氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、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，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)部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱(chēng)為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在螺旋管狀空腔一中設(shè)置圓柱螺旋彈簧，在螺旋管狀空腔二中設(shè)置氣囊。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)節(jié)體積緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活，主動(dòng)關(guān)節(jié)的三個(gè)螺旋人工肌肉驅(qū)動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)本體復(fù)合為一體，該關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)的空間旋轉(zhuǎn)、彎曲和軸向伸長(zhǎng)等功能，屬流體驅(qū)動(dòng)變形的空間柔性關(guān)節(jié)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】 氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(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)旋伸型三螺旋柔性關(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(guó)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(lèi)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(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guó)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(lái)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(guò)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(mǎn)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(kāi)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)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，采用螺旋彈性體定向膨脹方式驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長(zhǎng)功能。
[0006]本發(fā)明的一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、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)部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱(chēng)為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在兩組同軸螺旋管狀空腔的公共軸線處形成圓柱形空腔，在圓柱形空腔內(nèi)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；螺旋管狀空腔一數(shù)量為2個(gè)，初始相位差為180°，在所述螺旋管狀空腔一中設(shè)置圓柱螺旋彈簧，圓柱螺旋彈簧的兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接成一體；螺旋管狀空腔二數(shù)量為3個(gè)，初始相位差為120°，在螺旋管狀空腔二中設(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，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設(shè)有流體入口，以充入壓力流體。
[0007]所述氣囊有3個(gè)，每個(gè)氣囊管徑、中徑、節(jié)距、旋向和圈數(shù)完全相同；三個(gè)氣囊構(gòu)成三螺旋結(jié)構(gòu)。
[0008]所述約束元件為片狀，外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分稱(chēng)為螺旋孔，螺旋孔有兩組，所述螺旋孔為兩組螺旋管狀空腔在約束元件的局部結(jié)構(gòu)，螺旋孔的中徑等于所對(duì)應(yīng)的螺旋管狀空腔的中徑，同一約束元件上兩組螺旋孔之間的相位差由約束元件所在軸向位置決定。
[0009]所述骨架為柔性軸或軸向可伸縮軸套。
[0010]所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或橡膠軸；軸向可伸縮軸套由套筒和光軸組成，套筒和光軸間隙配合。
[0011]在下封頭上設(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，彈簧恢復(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，單或雙氣囊通氣時(shí)，關(guān)節(jié)發(fā)生主動(dòng)旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長(zhǎng)復(fù)合變形，變形程度由流體介質(zhì)壓力決定，三氣囊通氣時(shí)，關(guān)節(jié)發(fā)生主動(dòng)旋轉(zhuǎn)和伸長(zhǎng)復(fù)合變形；當(dāng)骨架為軸向可伸縮軸套時(shí)，關(guān)節(jié)發(fā)生主動(dòng)旋轉(zhuǎn)和伸長(zhǎng)復(fù)合變形，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(wú)腐蝕、無(wú)毒性的介質(zhì)，如壓縮空氣、水等。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)節(jié)體積緊湊和運(yùn)動(dòng)靈活，主動(dòng)關(guān)節(jié)的三個(gè)螺旋人工肌肉驅(qū)動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)本體復(fù)合為一體；該關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)的空間旋轉(zhuǎn)、彎曲和軸向伸長(zhǎng)等功能，屬流體驅(qū)動(dòng)變形的空間柔性關(guān)節(jié)；根據(jù)需要加裝不同的骨架，可分別完成空間旋彎伸和單方向旋進(jìn)兩種組合模式的變形運(yùn)動(dòng)；可采用三個(gè)比例閥或一個(gè)比例閥和三個(gè)換向閥進(jìn)行控制，方法簡(jiǎn)單控制方便；主要應(yīng)用于仿生機(jī)器人的關(guān)節(jié)上，尤其適用于關(guān)節(jié)柔性要求較高的蛇類(lèi)、象鼻、章魚(yú)和水中軟體動(dòng)物的關(guān)節(jié)上，具有較好的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明:
[0014]圖1是本發(fā)明氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)爆炸示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)軸側(cè)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)柔性軸骨架示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)軸向可伸縮軸套骨架示意圖。
[0018]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、圓柱螺旋彈簧；7、下端蓋；8、下封頭；9、流體入口。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例:
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0021]本發(fā)明是由上封頭1、上端蓋2、關(guān)節(jié)骨架3、約束元件4、氣囊5、圓柱螺旋彈簧6、下端蓋7、下封頭8、流體入口 9組成的；上端蓋I和下端蓋7分別位于氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)兩端，氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)中間由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)部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，螺旋管腔的法向截面為圓形，在軸線處形成一個(gè)圓柱形空腔，各空腔互不干涉；在軸線處的圓柱形空腔中設(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3兩端分別與所述上端蓋2和下端蓋7固定連接成一體；在所述大中徑的螺旋管腔(螺旋管狀空腔一)中設(shè)置圓柱螺旋彈簧6，螺旋管狀空腔一數(shù)量為2個(gè)，初始相位差為180°，所述圓柱螺旋彈簧6兩端分別與上端蓋I和下端蓋5固定連接成一體；螺旋管狀空腔二數(shù)量為3個(gè)，初始相位差為120°，在所述小中徑的螺旋管腔(螺旋管狀空腔二)中設(shè)置橡膠氣囊5，所述氣囊5兩端分別與上封頭I和下封頭8連接，構(gòu)成密封腔體，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋2和下端蓋7固定連接成一體；在下封頭上設(shè)有流體入口 9，上端蓋2和下端蓋7可通過(guò)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)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:包括約束元件、關(guān)節(jié)骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、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)部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱(chēng)為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在兩組同軸螺旋管狀空腔的公共軸線處形成圓柱形空腔，在圓柱形空腔內(nèi)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；螺旋管狀空腔一數(shù)量為2個(gè)，初始相位差為180°，在所述螺旋管狀空腔一中設(shè)置圓柱螺旋彈簧，圓柱螺旋彈簧的兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接成一體；螺旋管狀空腔二數(shù)量為3個(gè)，初始相位差為120°，在螺旋管狀空腔二中設(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，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設(shè)有流體入口，以充入壓力流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述氣囊有3個(gè)，每個(gè)氣囊管徑、中徑、節(jié)距、旋向和圈數(shù)完全相同；三個(gè)氣囊構(gòu)成三螺旋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述約束元件為片狀，外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分稱(chēng)為螺旋孔，螺旋孔有兩組，所述螺旋孔為兩組螺旋管狀空腔在約束元件的局部結(jié)構(gòu)，螺旋孔的中徑等于所對(duì)應(yīng)的螺旋管狀空腔的中徑，同一約束元件上兩組螺旋孔之間的相位差由約束元件所在軸向位置決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述骨架為柔性軸或軸向可伸縮軸套。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣動(dòng)旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或橡膠軸；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(hào)】B25J17/00GK103786168SQ201410029791
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)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, 趙云偉, 彭賀 申請(qǐng)人:北華大學(xué)