專利名稱：一種帶緩沖彈簧和柔性軸套的氣動(dòng)肌肉柔順肘關(guān)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的、帶有柔性軸套和彈簧碰撞緩沖的柔順人工肘關(guān)節(jié)裝置，屬于柔順機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡單、占空間小、相對運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一?；诳刂品奖愕男枰?，對機(jī)器人手臂的剛度需求很高，因此這類機(jī)器人都具有基座粗大堅(jiān)固，結(jié)構(gòu)剛度高等特征，讓接近的人感到危險(xiǎn)。當(dāng)與人發(fā)生碰撞時(shí)，往往碰撞力很大，容易對人體造成傷害，限制了機(jī)器人進(jìn)入人類生活環(huán)境，直接為人提供服務(wù)。剛度大的原因之一是現(xiàn)有的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置大多采用電動(dòng)機(jī)。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率/重量比小、輸出力矩小，在需要較大力矩時(shí)，相對于氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)而言，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的重量體積較大，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小型化。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不僅希望機(jī)器人具有精度高、響應(yīng)快、承載能力大等特點(diǎn)，而且能表現(xiàn)出良好的柔順性，尤其在仿生機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，人們對其手臂柔順安全性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對其位置精度和承載力的要求。人體運(yùn)動(dòng)分析表明，肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸不固定，中心軸軌跡類似“J”，即轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還伴隨有平動(dòng)；相比定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在相同的轉(zhuǎn)角下，非定軸轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)更大的末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)空間；且肘關(guān)節(jié)在屈展過程中，大臂和小臂的中心線并不完全在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)有的機(jī)器人肘關(guān)節(jié)大多只能實(shí)現(xiàn)定軸的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)集中在將柔性元件和電動(dòng)裝置結(jié)合，如我國的發(fā)明專利(專利號CN201010233153J)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，將直流伺服電機(jī)與氣動(dòng)人工肌肉相結(jié)合，構(gòu)成一種剛?cè)峤Y(jié)合的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。我國的發(fā)明專利(專利號 CN200910138667. 7)柔性機(jī)械手的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置及柔性機(jī)械手，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置包括圓柱形彈性殼和液壓驅(qū)動(dòng)器，利用新型柔性液壓驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)間力傳遞結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，每個(gè)關(guān)節(jié)需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)械手臂重量較大，同時(shí)關(guān)節(jié)彎轉(zhuǎn)角度不夠大，位置控制難以達(dá)到要求。同時(shí)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置缺少模塊化設(shè)計(jì)，多個(gè)關(guān)節(jié)組裝成一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的可能性??；柔順性有限，尤其是針對碰撞力較大的情況，難易實(shí)現(xiàn)對人體的很好保護(hù)；僅有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；且為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；因此，特性與人體生物肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)差別較大，限制了高級仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種清潔、可靠，可實(shí)現(xiàn)安全碰撞的、基于氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的、可實(shí)現(xiàn)非定軸、空間轉(zhuǎn)動(dòng)的柔順人工肘關(guān)節(jié)裝置。本實(shí)用新型的一種帶緩沖彈簧和柔性軸套的氣動(dòng)肌肉柔順肘關(guān)節(jié)裝置，主要由前連桿1、后連桿16、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20、關(guān)節(jié)軸承23、柔性軸套19、氣動(dòng)肌肉5、緩沖機(jī)構(gòu)14、橡膠限位柱17、橡膠限位球25、緩沖用偏置彈簧15和伸展用偏置彈簧M組成。[0008]其中，所述的關(guān)節(jié)部件由關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20、關(guān)節(jié)軸承23、柔性軸套19組成，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20 固定連接前連桿1的后端，且與關(guān)節(jié)軸承23同軸裝配在一起；關(guān)節(jié)軸承23外圓與柔性軸套19套裝在一起，兩者不同軸；后連桿16的前端上開有圓孔，柔性軸套19同軸裝配在圓孔中，轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)受力發(fā)生變形；緩沖轉(zhuǎn)軸18固定在后連桿16上，且與緩沖機(jī)構(gòu)14通過軸承18 連接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；所述的緩沖部件由緩沖機(jī)構(gòu)14、橡膠限位柱17、橡膠限位球25、緩沖用偏置彈簧15和伸展用偏置彈簧M組成，緩沖機(jī)構(gòu)14的后端與緩沖用偏置彈簧15 —端相連，起緩沖作用的大剛度值偏置彈簧15另一端與后連桿16連接，帶有一定的預(yù)應(yīng)力；橡膠限位球25安裝在緩沖機(jī)構(gòu)14前端；伸展用偏置彈簧M連接前連桿1與緩沖機(jī)構(gòu)14，也帶有一定的預(yù)應(yīng)力，保證在初始狀態(tài)下，前連桿1與橡膠限位球25緊密接觸；橡膠限位柱17 固定安裝在后連桿16上，且位于緩沖轉(zhuǎn)軸18的后下方；在偏置彈簧15預(yù)應(yīng)力作用下，保證在初始狀態(tài)下，橡膠限位柱17與緩沖機(jī)構(gòu)14緊密接觸；氣動(dòng)肌肉5左端的機(jī)構(gòu)連接件3 和前連桿1通過鋼絲2固定連接，氣動(dòng)肌肉5右端的機(jī)構(gòu)連接件7和緩沖機(jī)構(gòu)14通過鋼絲 13連接；氣動(dòng)肌肉5的后端安裝有兩位三通型電磁閥12 ；電磁閥12的輸出端通過氣管6與氣動(dòng)肌肉5的內(nèi)腔相通，電磁閥12輸入端一個(gè)接口通過氣管11與減壓閥10連接，電磁閥 12輸入端另一接口與外界大氣相通；減壓閥10通過氣管9與高壓氣源8連接。機(jī)構(gòu)總體上為扁平的細(xì)長多連桿形狀，通過螺柱螺母連接件沈和27可將兩個(gè)機(jī)構(gòu)并聯(lián)在一起，從而可模塊化組裝出可復(fù)合運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型的有益特點(diǎn)為1.氣動(dòng)肌肉和伸展彈簧保證了驅(qū)動(dòng)器的柔順性；2.柔性軸套可模擬人體關(guān)節(jié)骨頭接觸處的軟骨，保證了轉(zhuǎn)軸的柔順性；3.前連桿的轉(zhuǎn)軸和后連桿的軸套中心點(diǎn)不重合，在負(fù)重轉(zhuǎn)動(dòng)下，柔性軸套受力變形，從而可部分模擬人體肘關(guān)節(jié)的非定軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；4.在緩沖機(jī)構(gòu)和后連桿之間安裝大剛度值緩沖作用的偏置彈簧，當(dāng)前連桿受到外在的大沖擊力時(shí)，可緩解沖擊，避免對人體造成傷害；5.氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體上為扁平的細(xì)長多連桿形狀，將兩個(gè)此扁平細(xì)長機(jī)構(gòu)并聯(lián)在一起，從而可模塊化組裝出可復(fù)合運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；6.關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)動(dòng)，前連桿末端點(diǎn)軌跡與人手臂軌跡更接近，仿人性更好，更利于與人手臂協(xié)作。

圖1為本實(shí)用新型的一種柔順肘關(guān)節(jié)裝置的主視圖；圖2為本實(shí)用新型的驅(qū)動(dòng)部件工作示意圖；圖3為本實(shí)用新型的緩沖部件工作示意圖；圖4為本實(shí)用新型裝置模塊化組裝的俯視圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種帶緩沖彈簧和柔性軸套的氣動(dòng)肌肉柔順肘關(guān)節(jié)裝置，主要由鋁合金前連桿1、鋁合金后連桿16、鋁合金關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20、關(guān)節(jié)軸承23、柔性軸套19、氣動(dòng)肌肉 5、鋁合金緩沖機(jī)構(gòu)14、橡膠限位柱17、橡膠限位球25、緩沖用偏置彈簧15和伸展用偏置彈簧對組成。如圖2所示，當(dāng)前連桿1繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣動(dòng)肌肉5驅(qū)動(dòng)部件為主驅(qū)動(dòng)，可采用橡膠纖維絲外管4，通以高壓空氣的氣動(dòng)肌肉；氣動(dòng)肌肉5位于前連桿1和緩沖機(jī)構(gòu)14上部，氣動(dòng)肌肉5左端的機(jī)構(gòu)連接件3和前連桿1通過鋼絲2固定連接，氣動(dòng)肌肉5右端的機(jī)構(gòu)連接件7和緩沖機(jī)構(gòu)14通過鋼絲13連接；氣動(dòng)肌肉5的后端安裝有兩位三通型電磁閥12，電磁閥12的輸出端與氣動(dòng)肌肉5的內(nèi)腔相通；當(dāng)氣動(dòng)肌肉充氣收縮時(shí)， 輸入端一個(gè)接口與減壓閥10輸出端通過氣管11連接；當(dāng)氣動(dòng)肌肉排氣伸展時(shí)，電磁閥另一接口與外界大氣相通；當(dāng)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)肌肉保持內(nèi)管氣壓，關(guān)節(jié)停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 減壓閥10輸入端通過氣管9與高壓氣源8連接；高壓氣源8通過氣管經(jīng)過減壓閥10和電磁閥11對氣動(dòng)肌肉5的內(nèi)腔充氣，使氣動(dòng)肌肉5沿徑向膨脹而沿軸向收縮，產(chǎn)生沿軸向的拉動(dòng)力，軸向的拉動(dòng)力通過與機(jī)構(gòu)連接件3連接的鋼絲2和與機(jī)構(gòu)連接件7連接的鋼絲13， 作用于前連桿1上，由于緩沖機(jī)構(gòu)14和后連桿16之間安裝了大剛度值偏置彈簧15，存在一定的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)氣動(dòng)肌肉5產(chǎn)生的拉動(dòng)力小于預(yù)應(yīng)力時(shí)候，緩沖機(jī)構(gòu)14相對靜止，前連桿1 在氣動(dòng)肌肉5拉動(dòng)力作用下，繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，偏置彈簧M被拉長，產(chǎn)生相應(yīng)的恢復(fù)應(yīng)力，使得前連桿1的旋轉(zhuǎn)更加柔順。前連桿1和后連桿16的連接機(jī)構(gòu)主要包括關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承23和柔性軸套19，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承23的外層，添加硅膠材料，形成柔性軸套19，前連桿1的轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)21和軸套中心點(diǎn)22，在具體加工和人體實(shí)際關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中，兩者中心點(diǎn)不完全重合。轉(zhuǎn)動(dòng)中柔性軸套 19會(huì)受力發(fā)生變形，從而使得肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不是定軸的。如圖3所示，當(dāng)前連桿1與后連桿16行成一定角度時(shí)，前連桿1末端受到?jīng)_擊。此時(shí)，氣動(dòng)肌肉5在緩沖機(jī)構(gòu)14上拉動(dòng)力大于偏置彈簧15的預(yù)應(yīng)力，緩沖機(jī)構(gòu)14繞轉(zhuǎn)軸18 旋轉(zhuǎn)，偏置彈簧15被拉長，緩解沖擊。如圖4所示，氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)部件可以模塊化設(shè)計(jì)，前連桿1和后連桿16可采用兩片細(xì)長形鋁合金板條拼裝而成，中間安裝緩沖機(jī)構(gòu)14，前后連桿分別通過螺柱螺母連接件 26進(jìn)行多層組裝連接。不同氣動(dòng)肌肉5內(nèi)部壓力作用下，多層組裝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)部分側(cè)擺動(dòng)作，即肘關(guān)節(jié)做非平面轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求1.一種帶緩沖彈簧和柔性軸套的氣動(dòng)肌肉柔順肘關(guān)節(jié)裝置，主要由前連桿(1)、后連桿(16)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)、關(guān)節(jié)軸承(23)、柔性軸套(19)、氣動(dòng)肌肉(5)、緩沖機(jī)構(gòu)(14)、橡膠限位柱(17)、橡膠限位球(25)、緩沖用偏置彈簧(15)和伸展用偏置彈簧(24)組成，其特征在于所述的關(guān)節(jié)部件由關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)、關(guān)節(jié)軸承(23)、柔性軸套(19)組成，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸00)固定連接前連桿(1)的后端，且與關(guān)節(jié)軸承同軸裝配在一起；關(guān)節(jié)軸承03) 外圓與柔性軸套(19)套裝在一起，兩者不同軸；后連桿(16)的前端上開有圓孔，柔性軸套 (19)同軸裝配在圓孔中，轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)受力發(fā)生變形；所述的緩沖部件由緩沖機(jī)構(gòu)(14)、橡膠限位柱(17)、橡膠限位球(25)、緩沖用偏置彈簧(1 和伸展用偏置彈簧04)組成，緩沖機(jī)構(gòu)(14)的后端與緩沖用偏置彈簧(1 一端相連，起緩沖作用的大剛度值偏置彈簧(15)另一端與后連桿(16)連接，帶有一定的預(yù)應(yīng)力；橡膠限位球0 安裝在緩沖機(jī)構(gòu)(14)前端； 伸展用偏置彈簧04)連接前連桿(1)與緩沖機(jī)構(gòu)(14)，也帶有一定的預(yù)應(yīng)力，保證在初始狀態(tài)下，前連桿(1)與橡膠限位球0 緊密接觸；橡膠限位柱(17)固定安裝在后連桿(16) 上，且位于緩沖轉(zhuǎn)軸(18)的后下方；在偏置彈簧(1 預(yù)應(yīng)力作用下，保證在初始狀態(tài)下，橡膠限位柱(17)與緩沖機(jī)構(gòu)(14)緊密接觸；氣動(dòng)肌肉(5)左端的機(jī)構(gòu)連接件(3)和前連桿 (1)通過鋼絲O)固定連接，氣動(dòng)肌肉(5)右端的機(jī)構(gòu)連接件(7)和緩沖機(jī)構(gòu)(14)通過鋼絲(13)連接；氣動(dòng)肌肉(5)的后端安裝有兩位三通型電磁閥(12)；電磁閥(12)的輸出端通過氣管(6)與氣動(dòng)肌肉( 的內(nèi)腔相通，電磁閥(1 輸入端一個(gè)接口通過氣管(11)與減壓閥(10)連接，電磁閥(1 輸入端另一接口與外界大氣相通；減壓閥(10)通過氣管(9) 與高壓氣源(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利1要求所述的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置，機(jī)構(gòu)總體上為扁平的細(xì)長多連桿形狀，通過螺柱螺母連接件06)可將兩個(gè)機(jī)構(gòu)并聯(lián)在一起，從而可模塊化組裝出可復(fù)合運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種帶緩沖彈簧和柔性軸套的氣動(dòng)肌肉柔順肘關(guān)節(jié)裝置，它主要由前連桿、后連桿、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸、關(guān)節(jié)軸承、柔性軸套、氣動(dòng)肌肉、緩沖機(jī)構(gòu)、偏置彈簧組成。氣動(dòng)肌肉作為關(guān)節(jié)主要驅(qū)動(dòng)部件，通過改變內(nèi)部氣體壓力產(chǎn)生軸向拉動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)連桿繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在緩沖機(jī)構(gòu)上的大剛度值的緩沖用偏置彈簧，在連桿末端受到?jīng)_擊時(shí)，有效緩解沖擊。非同軸安裝的柔性軸套起到緩沖對轉(zhuǎn)動(dòng)軸的沖擊作用，以及擴(kuò)展轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度作用。本裝置整體為扁平形狀，可組裝出可實(shí)現(xiàn)非定軸的、非平面內(nèi)的、復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。本肘關(guān)節(jié)裝置能承受較大的載荷和沖擊，動(dòng)作平滑，柔順性好，接近人體肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可滿足仿生機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)C(jī)械關(guān)節(jié)的性能要求。
文檔編號B25J17/02GK202071080SQ201120159689
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者嚴(yán)冬明, 王斌銳, 金英連 申請人:中國計(jì)量學(xué)院