一种双向多分支平面涡卷扭簧

本发明涉及机器人串联弹性驱动器的弹性元件，具体地说是一种双向多分支平面涡卷扭簧。

背景技术：

1、随着机器人技术的发展，越来越多的机器人需要与人交互或者在非结构环境下工作，如外骨骼机器人、协作机器人、服务机器人、人形机器人等。在人机交互过程中为了保证人的安全，需要机器人关节具有柔性；机器人在非结构环境中工作时，为了避免机器人与环境接触时产生冲击载荷，同样需要机器人关节具有柔性。

2、目前，机器人关节柔性的实现主要有三种方式：利用阻抗控制的方式、基于力位混合控制的方式和采用串联弹性驱动器设计关节的方式。其中，串联弹性驱动器机器人关节通过弹性元件连接减速器输出端和末端执行器，弹性元件切断了末端执行器与电机的刚性连接，使得末端执行器具有本质柔性。同时，用编码器测量弹性元件的变形量，结合胡克定律可以算出末端执行器的受力，可以减少价格昂贵的扭矩传感器的使用。近年来，国内外对串联弹性驱动器技术的研究越来越多，串联弹性驱动器技术在外骨骼机器人、机械臂和腿式机器人中具有广阔的应用前景。

3、串联弹性驱动器中，弹性元件是制约其应用和发展的关键部分。理想的弹性元件有多方面性能要求，其中合适的刚度、较大的承载能力和紧凑的结构非常重要。随着串联弹性驱动器的发展，各式各样的弹性元件也被设计出来。例如，n.g.tsagarakis开发的串联弹性驱动器采用三组直线弹簧作为弹性元件，每组两个压缩弹簧。chris a.ihrke等人在公开号为us8176809b2的美国专利中提出的平面扭簧包括内轮、外轮两个刚性轮和在中间连接两轮的弹性曲梁。东京大学的claude lagoda等人在des ign of an electric serieselast ic actuated joint for robotic gait rehabi l itat ion training(一种步态康复训练机器人的串联弹性驱动关节设计)中提出的双螺旋扭簧的刚度219nm/rad，最大承载能力超过100nm。于2012年8月15日公开、公开号为cn102632508b的“一种适用于机器人关节的平面扭簧”，是国内较早开发的用于机器人关节的平面扭簧。其他用于机器人关节的平面扭簧有于2019年12月13日公开、公开号为cn110566614a的“一种单向平面扭簧”，于2017年7月7日公开、公开号为cn106931060a的“一种用于串联弹性驱动器的平面扭簧与方法”等。

4、从结构上分析，平面扭簧大多是由内轮、外轮和中间弹性结构三部分构成的。中间的弹性结构的设计是平面扭簧设计的关键。平面扭簧正反向具有相同的力学性能，要求弹性结构必须左右对称；中间弹性结构很难同时满足弹性元件具备较大的刚度和较大的变形能力。有些弹簧在过载情况下会发生塑性变形，导致弹簧被永久破坏，为了防止过载还要设计限位限制弹簧内、外轮的相对转动角度。此外，中间弹性结构形状过于复杂将会给设计和加工带来很大困难，弹簧的紧凑化和轻量化也是很大的挑战。以上问题给平面扭簧的设计带来很大困难，也限制了装备串联弹性驱动器的机器人关节的发展。

技术实现思路

1、为了适应串联弹性驱动器对旋转型弹性元件的需要，本发明的目的在于提供一种双向多分支平面涡卷扭簧。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明包括扭簧内轮、扭簧外轮及扭簧弹性体，其中扭簧内轮位于扭簧外轮的内部；所述扭簧弹性体为两个，分别为结构相同的扭簧弹性体a及扭簧弹性体b，所述扭簧弹性体a与扭簧弹性体b均包括弹性体刚轮及多个弹性体分支，所述扭簧弹性体a的各弹性体分支旋向相同，所述扭簧弹性体a的各弹性体分支的内侧分别与扭簧弹性体a的弹性刚轮相连，所述扭簧弹性体b的各弹性体分支旋向相同，所述扭簧弹性体b的各弹性体分支的内侧分别与扭簧弹性体b的弹性刚轮相连，所述扭簧弹性体a的各弹性体分支的旋向与扭簧弹性体b的各弹性体分支的旋向相反；所述扭簧弹性体a的弹性体分支数量与扭簧弹性体b的弹性体分支数量相同、且一一对应，所述扭簧弹性体a的各弹性体分支的外侧分别与对应的所述扭簧弹性体b的各弹性体分支的外侧相连、并与所述扭簧外轮连接，所述扭簧弹性体a的弹性体刚轮及扭簧弹性体b的弹性体刚轮分别与扭簧内轮连接。

4、其中：所述扭簧弹性体a中的各弹性体分支以扭簧旋转中心为中心沿圆周方向顺时针或逆时针均匀环绕布置，相邻两所述弹性体分支之间在空载状态存在作为扭簧弹性体a变形空间的间隙；所述扭簧弹性体b中的各弹性体分支以扭簧旋转中心为中心沿圆周方向顺时针或逆时针均匀环绕布置，相邻两所述弹性体分支之间在空载状态存在作为扭簧弹性体b变形空间的间隙。

5、每个所述弹性体分支的外侧均具有扭簧外轮连接孔，所述扭簧弹性体a中各弹性体分支上的扭簧外轮连接孔与扭簧弹性体b中对应的弹性体分支上的扭簧外轮连接孔通过扭簧外轮连接销相连，且所述扭簧外传输线连接销与扭簧外轮连接。

6、每个所述弹性体分支上除扭簧外轮连接孔外的部分均为呈阿基米德螺旋线状的变形区段，所述扭簧弹性体a的各弹性体分支上呈阿基米德螺旋线状的变形区段的旋转中心重合，所述扭簧弹性体b的各弹性体分支上呈阿基米德螺旋线状的变形区段的旋转中心重合。

7、所述扭簧弹性体a的各弹性体分支上呈阿基米德螺旋线状的变形区段的起点位置沿扭簧弹性体a的弹性体刚轮的圆周方向均布，且分别与所述扭簧弹性体a的弹性体刚轮相切；所述扭簧弹性体b的各弹性体分支上呈阿基米德螺旋线状的变形区段的起点位置沿扭簧弹性体b的弹性体刚轮的圆周方向均布，且分别与所述扭簧弹性体b的弹性体刚轮相切；所述变形区段的起点和终点处均设有用于消除应力集中的圆滑过渡的圆弧。

8、所述弹性体分支的横截面为矩形，所述矩形的长度与扭簧的轴向方向相同；呈阿基米德螺旋线状的所述变形区段的螺旋线扭转角度≤360°。

9、所述扭簧外轮上沿圆周方向均匀开设有与扭簧弹性体a中扭簧外轮连接孔或扭簧弹性体b中扭簧外轮连接孔数量相同、一一对应的凹槽，所述扭簧弹性体a中任意一个扭簧外轮连接孔与扭簧弹性体b中对应的扭簧外轮连接孔均容置于一个所述凹槽内，每个所述凹槽的槽底均开设有用于连接扭簧外轮连接销的销孔a。

10、所述扭簧外轮上连接有用于支撑扭簧外轮连接销的扭簧外环，每个所述扭簧外轮连接销的一端均与扭簧外轮相连，另一端均与所述扭簧外环插接。

11、所述扭簧内轮中心孔的外缘沿轴向向扭簧弹性体a及扭簧弹性体b的方向延伸、形成与所述扭簧弹性体a及扭簧弹性体b的弹性体刚轮中心孔插接的延伸部，所述延伸部的外表面沿圆周方向均匀开设有多个扭簧内轮连接槽b；所述扭簧弹性体a及扭簧弹性体b的弹性体刚轮的中心孔内壁沿圆周方向均匀开设有与扭簧内轮连接槽数量相同、一一对应的扭簧内轮连接槽a，每个所述扭簧内轮连接槽a与对应的扭簧内轮连接槽b之间均插设有用于连接弹性体刚轮及扭簧内轮的扭簧内轮连接销。

12、所述扭簧弹性体a及扭簧弹性体b均在安装时预紧安装；当受到力矩较小时，所述扭簧弹性体a和扭簧弹性体b的弹性体分支均不发生接触，扭簧的刚度呈为定值；当受到较大力矩时，扭簧弹性体a或扭簧弹性体b的弹性体分支将发生接触，随着扭矩的增加，所述弹性体分支的接触部分变长，扭簧的刚度非线性增加。

13、本发明的优点与积极效果为：

14、1.本发明采用正反两片扭簧弹性体的设计，使扭簧具有正反向相同的力学性能。

15、2.本发明扭簧弹性体中的弹性体分支采用阿基米德螺旋线状，形状简单，大大简化了平面扭簧的设计流程。

16、3.本发明的扭簧刚度具有非线性特点。

17、4.本发明可以根据两片扭簧弹性体预紧程度的不同调整扭簧的刚度特性，扭簧正反向都具有较大的承载能力，一般不需要限位保护。