度，實現高非線性到準線性剛度曲線，從而實現任務導向的剛度優(yōu)化。高非線性剛度適用于輔助等對低阻抗與精確交互力控制要求較高的應用；中低非線性或低非線性剛度則適用于步態(tài)矯正和負重外骨骼等需穩(wěn)定高帶寬輸出的場景。5.?所述準直驅電機自帶單圈絕對值編碼器和所述旋轉編碼器作差獲取所述軸向空間彈簧陣列的旋轉角度，通過等效剛度模型精準計算所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的輸出扭矩。6.?所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器通過剛度、扭矩與質量的協(xié)同優(yōu)化，在安全交互、動態(tài)負載適應性與系統(tǒng)集成度之間實現均衡設計，為輔助機器人提供一種高柔順、強驅動、低慣量的驅動裝置。
1.一種可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器，其特征在于，包括：輸入部件，所述輸入部件包括準直驅電機（1），電機固定裝置（2），輸入環(huán)（3），用于與外部驅動力連接，以將外部驅動力矩傳輸至可調剛度柔性部件；所述準直驅電機（1）通過電機固定裝置（2）穩(wěn)固安裝，其輸出端連接輸入環(huán)（3），以驅動可調剛度柔性部件運動；可調剛度柔性部件，所述可調剛度柔性部件包括由線性拉伸彈簧（4）構成的軸向空間彈簧陣列，用于賦予所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器非線性和可調剛度特性；所述軸向空間彈簧陣列內環(huán)的四組線性拉伸彈簧增大可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器的輸出扭矩和優(yōu)化結構的緊湊性；所述軸向空間彈簧陣列外環(huán)的四組彈簧通過改變初始偏轉角度重構為三種不同的構型；所述線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉角度為零時，系統(tǒng)表現出高度非線性的剛度特性，適用于低阻抗與高精度力控制要求較高的輔助任務；隨著所述線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉角度增加，輸出剛度趨于中等非線性或低非線性，有利于提升扭矩輸出的穩(wěn)定性與帶寬，適用于步態(tài)矯正及負載輔助等場景；輸出部件，所述輸出部件包括帶有可調節(jié)錨點（5）的輸出環(huán)（6）和驅動器輸出連桿（11），用于實現人機交互中的輔助訓練任務；支撐部件，所述支撐部件包括驅動器支架（10），用于支撐所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器。
2.根據權利要求1所述的可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器，其特征在于，所述輸入環(huán)（3）和所述輸出環(huán)（6）采用同軸配置，并通過所述線性拉伸彈簧（4）耦合，利用所述法蘭深溝球軸承（12）實現相對旋轉，減少運動摩擦；所述輸入環(huán)（3）和所述輸出環(huán)（6）分別包含內、外環(huán)；所述內、外環(huán)各配置四組對稱分布的線性拉伸彈簧，相鄰組間相位角為90°。
3.根據權利要求1所述的可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器，其特征在于，所述電機固定裝置（2）設計有定位凸臺，提升與所述驅動器外殼（9）連接時的裝配精度與結構穩(wěn)定性。
4.根據權利要求1所述的可調剛度的可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器，其特征在于，所述可調節(jié)錨點（5）均勻分布在所述輸出環(huán)（6），用于改變線性拉伸彈簧（4）的初始偏轉角度，從而賦予所述可重構非線性旋轉串聯(lián)彈性驅動器可調剛度特性；基于幾何參數設計所述可調節(jié)錨點（5），所述軸向空間彈簧陣列無需硬件重構即可實現剛度模式快速切換，實現非線性到準線性的多模態(tài)剛度特性，覆蓋柔順交互至高動態(tài)負載的全工況需求。