專利名稱：板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，此彎曲關(guān)節(jié)可用作機(jī)器人的肘、腿等各類關(guān)節(jié)，尤其適用于由多個(gè)彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成的機(jī)械手指，而且多個(gè)機(jī)械手指可組合成操作機(jī)械手，作為自動(dòng)化設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人、機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明作出以前，在已有技術(shù)中，對(duì)于彎曲關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)一般以各類電機(jī)或液氣壓為動(dòng)力，采用各種機(jī)械結(jié)構(gòu)與液氣壓缸、馬達(dá)等的組合形式作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；上述方式是剛性結(jié)構(gòu)，對(duì)控制的精度要求高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，制造成本高。亦有采用氣壓驅(qū)動(dòng)的橡膠壁(一種可變形和儲(chǔ)存能量的、管壁內(nèi)夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管)，產(chǎn)生軸向膨脹，由于一側(cè)限制伸長(zhǎng)而產(chǎn)生關(guān)節(jié)的彎曲，靠橡膠管的彈性作用回復(fù)原狀的柔性關(guān)節(jié)(專利號(hào)ZL89214574)；由于橡膠壁的軸向、少許徑向膨脹都需耗費(fèi)能量，反應(yīng)不夠靈敏，且對(duì)橡膠壁的彎曲變形無(wú)法得到較精確數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)控制效果不夠好，不能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)彎曲的應(yīng)用(如機(jī)械手指)動(dòng)作協(xié)調(diào)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)采用各種橫截面形狀的板彈簧為柔性骨架，波殼彈性體受氣壓后膨脹作為肌肉動(dòng)力；在受側(cè)外力時(shí)，單自由度關(guān)節(jié)也不會(huì)側(cè)彎，而多自由度關(guān)節(jié)亦能緩沖扭轉(zhuǎn)沖擊?？堪鍙椈傻淖饔?，彎曲變形的關(guān)節(jié)回復(fù)原狀。波殼彈性體伸長(zhǎng)、彎曲的變形力很小(可忽略不計(jì))，對(duì)流體壓力的變化敏感，要求流體流量小，關(guān)節(jié)彎曲動(dòng)作靈活，耗能??；只需對(duì)板彈簧的大撓度變形分析，從而易于計(jì)算彎曲變形量，同時(shí)動(dòng)態(tài)控制精度高；作為多關(guān)節(jié)的機(jī)械手指時(shí)，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性好。
本發(fā)明的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)的方案I是單節(jié)波殼的縱截面形狀是“V”、“U”、“Ω”等形狀的波殼彈性體4，靠卡箍3夾緊在頭座2和尾座7的卡口上。彈簧工作部分形狀為長(zhǎng)方形、梯形或菱形的，橫截面形狀為矩形、月牙形或弧形的板彈簧5的兩端經(jīng)墊塊6固定在頭座2和尾座7上；關(guān)節(jié)內(nèi)部有長(zhǎng)鉸鏈座11、鉸鏈12、短鉸鏈座13構(gòu)成的鉸鏈機(jī)構(gòu)，使關(guān)節(jié)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，防止關(guān)節(jié)側(cè)彎；頭節(jié)1與頭座2螺紋連接，頭座2和尾座7在兩端封閉彎曲關(guān)節(jié)內(nèi)的流體膨脹空腔。波殼彈性體4壁內(nèi)含有環(huán)形緯絲14和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)絲15，這樣波殼彈性體4徑向不易變形，其承載能力強(qiáng)；軸向變形容易，沿波殼彈性體4輪廓軸向的受力可忽略不計(jì)。頭座和尾座卡口的軸心線與它們的主體軸心線的偏心距為e，這樣流體驅(qū)動(dòng)的力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，亦使安裝結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)頭座2、尾座7的相同外螺紋部分與中節(jié)16的內(nèi)螺紋連接成多關(guān)節(jié)手指。
本發(fā)明的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)的方案II是除去關(guān)節(jié)內(nèi)部有長(zhǎng)鉸鏈座11、鉸鏈12、短鉸鏈座13構(gòu)成的鉸鏈機(jī)構(gòu)，用無(wú)孔的頭座2a和尾座7a代替方案I中有孔頭座2和尾座7；在尾座7a外側(cè)，由直角管接頭9a代替方案I中管接頭9，將流體管路徑向外接，其余結(jié)構(gòu)完全相同。這是一種多自由度彎曲柔性關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)較小，動(dòng)作靈活，易做小型的手指關(guān)節(jié)，同時(shí)這種關(guān)節(jié)亦能緩沖扭轉(zhuǎn)的沖擊。通過(guò)頭座2a、尾座7a的相同外螺紋部分與中節(jié)16的內(nèi)螺紋連接成多關(guān)節(jié)手指。
實(shí)際上，根據(jù)結(jié)構(gòu)和使用的需要，尾座7或尾座7a均可通過(guò)管接頭9或直角管接頭9a將流體從關(guān)節(jié)徑向或軸向引入關(guān)節(jié)內(nèi)腔；當(dāng)然，對(duì)只使用管接頭9的多關(guān)節(jié)機(jī)械手指，必須有單獨(dú)的軟管密封地從下部關(guān)節(jié)內(nèi)腔內(nèi)穿過(guò)，再連通上部關(guān)節(jié)內(nèi)腔。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)采用各種橫截面形狀的板彈簧為柔性骨架，波殼彈性體受氣壓后軸向膨脹作為肌肉動(dòng)力，可以象人手的關(guān)節(jié)一樣靈活彎曲。自由狀態(tài)時(shí)，關(guān)節(jié)彎曲角度與其關(guān)節(jié)內(nèi)的流體壓強(qiáng)有關(guān)；工作時(shí)，作用力隨關(guān)節(jié)內(nèi)的流體壓強(qiáng)增加而增加。在受側(cè)外力時(shí)，單自由度關(guān)節(jié)也不會(huì)側(cè)彎，而多自由度關(guān)節(jié)亦能緩沖扭轉(zhuǎn)沖擊?？扛鞣N形狀、各種橫截面形狀的板彈簧的作用，關(guān)節(jié)彎曲后回復(fù)原狀。彎曲和回復(fù)的速度由進(jìn)、出節(jié)流閥調(diào)節(jié)。本發(fā)明關(guān)節(jié)要求流體流量小，較小的壓力變化就產(chǎn)生較大的彎曲變形，耗能?。磺覐澢冃瘟颗c流體壓強(qiáng)的關(guān)系，易建立數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)控制精度高，作為機(jī)械手指等多關(guān)節(jié)使用場(chǎng)合，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性好。


圖1為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I的主視2為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I主視圖的A-A剖視3為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I主視圖的B處局部放大4為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案II的主視5為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I頭座零件的右視6為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I頭座零件的主視7為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I頭座零件的左視8為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I尾座零件的主視9為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I尾座零件的左視10為本發(fā)明彎曲關(guān)節(jié)方案I或II的流體控制原理圖
具體實(shí)施例方式下面本發(fā)明將結(jié)合附圖中的方案I實(shí)施作進(jìn)一步描述方案I的關(guān)節(jié)主要由頭節(jié)1、頭座2、卡箍3、波殼彈性體4、板彈簧5、墊塊6、尾座7、密封墊8、管接頭9、軟管10、長(zhǎng)鉸鏈座11、鉸鏈12、短鉸鏈座13、環(huán)形緯絲14、纏繞經(jīng)絲15、中節(jié)16等構(gòu)成。
波殼彈性體4靠卡箍3夾緊在頭座2和尾座7的卡口上，板彈簧5的兩端經(jīng)墊塊6固定在頭座2和尾座7上；關(guān)節(jié)內(nèi)部，兩個(gè)內(nèi)六角螺栓分別穿過(guò)密封墊8將長(zhǎng)鉸鏈座11和短鉸鏈座13固定在尾座7和頭座2上，長(zhǎng)鉸鏈座11和短鉸鏈座13之間靠鉸鏈12連接；頭節(jié)1與頭座2螺紋連接，中節(jié)16與尾座7連接；氣壓源由接在管接頭9的軟管10提供，關(guān)節(jié)下部軸向的管接頭9穿過(guò)密封墊8安裝尾座7上；為提高承載能力，減少和消除波殼彈性體4的徑向膨脹，波殼彈性體4壁內(nèi)含有環(huán)形緯絲14和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)絲15。中節(jié)16的內(nèi)螺紋亦可與除去頭節(jié)1的柔性彎曲關(guān)節(jié)的頭座2的外螺紋連接，形成多關(guān)節(jié)機(jī)械手指。
下面為本發(fā)明的工作原理及工作過(guò)程
本發(fā)明板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)采用各種形狀、各種橫截面形狀的板彈簧5為柔性骨架，波殼彈性體4受氣壓后膨脹作為肌肉動(dòng)力。波殼彈性體4內(nèi)腔受氣壓后，由于在一側(cè)板彈簧5的限制，不能軸向伸長(zhǎng)，另一側(cè)可以軸向伸長(zhǎng)，因此產(chǎn)生彎曲。自由狀態(tài)時(shí)，關(guān)節(jié)彎曲角度與其關(guān)節(jié)內(nèi)的流體壓強(qiáng)有關(guān)；工作時(shí)，對(duì)外的作用力隨關(guān)節(jié)內(nèi)的流體壓強(qiáng)增加而增加。限制了關(guān)節(jié)的自由度，在受側(cè)外力時(shí)，關(guān)節(jié)也不會(huì)側(cè)彎；但扭矩可使關(guān)節(jié)頭座2以其主軸心線產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，扭矩一定的情況下，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度與板彈簧5的橫截面形狀、尺寸有關(guān)；因此，關(guān)節(jié)在彎曲和扭轉(zhuǎn)上有一定的柔性。靠各種橫截面形狀的板彈簧5的作用，關(guān)節(jié)彎曲后回復(fù)原狀，且彎曲變形量與流體壓強(qiáng)的關(guān)系，易建立數(shù)學(xué)模型。
如附圖10所示，關(guān)節(jié)的流體通路有軟管，二位二通、二位三通閥，進(jìn)、出口可調(diào)節(jié)流閥和壓力變送器等。壓力變送器主要用來(lái)檢測(cè)流體的壓力，把這種壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流電信號(hào)，以便控制使用。蓄能器或儲(chǔ)氣罐的作用是保證工作中液氣壓力源的壓力穩(wěn)定。靜態(tài)控制或動(dòng)態(tài)精度要求不高時(shí)，控制系統(tǒng)采用壓力變送器傳遞壓力信號(hào)，在計(jì)算機(jī)中比較根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算表或?qū)嶒?yàn)參數(shù)擬合曲線的壓力參數(shù)而預(yù)先設(shè)定的值，通斷二位閥的電磁閥線圈。1DT得電，關(guān)節(jié)彎曲角度不斷增加；1DT失電，二位二通閥2DT得電，保持關(guān)節(jié)彎曲角度；1DT、2DT均失電，靠彈簧的作用，使關(guān)節(jié)內(nèi)的流體排空，手指伸直。手指彎曲、伸直的快慢速度由流體通路的進(jìn)、出口可調(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。動(dòng)態(tài)控制精度高時(shí)，需要在關(guān)節(jié)上安裝角度和力覺(jué)傳感器，采用閉環(huán)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
多關(guān)節(jié)組合時(shí)，根據(jù)操作要求，數(shù)目可多可少的各關(guān)節(jié)的氣路有各自的一套軟管，進(jìn)、出口節(jié)流閥和壓力變送器等上述的控制系統(tǒng)，各自單獨(dú)進(jìn)行控制，因此作為多關(guān)節(jié)手指時(shí)，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性好。
權(quán)利要求
1.一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，采用氣壓驅(qū)動(dòng)一種管壁內(nèi)夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管，產(chǎn)生軸向膨脹，由于圓形橡膠管一側(cè)限制軸向膨脹而產(chǎn)生關(guān)節(jié)的彎曲，靠橡膠的彈性作用回復(fù)原狀的關(guān)節(jié)，本發(fā)明的特征是一種單自由度柔性關(guān)節(jié)，波殼彈性體(4)受液氣壓作用而軸向伸長(zhǎng)時(shí)，因受一側(cè)的板彈簧(5)的限制而產(chǎn)生彎曲；波殼彈性體(4)兩端靠卡箍(3)密封夾緊在頭座(2)和尾座(7)的卡口上；板彈簧(5)的兩端經(jīng)墊塊(6)靠螺釘固定在頭座(2)和尾座(7)上；關(guān)節(jié)內(nèi)部有長(zhǎng)鉸鏈座(11)、鉸鏈(12)、短鉸鏈座(13)構(gòu)成的鉸鏈機(jī)構(gòu)，使關(guān)節(jié)單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，防止關(guān)節(jié)側(cè)彎。
2.一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，相對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)，其特征是一種多自由度柔性關(guān)節(jié)，波殼彈性體(4)受液氣壓作用而軸向伸長(zhǎng)時(shí)，因受一側(cè)的板彈簧(5)的限制而產(chǎn)生彎曲；波殼彈性體(4)兩端靠卡箍(3)密封夾緊在頭座(2a)和尾座(7a)的卡口上；板彈簧(5)的兩端經(jīng)墊塊(6)靠螺釘固定在頭座(2a)和尾座(7a)上；尾座(7a)側(cè)面的直角管接頭(9a)將流體管路徑向外接。
3.一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，應(yīng)用柔性彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成機(jī)械手或機(jī)械手指，其特征是頭節(jié)(1)與頭座(2)螺紋連接，形成指尖，通過(guò)頭座(2)、尾座(7)的相同外螺紋與中節(jié)(16)的內(nèi)螺紋連接成由多個(gè)單自由度關(guān)節(jié)構(gòu)成的機(jī)械手指或機(jī)械手。
4.一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，應(yīng)用柔性彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成機(jī)械手或機(jī)械手指，其特征是頭節(jié)(1)與頭座(2a)螺紋連接，形成指尖，通過(guò)頭座(2a)、尾座(7a)的相同外螺紋與中節(jié)(16)的內(nèi)螺紋連接成由多個(gè)多自由度關(guān)節(jié)構(gòu)成的機(jī)械手指或機(jī)械手。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，其特征在于采用板彈簧(5)為柔性骨架，板彈簧(5)的橫截面形狀為矩形、月牙形或弧形，板彈簧(5)的工作部分形狀為長(zhǎng)方形、梯形或菱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，其特征在于采用波殼彈性體(4)受液氣壓后軸向伸長(zhǎng)作為彎曲的動(dòng)力，波殼彈性體(4)的單節(jié)波殼的縱截面為矩形、“V”、“U”或“Ω”型，波殼彈性體(4)的壁內(nèi)含有環(huán)形緯絲(14)和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)絲(15)，其作用是提高承載能力，減少?gòu)较蜃冃巍?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，其特征在于頭座(2)和尾座(7)的卡口的軸心線與它們的主軸心線偏心；亦及頭座(2a)和尾座(7a)的卡口的軸心線與它們的主軸心線偏心。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，其特征在于尾座(7)或尾座(7a)均可通過(guò)管接頭(9)或直角管接頭9a將流體從關(guān)節(jié)徑向或軸向引入關(guān)節(jié)內(nèi)腔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，此關(guān)節(jié)可用作機(jī)器人的各類關(guān)節(jié)，尤其適用于多個(gè)彎曲關(guān)節(jié)的機(jī)械手指，屬于機(jī)器人、機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)節(jié)采用各種橫截面形狀的板彈簧為柔性骨架，波殼彈性體內(nèi)腔受液氣壓作用后，軸向膨脹作為肌肉動(dòng)力，由于受一側(cè)板彈簧的限制，不能軸向伸長(zhǎng)，另一側(cè)可以軸向伸長(zhǎng)，因此產(chǎn)生彎曲。自由狀態(tài)時(shí)，關(guān)節(jié)彎曲角度與關(guān)節(jié)內(nèi)的氣體壓強(qiáng)有關(guān)；工作時(shí)，對(duì)外作用力隨關(guān)節(jié)內(nèi)的氣體壓強(qiáng)增加而增加；靠板彈簧的作用，彎曲變形的關(guān)節(jié)回復(fù)原狀。本發(fā)明關(guān)節(jié)有單、多自由度兩種形式，其彎曲動(dòng)作靈活，耗能小，動(dòng)態(tài)控制精度高，作為多關(guān)節(jié)的機(jī)械手指時(shí)，多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性好。
文檔編號(hào)B25J17/00GK1618580SQ200410065130
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月23日
發(fā)明者章軍, 須文波, 呂兵 申請(qǐng)人:江南大學(xué)