CN104526712A - 抛物线边板弹簧骨架柔顺关节 - Google Patents

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章军
刘光元
刘传江
吕兵
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Abstract

本发明涉及一种抛物线边板弹簧骨架柔顺关节，此关节采用变横截面的板弹簧为骨架，通过流体驱动实现关节的弯曲，可用作机器人的各类关节，属于机器人、机械手应用技术领域。当向弹性波纹管内充气时，弹性波纹管伸长，受板弹簧的约束向板弹簧一侧弯曲；当释放弹性波纹管内气体时，关节在板弹簧的作用下回复到伸直状态。通过控制弹性波纹管内压力，可使关节弯曲保持一定角度。弹性波纹管具有很好的柔顺性、板弹簧具有很好的弹性，因此该关节具有很好的柔顺性。板弹簧截面的改进，可以增大弯曲空间、顺应强度要求、加大柔性和节约板弹簧材料。本发明关节弯曲动作灵活，耗能小，控制方便，有很好的柔性自适应作用。

Description

抛物线边板弹簧骨架柔顺关节
技术领域：
本发明涉及一种抛物线边板弹簧骨架柔顺关节，是专利申请(发明创造名称：变截面和异形的板弹簧骨架柔顺关节，申请号：201110406737.X，申请日：2011年12月09日)的分案申请。此弯曲关节具有很好的柔顺性和可控性，可用作机器人的各类关节，尤其适用于由多个弯曲关节构成的柔性机械手指，作为自动化设备的执行机构，属于机器人、机械手应用技术领域。
背景技术：
在本发明之前，机器人弯曲关节多采用电机驱动，电机静态刚度好控制精度高，但是需要复杂的减速装置，体积比较大而且柔性不好；也有的采用气压缸或者液压缸驱动，需要复杂的流体回路且位置控制精度不高。目前的机器人关节多采用刚性骨架，对位置和力要求精度高，柔顺性和自适应性不好，尤其是用作机械手指时，对抓取对象物理创伤大。
专利CN200410065130.X提出了一种轴向膨胀的人工肌肉作为驱动力的板弹簧骨架柔性关节，该关节通过膨胀肌肉伸长克服板弹簧阻力实现弯曲，具有一定的柔顺性和自适应性，用作机械手指时可以取得很好的抓取效果。不足之处：(1)关节作用空间小，其弯曲角度受很大限制。若板弹簧与人工肌肉的距离小，弯曲一定角度后人工肌肉与板弹簧接触产生干涉，影响其进一步变形；若二者距离大，关节尺寸较大，且弯曲同样的角度人工肌肉的轴向伸长量增大，对人工肌肉的力学参数和材料性能要求苛刻。(2)板弹簧的受力是不均匀的，使用一般的等截面板弹簧不但会增大变形阻力、浪费能源，还会增加关节重量、浪费材料。(3)柔顺性欠佳。柔顺性的优越性体现在减少装配时间、简化制造过程、提高精度、增加可靠性、减少维护、减轻质量等方面，该专利零部件较多，缺乏必要的定位措施，波纹管用卡箍连接，可靠性不高而且更换麻烦，不利于维护。(4)动态响应有待改善。一般的等截面板弹簧由平直状态开始弯曲时阻力较大，需要较大的压力才能开始动作，而且关节整体质量大，惯性大，因此动态响应性有待提高。
发明内容：
本发明针对上述不足，采用了变截面和异形的板弹簧为柔性骨架。变截面的板弹簧的长度和厚度不变，宽度根据板弹簧受力情况，以一定规律变化，符合板弹簧的受力分布，在满足强度的基础上节约材料降低质量，提高动态响应性。变截面的板弹簧两端宽中间细的结构更容易变形，变形抗力小，动作更灵活。异形的板弹簧能有效避免关节大变形后弹性波纹管与板弹簧的接触干涉问题，大大提高了柔顺关节的作用空间。同时，关节部件间采用了必要的定位措施，避免装配了精度不高引起的关节扭转变形、方便应力和变形的分析计算。弹性波纹管使用管接头形式，便于安装和更换。该关节不仅可以单独使用，还可以组装成多关节机械手、机械臂等，具有很好的协调性。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
方案一：如图1-3所示，弹性波纹管10的两端结构类似于液压橡胶管结构。弹性波纹管10的两端通过外压环9固定在管接头8上，管接头8分别与头座5和尾座11相连，由锁紧螺母7锁紧，中间有密封垫片6密封，这些零件形成密封空腔，作为膨胀人工肌肉。
尾座11如图4-5所示，其上开有进气口，进气管接头13经密封圈12固定在尾座11上。头座5和尾座11经调节垫块4分别与头节1和尾节14固定。
调节垫块4如图6-7所示，其上下面都有定位销孔，保证头座5、头节1，以及尾座11、尾节14与调节垫块4之间的相互定位。
如图2所示，梯形边板弹簧15a两端嵌入槽口部分为矩形，中间部分为左右对称的梯形边，其任意横截面均为矩形。如图3所示，梯形边板弹簧15a的两端分别嵌在头节1和尾节14的槽口中，并用螺栓3和长方形垫片2固定。
调节垫块4的定位销孔、头节1和尾节14的槽口的作用是前后左右定位后，用螺栓3和长方形垫片2固定。即：使头座5、头节1、尾座11、尾节14、调节垫块4、梯形边板弹簧15a在纵向对称面和弹性波纹管10的轴心线共面，避免关节发生扭转变形，并便于力和变形的分析。
方案二：如图8所示，弹性波纹管10的两端结构类似于液压橡胶管结构。弹性波纹管10的两端通过外压环9固定在管接头8上，管接头8分别与头座5和尾座11相连，由锁紧螺母7锁紧，中间有密封垫片6密封，这些零件形成密封空腔，作为膨胀人工肌肉。尾座11上开有进气口，进气管接头13经密封圈12固定在尾座11上。头座5和尾座11经调节垫块4分别与头节1和尾节14固定。
如图9所示，抛物线边板弹簧15b两端嵌入槽口部分为矩形，中间部分为左右对称的抛物线边，其任意横截面均为矩形。抛物线边板弹簧15b的两端分别嵌在头节1和尾节14的槽口中，并用螺栓3和长方形垫片2固定。
上述方案一、方案二是变截面板弹簧的柔顺关节。
方案三：如图10-11所示，弹性波纹管10的两端结构类似于液压橡胶管结构。弹性波纹管10的两端通过外压环9固定在管接头8上，管接头8分别与头座5和尾座11相连，由锁紧螺母7锁紧，中间有密封垫片6密封，这些零件形成密封空腔，作为膨胀人工肌肉。尾座11上开有进气口，进气管接头13经密封圈12固定在尾座11上。头座5和尾座11经调节垫块4分别与头节1和尾节14固定。
纵截面为梯形的梯形异形板弹簧15c，其任意横截面均为矩形，其两端嵌入槽口部分为矩形，分别嵌在头节1和尾节14的槽口中，并用螺栓3和长方形垫片2固定。
方案四：如图12-13所示，弹性波纹管10的两端结构类似于液压橡胶管结构。弹性波纹管10的两端通过外压环9固定在管接头8上，管接头8分别与头座5和尾座11相连，由锁紧螺母7锁紧，中间有密封垫片6密封，这些零件形成密封空腔，作为膨胀人工肌肉。尾座11上开有进气口，进气管接头13经密封圈12固定在尾座11上。头座5和尾座11经调节垫块4分别与头节1和尾节14固定。
纵截面为抛物线形的抛物线形异形板弹簧15d，其任意横截面均为矩形，其两端嵌入槽口部分为矩形，分别嵌在头节1和尾节14的槽口中，并用螺栓3和长方形垫片2固定。
上述方案三、方案四是异形板弹簧的柔顺关节。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
变截面的板弹簧骨架柔顺关节采用了变宽度的变截面板弹簧，符合应力的分布情况，中间细两端宽的形状更容易变形，减小了变形阻力，节约了能源，减小了关节质量，节约了材料，使关节运动更灵活、动态响应性更好。
异形的板弹簧骨架柔顺关节有效避免了关节大变形后弹性波纹管与板弹簧的接触干涉问题，大大提高了柔顺关节的作用空间。
同时，关节部件间采用了必要的定位措施，避免了装配精度不高引起的关节扭转变形，方便应力和变形的分析计算；弹性波纹管使用管接头形式，便于安装和更换；更换不同厚度的调节垫块，可以方便改变板弹簧所受的弯矩。
附图说明：
图1为本发明柔顺关节方案一的主视图
图2为本发明柔顺关节方案一主视图的A-A剖视图
图3为本发明柔顺关节方案一主视图的B-B剖视图
图4为本发明柔顺关节中尾座11零件的主视图
图5为本发明柔顺关节中尾座11零件的左视图
图6为本发明柔顺关节中调节垫块4零件的俯视图
图7为本发明柔顺关节中调节垫块4零件俯视图的C-C剖视图
图8为本发明柔顺关节方案二的主视图
图9为本发明柔顺关节方案二主视图的D-D剖视图
图10为本发明柔顺关节方案三的主视图
图11为本发明柔顺关节方案三主视图的E-E剖视图
图12为本发明柔顺关节方案四的主视图
图13为本发明柔顺关节方案四主视图的F-F剖视图
图14为本发明柔顺关节方案一的工作原理图
具体实施方式：
下面本发明结合附图14中的方案一实施作进一步描述：
方案一中，弹性波纹管10的两端通过压片9固定在管接头8上，波纹管两端管接头8分别与头座5和尾座11相连，由锁紧螺母7锁紧，中间有密封垫片6密封，形成气体空腔。尾座11上开有进气口，进气管接头13经密封圈12固定在尾座11上。头座5和尾座11经调节垫块4分别与头节1和尾节14固定。调节垫块4上下表面都有定位销，保证头座5与头节1以及尾座11与尾节14之间的相互定位。梯形边板弹簧15a的两端分别镶嵌在头节1和尾节14的槽口中，并用螺栓3和长方形垫片2固定。气源与进气管接头13相连，气体经进气管接头进入空腔。
工作时，通过控制弹性波纹管内空腔压力控制关节的弯曲角度。向空腔内充气时，腔内压力增大，弹性波纹管轴向伸长，因波纹管一侧受板弹簧约束不能伸长，克服板弹簧阻力使关节弯曲；腔内压力减小时，关节在板弹簧的回复力下伸直。该关节具有很好的柔顺性、自适应性和可控性，可构建成机械手指并组合成单自由度或者多自由度机械手。以单关节三指机械手为例，尾节与机械手掌连接，头节与机械手指尖相连，指尖可根据抓取对象的不同设计成最优曲线、选择最佳抓取位置。为了降低作用损伤，可在机械指尖上包裹橡胶垫等缓冲介质。抓取物体时，向空腔内充气，三根手指同时弯曲抓取物体，得到一定抓取力后保持压力不变，维持抓取状态；释放抓取物时，打开排气阀，腔内压力降低，手指在板弹簧回复力下松开物体。

Claims (1)

1.抛物线边板弹簧骨架柔顺关节，其特征是：弹性波纹管(10)的两端通过外压环(9)固定在管接头(8)上，管接头(8)分别与头座(5)和尾座(11)相连，由锁紧螺母(7)锁紧，中间有密封垫片(6)密封，这些零件形成密封空腔，作为膨胀人工肌肉；尾座(11)上开有进气口，进气管接头(13)经密封圈(12)固定在尾座(11)上；头座(5)和尾座(11)经调节垫块(4)分别与头节(1)和尾节(14)固定；其中，板弹簧骨架为：抛物线边板弹簧(15b)的两端分别嵌在头节(1)和尾节(14)的槽口中，并用螺栓(3)和长方形垫片(2)固定，所述抛物线边板弹簧(15b)，其两端嵌入槽口部分为矩形，中间部分为左右对称的抛物线边，其任意横截面均为矩形。
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