CN103786163B - 气动双向主动旋伸柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动双向主动旋伸型柔性关节，包括基盘、气动双向驱动器、输出部件、中心骨架；基盘、气动双向驱动器和输出部件构成柱状结构，中心骨架在柱状结构的轴线处，所述中心骨架穿过双向驱动器，两端分别与基盘和输出部件固联。本发明的优点是关节体积小和运动灵活，关节的驱动装置与关节合为一体，可实现仿生人工关节的双向主动旋转和伸长复合动作，该关节具有1个自由度和1个机动度，可采用一个比例阀和四个换向阀进行控制，关节力矩可调、控制方法灵活、方便。

Description

气动双向主动旋伸柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人肢体用柔性关节，特别涉及一种气动双向主动旋伸柔性关节。

背景技术

目前机器人技术在工业、军事、医疗和服务等领域应用广泛，已成为世界各国的重要战略支撑技术之一。作为机器人的关键技术和核心部件，各类主动关节的结构、驱动、运动性能和控制方法，将决定机器人的整体水平。在陆生、水生和仿人机器人领域，肢体柔性关节在解决柔性运动和抓取物体的适应性方面具有重要作用。因此，多年来国内外对柔性关节进行了深入研究并取得了可喜成果，研究的主要内容有关节驱动装置、驱动材料和关节柔性结构的实现。其中关节驱动结构和控制方式为研究重点，驱动材料是研究难点。

国内外已研发的柔性关节主要有伺服电机驱动、液压驱动、气缸驱动、导电聚合物、电致驱动和人工肌肉驱动等几种形式。其中应用伺服电机驱动、液压和气缸驱动方式的柔性关节，其技术基本成熟，应用广泛，但体积较大，关节柔性程度受到限制；而导电聚合物和电致驱动行程较小，主要用于微动关节；气动人工肌肉驱动具有较好的综合柔性，近年来得到了快速发展，但具有较强的非线性。以上几种驱动装置在应用过程中都要与机械结构配合使用，体积大，小型化困难，关节的运动轨迹由机械结构决定，柔顺性差。

因此，目前已有的人工关节尚不能完全满足在形式变化较大的工业品的搬运、水中仿生及特种机器人等领域的特殊需要，有必要继续开发具有高度柔性的关节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种机器人肢体用气动双向主动旋伸柔性关节，采用螺旋弹性体定向膨胀方式驱动，实现旋转、弯曲和伸长功能。

本发明的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，包括基盘、气动双向驱动器、输出部件、中心骨架；基盘、气动双向驱动器和输出部件构成柱状结构，中心骨架在柱状结构的轴线处；所述中心骨架穿过双向驱动器，一端与基盘固定连接，另一端与输出部件固定连接。

所述气动双向驱动器由内驱动器约束元件和外驱动器约束元件同轴密排串联组成，气动双向驱动器为两个套装同轴等高的筒状结构，分别为内筒和外筒，内筒构成内驱动器，外筒构成外驱动器，内驱动器与外驱动器旋向相反，内驱动器的两端分别与内驱动器上端盖、内驱动器下端盖相连，外驱动器的两端分别与外驱动器上端盖、外驱动器下端盖相连，内驱动器下端盖和外驱动器下端盖通过下连接螺钉固定在基盘上，基盘与内驱动器、外驱动器同轴，基盘径向尺寸与外驱动器的径向尺寸相同。

所述输出部件由动盘、内离合器、外离合器组成，内离合器与外离合器套装在一起，内离合器一端通过内离合器连接螺钉与内驱动器上端盖连接，外离合器一端通过外离合器连接螺钉与外驱动器上端盖连接，内离合器和外离合器的另一端均与动盘固定连接。

内离合器与外离合器的套装方式为牙嵌式或摩擦式。

所述中心骨架在柱状结构的轴线处，中心骨架为中空的轴向可伸缩轴套，轴向可伸缩轴套包括中心骨架内轴套和中心骨架外轴套，中心骨架内轴套和中心骨架外轴套为间隙配合；在中心骨架内轴套中设有中心骨架弹簧，中心骨架弹簧两端分别与中心骨架内轴套和中心骨架外轴套的一端固定连接，中心骨架内轴套与动盘固定连接，中心骨架外轴套与基盘固定联接。

所述内驱动器内部为若干个同轴螺旋管状空腔，所述若干个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述若干个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，所述若干个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形；所述外驱动器内部为若干个同轴螺旋管状空腔，所述若干个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述若干个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，柱形空腔尺寸等于所述内驱动器外形尺寸，所述若干个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形。

所述内驱动器约束元件和外驱动器约束元件的外形为环形，约束元件的镂空部分为螺旋管状空腔在约束元件的局部结构，为一组螺旋孔，螺旋孔中径为对应螺旋管状空腔的中径，同一约束元件上一组螺旋孔之间的相位差由约束元件所在的轴向位置决定。

在内驱动器的螺旋管状空腔内设置内驱动器气囊，内驱动器气囊两端分别与内驱动器上封头和内驱动器下封头固定连接，构成密封腔体，内驱动器上封头与内驱动器上端盖固定连接成一体，内驱动器下封头与内驱动器下端盖固定连接成一体；在外驱动器的螺旋管状空腔内设置外驱动器气囊，外驱动器气囊两端分别与外驱动器上封头和外驱动器下封头固定连接，构成密封腔体；外驱动器上封头与外驱动器上端盖固定连接成一体，外驱动器下封头与外驱动器下端盖固定连接成一体；在内驱动器下封头、外驱动器下封头上设有流体入口，以充入压力流体。

当内驱动器通压时推动内离合器压向动盘，驱动动盘轴向移动，脱离外离合器，并正向转动；当外驱动器通压时推动外离合器压向动盘，驱动动盘轴向移动，脱离内离合器，并反向转动；动盘轴向位移的大小、转动方向和角度大小，与驱动器通压状态和压力有关；当充入流体压力减小，弹簧恢复，关节变形减小；所述充入流体，可以是无腐蚀、无毒性的介质，如压缩空气、水等。

本发明的优点是关节结构紧凑，两组气动螺旋肌肉驱动装置与关节本体复合为一体，可实现仿生关节的双向主动柔性旋转和伸长，属流体驱动变形的柔性关节；该关节具有1个自由度和1个机动度，可采用一个比例阀和四个换向阀进行控制，关节力矩可调、控制方法灵活和方便；主要用于机器人手臂的转动，拇指的方向和位姿调整，机器鱼的胸鳍摆动和位姿调整；因具有双向的柔性旋进功能，也可用于研磨、抛光和运动平台等机械加工装置上，具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明气动双向主动旋伸柔性关节爆炸示意图；

图2是本发明气动双向主动旋伸柔性关节轴侧示意图；

图3是本发明气动双向主动旋伸柔性关节纵剖面示意图。

图中1、动盘；2-1、内离合器；2-2、外离合器；3-1、内驱动器上封头；3-2、外驱动器上封头；4-1、内驱动器上端盖；4-2、外驱动器上端盖；5-1、内离合器联接螺钉；5-2外离合器联接螺钉；6-1、内驱动器约束元件；6-2、外驱动器约束元件；7-1、内驱动器气囊；7-2、外驱动器气囊；8-1、内驱动器下端盖；8-2、外驱动器下端盖；9-1、中心骨架外轴套；9-2、中心骨架弹簧；9-3、中心骨架内轴套；10-1、内驱动器下封头；10-2、外驱动器下封头；11、流体入口；12、基盘；13、下联接螺钉。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图和具体实例对本发明作出进一步地详细描述。

本发明是由动盘1、内离合器2-1、外离合器2-2、内驱动器上封头3-1、外驱动器上封头3-2、内驱动器上端盖4-1、外驱动器上端盖4-2、内离合器联接螺钉5-1、外离合器联接螺钉5-2、内驱动器约束元件6-1、外驱动器约束元件6-2、内驱动器气囊7-1、外驱动器气囊7-2、内驱动器下端盖8-1、外驱动器下端盖8-2、中心骨架外轴套9-1、中心骨架弹簧9-2、中心骨架内轴套9-3、内驱动器下封头10-1、外驱动器下封头10-2、流体入口11、基盘12、下联接螺钉13组成的。

本发明外形为圆柱形，动盘1和基盘12设置在本发明气动双向主动旋伸柔性关节的上下两端，中性轴线处设置中心骨架9，中心骨架外轴套9-1与基盘固定连接，中心骨架内轴套9-3与动盘固定连接，中心骨架弹簧9-2两端分别与中心骨架外轴套9-1和中心骨架内轴套9-3一端固定连接，在动盘1和基盘12之间设置内离合器2-1、外离合器2-2和内驱动器约束元件6-1、外驱动器约束元件6-2，内驱动器约束元件6-1和外驱动器约束元件6-2为两组片状同轴套装环形结构，两组各20个约束元件同轴密排串联组成气动双向驱动结构，即内驱动器和外驱动器，内驱动器和外驱动器旋向相反，高度相同，与中心骨架同轴套装。内驱动器下端盖8-1和外驱动器下端盖8-2通过下连接螺钉固定在同一基盘12上，基盘与驱动器同轴，基盘径向尺寸与外驱动器的径向尺寸相同；内驱动器上端盖4-1通过内离合器联接螺钉5-1与内离合器2-1联接，外驱动器上端盖4-2通过外离合器联接螺钉5-2与外离合器2-2联接。

内驱动器内部为2个同轴螺旋管状空腔，所述2个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述2个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，所述2个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形；所述外驱动器内部为2个同轴螺旋管状空腔，所述2个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述2个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，柱形空腔尺寸等于所述内驱动器外形尺寸，所述2个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形。

在内驱动器的螺旋管状空腔内设置内驱动器气囊7-1，内驱动器气囊7-1两端分别与内驱动器上封头3-1和内驱动器下封头10-1固定连接，构成密封腔体，内驱动器上封头3-1与内驱动器上端盖4-1固定连接成一体，内驱动器下封头10-1与内驱动器下端盖8-1固定连接成一体；在外驱动器的螺旋管状空腔内设置外驱动器气囊7-2，外驱动器气囊7-2两端分别与外驱动器上封头3-2和外驱动器下封头10-2固定连接，构成密封腔体；外驱动器上封头3-2与外驱动器上端盖4-2固定连接成一体，外驱动器下封头10-2与外驱动器下端盖8-2固定连接成一体；在内驱动器下封头10-1、外驱动器下封头10-2上设有流体入口12，以充入压力流体。

内驱动器约束元件和外驱动器约束元件的外形为环形，约束元件的镂空部分为螺旋管状空腔在约束元件的局部结构，为一组螺旋孔，螺旋孔中径为对应螺旋管状空腔的中径，同一约束元件上一组螺旋孔之间的相位差由约束元件所在的轴向位置决定。

内离合器2-1与外离合器2-2的套装方式为牙嵌式。

Claims (7)

1.一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：包括基盘、气动双向驱动器、输出部件、中心骨架；基盘、气动双向驱动器和输出部件构成柱状结构，中心骨架在柱状结构的轴线处；所述中心骨架穿过双向驱动器，一端与基盘固定连接，另一端与输出部件固定连接；所述中心骨架为中空的轴向可伸缩轴套，轴向可伸缩轴套包括中心骨架内轴套和中心骨架外轴套，中心骨架内轴套和中心骨架外轴套为间隙配合；在中心骨架内轴套中设有中心骨架弹簧，中心骨架弹簧两端分别与中心骨架内轴套和中心骨架外轴套的一端固定连接，中心骨架内轴套与动盘固定连接，中心骨架外轴套与基盘固定联接。

2.根据权利要求1所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：所述气动双向驱动器由内驱动器约束元件和外驱动器约束元件同轴密排串联组成，气动双向驱动器为两个套装同轴等高的筒状结构，分别为内筒和外筒，内筒构成内驱动器，外筒构成外驱动器，内驱动器与外驱动器旋向相反，内驱动器的两端分别与内驱动器上端盖、内驱动器下端盖相连，外驱动器的两端分别与外驱动器上端盖、外驱动器下端盖相连，内驱动器下端盖和外驱动器下端盖通过下连接螺钉固定在基盘上，基盘与内驱动器、外驱动器同轴，基盘径向尺寸与外驱动器的径向尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：所述输出部件由动盘、内离合器、外离合器组成，内离合器与外离合器套装在一起，内离合器一端通过内离合器连接螺钉与内驱动器上端盖连接，外离合器一端通过外离合器连接螺钉与外驱动器上端盖连接，内离合器和外离合器的另一端均与动盘固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：内离合器与外离合器的套装方式为牙嵌式或摩擦式。

5.根据权利要求2所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：所述内驱动器内部为若干个同轴螺旋管状空腔，所述若干个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述若干个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，所述若干个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形；所述外驱动器内部为若干个同轴螺旋管状空腔，所述若干个螺旋管状空腔的中径、管径、节距、旋向、圈数完全相同，在所述若干个同轴螺旋管状空腔的公共轴线处为柱形空腔，柱形空腔尺寸等于所述内驱动器外形尺寸，所述若干个同轴螺旋管状空腔相对于螺旋管状空腔的公共轴线对称分布，所述螺旋管状空腔的法向截面为圆形。

6.根据权利要求2所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：所述内驱动器约束元件和外驱动器约束元件的外形为环形，约束元件的镂空部分为螺旋管状空腔在约束元件的局部结构，为一组螺旋孔，螺旋孔中径为对应螺旋管状空腔的中径，同一约束元件上一组螺旋孔之间的相位差由约束元件所在的轴向位置决定。

7.根据权利要求5所述的一种气动双向主动旋伸型柔性关节，其特征在于：在内驱动器的螺旋管状空腔内设置内驱动器气囊，内驱动器气囊两端分别与内驱动器上封头和内驱动器下封头固定连接，构成密封腔体，内驱动器上封头与内驱动器上端盖固定连接成一体，内驱动器下封头与内驱动器下端盖固定连接成一体；在外驱动器的螺旋管状空腔内设置外驱动器气囊，外驱动器气囊两端分别与外驱动器上封头和外驱动器下封头固定连接，构成密封腔体；外驱动器上封头与外驱动器上端盖固定连接成一体，外驱动器下封头与外驱动器下端盖固定连接成一体；在内驱动器下封头、外驱动器下封头上设有流体入口，以充入压力流体。