氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、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)有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯(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。本實用新型關(guān)節(jié)體積小和運動靈活，關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置與關(guān)節(jié)合為一體，可實現(xiàn)仿生人工關(guān)節(jié)的空間旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長等復合動作，屬氣動變形的柔性關(guān)節(jié)，控制方便。
【專利說明】 氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機器人肢體用柔性關(guān)節(jié)，特別涉及一種氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前機器人技術(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。作為機器人的關(guān)鍵技術(shù)和核心部件，各類主動關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、運動性能和控制方法，將決定機器人的整體水平。在陸生、水生和仿人機器人領(lǐng)域，肢體柔性關(guān)節(jié)在解決柔性運動和抓取物體的適應(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)動裝置、驅(qū)動材料和關(guān)節(jié)柔性結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。其中關(guān)節(jié)驅(qū)動結(jié)構(gòu)和控制方式為研究重點，驅(qū)動材料是研究難點。
[0003]國內(nèi)外已研發(fā)的柔性關(guān)節(jié)主要有伺服電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣缸驅(qū)動、導電聚合物、電致驅(qū)動和人工肌肉驅(qū)動等幾種形式。其中應(yīng)用伺服電機驅(qū)動、液壓和氣缸驅(qū)動方式的柔性關(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；而導電聚合物和電致驅(qū)動行程較小，主要用于微動關(guān)節(jié)；氣動人工肌肉驅(qū)動具有較好的綜合柔性，近年來得到了快速發(fā)展，但具有較強的非線性。以上幾種驅(qū)動裝置在應(yīng)用過程中都要與機械結(jié)構(gòu)配合使用，體積大，小型化困難，關(guān)節(jié)的運動軌跡由機械結(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、水中仿生及特種機器人等領(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)。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種機器人肢體用氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)，采用螺旋彈性體定向膨脹方式驅(qū)動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長功能。
[0006]本實用新型的一種氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)，包括約束元件、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)有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯(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，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、下端蓋固定練車成一體；螺旋管狀空腔二數(shù)量為兩個或兩個以上，螺旋管狀空腔二初始位置在圓周上均布，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]所述氣囊有兩個或兩個以上螺旋結(jié)構(gòu)，每個氣囊管徑、中徑、節(jié)距、旋向和圈數(shù)完全相同。
[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，當充入流體壓力增加，密封腔體膨脹推動約束元件移動使關(guān)節(jié)主動變形加大，當充入流體壓力減小，彈簧恢復，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)；當關(guān)節(jié)骨架為柔性軸時，非對稱氣囊組合通氣，關(guān)節(jié)發(fā)生主動旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長復合變形，變形程度由流體介質(zhì)壓力和通壓氣囊數(shù)決定，對稱氣囊組合通氣時，關(guān)節(jié)發(fā)生主動旋轉(zhuǎn)和伸長復合變形，變形程度由流體介質(zhì)壓力和通壓氣囊數(shù)決定；當關(guān)節(jié)骨架為軸向可伸縮軸套時，關(guān)節(jié)只發(fā)生主動旋轉(zhuǎn)和伸長復合變形，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，可以是無腐蝕、無毒性的介質(zhì),如壓縮空氣、水等。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是關(guān)節(jié)體積小和運動靈活，關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置與關(guān)節(jié)合為一體，可實現(xiàn)仿生人工關(guān)節(jié)的空間旋轉(zhuǎn)、彎曲和伸長等復合動作，屬氣動變形的柔性關(guān)節(jié)，控制方便，根據(jù)需要加裝不同的骨架，可以限制運動自由度；應(yīng)用多關(guān)節(jié)組合可實現(xiàn)生物體的復雜柔性運動，輔以包裝更具人性化特征；作為動作執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)主要為復合彈性體，在接觸不同形狀和不同的硬度物體時，適應(yīng)性會更好，動作平穩(wěn)，具有一定緩沖效果，尤其適用于抓取或搬運易損、易碎和不規(guī)則形狀的物體，在仿生及特種機器人等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價值和市場前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明:
[0014]圖1是氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)爆炸示意圖；
[0015]圖2是氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)軸側(cè)示意圖；
[0016]圖3是氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)柔性軸骨架示意圖；
[0017]圖4是氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)軸向可伸縮軸套骨架示意圖；
[0018]圖5是氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)爆炸示意圖；
[0019]圖6是氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)軸側(cè)示意圖；
[0020]圖7是氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)柔性軸骨架示意圖；
[0021]圖8是氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)軸向可伸縮軸套骨架示意圖；
[0022]圖9是氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)爆炸示意圖；
[0023]圖10是氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)軸側(cè)示意圖；
[0024]圖11是氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)柔性軸骨架示意圖；
[0025]圖12是氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)軸向可伸縮軸套骨架示意圖。
[0026]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?！揪唧w實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實例對本實用新型作出進一步地詳細描述。實施例1:
[0028]實施例1中螺旋管狀空腔二的數(shù)量為兩個，可以成為氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)。
[0029]如圖1?圖4，實施例1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分別位于氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)兩端，氣動旋伸型雙螺旋柔性關(guān)節(jié)中間是20個約束元件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，在螺旋管狀空腔公共軸線處形成圓柱形空腔，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柔性軸骨架實例，附圖4軸向可伸縮軸套骨架實例)，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，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2個，初始相位差為180°，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5兩端設(shè)置上封頭I和下封頭8，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可通過螺紋連接的方式與機器人本體組裝。
[0030]實施例2:
[0031]實施例2中螺旋管狀空腔二的數(shù)量為三個，可以成為氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)。
[0032]如圖5?圖8，實施例2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分別位于氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)兩端，氣動旋伸型三螺旋柔性關(guān)節(jié)中間由20個約束元件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7柔性軸骨架實例，附圖8軸向可伸縮軸套骨架實例)，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，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，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可通過螺紋連接的方式與機器人本體組裝。
[0033]實施例3:
[0034]實施例3中螺旋管狀空腔二的數(shù)量為四個，可以成為氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)。
[0035]如圖9?圖12，實施例3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分別位于氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)兩端，氣動旋伸型四螺旋柔性關(guān)節(jié)中間是20個約束元件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11柔性軸骨架實例，附圖12軸向可伸縮軸套骨架實例)，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，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4個，初始相位差為90°，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5兩端設(shè)置上封頭I和下封頭8，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可通過螺紋連接的方式與機器人本體組裝。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:包括約束元件、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)有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯(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，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、下端蓋固定練車成一體；螺旋管狀空腔二數(shù)量為兩個或兩個以上，螺旋管狀空腔二初始位置在圓周上均布，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所述的一種氣動旋伸型柔性關(guān)節(jié)，其特征在于:所述氣囊有兩個或兩個以上螺旋結(jié)構(gòu)，每個氣囊管徑、中徑、節(jié)距、旋向和圈數(shù)完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動旋伸型柔性關(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所述的一種氣動旋伸型柔性關(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所述的一種氣動旋伸型柔性關(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】B25J17/00GK203779517SQ201420040542
【公開日】2014年8月20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, 趙云偉, 彭賀, 史校 申請人:北華大學