CN100519100C - 直线膨胀人工肌肉驱动的弯曲关节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直线膨胀人工肌肉，及其驱动的弯曲关节，此弯曲关节可作为机械的执行器，或用作机器人的手指、膝和肘关节，作为机械设备、尤其是机器人的执行机构，属于机器人、机械电子的应用技术领域。本发明采用人工肌肉中的弹性波壳充气后膨胀作为肌肉动力，结构设计独特，其特点在于利用了两个铰链结构，使弯曲关节中充气的弹性波壳仅仅沿轴向直线膨胀伸长，不产生弯曲和一定的扭曲，弹性波壳的体积变化便于计算和测量，弹性波壳的结构易于设计，关节弯曲的控制方法更为简单；与板弹簧、扭弹簧和拉弹簧等弹性元件结合，直线人工肌肉驱动的关节弯曲，可以是单自由度和多自由度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种直线膨胀人工肌肉，及其驱动的弯曲关节，此弯曲关节可作为机械的执行器，或用作机器人的手指、膝和肘关节，作为机械设备、尤其是机器人的执行机构，属于机器人、机械电子的应用技术领域。
背景技术：
本发明以前，在已有技术中，对于人工肌肉驱动的弯曲关节来说，大部分采用的是肌肉收缩型驱动，而肌肉膨胀型驱动的人工肌肉有利用限制径向膨胀的橡胶管的弯曲变形，还有采用具有柔顺性(可以弯曲和一定的扭曲)的弹性波壳/波纹管驱动的弯曲关节。橡胶管变形的耗能较多，橡胶管的弹性变形为强非线性，难以建立数学模型和进行弯曲变形的控制；弹性波壳/波纹管变形的耗能虽然较少，但弹性波壳/波纹管的弹性变形计算复杂，建立数学模型和进行弯曲变形的控制都需要计算机软件辅助计算，实时性差。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明弯曲关节虽然也采用人工肌肉中的弹性波壳充气后膨胀作为肌肉动力，但结构设计独特，其特点在于利用了两个铰链结构，使充气的弹性波壳仅仅沿轴向直线膨胀伸长，驱动关节弯曲时，无须产生弯曲和扭转，采用直线膨胀人工肌肉驱动的关节的弯曲可以是单自由度和多自由度。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
本发明的人工肌肉的构成是：如附图1～3所示，纵截面形状是“U”、“Ω”和“V”形状(附图1只给出了“U”形结构)的弹性波壳3靠滚花旋夹套2夹紧在头座1和尾座4的卡口上，弹性波壳3、头座1和尾座4构成封闭的人工肌肉空腔；流体通过直角接头5进入空腔，直角接头5与尾座4间螺纹连接、并有密封圈6密封；左右两个铰链8的一个支架分别用两个螺钉拧在头座1和尾座4的端面上，中间压有密封垫7；左右两个铰链8的另一支架各安装在两个厚板9上，厚板9的大平面上有一垂直孔，厚板9的上面有两个螺纹孔；由上述零件构成了一个独立的流体驱动的部件——直线人工肌肉。
本发明弯曲关节的实施例I是：如附图4所示，采用前述的直线人工肌肉，在远离直角接头5的厚板9的垂直孔中装指尖节12，在靠近直角接头5的厚板9的垂直孔中装中间节10，板弹簧11两端靠螺钉拧在两个厚板9上面的两个螺纹孔里固定。
本发明弯曲关节的实施例II是：如附图5所示，采用前述的直线人工肌肉，在远离直角接头5的厚板9的垂直孔中装指尖节12，在靠近直角接头5的厚板9的垂直孔中装中间节10，板铰链13两端的安装孔用两个螺钉拧在两个厚板9上面的两个螺纹孔里固定，板铰链13的芯轴中装有一个扭弹簧14。
本发明弯曲关节的实施例III是：如附图9～10所示，采用前述的直线人工肌肉，在远离直角接头5的厚板9的垂直孔中装指尖节12，在靠近直角接头5的厚板9的垂直孔中装中间节10，板铰链13两端的安装孔用两个螺钉拧在两个厚板9上面的两个螺纹孔里固定，板铰链13的芯轴中没有装一个扭弹簧14，而在将左右两个铰链8的一个支架分别固定在头座1和尾座4的端面上的两个螺钉上，各套上一个弹簧钩座15，并各用两个螺母旋紧，拉弹簧16两端钩在头座1和尾座4上的弹簧钩座15的孔内。
实施例II与实施例III中的板铰链13的结构如附图6所示，实施例II的扭弹簧14结构如附图7～8所示。
本发明所指的流体驱动可以是气压、液压、液力、液体粘性传动及它们的串、并联复合驱动。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
本发明弯曲关节采用直线人工肌肉驱动，人工肌肉中的轴向膨胀型弹性波壳仅仅沿轴向直线膨胀伸长，不产生弯曲和一定的扭曲，弹性波壳的体积变化便于计算和测量，直线膨胀的弹性波壳的结构易于设计计算，关节弯曲控制方法更为简单；与板弹簧、扭弹簧和拉弹簧等弹性元件结合，直线人工肌肉驱动的关节弯曲，可以是单自由度和多自由度。
附图说明：
图1为本发明弯曲关节的人工肌肉的主视图
图2为本发明弯曲关节的人工肌肉的A-A剖视图
图3为本发明弯曲关节的人工肌肉的B-B剖视图
图4为本发明弯曲关节实施例I的结构图
图5为本发明弯曲关节实施例II的结构图
图6为本发明弯曲关节实施例II中板铰链零件的结构图
图7为本发明弯曲关节实施例II中扭弹簧零件的主视图
图8为本发明弯曲关节实施例II中扭弹簧零件的左视图
图9为本发明弯曲关节实施例III的主视图
图10为本发明弯曲关节实施例III的C-C剖视放大图
具体实施方式：
下面结合本发明的实施例I说明弯曲关节的工作原理及工作过程：
弹性波壳3、头座1和尾座4构成封闭的人工肌肉空腔，压力驱动的流体通过直角接头5进入空腔，因头座1和尾座4端面上铰链8的作用，弹性波壳3沿轴线直线膨胀，方向相反、大小相等的膨胀力驱动厚板9、并促使板弹簧11弯曲，从而得到指尖节12，与中间节10之间的弯曲角度；靠板弹簧11的作用，排出无压力驱动的流体，关节回复伸直。
Claims (4)
1.一种直线膨胀人工肌肉驱动的弯曲关节，驱动关节弯曲的人工肌肉的弹性波壳仅仅沿轴向直线膨胀伸长，无须弯曲变形，其特征是：纵截面形状是“U”、“Ω”或“V”形状的弹性波壳(3)靠滚花旋夹套(2)夹紧在头座(1)和尾座(4)的卡口上，弹性波壳(3)、头座(1)和尾座(4)构成封闭的人工肌肉空腔；流体通过直角接头(5)进入空腔，直角接头(5)与尾座(4)间螺纹连接、并有密封圈(6)密封；左右两个铰链(8)的一个支架分别用两个螺钉拧在头座(1)和尾座(4)的端面上，中间压有密封垫(7)；左右两个铰链(8)的另一支架各安装在两个厚板(9)上，厚板(9)的大平面上有一垂直孔，厚板(9)的上面有两个螺纹孔；由上述零件构成了一个独立的流体驱动的部件——直线人工肌肉。
2.如权利要求1所述的直线膨胀人工肌肉驱动的弯曲关节，其特征是：在远离直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装指尖节(12)，在靠近直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装中间节(10)，板弹簧(11)两端靠螺钉拧在两个厚板(9)上面的两个螺纹孔里固定。
3.如权利要求1所述的直线膨胀人工肌肉驱动的弯曲关节，其特征是：在远离直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装指尖节(12)，在靠近直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装中间节(10)，板铰链(13)两端的安装孔用两个螺钉拧在两个厚板(9)上面的两个螺纹孔里固定，板铰链(13)的芯轴中装有一个扭弹簧(14)。
4.如权利要求1所述的直线膨胀人工肌肉驱动的弯曲关节，其特征是：在远离直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装指尖节(12)，在靠近直角接头(5)的厚板(9)的垂直孔中装中间节(10)，板铰链(13)两端的安装孔用两个螺钉拧在两个厚板(9)上面的两个螺纹孔里固定，板铰链(13)的芯轴中没有装一个扭弹簧(14)，而在将左右两个铰链(8)的一个支架分别固定在头座(1)和尾座(4)的端面上的两个螺钉上，各套上一个弹簧钩座(15)，并各用两个螺母旋紧，拉弹簧(16)两端钩在头座(1)和尾座(4)上的弹簧钩座(15)的孔内。
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