一种可变刚度柔顺驱动器及机器人

本技术涉及仿生机器人，具体涉及一种可变刚度柔顺驱动器及机器人。

背景技术：

1、人形机器人下肢关节需要兼顾较高的输出力、响应速度、抗冲击能力以及模拟人体肌腱的柔顺特性。

2、相关技术中，人形机器人下肢主要依靠纯电动直线关节或气动人工行走进行驱动，但两种方案均存在明显的限制：

3、一方面，纯电动直线关节通常表现为较高机械刚度。在落足冲击、外界扰动或人机接触场景下，高刚度传动结构容易产生较大的冲击力和传动反力，不仅不利于提高人形机器人运动过程中的安全性和能量缓冲能力，也无法真实模拟人体与肌腱的天然柔顺特性。

4、另一方面，气动人工肌肉虽然质量轻、柔顺性好、受力形式接近人体肌肉等优点，但其固有刚度低且动态响应较慢，在高负载及高频动态响应要求下，难以作为独立的主驱动器承担人形机器人下肢的大负荷运动。

5、因此，如何使得驱动器兼具电动直线驱动电机的刚性和气动人工肌肉的柔顺度是人形机器人下肢驱动器亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于上述现状，本技术的主要目的在于提供一种可变刚度柔顺驱动器、控制系统及机器人，以解决纯电动直线关节刚度高、柔顺性不足，以及传统气动肌肉难以直接承担机器人主驱动的问题。

2、为实现上述目的，本技术采用的技术方案如下：

3、一种可变刚度柔顺驱动器，包括气动肌肉组件、多自由度偏向件以及直线驱动组件。其中，

4、气动肌肉组件内部形成有密封容置腔，具有沿所述轴向布置的第一装配段、调节段和第二装配段；所述第二装配段包括气体接口座，用于向所述密封容置腔内充入气体或连通外部压力控制装置；

5、多自由度偏向件置于所述密封容置腔内且与所述第二装配段固定连接；以及，

6、直线驱动组件包括直线驱动电机和输出轴；所述直线驱动电机位于所述密封容置腔内，且与所述调节段在径向上间隔设置形成避让间隙；所述直线驱动电机的一端活动连接于所述多自由度偏向件，另一端密封连接于所述第一装配段；所述输出轴连接于所述直线驱动电机远离所述多自由度偏向件的一端，并伸出所述密封容置腔；

7、在不受外力作用的初始状态下，所述直线驱动组件的轴线与所述气动肌肉组件的轴线相互重合；

8、当所述气动肌肉组件发生形变或受到外力冲击时，所述避让间隙为所述多自由度偏向件的偏转及所述气动肌肉组件的径向形变提供避让空间。

9、可选地，所述第一装配段包括第一柔性管体、第一夹紧座以及第一端盖；

10、所述第一柔性管体周向密封于所述第一夹紧座和第一端盖之间；

11、所述第一夹紧座固定连接于所述直线驱动电机远离所述多自由度偏向件的端面，并与所述直线驱动电机的端面轴向密封；所述第一端盖固定连接于所述第一夹紧座；

12、所述输出轴依次穿设于所述第一夹紧座和所述第一端盖。

13、可选地，所述第一夹紧座与所述第一端盖分别设有相适配的第一锥面，所述第一柔性管体密封夹设于两所述第一锥面之间；所述第一夹紧座与所述直线驱动电机的相对端面之间夹设有第一密封件。

14、可选地，所述第二装配段包括第二柔性管体、第二端盖、第二夹紧座和中空连接杆；

15、所述第二柔性管体周向密封于所述第二端盖和所述第二夹紧座之间；

16、所述气体接口座固定连接于所述第二端盖的顶壁；所述中空连接杆穿设于所述第二端盖，并插设于所述气体接口座；所述中空连接杆远离所述气体接口座的一端固定连接于所述多自由度偏向件；所述气体接口座、所述第二端盖与所述中空连接杆三者的配合处密封设置；

17、所述气体接口座、所述中空连接杆以及所述多自由度偏向件分别设有第一气道、第二气道和第三气道，所述第一气道、所述第二气道和所述第三气道依次连通，以构成连通所述密封容置腔的密闭气路。

18、可选地，所述第二端盖的内周壁与所述第二夹紧座的外周壁分别设有相适配的第二锥面，所述第二柔性管体密封夹设于两所述第二锥面之间；

19、所述气体接口座朝向所述第二端盖的端面开设有凹槽；所述气动肌肉组件还包括第二密封件，所述第二密封件置于所述凹槽内且套设于所述中空连接杆的外周面，以密封所述第二端盖、所述中空连接杆以及所述气体接口座之间的装配间隙。

20、可选地，所述多自由偏向件对应所述调节段的位置设置。

21、可选地，所述第一柔性管体包括第一柔性内管和包覆于所述第一柔性内管外周面的第一编织网套；所述第二柔性管体包括第二柔性内管和包覆于所述第二柔性内管外周面的第二编织网套；所述调节段包括第三柔性内管和包覆于所述第三柔性内管外周面的第三编织网套；

22、所述第一柔性内管、所述第二柔性内管以及所述第三柔性内管一体设置形成弹性芯管；

23、所述第一编织网套、所述第二编织网套以及所述第三编织网套一体设置形成网状包覆件；

24、所述气动肌肉组件还包括编织网翻折导向件，所述网状包覆件自所述编织网翻折导向件的内侧穿过，并沿所述编织网翻折导向件的端部向外翻折，以包覆套设于所述弹性芯管的外周面。

25、可选地，所述多自由度偏向件包括第一枢转座和第二枢转座以及连接件；其中，

26、所述第一枢转座固定连接于所述中空连接杆，且沿第一转动轴线与所述连接件转动连接；

27、所述第二枢转座活动连接于所述直线驱动电机，且沿第二转动轴线与所述连接件转动连接；所述第二转动轴线与所述第一转动轴线相交且正交。

28、可选地，所述第二枢转座被配置为可沿所述直线驱动电机的轴向移动；可绕所述直线驱动电机的轴向转动。

29、一种机器人，包括如上述任一实施例所述的可变刚度柔顺驱动器。

30、有益效果：本技术将直线驱动电机内置于气动肌肉组件的密封容置腔内部，实现了电动与气动的融合。具体地，本技术通过第二装配段的气体接口座向密封容置腔内充入气体，使得气动肌肉组件在外部冲击发生时，可以调节气动刚度，并结合直线驱动电机本身的刚度，使得整个驱动器能够在刚度与柔顺之间调节，有效解决了传统驱动器刚度单一、无法兼顾刚性与柔顺性问题。

31、与此同时，本技术还通过多自由度偏向件和避让间隙实现自适应缓冲防卡死的效果。当外部冲击时，多自由度偏向件会发生相对直线驱动电机发生偏转，气动肌肉组件会发生形变。此时，本技术在直线驱动电机与调节段之间设置的避让间隙，能够同时为多自由度偏向件的偏转角度位移以及气动肌肉组件调节段的径向形变提供充裕的物理避让空间。如此，将瞬间的大冲击力转化为气动肌肉组件的气体压缩能与摆动避让位移，有效阻断了侧向冲击力直接向直线驱动电机硬传动机构的传导，避免了电机卡死或结构损坏，极大地提高了驱动器在冲击境况下的机械可靠性。多自由度偏向件与气动肌肉组件的连接还使得气动肌肉组件柔顺性受到合理约束，其弹性变形主要服务于轴向缓冲和变刚度控制，而不会变成不受控的侧向摆动。

32、本技术的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。