本发明涉及机器人驱动技术领域，具体涉及一种旋转型串联弹性驱动机构。
背景技术：
传统的机器人关节设计理论认为，对于动力驱动装置与关节铰链之间的机械连接方式应优先考虑刚度较大的传动机构。因此，在工业机器手臂、仿生多足机器人以及康复医疗假肢等关节机器人或智能机构的研究中，普遍采用电机输出轴与关节机构进行刚性连接的驱动方案，其主要优势在于机构装配的简易性、电机控制的精确性和运动响应的快速性，并能够满足操作和应用的基本任务要求。虽然这种关节刚性驱动方式具备技术成熟和发展完善的特点，但受电机性能的限制和机构刚度高的约束，造成刚性关节驱动机构的强鲁棒性和弱适应性，对于机器人实现诸如柔顺化动作、自调整接触、低能耗运动等目标仍然存在一定的不足和缺憾。
但是近年来，随着美国波士顿动力公司先后推出了bigdog和ls3等多款高性能仿生四足机器人，其腿部高度柔顺性、灵活性、机动性和良好的综合运动性能展示了足式机器人在野外环境下广阔的应用前景。足式步行机器人与环境接触时是一个关于足端反力的静不定系统。因此，进行规划和控制足式机器人的关节驱动力乃至足底力，是足式机器人在未知环境下稳定步行的基础。因此选择合适的关节驱动机构，并采用适当的算法精确控制关节力矩，对足式机器人实现在未知环境下的稳定步行具有重要意义。
在关节驱动机构方面，由于减速器在提高电机关节驱动机构力和能量密度的同时，增加了电机的输出阻抗，增加了电机力控制动力学建模的复杂性和非线性，使得电机关节驱动机构进行精确力控制比较困难。同样，液压缸关节驱动机构方面，由于缸的摩擦、泄露、油液的非线性流动特性和关节驱动机构本身高的输出阻抗，使得液压关节驱动机构输出准确的力变得很困难。而串联弹性关节驱动机构(serieselasticactuators，sea)很好的解决了精确力控制的问题。
串联弹性关节驱动机构多以直线型和旋转型为主，直线型串联弹性机构采用滚珠丝杆将电机的旋转运动转化为直线运动，电机与滚珠丝杠通常有两种布置方式，即同轴布置或者平行布置，这种布置方式体积较大，而旋转型串联弹性机构通常是在减速器输出轴端和被驱动零件之间添加弹性元件，导致整个旋转型串联弹性机构的体积较大，能量密度低。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，研究并发明了一种旋转型串联弹性驱动机构，具有体积小的优点，尤其是当轴向尺寸和传统的减速器保持一致时，能够抵抗高冲击载荷，实现储存和释放能量，另一方面可通过控制形变量来实现力输出，另外具有较低的力输出阻抗和适当的控制带宽，从而实现精确的力控制。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种旋转型串联弹性驱动机构，包括行星轮减速器总成，所述行星轮减速器总成包括减速器壳体、减速器内齿圈、太阳轮、行星轮，所述太阳轮、行星轮、减速器内齿圈依次啮合，所述减速器壳体套设于减速器内齿圈外部；所述机构还包括动力回收弹性结构，所述动力回收弹性结构包括弹性元件，所述弹性元件安装在所述减速器壳体和减速器内齿圈之间，并在两个相互相反的运动方向上产生扭矩。
进一步的，所述弹性元件的个数为一个，所述弹性元件环绕所述减速器内齿圈外表面，一端安装在所述减速器壳体上，另一端安装在减速器内齿圈之间，当所述弹性元件随所述减速器内齿圈正转或反转而回卷时，均可产生扭矩。
进一步的，所说弹性元件包括正向卷簧和反向卷簧，所述正向卷簧和反向卷簧按照卷簧受力旋转方向相反对称安装于减速器壳体和减速器内齿圈之间，所述正向卷簧的内端仅可随所述减速器内齿圈正转而回卷，所述反向卷簧的内端仅可随所述减速器内齿圈反转而回卷。
进一步的，在安装所述正向卷簧和反向卷簧时添加预紧扭矩，使得正向卷簧和反向卷簧的扭矩大小相同但方向相反。
进一步的，所述动力回收弹性结构还包括第一球轴承和第二球轴承，所述第一球轴承和第二球轴承安装于减速器壳体和减速器内齿圈之间，且分别位于弹性元件的前后两侧。
进一步的，所述动力回收弹性结构还包括第一挡圈、第二挡圈和第三挡圈，所述减速器壳体上还设置有凸起，所述第一球轴承通过减速器壳体的凸起和第一挡圈轴向固定，所述第二球轴承通过第二挡圈和第三挡圈轴向固定。
进一步的，所述第一球轴承和第二球轴承是深沟球轴承或者角接触球轴承。
进一步的，所述行星减速器总成为一级、二级或者多级减速结构。
进一步的，所述弹性元件可设置多个。
进一步的，所述正向卷簧和反向卷簧可设置多对。
本发明有益效果：
本发明提出的一种旋转型串联弹性驱动机构，结构紧凑，体积小，尤其是轴向尺寸和传统的减速器保持一致的同时，可以抵抗高冲击载荷，实现储存和释放能量，避免执行机构的损坏，另一方面可通过控制形变量来实现力输出，另外具有较低的力输出阻抗和适当的控制带宽，从而实现精确的力控制。
附图说明
图1为本发明实施例一的整体外观图；
图2为本发明实施例一的剖视图；
图3为本发明实施例一的爆炸图；
图4为本发明实施例一的第一卷簧的结构示意图；
图5为本发明实施例一的第二卷簧的结构示意图；
图6为本发明实施例一的卷簧安装在减速器内齿圈上的示意图；
图7为本发明实施例一的卷簧安装在壳体内的示意图；
图8为本发明实施例二的弹性元件的机构示意图；
其中：1、减速器总成；2、减速器壳体；2-1、壳体沟槽；3、减速器内齿圈；3-1、内齿圈沟槽；4、第一卷簧；4-1、第一卷簧内端口；4-2、第一卷簧外端口；5、第二卷簧；5-1、第二卷簧内端口；5-2、第二卷簧外端口；6、一级行星轮；7、一级太阳轮；8、一级行星定位盘；9、二级行星定位盘；10、二级行星轮；11、输出轴；12、二级太阳轮；13、第三深沟球轴承；14、第一挡圈；15、第二挡圈；16、第一深沟球轴承；17、第二深沟球轴承；18、第三挡圈；19、减速器后端盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的优选的机构和运动实现的方法做进一步的说明。
实施例一
如图1-7所示，一种旋转型串联弹性驱动机构，包括减速器总成1和动力回收弹性结构。
其中，减速器总成1为二级行星轮减速器，包括减速器壳体2；减速器内齿圈3、一级行星轮6、一级太阳轮7、一级行星定位盘8、二级太阳轮12、二级行星轮10、二级行星定位盘9、输出轴11、第三深沟球轴承13和后端盖19。
减速器壳体2和后端盖19共同组成该旋转型串联弹性驱动机构的外壳，外部动力源(如电机的输出轴)从后端盖19进入减速器总成1，与一级太阳轮7连接；一级行星轮6设置在一级行星定位盘8上，一级太阳轮7与一级行星轮6啮合，一级行星定位盘8的一端沿圆周均匀分布设有3个行星轮定位轴，用于定位3个一级行星轮6，一级太阳轮7位于在3个一级行星轮6的中间，与一级行星轮6齿轮啮合；一级行星定位盘8另一端设有的太阳轮定位轴，用于设置二级太阳轮12。二级行星定位盘9一端沿圆周均匀分布设有3个行星轮定位轴，用于定位3个二级行星轮10，二级太阳轮12位于二级太阳轮12的中间，与二级行星轮10齿轮啮合，二级行星定位盘9的另一端中心与输出轴11固定。第三深沟球轴承13设置在输出轴11上，用于周向上固定输出轴11。一级行星轮6和二级行星轮10均与减速器内齿圈3齿轮啮合。所述行星减速器总成可以是一级、二级或者更多级行星轮。
动力回收弹性机构包括第一卷簧4、第二卷簧5、第一深沟球轴承16、第二深沟球轴承17、第一挡圈14、第二挡圈15和第三挡圈18。这里卷簧的数量和刚度可根据行星减速器总成所承受的负载进行调整。
在减速器内齿圈3外侧加装弹性元件第一卷簧4和第二卷簧5，按照卷簧受力旋转方向相反对称安装。
这里，减速器壳体2上设置壳体沟槽2-1；减速器内齿圈3上设置内齿圈沟槽3-1。
第一卷簧4的两端分别设有第一卷簧内端口4-1，第一卷簧外端口4-2；第二卷簧5的两端分别设有第二卷簧内端口5-1，第二卷簧外端口5-2；第一卷簧内端口4-1和第二卷簧内端口5-1分别插入内齿圈沟槽3-1；第一卷簧外端口4-2、第二卷簧外端口5-2分别插入壳体沟槽2-1，从而对第一卷簧4、第二卷簧5进行周向固定；通过第一挡圈14、第二挡圈15以及内齿圈外表面的凸台对第一卷簧4、第二卷簧5进行轴向固定。
第一卷簧4和第二卷簧5为市面上常见的卷簧，由弹簧钢带卷成，弹簧钢带紧紧卷在一起，每一层的卷之间无间隙。以第一卷簧4为例，当第一卷簧内端口4-1插入内齿圈沟槽3-1，第一卷簧外端口4-2插入壳体沟槽2-1后，由于减速器壳体2固定不动，而减速器内齿圈3可正转或者反转，所以第一卷簧4的第一卷簧外端口4-2固定不动，当减速器正转时第一卷簧内端口4-1会随着减速器内齿圈3正转，反之，当减速器反转时第一卷簧内端口4-1会随着减速器内齿圈3反转。
在安装第一卷簧4和第二卷簧5时添加一定的预紧扭矩，使得第一卷簧4和第二卷簧5的扭矩大小相同但方向相反，一方面是对减速器内齿圈3进行周向预固定，另一方面也是给第一卷簧4和第二卷簧5的内端一点松度，留有可以让卷簧收紧的空间。第一卷簧4和第二卷簧5按照卷簧受力旋转方向相反对称安装，是为了让卷簧适应减速器内齿圈3正转或者反转。
第一深沟球轴承16和第二深沟球轴承17分别设置在在减速器内齿圈3的外侧的两端。在现有技术中，一般以减速器壳体2和减速器内齿圈3为一整体，不存在受载不均的问题，但当减速器壳体2和减速器内齿圈3分开后，由于减速器内齿圈、太阳轮、行星轮、行星定位盘有加工精度误差等原因，导致减速器运转后受载不均而摆动，从而降低了减速器内齿圈3的使用寿命，因此增加第一深沟球轴承16和第二深沟球轴承17是为了克服上述缺陷，增加减速器内齿圈3的使用寿命。其中，第一深沟球轴承16通过减速器壳体2内的凸台和第一挡圈14的限位；第二深沟球轴承17通过第二挡圈15和第三挡圈18的限位。当减速器内齿圈3受到负载进行旋转时，内齿圈3通过第一深沟球轴承16、第一挡圈14、第二挡圈15、第二深沟球轴承17进行轴向固定。
当正常工况运行时，外部动力源将动力传递给一级太阳轮7，一级太阳轮7带动一级行星轮6旋转，此时减速器内齿圈3因受到负载扭矩t0，而进行初始旋转，第一卷簧4和第二卷簧5开始产生变形，并产生扭矩差值，当旋转角度为α时，第一卷簧4和第二卷簧5产生的扭矩差值t1，此时t1和t0的大小相同但方向相反，此时减速器内齿圈3受载平衡而停止转动，此时一级行星轮6带动一级行星架8转动，因二级太阳轮12与一级行星架过盈配合，进而带动二级太阳轮12转动，进而通过二级行星轮10和二级行星架9的旋转把动力传递给输出轴11。
当输出轴11受到冲击而急停时，导致二级行星架9停止转动，因此二级行星轮10此时只能自传不能绕二级太阳轮12公转，但是此时一级太阳轮7仍带动一级行星轮6旋转，并依次带动一级行星定位盘8、二级太阳轮12和二级行星轮10旋转，这时因为二级行星定位盘9停止运动，而一级太阳轮7持续运动，导致减速器内齿圈3受到的扭矩t0大于此时第一卷簧4和第二卷簧5产生的扭矩差值t1，进而导致减速器内齿圈3旋转，此时减速器内齿圈3通过内齿圈沟槽3-1，以及减速器壳体2通过壳体沟槽2-1，共同作用对第一卷簧4、第二卷簧5施加扭矩，第一卷簧4和第二卷簧5继续发生变形，当减速器内齿圈3旋转角度为β时，卷第一卷簧4和第二卷簧5产生的扭矩差值t2与t0大小相同，方向相反，此时减速器内齿圈3受载平衡而停止转动，这个过程中第一卷簧4和第二卷簧5发生变形储存能量，使外部动力源(例如：电机)的停止缓慢进行，第一卷簧4和第二卷簧5起到减震抵抗高冲击载荷和储存能量的作用，进而保护外部动力源。
随着外部动力源(例如：电机)扭矩的释放，第一卷簧4和第二卷簧5开始恢复平衡状态，迎接下一次的冲击振动。
本实例中的深沟球轴承也可以换成角接触球轴承。
本实施例采用二级行星减速器，传动效率高并且背隙较小，能实现精确的运动控制，所采用的第一卷簧4和第二卷簧5在运动过程中刚度不变，所产生的反向力矩是线性变化的，容易控制，从而实现精确的力控制。因为是在减速器内齿圈外侧和减速器外壳腔体之间加装弹性元件第一卷簧4和第二卷簧5，这样可以是机构轴向尺寸和传统的减速器保持一致的同时，可以抵抗高冲击载荷，实现储存和释放能量，整体体积较小，能量密度高。
实施例二
与实施例一的区别就是，将2个卷簧改成一个弹性元件。如图8所述，该弹性元件的形状如卷簧，是由弹性钢板直接裁成卷簧的形状，卷与卷之间留有间隙，该间隙能满足减速器内齿圈3正转、反转对弹性元件的弹性变形要求。该弹性元件的内外两端分别与减速器内齿圈3上的内齿圈沟槽3-1和减速器壳体2上的壳体沟槽2-1固定，且初始安装时不需要添加预紧扭矩，该弹性元件可以在其两个运动方向上回卷时都能提供扭矩，但这样的弹性元件需要去厂家单独定制。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种旋转型串联弹性驱动机构，包括行星轮减速器总成，所述行星轮减速器总成包括减速器壳体、减速器内齿圈、太阳轮、行星轮，所述太阳轮、行星轮、减速器内齿圈依次啮合，所述减速器壳体套设于减速器内齿圈外部；其特征在于，所述机构还包括动力回收弹性结构，所述动力回收弹性结构包括弹性元件，所述弹性元件安装在所述减速器壳体和减速器内齿圈之间，并在两个相互相反的运动方向上产生扭矩。
2.根据权利要求1所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述弹性元件的个数为一个，所述弹性元件环绕所述减速器内齿圈外表面，一端安装在所述减速器壳体上，另一端安装在减速器内齿圈之间，当所述弹性元件随所述减速器内齿圈正转或反转而回卷时，均可产生扭矩。
3.根据权利要求1所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所说弹性元件包括正向卷簧和反向卷簧，所述正向卷簧和反向卷簧按照卷簧受力旋转方向相反对称安装于减速器壳体和减速器内齿圈之间，所述正向卷簧的内端仅可随所述减速器内齿圈正转而回卷，所述反向卷簧的内端仅可随所述减速器内齿圈反转而回卷。
4.根据权利要求3所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，在安装所述正向卷簧和反向卷簧时添加预紧扭矩，使得正向卷簧和反向卷簧的扭矩大小相同但方向相反。
5.根据权利要求1或2或3或4任意一项所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述动力回收弹性结构还包括第一球轴承和第二球轴承，所述第一球轴承和第二球轴承安装于减速器壳体和减速器内齿圈之间，且分别位于弹性元件的前后两侧。
6.根据权利要求5所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述动力回收弹性结构还包括第一挡圈、第二挡圈和第三挡圈，所述减速器壳体上还设置有凸起，所述第一球轴承通过减速器壳体的凸起和第一挡圈轴向固定，所述第二球轴承通过第二挡圈和第三挡圈轴向固定。
7.根据权利要求6所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述第一球轴承和第二球轴承是深沟球轴承或者角接触球轴承。
8.根据权利要求7所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述行星减速器总成为一级、二级或者多级减速结构。
9.根据权利要求2所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述弹性元件可设置多个。
10.根据权利要求3所述的一种旋转型串联弹性驱动机构，其特征在于，所述正向卷簧和反向卷簧可设置多对。
技术总结