CN103158157A

CN103158157A - 一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构

Info

Publication number: CN103158157A
Application number: CN2013101111223A
Authority: CN
Inventors: 畅博彦; 金国光; 王艳
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明涉及一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构，包括圆柱形机架（1），其特征在于：所述圆柱形机架的上表面圆心处通过转动副（R4）连接变结构中心支链（2），所述变结构中心支链的外侧同心设有等半径环形导轨（3），所述环形导轨上设有三个滑块（4），所述滑块可在环形导轨上做圆周运动，每个滑块均通过转动副（R1）连接环形支链（2），所述每个环形支链（2）均通过转动副（R3）与变结构中心支链（2）连接，构成封闭的运动链。本发明仿生关节两种工作状态之间的转变，可用于对冲击力进行缓冲，防止关节结构遭受破坏，因而本发明仿生关节机构与传统仿生关节相比，可靠度和使用灵活度更高，应用范围也更加广泛，不需要与外界进行交换，易于实现且机构利用率高。

Description

一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构

技术领域

本发明属于仿生关节技术领域，特别是涉及一种具有径向缓冲自由度的仿生关节机构。

背景技术

随着仿生学和机器人机构学的迅速发展，各式各样的仿生关节机构被设计制造出来，用以模仿和替代人体关节，并广泛应用于仿生机器人、康复机器人、搜救机器人和医疗器械等领域。传统的仿生关节主要包括肩关节、腕关节、腰关节和踝关节，均只具有空间3个转动自由度。因此，目前世界上已有的仿生关节大都是基于固定构件数目和运动副数目而研制出来的，其功能等效于球副，具有固定的3个转动自由度。当遇到一些极端情况时，比如与坚硬的物体碰撞、从高处摔落地面等，等效球副类仿生关节会受到经过球心的巨大冲击力，由于缺少实现径向缓冲的移动自由度，关节的结构很容易遭到破坏，严重时甚至会导致整个系统无法工作。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构对称、刚度大、精度高、自由度可变且具有径向缓冲功能的仿生关节机构。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构，包括圆柱形机架，其特征在于：所述圆柱形机架的上表面圆心处通过转动副R4连接变结构中心支链，所述变结构中心支链的外侧同心设有等半径环形导轨，所述环形导轨上设有三个滑块，所述滑块可在环形导轨上做圆周运动，每个滑块均通过转动副R1连接环形支链，所述每个环形支链均通过转动副R3与变结构中心支链连接，构成封闭的运动链。

本发明还可以采用如下技术措施：

所述变结构中心支链包括支撑板2a、虎克铰U、套筒2b、移动副P2和正三角形动平台2c，所述转动副R4连接圆柱形机架与支撑板2a，虎克铰U连接支撑板2a与套筒2b，移动副P2连接套筒2b与正三角形动平台2c，所述正三角形动平台2c的三个顶点通过转动副R3分别连接环形支链，所述正三角形动平台（2c）与套筒（2b）之间移动副上设有复位弹簧（2d）。

所述环形支链包括弧形连接杆5a、转动副R2、套筒5b、移动副P1、伸缩杆5c，所述转动副R1连接滑块与弧形连接杆5a，转动副R2连接弧形连接杆5a与套筒5b，移动副P1连接套筒5b与伸缩杆5c。

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明采用上述技术方案具有以下优点：

1.通过自身结构的变化可实现仿生关节机构的两种工作状态：正常工作状态和极端工作状态，正常状态下，机构只具有空间3个转动自由度，是一个4支链组成的等效球副类仿生关节，与传统仿生关节机构功能相同，用于正常的关节导向、定位和承载等功能；当遇到一些极端情况时，比如与坚硬的物体碰撞、从高处摔落地面等，机构会受到经过球心的巨大冲击力，在该冲击力的作用下，机构进入极端工作状态，被约束的径向移动自由度被激活，可用于对冲击力进行缓冲，防止关节结构遭受破坏。因而本发明仿生关节机构与传统仿生关节相比，可靠度和使用灵活度更高，应用范围也更加广泛。

2．本发明仿生关节两种工作状态之间的转变都是通过自身的结构特点和构件连接关系的变化来实现的，属于自重组自重构，不需要与外界进行交换，易于实现且机构利用率高。

3．采用并联机构形式，与单球副关节相比，刚度更大、精度更高且易于控制。另外，机构的设计考虑到了对称性，使得关节具有很好的各向同性，且美观。

综上所述本发明所具备的变结构和径向缓冲功能使其可以很好的适应周围环境以及工况的变化，且刚度大、精度高、操控性好、任务完成能力强，通过适当改进可应用于不同领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明正常工作状态下中心变结构支链的结构示意图。

图中：1、圆柱形机架；2、变结构中心支链；2a、支撑板；U、虎克铰；2b、套筒P2、移动副；2c、正三角形动平台；2d、复位弹簧；3、环形导轨；4、滑块；5、环形支链；5a、弧形连接杆；5b、套筒；P1、移动副；5c、伸缩杆；R1～R4、转动副。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图2，一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构，包括圆柱形机架1，所述圆柱形机架的上表面圆心处通过转动副R4连接变结构中心支链2，所述变结构中心支链的外侧同心设有等半径环形导轨3，所述环形导轨上设有三个滑块4，所述滑块可在环形导轨上做圆周运动，每个滑块均通过转动副R1连接环形支链2，所述每个环形支链2均通过转动副R3与变结构中心支链2连接，构成封闭的运动链。

所述变结构中心支链包括支撑板2a、虎克铰U、套筒2b、移动副P2、复位弹簧2d和正三角形动平台2c，所述转动副R4连接圆柱形机架1与支撑板2a，虎克铰U连接支撑板2a与套筒2b，移动副P2连接套筒2b与正三角形动平台2c，所述正三角形动平台2c的三个顶点通过转动副R3分别连接环形支链2，所述正三角形动平台2c与套筒2b之间移动副上设有复位弹簧2d。

所述环形支链2包括弧形连接杆5a、转动副R2、套筒5b、移动副P1、伸缩杆5c，所述转动副R1连接滑块4与弧形连接杆5a，转动副R2连接弧形连接杆5a与套筒5b，移动副P1连接套筒5b与伸缩杆5c。

上述结构中，转动副R4的转动轴线与圆柱形机架1的中轴线重合；移动副P2的移动轴线与正三角形动平台2c垂直相交，交点位于正三角形的中心；转动副R1、转动副R2、转动副R4、虎克铰U的转动轴线始终相交于一点。

本发明可通过中心变结构支链的机构变化，实现正常工作状态和极端工作状态的转换。当中心变结构支链中的移动副P2被限动，套筒2b和正三角形动平台2c固联为一体如图2所示，此时整个仿生关节机构具有空间3个转动自由度，与传统仿生关节机构功能相同，用于正常的关节导向、定位和承载等功能；当遇到一些极端情况时，比如与坚硬的物体碰撞、从高处摔落地面等，机构会受到经过球心的巨大冲击力，在该冲击力的作用下，机构进入极端工作状态，中心变结构支链中被约束的径向移动副P2被激活如图1所示，此时整个仿生关节机构具有空间3个转动自由度和1个沿径向的移动自由度，获得沿径向的移动自由度可用于对冲击力进行缓冲，防止关节结构遭受破坏。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种具有径向缓冲功能的仿生关节机构，包括圆柱形机架（1），其特征在于：所述圆柱形机架的上表面圆心处通过转动副（R4）连接变结构中心支链（2），所述变结构中心支链的外侧同心设有等半径环形导轨（3），所述环形导轨上设有三个滑块（4），所述滑块可在环形导轨上做圆周运动，每个滑块均通过转动副（R1）连接环形支链（2），所述每个环形支链（2）均通过转动副（R3）与变结构中心支链（2）连接，构成封闭的运动链。

2.根据权利要求1所述的具有径向缓冲功能的仿生关节机构，其特征在于：所述变结构中心支链包括支撑板（2a）、虎克铰（U）、套筒（2b）、移动副（P2）和正三角形动平台（2c），所述转动副（R4）连接圆柱形机架（1）与支撑板（2a），虎克铰（U）连接支撑板（2a）与套筒（2b），移动副（P2）连接套筒（2b）与正三角形动平台（2c），所述正三角形动平台（2c）的三个顶点通过转动副（R3）分别连接环形支链（2），所述正三角形动平台（2c）与套筒（2b）之间移动副上设有复位弹簧（2d）。

3.根据权利要求1或2所述的具有径向缓冲功能的仿生关节机构，其特征在于：所述环形支链（2）包括弧形连接杆（5a）、转动副（R2）、套筒（5b）、移动副（P1）、伸缩杆（5c），所述转动副（R1）连接滑块（4）与弧形连接杆（5a），转动副（R2）连接弧形连接杆（5a）与套筒（5b），移动副（P1）连接套筒（5b）与伸缩杆（5c）。