CN100519106C - 基于弧形气动缸的气动柔性球关节 - Google Patents

Abstract

一种基于弧形气动缸的气动柔性球关节，包括至少三个弧形气动柔性气缸、上转盘、下固定盘、球壳和半球壳，弧形气动柔性气缸包括弧形橡胶管、弹簧钢丝，弹簧钢丝沿着弧形橡胶管的径向螺旋密绕在其橡胶管的内壁中，弧形橡胶管外侧的弹簧匝数的密度比内侧弹簧匝数密度小；半球壳可转动地套装在球壳上，半球壳与上转盘固定连接，球壳固定连接下固定盘，在上转盘和下固定盘之间安装至少三个弧形气动柔性气缸，在球面上呈均匀分布；每个弧形气动柔性气缸的两端分别密封安装第一端盖、第二端盖，端盖与下固定盘固定连接，第一端盖上设有与外界大气连通的通孔，第二端盖与上转盘固定连接。本发明刚性好、结构简单合理、易于小型化、具有良好灵活性。

Description

基于弧形气动缸的气动柔性球关节

(一)技术领域

本发明是球关节，属于气动柔性球关节，适用于设计制作柔性机械手等场合。

(二)背景技术

当今世界，电机驱动机器人和液压驱动机器人的驱动部件大都是作往复运动或旋转运动。当它们被用来制作机器人的关节时，通常必需有一套机械装置，把往复或旋转运动转换成所要求的其他运动方式。这种方式设计的机器人关节可能具有高精确度、大输出功率等优点；但这些设计往往体积大、结构复杂以及价格昂贵，而且灵活性也远远落后于人体的关节。

灵巧机器人的应用前景已得到人们的普遍认可，又由于当代机器人驱动部件存在以上缺点，所以灵巧机器人驱动部件的研究成为机器人设计者关注的重点，机器人工程师正在寻求新型的驱动部件以取代旧的驱动部件。

如专利申请号为03141627.6，发明名称为一种气动柔性球关节的中国发明专利申请，公开了一种球关节，包括封盖、封接头、橡胶管、紧固圈，封盖上间隔120度设有三个螺纹孔，另一个封盖上间隔120度设有三个台阶孔，且台阶孔的大孔为螺纹孔，三根相同橡胶管的左右两端分别与两种不同结构的封接头连接，紧固圈紧固在橡胶外面，其更好的密封作用，封接头通过螺纹与封盖连接，而与台阶孔封盖相连的封接头中心设有通孔，使得橡胶管内腔与大气相通。这一发明提出了机器人球关节一种新的结构，并在一定程度上提高了球关节的灵活性，但是，该球关节的运动是通过三根橡胶管内气压的不同和橡胶的伸缩性共同作用下实现的。因为该发明才用的是直线型橡胶组合的结构，所以刚性差，并在一定程度上限制了该球关节的运动效果，不利于对该球关节实现精确的控制，所以该设计存在一定的缺点：刚性差，结构不合理，运动效果差，精确控制较难。

(三)发明内容

为了克服已有的机器人球关节的刚性差、结构不合理、运动效果差、精确控制较难的不足，本发明提供一种刚性好，结构简单合理、运动效果良好、精确控制容易，且易于小型化的基于弧形气动缸的气动柔性球关节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于弧形气动缸的气动柔性球关节，包括至少三个弧形气动柔性气缸、上转盘、下固定盘、球壳和半球壳，所述弧形气动柔性气缸包括弧形橡胶管、弹簧钢丝，所述弹簧钢丝沿着弧形橡胶管的径向螺旋密绕在其橡胶管的内壁中，所述弧形橡胶管外侧的弹簧匝数的密度比内侧弹簧匝数密度小；

所述半球壳可转动地套装在球壳上，所述的半球壳与上转盘固定连接，所述的球壳固定连接下固定盘，在上转盘和下固定盘之间安装至少三个弧形气动柔性气缸，所述至少三个弧形气动柔性气缸在球面上呈均匀分布；

所述每个弧形气动柔性气缸的两端分别密封安装第一端盖、第二端盖，所述第一端盖与下固定盘固定连接，所述第一端盖上设有与外界大气连通的通孔，所述第二端盖与上转盘固定连接。

作为优选的一种方案：所述的弧形气动柔性气缸有三个，所述三个弧形气动柔性气缸在球面上呈120度均匀分布。

或者是：所述的弧形气动柔性气缸有四个，所述四个弧形气动柔性气缸在球面上呈90度均匀分布。

又或者是：所述的弧形气动柔性气缸有六个，所述六个弧形气动柔性气缸在球面上呈60度均匀分布。

本发明的技术构思为：采用弧形气动柔性气缸来实现关节运动，弹簧钢丝是沿着弧形橡胶管的径向螺旋密绕在其橡胶管的内壁中，由于弧形橡胶管外侧的弧长比内侧弧长长，故其外侧的弹簧匝数的密度要比内侧弹簧匝数密度小。弧形气动柔性气缸的工作原理是：通过端盖的通孔把压缩空气通入到弧形橡胶管内，在压缩空气压力的作用下，由于弧形橡胶管固有弧形，使得弧形橡胶管和弹簧钢丝只能沿着弧形伸长，又由于弹簧钢丝的径向限制作用，从而保证了弧形气动柔性气缸在变形过程中不会发生径向变形；当减小压缩空气的压力，由于弧形橡胶管和弹簧钢丝的回弹作用，弧形气动柔性气缸会沿着弧形收缩。

通过控制气动柔性球关节的弧形气动柔性气缸的充气压力的大小来最终控制空间中球关节各角度的大小。

本发明的有益效果主要表现在：1、刚性好；2、结构简单合理，尺寸小，易于小型化；2、动作灵活，运动效果好，具有较大的实施价值。

(四)附图说明

图1是弧形气动缸的气动柔性球关节的初始状态结构示意图。

图2是图1的A-A示意图。

图3是弧形气动缸的气动柔性球关节的工作状态结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是弧形气动柔性气缸的示意图。

图6是弧形橡胶管的放大示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种基于弧形气动缸的气动柔性球关节，由三个弧形气动柔性气缸6、第一端盖8、第二端盖2、上转盘1、下固定盘9、半球壳3、球壳7和通气管10所组成，三个弧形气动柔性气缸6的上下两端分别与第二端盖2、第一端盖8密封连接，弧形气动柔性气缸由于其固有的弧形，从而在旋转中可以保证它能沿弧形伸长或收缩；第一端盖8与下固定盘固定连接，第一端盖8有一通孔和外界大气连通；第二端盖2是封闭的，固定连接于上转盘；三个大小相同的弧形气动柔性气缸6呈120度通过第一端盖和第二端盖分别均匀安置在下上转盘之间，下固定盘9通过本身的中心圆柱与球壳7固定；半球壳3套在球壳7上，半球壳3能够相对球壳7自由转动；球壳7与上转盘1固定连接。

本实施例采用的半球壳3、球壳7属于万向机构的一种；当然的，也可以采用其他的万向机构来实现本实施例。

参照图5、图6，弧形气动柔性气缸由弧形橡胶管4、弹簧钢丝5组成；第一端盖8、第二端盖2通过强力胶固定密封连接在弧形橡胶管4的两端，也可以以其它方式进行密封连接，第一端盖8有一通孔和外界大气连通，第二端盖2一端是封闭的；弹簧钢丝5是沿着弧形橡胶管4的径向螺旋密绕在其橡胶管的内壁中，由于弧形橡胶管4外侧的弧长比内侧弧长长，故其外侧的弹簧匝数的密度要比内侧弹簧匝数密度小。弧形气动柔性气缸6的工作原理是：通过第一端盖8的通孔把压缩空气通入到弧形橡胶管4内，在压缩空气压力的作用下，由于弧形橡胶管4的固有弧形，使得弧形橡胶管4和弹簧钢丝5只能沿着弧形伸长，又由于弹簧钢丝5的径向限制作用，从而保证了弧形气动柔性气缸6在变形过程中不会发生径向变形；当减小压缩空气的压力，由于弧形橡胶管4和弹簧钢丝5的回弹作用，弧形气动柔性气缸6会沿着弧形收缩。弧形气动柔性气缸6，其结构简单，尺寸小，易于小型化，动作灵活，刚性好，具有较大的实施价值。

本实施例的工作过程为：当向三个弧形气动柔性气缸6中通入压缩气体时，气缸伸长变形，上转盘1和半球壳3将在弧形气动柔性气缸6的推动下，以球壳7的球心为中心绕球壳7旋转一个角度，如图3所示。通过控制一种弧形气动缸的气动柔性球关节的充气压力的大小来最终控制旋转角度的大小。在初始阶段，呈120度均匀安置的三个弧形气动柔性气缸6处于自然长度状态，即伸长量为零，如附图1所示；然后向三个弧形气动柔性气缸6都通入压强为P的压缩空气，弧形气动柔性气缸6由于受到气体压力作用而变形伸长，由于弧形气动柔性气缸6的一端与下固定盘9相连，与半球壳3脱开；而另一端与球壳7脱开，与上转盘1相连，因此上转盘1和半球壳3将一起在三个弧形气动柔性气缸6的推动下，以球壳7的球心为中心，绕球壳7在水平面内沿X轴方向旋转一个角度α、在对应的铅垂面内沿Y轴方向旋转一个角度β分别如图3和图4所示。

如采用四个弧形气动柔性气缸，或者五个甚至多个弧形气动柔性气缸，其工作原理和工作过程与上述的三个类似。

Claims (4)

1、一种基于弧形气动缸的气动柔性球关节，其特征在于：所述气动柔性球关节包括至少三个弧形气动柔性气缸、上转盘、下固定盘、球壳和半球壳，所述弧形气动柔性气缸包括弧形橡胶管、弹簧钢丝，所述弹簧钢丝沿着弧形橡胶管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中，所述弧形橡胶管外侧的弹簧匝数的密度比内侧弹簧匝数密度小；

所述半球壳可转动地套装在球壳上，所述的半球壳与上转盘固定连接，所述的球壳固定连接下固定盘，在上转盘和下固定盘之间安装至少三个弧形气动柔性气缸，所述至少三个弧形气动柔性气缸在球壳的球面上呈均匀分布；

所述每个弧形气动柔性气缸的两端分别密封安装第一端盖、第二端盖，所述第一端盖与下固定盘固定连接，所述第一端盖上设有与外界大气连通的通孔，所述第二端盖与上转盘固定连接。

2、如权利要求1所述的基于弧形气动缸的气动柔性球关节，其特征在于：所述的弧形气动柔性气缸有三个，所述三个弧形气动柔性气缸在球壳的球面上呈120度均匀分布。

3、如权利要求1所述的基于弧形气动缸的气动柔性球关节，其特征在于：所述的弧形气动柔性气缸有四个，所述四个弧形气动柔性气缸在球壳的球面上呈90度均匀分布。

4、如权利要求1所述的基于弧形气动缸的气动柔性球关节，其特征在于：所述的弧形气动柔性气缸有六个，所述六个弧形气动柔性气缸在球壳的球面上呈60度均匀分布。

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