氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設(shè)有若干個(gè)約束元件，所述若干個(gè)約束元件同軸串聯(lián)密排形成柱狀結(jié)構(gòu)，在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成3個(gè)軸線平行的管狀空腔，3個(gè)管狀空腔中的一個(gè)管狀空腔的軸線與柱狀結(jié)構(gòu)的軸線重合，稱為管狀空腔一；除管狀空腔一以外的2個(gè)管狀空腔稱為管狀空腔二，在管狀空腔二中設(shè)置氣囊，氣囊兩端分別與上封頭、下封頭連接，在下封頭上設(shè)有流體入口。本發(fā)明的關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)本體復(fù)合形成一體結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于兩個(gè)氣動(dòng)人工肌肉并聯(lián)，具有1個(gè)自由度和1個(gè)機(jī)動(dòng)度，可實(shí)現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)在平面兩個(gè)方向的主動(dòng)彎曲和軸向伸長等功能。
【專利說明】氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人肢體用柔性關(guān)節(jié)，特別涉及一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、軍事、醫(yī)療和服務(wù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，已成為世界各國的重要戰(zhàn)略支撐技術(shù)之一。作為機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和核心部件，各類主動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)性能和控制方法，將決定機(jī)器人的整體水平。在陸生、水生和仿人機(jī)器人領(lǐng)域，肢體柔性關(guān)節(jié)在解決柔性運(yùn)動(dòng)和抓取物體的適應(yīng)性方面具有重要作用。因此，多年來國內(nèi)外對柔性關(guān)節(jié)進(jìn)行了深入研究并取得了可喜成果，研究的主要內(nèi)容有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)材料和關(guān)節(jié)柔性結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。其中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制方式為研究重點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)材料是研究難點(diǎn)。
[0003]國內(nèi)外已研發(fā)的柔性關(guān)節(jié)主要有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣缸驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)電聚合物、電致驅(qū)動(dòng)和人工肌肉驅(qū)動(dòng)等幾種形式。其中應(yīng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓和氣缸驅(qū)動(dòng)方式的柔性關(guān)節(jié)，其技術(shù)基本成熟，應(yīng)用廣泛，但體積較大，關(guān)節(jié)柔性程度受到限制；而導(dǎo)電聚合物和電致驅(qū)動(dòng)行程較小，主要用于微動(dòng)關(guān)節(jié)；氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)具有較好的綜合柔性，近年來得到了快速發(fā)展，但具有較強(qiáng)的非線性。以上幾種驅(qū)動(dòng)裝置在應(yīng)用過程中都要與機(jī)械結(jié)構(gòu)配合使用，體積大，小型化困難，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，柔順性差。
[0004]因此，目前已有的人工關(guān)節(jié)尚不能完全滿足在形式變化較大的工業(yè)品的搬運(yùn)、水中仿生及特種機(jī)器人等領(lǐng)域的特殊需要，有必要繼續(xù)開發(fā)具有高度柔性的關(guān)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種機(jī)器人肢體用氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)。
[0006]本發(fā)明的一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設(shè)有若干個(gè)約束元件，所述若干個(gè)約束元件同軸串聯(lián)密排形成柱狀結(jié)構(gòu)，在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成3個(gè)軸線平行的管狀空腔，所述3個(gè)管狀空腔中的一個(gè)管狀空腔的軸線與所述柱狀結(jié)構(gòu)的軸線重合，稱為管狀空腔一，在管狀空腔一中設(shè)置關(guān)節(jié)骨架，關(guān)節(jié)骨架兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接；除管狀空腔一以外的2個(gè)管狀空腔結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，關(guān)于管狀空腔一的軸線對稱分布，稱為管狀空腔二，在管狀空腔二中設(shè)置氣囊，氣囊兩端分別與上封頭、下封頭連接，構(gòu)成密封腔體；上封頭、下封頭與上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設(shè)有流體入口。
[0007]所述約束元件為片狀，約束元件的外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分為3個(gè)圓孔，是所述管狀空腔在不同約束元件的局部結(jié)構(gòu)，約束元件的直徑等于所述管狀空腔的直徑。
[0008]所述關(guān)節(jié)骨架是柔性軸或軸向可伸縮軸套。
[0009]所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或者橡膠軸；軸向可伸縮軸套由套筒和光軸組成，套筒和光軸間隙配合。[0010]所述下封頭上設(shè)有流體入口，以充入壓力流體，當(dāng)充入流體壓力增加，密封腔體膨脹推動(dòng)約束元件移動(dòng)使關(guān)節(jié)主動(dòng)變形加大，當(dāng)充入流體壓力減小，橡膠氣囊恢復(fù)，關(guān)節(jié)變形減小，變形情況與所述骨架形式和通壓狀態(tài)有關(guān)；當(dāng)骨架為柔性軸，2個(gè)氣囊通氣壓力不同時(shí)，關(guān)節(jié)發(fā)生空間多向主動(dòng)彎曲和伸長復(fù)合變形，彎曲方向和變形程度由流體介質(zhì)壓力及通壓氣囊數(shù)量共同決定，2個(gè)氣囊通氣壓力相同或位置對稱氣囊通氣壓力相同時(shí)，關(guān)節(jié)發(fā)生主動(dòng)伸長，變形程度由流體介質(zhì)壓力和通壓氣囊數(shù)量共同決定；當(dāng)骨架為軸向可伸縮軸套，氣囊通氣時(shí)關(guān)節(jié)只發(fā)生主動(dòng)伸長，變形程度由流體介質(zhì)壓力和通壓氣囊數(shù)量共同決定；所述充入流體，可以是無腐蝕、無毒性的介質(zhì)，如壓縮空氣、水等。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)節(jié)體積小和運(yùn)動(dòng)靈活，關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)本體復(fù)合為一體，相當(dāng)于兩個(gè)氣動(dòng)人工肌肉并聯(lián)，具有I個(gè)自由度和I個(gè)機(jī)動(dòng)度，可實(shí)現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)在平面兩個(gè)方向的主動(dòng)彎曲和軸向伸長等功能；該關(guān)節(jié)屬流體驅(qū)動(dòng)變形的柔性關(guān)節(jié)，可采用一個(gè)比例閥和兩個(gè)換向閥進(jìn)行動(dòng)作控制，方法簡單易于實(shí)現(xiàn)；也可直接采用兩個(gè)比例閥進(jìn)行控制，此時(shí)關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度，動(dòng)作更加靈活；作為動(dòng)作執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)主要為復(fù)合彈性體，在接觸不同形狀和不同的硬度物體時(shí)，適應(yīng)性會(huì)更好且具有一定緩沖效果，可用于仿生機(jī)械手手指、機(jī)器魚魚尾和魚鰭等關(guān)節(jié)上，尤其適用于抓取或搬運(yùn)易損、易碎和不規(guī)則形狀的物體，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明:
[0013]圖1是本發(fā)明氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)爆炸示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)軸側(cè)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)柔性軸骨架示意圖；
[0016]圖4是本發(fā)明氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)軸向可伸縮軸套骨架示意圖。
[0017]圖中1、上封頭；2、上端蓋；3、關(guān)節(jié)骨架；3_1、套筒；3_2、光軸；4、約束元件；5、氣囊；6、下端蓋；7、下封頭；8、流體入口。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例:
[0019]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明作出進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0020]本發(fā)明氣動(dòng)平面柔性關(guān)節(jié)是由上封頭1、上端蓋2、關(guān)節(jié)骨架3、約束元件4、氣囊5、下端蓋6、下封頭7和流體入口 8組成的；上端蓋I和下端蓋6分別位于氣動(dòng)平面柔性關(guān)節(jié)兩端，氣動(dòng)平面柔性關(guān)節(jié)中間是20個(gè)約束元件4同軸密排串聯(lián)，串聯(lián)后外形為柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成3個(gè)軸線平行的管狀空腔，所述3個(gè)管狀空腔中的一個(gè)管狀空腔的軸線與所述柱狀結(jié)構(gòu)的軸線重合，稱為管狀空腔一，在管狀空腔一中設(shè)置關(guān)節(jié)骨架3 (附圖3柔性軸骨架實(shí)例，附圖4軸向可伸縮軸套骨架實(shí)例)，關(guān)節(jié)骨架3兩端分別與上端蓋2、下端蓋6固定連接；除管狀空腔一以外的其余2個(gè)管狀空腔結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，關(guān)于管狀空腔一的軸線對稱分布，稱為管狀空腔二，在管狀空腔二中設(shè)置橡膠氣囊5，橡膠氣囊兩端分別與上封頭1、下封頭7連接，構(gòu)成密封腔體；上封頭1、下封頭7與上端蓋2、下端蓋6固定連接成一體，在下封頭7上設(shè)有流體入口，上端蓋2和下端蓋6可通過螺紋連接的方式與機(jī)器人本體組裝。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設(shè)有若干個(gè)約束元件，所述若干個(gè)約束元件同軸串聯(lián)密排形成柱狀結(jié)構(gòu)，在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成3個(gè)軸線平行的管狀空腔，所述3個(gè)管狀空腔中的一個(gè)管狀空腔的軸線與所述柱狀結(jié)構(gòu)的軸線重合，稱為管狀空腔一，在管狀空腔一中設(shè)置關(guān)節(jié)骨架，關(guān)節(jié)骨架兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接；除管狀空腔一以外的2個(gè)管狀空腔結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，關(guān)于管狀空腔一的軸線對稱分布，稱為管狀空腔二，在管狀空腔二中設(shè)置氣囊，氣囊兩端分別與上封頭、下封頭連接，構(gòu)成密封腔體；上封頭、下封頭與上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設(shè)有流體入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述約束元件為片狀，約束元件的外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分為3個(gè)圓孔，是所述管狀空腔在不同約束元件的局部結(jié)構(gòu)，約束元件的直徑等于所述管狀空腔的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述關(guān)節(jié)骨架是柔性軸或軸向可伸縮軸套。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氣動(dòng)平面彎曲柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或者橡膠軸；軸向可伸縮軸套由套筒和光軸組成，套筒和光軸間隙配合。
【文檔編號】B25J17/00GK103786167SQ201410029759
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】耿德旭, 張金濤, 武廣斌, 彭賀 申請人:北華大學(xué)