專利名稱：微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種氣動控制技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元。
背景技術(shù)：
二元/兩態(tài)/離散驅(qū)動(binary actuation)是二十世紀(jì)六十年代提出的一種新的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換可以類比于數(shù)字電子技術(shù)中的 “0”和“1”。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)連續(xù)驅(qū)動方式，二元驅(qū)動不需要反饋控制具有控制簡單、 可重復(fù)性高、價格低、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)。但單個的二元驅(qū)動器的工作范圍只能覆蓋空間的幾個點(diǎn)，隨著驅(qū)動器個數(shù)η的增加，二元驅(qū)動機(jī)器人可達(dá)到的空間位置增多(2η個離散點(diǎn))，動作也更靈活。因此，只有通過建立包含大量二元驅(qū)動器的串并聯(lián)結(jié)合的超冗余 (hyper-redundant)機(jī)器人系統(tǒng)，二元驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)才能顯現(xiàn)。目前研究的二元驅(qū)動器多為電機(jī)、氣缸、電磁線圈或形狀記憶合金，由此開發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)如蛇形機(jī)器人、多足爬行機(jī)器人、象鼻機(jī)械臂、操作手等，存在體積重量過大、平臺承載能力不強(qiáng)以及供能續(xù)航等問題，難以走向市場應(yīng)用。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，雙穩(wěn)態(tài)自保持型電磁閥由于具有能耗小和工作可靠的特點(diǎn)在航天領(lǐng)域有所應(yīng)用，自保持功能的實(shí)現(xiàn)主要有三種方式機(jī)械彈簧保持、永磁鐵保持和氣壓保持。這些雙穩(wěn)態(tài)自保持型電磁閥的結(jié)構(gòu)中都包含永磁鐵、雙線圈、彈簧元件，使得該類閥難以微型化，不能適應(yīng)用于二元驅(qū)動超冗余機(jī)器人的應(yīng)用場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元， 解決二元驅(qū)動超冗余機(jī)器人系統(tǒng)體積重量大、平臺承載能力不強(qiáng)以及功耗大的問題，具有體積小、重量輕、出力大、電磁閥功耗低等特點(diǎn)，對于研制新型的二元驅(qū)動超冗余機(jī)器人具有重要的應(yīng)用價值。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括氣缸組件以及兩組平臺、微型氣閥和電磁吸盤，其中氣缸組件的兩端分別與兩個平臺相連，微型氣閥的一側(cè)與其對應(yīng)的平臺卡接，對應(yīng)的電磁吸盤壓于微型氣閥的另一側(cè)表面并由平臺進(jìn)行限位。所述的氣缸組件包括空心活塞桿、缸筒和空心支撐桿，其中空心活塞桿在缸筒內(nèi)作軸向活動設(shè)置且空心活塞桿的外錐面與缸筒端部的內(nèi)錐面完全貼合，空心支撐桿與缸筒端部固定連接且空心支撐桿的外錐面與空心活塞桿的內(nèi)錐面完全貼合，空心活塞桿的一端與第一平臺轉(zhuǎn)動連接，空心支撐桿的一端與第二平臺轉(zhuǎn)動連接。所述的空心活塞桿的桿體上設(shè)有若干與桿體中心以及缸筒相連通的徑向孔，所述的空心支撐桿的中心孔與缸筒連通。所述的徑向孔部分位于空心活塞桿的外錐面上。所述的平臺上開有進(jìn)氣孔和出氣孔，其中第一微型氣閥控制空心活塞桿的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔或出氣孔連通；第二微型氣閥控制空心支撐桿的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔或出氣孔連通。所述的微型氣閥包括帶進(jìn)氣孔的第一閥座、閥座密封墊、帶出氣孔的第二閥座、 閥芯和閥芯密封墊，其中第一閥座、閥座密封墊與第二閥座依次疊加設(shè)置，閥芯轉(zhuǎn)動設(shè)置于第一閥座的中心孔中，閥芯密封墊與閥芯卡接，第一平臺或第二平臺與空心活塞桿或空心支撐桿以及第一微型氣閥或第二微型氣閥的對應(yīng)第二閥座分別構(gòu)成兩個對應(yīng)的控制腔， 工作時進(jìn)氣孔依次通過閥芯、閥芯密封墊、閥座密封墊、第二閥座的中心孔與控制腔連通， 或出氣孔依次通過閥座密封墊與第二閥座間的縫隙以及第二閥座的中心孔與控制腔連通。本裝置工作原理如下第一電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，第二平臺的進(jìn)氣孔與空心支撐桿的中心孔連通并且第一平臺的出氣孔與空心活塞桿的中心孔連通，空心活塞桿從缸筒的一端移動至另一端，第一電磁吸盤的通電時間可以很短，空心活塞桿被觸發(fā)動作后，在第一電磁吸盤斷電的情況下，空心活塞桿仍然能夠完全移動至缸筒的另一端。第二電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，第一平臺的進(jìn)氣孔與空心活塞桿的中心孔連通并且第二平臺的出氣孔與空心支撐桿的中心孔連通，空心活塞桿從缸筒的另一端移動至一端，第二電磁吸盤的通電時間可以很短，空心活塞桿被觸發(fā)動作后，在第二電磁吸盤斷電的情況下，空心活塞桿仍然能夠完全移動至缸筒的一端。第一電磁吸盤和第二電磁吸盤交替觸發(fā)，空心活塞桿能夠在完全伸出和完全縮回的兩個位置來回切換。


圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為微型氣閥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1氣缸組件、2第一平臺、3第二平臺、4第一微型氣閥、5第二微型氣閥、6第一電磁吸盤、7第二電磁吸盤、8空心活塞桿、9缸筒、10空心支撐桿、11徑向孔、12進(jìn)氣孔、 13出氣孔、14第一閥座、15閥座密封墊、16第二閥座、17閥芯、18閥芯密封墊、19控制腔。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖1所示，本實(shí)施例包括氣缸組件1以及兩組平臺2、3、微型氣閥4、5和電磁吸盤6、7，其中氣缸組件1的兩端分別與兩個平臺2、3相連，微型氣閥4或5的一側(cè)與其對應(yīng)的平臺2或3卡接，對應(yīng)的電磁吸盤6或7壓于微型氣閥4或5的另一側(cè)表面并由對應(yīng)平臺2或3進(jìn)行限位。所述的氣缸組件1包括空心活塞桿8、缸筒9和空心支撐桿10，其中空心活塞桿 8在缸筒9內(nèi)作軸向活動設(shè)置且空心活塞桿8的外錐面與缸筒9端部的內(nèi)錐面完全貼合，空心支撐桿10與缸筒9端部固定連接且空心支撐桿10的外錐面與空心活塞桿8的內(nèi)錐面完全貼合，空心活塞桿8的一端與第一平臺轉(zhuǎn)動連接，空心支撐桿10的一端與第二平臺轉(zhuǎn)動連接。
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所述的空心活塞桿8的桿體上設(shè)有若干與桿體中心以及缸筒9相連通的徑向孔 11，所述的空心支撐桿10的中心孔與缸筒9連通。所述的徑向孔11部分位于空心活塞桿8的外錐面上。所述的平臺2或3上均開有進(jìn)氣孔12和出氣孔13，其中第一微型氣閥控制空心活塞桿8的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔12或出氣孔13連通；第二微型氣閥控制空心支撐桿10 的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔12或出氣孔13連通。所述的微型氣閥包括第一閥座14、閥座密封墊15、第二閥座16、閥芯17和閥芯密封墊18，其中第一閥座14、閥座密封墊15與第二閥座16依次疊加設(shè)置，閥芯17轉(zhuǎn)動設(shè)置于第一閥座14的中心孔中，閥芯密封墊18與閥芯17卡接，第一平臺2或第二平臺3與空心活塞桿8或空心支撐桿10以及第一微型氣閥4或第二微型氣閥5的對應(yīng)第二閥座分別構(gòu)成兩個對應(yīng)的控制腔19，工作時進(jìn)氣孔12依次通過閥芯17、閥芯密封墊18、閥座密封墊15、第二閥座16的中心孔與控制腔19連通，或出氣孔13依次通過閥座密封墊15與第二閥座16間的縫隙以及第二閥座16的中心孔與控制腔19連通。本裝置工作過程如下圖1所示的初始位置情況下，第一電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，第一微型氣閥的閥芯 17和閥芯密封墊18被吸于第一電磁吸盤的底面，第一平臺的進(jìn)氣孔12被封住，第一平臺的出氣孔13依次通過第一微型氣閥的出氣孔13、閥座密封墊15中間的彎曲部分與第二閥座16之間的縫隙、第二閥座16的中心孔及兩個腰形孔、第一平臺上的錐孔與空心活塞桿8 的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時缸筒9的有桿腔通大氣，無壓力；第二電磁吸盤不通電無吸力，第二微型氣閥的閥芯17和閥芯密封墊18被高壓氣壓緊壓于閥座密封墊15和第二閥座16上，第二平臺的進(jìn)氣孔12依次通過第二微型氣閥的進(jìn)氣孔12、閥芯17和閥芯密封墊18的中心孔、閥座密封墊15的中心孔、第二閥座16的中心孔及兩個腰形孔、第二平臺上的錐孔與空心支撐桿10的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時高壓氣壓作用于空心活塞桿8 的活塞底部，作用面積為空心支撐桿10的中心孔的截面積，空心活塞桿8的活塞兩端受力不平衡，空心活塞桿8開始從缸筒9的一端向另一端移動，一旦空心活塞桿8的活塞底部與空心支撐桿10分開，高壓氣壓的作用面積即變?yōu)榛钊慕孛娣e；此時第一電磁吸盤斷電吸力消失，由于活塞底部的高壓氣壓推動活塞移動，缸筒9的有桿腔中的氣體通過閥座密封墊15中間的彎曲部分與第二閥座16之間的縫隙時產(chǎn)生一定的背壓，此壓力作用在閥芯17 的一側(cè)面積上，大于另一側(cè)由高壓氣壓作用在閥芯密封墊18外圈的微小環(huán)形面積上的力， 閥芯17和閥芯密封墊18被壓于第一電磁吸盤的底面，直到空心活塞桿8完全移動至缸筒 9的另一端，缸筒9的有桿腔中無氣體排出背壓消失，高壓氣壓將閥芯17和閥芯密封墊18 緊壓于閥座密封墊15和第二閥座16上，第一平臺的進(jìn)氣孔12依次通過第一微型氣閥的進(jìn)氣孔12、閥芯17和閥芯密封墊18的中心孔、閥座密封墊15的中心孔、第二閥座16的中心孔及兩個腰形孔、第一平臺上的錐孔與空心活塞桿8的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時空心活塞桿8的活塞肩部的外錐面完全貼合缸筒9的端蓋上的內(nèi)錐面，高壓氣壓作用于空心活塞桿8的活塞肩部的外錐面，作用面積為空心活塞桿8的活塞徑向孔11與活塞肩部外錐面的交叉部分面積，而活塞底部高壓氣壓的作用面積為活塞的截面積，活塞被壓于缸筒9 的端蓋內(nèi)錐面上。第二電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，第二微型氣閥的閥芯17和閥芯密封墊18被吸于第二電磁吸盤的底面，第二平臺的進(jìn)氣孔12被封住，第二平臺的出氣孔13依次通過第二微型氣閥的出氣孔13、閥座密封墊15中間的彎曲部分與第二閥座16之間的縫隙、第二閥座16 的中心孔及兩個腰形孔、第二平臺上的錐孔與空心支撐桿10的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時缸筒9的無桿腔通大氣，無壓力；第一電磁吸盤不通電無吸力，第一微型氣閥的閥芯17和閥芯密封墊18被高壓氣壓緊壓于閥座密封墊15和第二閥座16上，第一平臺的進(jìn)氣孔12依次通過第一微型氣閥的進(jìn)氣孔12、閥芯17和閥芯密封墊18的中心孔、閥座密封墊15的中心孔、第二閥座16的中心孔及兩個腰形孔、第一平臺上的錐孔與空心活塞的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時高壓氣壓作用于空心活塞桿8的活塞肩部的外錐面，作用面積為空心活塞桿8的活塞徑向孔11與活塞肩部外錐面的交叉部分面積，空心活塞桿8的活塞兩端受力不平衡，空心活塞桿8開始從缸筒9的另一端向一端移動，一旦空心活塞桿8的活塞外錐面與缸筒9的端部內(nèi)錐面分開，高壓氣壓的作用面積即變?yōu)榛钊突钊麠U的環(huán)形面積；此時第二電磁吸盤斷電吸力消失，由于活塞桿腔的高壓氣壓推動活塞移動，缸筒9的無桿腔中的氣體通過閥座密封墊15中間的彎曲部分與第二閥座16之間的縫隙時產(chǎn)生一定的背壓，此壓力作用在閥芯17的一側(cè)面積上，大于另一側(cè)由高壓氣壓作用在閥芯密封墊18 外圈的微小環(huán)形面積上的力，閥芯17和閥芯密封墊18被壓于第二電磁吸盤的底面，直到空心活塞桿8完全移動至缸筒9的一端，缸筒9的無桿腔中無氣體排出背壓消失，高壓氣壓將閥芯17和閥芯密封墊18緊壓于閥座密封墊15和第二閥座16上，第二平臺的進(jìn)氣孔12依次通過第二微型氣閥的進(jìn)氣孔12、閥芯17和閥芯密封墊18的中心孔、閥座密封墊15的中心孔、第二閥座16的中心孔及兩個腰形孔、第二平臺上的錐孔與空心支撐桿10的球頭徑向斜孔及中心孔連通，此時空心支撐桿10的外錐面與空心活塞桿8的活塞底部內(nèi)錐面完全貼合，高壓氣壓作用于空心活塞桿8的活塞底部，作用面積為空心支撐桿10的中心孔的截面積，而活塞另一側(cè)高壓氣壓的作用面積為活塞和活塞桿的環(huán)形面積，活塞被壓于空心支撐桿10的外錐面上。 第一電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，空心活塞桿8從缸筒9的一端移動至另一端，第一電磁吸盤的通電時間可以很短，空心活塞桿8被觸發(fā)動作后，在第一電磁吸盤斷電的情況下， 空心活塞桿8仍然能夠完全移動至缸筒9的另一端。第二電磁吸盤通電產(chǎn)生吸力，空心活塞桿8從缸筒9的另一端移動至一端，第二電磁吸盤的通電時間可以很短，空心活塞桿8被觸發(fā)動作后，在第二電磁吸盤斷電的情況下，空心活塞桿8仍然能夠完全移動至缸筒9的一端。第一電磁吸盤和第二電磁吸盤交替觸發(fā)，空心活塞桿8能夠在完全伸出和完全縮回的兩個位置來回切換。
權(quán)利要求
1.一種微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征在于，包括氣缸組件以及兩組平臺、微型氣閥和電磁吸盤，其中氣缸組件的兩端分別與兩個平臺相連，微型氣閥的一側(cè)與其對應(yīng)的平臺卡接，對應(yīng)的電磁吸盤壓于微型氣閥的另一側(cè)表面并由平臺進(jìn)行限位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征是，所述的氣缸組件包括空心活塞桿、缸筒和空心支撐桿，其中空心活塞桿在缸筒內(nèi)作軸向活動設(shè)置且空心活塞桿的外錐面與缸筒端部的內(nèi)錐面完全貼合，空心支撐桿與缸筒端部固定連接且空心支撐桿的外錐面與空心活塞桿的內(nèi)錐面完全貼合，空心活塞桿的一端與第一平臺轉(zhuǎn)動連接， 空心支撐桿的一端與第二平臺轉(zhuǎn)動連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征是，所述的空心活塞桿的桿體上設(shè)有若干與桿體中心以及缸筒相連通的徑向孔，所述的空心支撐桿的中心孔與缸筒連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征是，所述的徑向孔部分位于空心活塞桿的外錐面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征是，所述的平臺上開有進(jìn)氣孔和出氣孔，其中第一微型氣閥控制空心活塞桿的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔或出氣孔連通；第二微型氣閥控制空心支撐桿的中心孔與平臺的進(jìn)氣孔或出氣孔連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，其特征是，所述的微型氣閥包括帶進(jìn)氣孔的第一閥座、閥座密封墊、帶出氣孔的第二閥座、閥芯和閥芯密封墊，其中第一閥座、閥座密封墊與第二閥座依次疊加設(shè)置，閥芯轉(zhuǎn)動設(shè)置于第一閥座的中心孔中，閥芯密封墊與閥芯卡接，第一平臺或第二平臺與空心活塞桿或空心支撐桿以及第一微型氣閥或第二微型氣閥的對應(yīng)第二閥座分別構(gòu)成兩個對應(yīng)的控制腔，工作時進(jìn)氣孔依次通過閥芯、閥芯密封墊、閥座密封墊、第二閥座的中心孔與控制腔連通，或出氣孔依次通過閥座密封墊與第二閥座間的縫隙以及第二閥座的中心孔與控制腔連通。
全文摘要
一種氣動控制技術(shù)領(lǐng)域的微型觸發(fā)式二元驅(qū)動氣動單元，包括氣缸組件以及兩組平臺、微型氣閥和電磁吸盤，氣缸組件的兩端分別與兩個平臺相連，微型氣閥的一側(cè)與其對應(yīng)的平臺卡接，對應(yīng)的電磁吸盤壓于微型氣閥的另一側(cè)表面并由平臺進(jìn)行限位。本發(fā)明具有體積小、重量輕、出力大、電磁閥功耗低等特點(diǎn)，對于研制新型的二元驅(qū)動超冗余機(jī)器人具有重要的應(yīng)用價值。
文檔編號F15B15/00GK102182718SQ20111011926
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者任安業(yè), 張勇, 王靜, 高峰 申請人:上海交通大學(xué)