CN108297125A - 一种纤维交叉编织的柔性旋转关节 - Google Patents

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刘英想
陈维山
刘军考
唐心田
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Harbin Institute of Technology
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    • B25J17/00—Joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，涉及柔性驱动器技术领域。它解决了现有柔性驱动器不能产生旋转运动的问题。包括定子、4n根人工肌肉、动子和转轴；转轴首端与定子固定连接，动子与转轴末端转动连接；4n根人工肌肉的两端均分别与定子和动子固定连接，4n根人工肌肉平均分为两组；第一组2n根人工肌肉沿动子圆周方向均匀分布，且均与动子母线方向存在正向的角度倾斜；第二组2n根人工肌肉2‑2沿动子圆周方向均匀分布，且均与动子母线方向存在负向的角度倾斜；所有4n根人工肌肉空间独立且不接触。本发明通过人工肌肉的交叉编织结构实现了双向柔性旋转驱动；本发明结构简单、体积小、重量轻、功率密度高、输出柔性大，可用于柔性机器人的驱动。

Description

一种纤维交叉编织的柔性旋转关节
技术领域
本发明涉及一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，属于柔性驱动器技术领域。
背景技术
柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。
目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限且只能输出直线或弯曲变形，不能产生旋转运动，难以满足柔性机器人的需求。
发明内容
本发明为了解决现有柔性驱动器不能产生旋转运动的问题，提出了一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，所采取的技术方案如下：
一种纤维交叉编织的柔性旋转关节包括定子1、4n根人工肌肉2、动子3和转轴4，其中n为自然数；所述转轴4首端与定子1固定连接，动子3与转轴4末端转动连接；所述4n根人工肌肉2的两端均分别与定子1和动子3固定连接，4n根人工肌肉2平均分为两组；其中，第一组2n根人工肌肉2-1沿动子3圆周方向均匀分布，且均与动子3母线方向存在正向的角度倾斜；第二组2n根人工肌肉2-2沿动子3圆周方向均匀分布，且均与动子3母线方向存在负向的角度倾斜；所有4n根人工肌肉2空间独立且不接触。
进一步限定，所述4n根人工肌肉2均为聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维，其通电后将产生长度方向的收缩变形，断电后恢复初始长度。
进一步限定，对第一组2n根人工肌肉2-1通电，第一组2n根人工肌肉2-1长度缩短，动子3将获得逆时针方向的旋转动作。
进一步限定，对第二组2n根人工肌肉2-2通电，第二组2n根人工肌肉2-2长度缩短，动子3将获得顺时针方向的旋转动作。
进一步限定，通过改变人工肌肉2布置的倾斜角度，可以实现柔性旋转关节最大角位移的调整。
进一步限定，通过增加人工肌肉2的设置数量，可以实现柔性旋转关节最大输出力矩的调整。
本发明的有益效果：本发明通过人工肌肉的交叉编织结构实现了双向柔性旋转驱动；通过改变人工肌肉布置的倾斜角度，可以实现柔性旋转关节最大角位移的调整；通过增加人工肌肉的设置数量，可以实现柔性旋转关节最大输出力矩的调整；通过控制人工肌肉的激励信号可以实现旋转位移的精确调整；与传统柔性驱动器相比，本发明可产生旋转运动；与传统刚性旋转驱动器相比，本发明结构简单、体积小、重量轻、功率密度高、输出柔性大，可用于柔性机器人的驱动。
附图说明
图1是本发明所述纤维交叉编织的柔性旋转关节的结构示意图；
图2是本发明所述人工肌肉的结构形式及其变形状态示意图；
图3是本发明所述纤维交叉编织的柔性旋转关节实现逆时针转动的原理示意图；
图4是本发明所述纤维交叉编织的柔性旋转关节实现顺时针转动的原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
具体实施方式一：结合图1至图4来说明本实施方式：
本实施方式提所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节包括定子1、4n根人工肌肉2、动子3和转轴4，其中n为自然数；所述转轴4首端与定子1固定连接，动子3与转轴4末端转动连接；所述4n根人工肌肉2的两端均分别与定子1和动子3固定连接，4n根人工肌肉2平均分为两组；其中，第一组2n根人工肌肉2-1沿动子3圆周方向均匀分布，且均与动子3母线方向存在正向的角度倾斜；第二组2n根人工肌肉2-2沿动子3圆周方向均匀分布，且均与动子3母线方向存在负向的角度倾斜；所有4n根人工肌肉2空间独立且不接触。所述人工肌肉2均为聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维，其通电后将产生长度方向的收缩变形，断电后恢复初始长度。对第一组2n根人工肌肉2-1通电，第一组2n根人工肌肉2-1长度缩短，动子3将获得逆时针方向的旋转动作。对第二组2n根人工肌肉2-2通电，第二组2n根人工肌肉2-2长度缩短，动子3将获得顺时针方向的旋转动作。通过改变人工肌肉2布置的倾斜角度，可以实现柔性旋转关节最大角位移的调整。通过增加人工肌肉2的设置数量，可以实现柔性旋转关节最大输出力矩的调整。
本发明所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节的结构不局限与上述各个实施方式所描述的具体结构，还可以是上述各个实施方式所描述的特征的合理组合。

Claims (6)

1.一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：包括定子(1)、4n根人工肌肉(2)、动子(3)和转轴(4)，其中n为自然数；所述转轴(4)首端与定子(1)固定连接，动子(3)与转轴(4)末端转动连接；所述4n根人工肌肉(2)的两端均分别与定子(1)和动子(3)固定连接，4n根人工肌肉(2)平均分为两组；其中，第一组2n根人工肌肉(2-1)沿动子(3)圆周方向均匀分布，且均与动子(3)母线方向存在正向的角度倾斜；第二组2n根人工肌肉(2-2)沿动子(3)圆周方向均匀分布，且均与动子(3)母线方向存在负向的角度倾斜；所有4n根人工肌肉(2)空间独立且不接触。
2.根据权利要求1所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：所述人工肌肉(2)均为聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维，其通电后将产生长度方向的收缩变形，断电后恢复初始长度。
3.根据权利要求1所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：对第一组2n根人工肌肉(2-1)通电，第一组2n根人工肌肉(2-1)长度缩短，动子(3)将获得逆时针方向的旋转动作。
4.根据权利要求1所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：对第二组2n根人工肌肉(2-2)通电，第二组2n根人工肌肉(2-2)长度缩短，动子(3)将获得顺时针方向的旋转动作。
5.根据权利要求1所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：通过改变人工肌肉(2)布置的倾斜角度，可以实现柔性旋转关节最大角位移的调整。
6.根据权利要求1所述的一种纤维交叉编织的柔性旋转关节，其特征在于：通过增加人工肌肉(2)的设置数量，可以实现柔性旋转关节最大输出力矩的调整。
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