一种给定非线性刚度的串联弹性驱动器设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106272556A(43)申请公布日2017.01.04(21)申请号201610818945.3(22)申请日2016.09.13(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号天津大学(72)发明人宋智斌蓝韶彬戴建生(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人张金亭(51)Int.Cl.B25J19/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种给定非线性刚度的串联弹性驱动器设计方法(57)摘要本发明公开了一种给定非线性刚度的串联弹性驱动器设计方法，驱动器包括固定支架、内筒和外筒，在外筒传动圆盘底板上安装有滚子，在内筒传动圆盘底板下设有弹性部件，一个弹性部件和一个滚子形成一个弹性机构，弹性部件采用对称结构，由一个固定座和两个对称布置的弹性单元组成，弹性单元包含一个弹性悬臂部和一个具有曲面轮廓的接触部，接触部设置在弹性悬臂部自由端；在一个弹性机构内，装配时滚子设置在弹性部件的对称轴上，与两个弹性单元的接触部相切，当滚子与弹性部件发生相对运动时，滚子与一个弹性单元的接触部相切，弹性单元的接触部曲面轮廓线采用给定非线性刚度的方法设计。本发明可实现预定刚度，并且与可变刚度驱动器相比结构简洁。CN106272556ACN106272556A权利要求书1/2页1.一种给定非线性刚度的串联弹性驱动器设计方法，其特征在于，所述串联弹性驱动器包括固定支架、内筒和外筒，所述外筒采用轴承Ⅰ支承在所述固定支架上，在所述外筒顶部设有外筒传动圆盘，所述外筒传动圆盘设有带中心孔的底板和形成在外筒传动圆盘底板周围的侧壁，在所述外筒传动圆盘底板上固定有多根沿周向均布的滚轴，在所述滚轴上安装有滚子，所述滚子位于所述外筒传动圆盘底板之上；在外筒传动圆盘侧壁上固装有磁栅尺；在所述外筒传动圆盘上设有反向缠绕的钢丝绳Ⅰ和钢丝绳Ⅱ，所述钢丝绳Ⅰ和所述钢丝绳Ⅱ一端与所述外筒传动圆盘固接，另一端与线轮固接，所述线轮由减速器带动，所述减速器由电机驱动，在所述电机上安装有编码器；所述减速器固定在所述固定支架上；所述内筒采用轴承Ⅱ支承在所述外筒内，在所述内筒顶部设有内筒传动圆盘，所述内筒传动圆盘设有带中心孔的底板和形成在内筒传动圆盘底板周围的侧壁，在所述内筒传动圆盘底板的下方设有多个与其固接的弹性部件和一个磁栅尺读头；多个所述弹性部件与多个所述滚子一一对应，每个所述弹性部件和与其对应的一个所述滚子形成一个弹性机构，所述弹性部件采用对称结构，由一个固定座和两个对称布置的弹性单元组成，所述弹性单元包含一个弹性悬臂部和一个具有曲面轮廓的接触部，所述接触部设置在所述弹性悬臂部的自由端；在一个所述弹性机构内，装配时，所述滚子设置在弹性部件的对称轴上，并同时与两个所述弹性单元的接触部相切，当所述滚子与所述弹性部件发生相对运动并偏离弹性部件的对称轴时，所述滚子与一个所述弹性单元的接触部相切；所述弹性单元的接触部曲面轮廓线设计方法为：一)建立平面坐标系：以弹性单元初始位置时弹性悬臂部自由端在垂直方向上的中心作为坐标的原点O，垂直于弹性悬臂部自由端横截面并远离固定座的方向为X轴的正方向，竖直向上的方向为Y轴方向；二)给定驱动器的非线性刚度，根据内外筒相对转角β与驱动器刚度的关系，通过积分得到内外筒相对转角β与驱动器内筒受到的外力矩τ的关系；三)对于任意一个内外筒相对转角β，将求得的外力矩τ转化为滚子在接触点处对弹性部件的力F(Fx，Fy)，Fy与外力矩τ的关系为：其中，α为当前接触点B在弹性单元变形后的切线与横坐标的夹角，R为滚子圆心绕外筒轴线转动时的转动半径；四)把接触部看成刚性体，将力(Fx，Fy)转移到弹性部件的弹性悬臂部自由端，求解弹性悬臂部自由端的挠度v和挠角θ其中，E为弹性模量，I为惯性矩，l为弹性悬臂部的长度，(x，y)为当前接触点B变形后的坐标；2CN106272556A权利要求书2/2页五)通过挠度和挠角，进而知道接触点B变形前后的关系：x＝micosθ-nisinθ(4)y＝misinθ+nicosθ+v(5)其中，(mi，ni)为接触点B在弹性单元变形前的坐标，(x，y)为接触点B在弹性单元变形后的坐标；接触点B不仅位于接触部的曲面上，同时也在滚子的圆周上，所以，x-xc＝rsinα(6)yc-y＝rcosα(7)其中，r为滚子的半径，(xc，yc)为滚子圆心的坐标。由于弹性悬臂部自由端的挠角为θ，可以得知接触点B在弹性单元未变形时的切线的角度为α-θ，因此，切线的斜率可以表示为：其中，(m0，n0)为前一接触点A变形前的坐标。当滚子绕外筒轴线做圆周运动时，滚子圆心的坐标为xc＝Rcosβ-R(9)yc＝y0-Rsinβ(10)联