CN108393921B - 仿蜘蛛一体化双向运动关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蜘蛛一体化双向运动关节，包括铰接在缸体前端的可转动臂、缸体内部用于撑开、收缩可转动臂的液动肌肉、传力斜面、弹性传力体、活塞、与液动肌肉连接的收缩充液管路以及与充液腔连接的撑开充液管路，充液腔内有弹簧设置在活塞和缸体后壁之间；本装置对可转动臂进行驱动，另外结合弹簧进行辅助驱动，这效仿了蜘蛛关节的驱动模式，另外可转动臂的双向运动都是由同一驱动源液压力进行驱动，实现了双向运动一体化，本发明解决了现有仿蜘蛛关节不能实现驱动一体化、驱动精度得不到保证以及距离蜘蛛真实的驱动方式差别较大的问题，结构简单可靠，具有较高的使用前景。

Description

仿蜘蛛一体化双向运动关节

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，涉及一种仿蜘蛛一体化双向运动关节。

背景技术

蜘蛛属于节肢动物门蛛形纲，拥有八足，在其足内存在着优异的液压系统，与柔性基质共同作用，以较低的压力实现高效的驱动，并且结构紧凑、驱动的功率密度高。

国外已有一些受蜘蛛液压步足和关节启发的仿生柔性驱动机构，相比较于传统的执行器，采用仿生驱动可以减少机构设计中的限制，具有非常好的功率质量比和动力学性能，有很好的发展前景。Carlo Menon和Cristian Lira等在2006年发表的一篇题目为Future space devices inspired by spider legs的文章中所设计的仿生蜘蛛关节的驱动结构“Smart Stick”，样机运动的幅度的不大，不适合运动变形大的机构。后通过结构优化，运动的幅度增加、传递的能力提高、传递效率提高了5-25％。Smart Stick只是利用了蜘蛛液压驱动的原理，跟步足的高效驱动模式还是有很大的差别。Schulz等设计了仿生的蜘蛛机器人及步足，依靠高压空气压缩执行器中的弹性单元带动结构运动，但是在步足上是没有任何传感器的，运动精度难以精确控制。Landkammer等设计了一种更像蜘蛛步足的液压驱动系统，具有外骨骼结构而内部中空，比以往的驱动系统更加轻巧，驱动动作分为扩展和收缩两种，扩展是通过液压实现，收缩时依靠人工肌肉该设计没有相应的位置控制，效率和转矩传递能力有待提高。前述的几种仿生设计模仿了蜘蛛的液压系统，但缺乏对系统的运行机制与驱动机理的深入认识。这导致与生物系统相比在扭矩传递能力、功率质量比、控制等方面还存在较大的不足，在结构、轻质、高效等方面还需要很大提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

仿蜘蛛一体化双向运动关节，包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的缸体，其特征在于，缸体外表面的前端与一个可转动臂的一端铰接，缸体内部从前至后依次设置有一个前端面为斜面的斜切圆柱结构的传力斜面、一个由弹性材料制成的两端开口的中空的圆环形的传力弹性体和一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的活塞，传力斜面、传力弹性体和活塞的外径与缸体的内径相同，可转动臂的中部通过一个大拉杆与传力斜面的前端面铰接，传力斜面、传力弹性体以及活塞构成的圆柱形空腔内设置有一个限位装置，限位装置包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的固定圆筒，以及位于固定圆筒内壁前部且可沿固定圆筒轴向前后伸缩的可伸缩圆环，可伸缩圆环可以从固定圆筒前端开口伸出也可以收缩进固定圆筒内，可伸缩圆环的前端面焊接在传力斜面的后端面上，固定圆筒的外径与传力弹性体以及活塞的内径相同，固定圆筒后端面圆心处与一根固定杆的前端焊接，固定杆的后端穿过活塞的后壁并焊接在缸体后壁内表面的圆心处，固定圆筒内设置有一个圆柱形的液动肌肉，液动肌肉的轴线与缸体的轴线重合，液动肌肉可在充入液体时沿轴向收缩并沿径向扩张，液动肌肉的前端面圆心处通过一个移动小拉杆与传力斜面的后端面铰接，液动肌肉的后端面圆心处通过一个固定小拉杆与固定圆筒后壁内表面的圆心处铰接，收缩充液管路穿过缸体的后壁、活塞的后壁以及固定圆筒的后壁伸入到固定圆筒中，液动肌肉通过多个软管与收缩充液管路的一端管口连接，活塞的后端面与缸体的内腔之间形成的腔体为充液腔，充液腔中有一个弹簧套装在固定杆外部，弹簧的一端焊接在活塞的后端面上，弹簧的另一端焊接在缸体的后壁内表面上，撑开冲液管路的一端管口穿过缸体的后壁并伸入到充液腔内，收缩充液管路的另一端管口与一个第一液压泵连接，撑开充液管路的另一端管口与一个第二液压泵连接。

进一步的技术方案包括：

所述的液动肌肉内包裹有多个由弹性材质制成的、结构和尺寸均相同的液动肌腱，液动肌腱为一端开口另一端封闭的中空的圆柱状结构，收缩充液管路的出口设置有三个圆柱形小喷嘴，每个液动肌腱的开口均通过一个软管与收缩充液管路的一个圆柱形小喷嘴连接。

每个液动肌腱的外部均缠绕有一根带有弹性的用于限制液动肌腱径向扩张程度的限位弹簧丝。

所述的活塞杆与缸体的接触部位设置有多个密封圈。

所述的收缩充液管路的与活塞的接触部位设置有多个密封圈。

所述的固定杆与活塞的接触部位设置有多个密封圈。

所述的撑开充液管路与缸体的接触部位设置有多个密封圈。

当缸体的轴线与水平面平行时，所述的传力斜面的前端面与水平面之间的夹角为78°。

与现有的技术相比，本发明的特点和优势在于：

(1)在关节撑开阶段采用的传力弹性体，由于传力弹性体前后两端面分别与传力斜面和活塞接触，这会使活塞与传力斜面之间的相互作用更加柔顺，不会产生很大的冲击，起到了一个缓冲的作用。

(2)在关节收缩阶段在原有弹簧被动拉回可转动臂的基础上采用了一种可以主动控制拉回程度的液动肌肉，主动拉回与被动拉回相结合，使动作更加迅速且关节收缩的精度得到了保障。

(3)使用液压控制系统保证两个充液管路之间具有互锁的关系，并且将撑开关节和收缩关节两个动作由同一驱动源液压力实现，使整体结构更加紧凑，实现了驱动一体化。

附图说明

图1是本发明所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节的可转动臂撑开状态的结构示意图；

图2为本发明所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节的可转动臂收缩状态的结构示意图；

图3为本发明所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节中的液动肌肉未冲液状态的结构示意图；

图4为本发明所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节中的液动肌肉冲液状态的结构示意图；

图5位本发明所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节中的限位装置的结构示意图；

图中：1.可转动臂，2.缸体，3.可伸缩圆环，4.液动肌肉，5.限位弹簧丝，6.固定圆筒7.液动肌腱，8.密封圈，9.软管，10.固定杆，11.弹簧，12.收缩充液管路，13.撑开充液管路，14.冲液腔，15.活塞，16.固定小拉杆，17.传力弹性体，18.移动小拉杆，19.传力斜面20.大拉杆，21.第一液压泵，22.第二液压泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以图1至图5中左侧为前，后侧为后，如图1和图2所示，一种仿蜘蛛一体化双向运动关节，包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的缸体2，缸体2外表面的前端与一个可转动臂1的一端铰接，缸体2内部从前至后依次设置有一个前端面为斜面的斜切圆柱结构的传力斜面19、一个由弹性材料制成的两端开口的中空的圆环形的传力弹性体17和一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的活塞15，传力斜面19、传力弹性体17和活塞15的外径与缸体2的内径相同，可转动臂1的中部通过一个大拉杆20与传力斜面19的前端面铰接，传力斜面19、传力弹性体17以及活塞15构成的圆柱形空腔内设置有一个限位装置，限位装置包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的固定6，以及位于固定圆筒6内壁前部且可沿固定圆筒6轴向前后伸缩的可伸缩圆环3，可伸缩圆环3可以从固定圆筒6前端开口伸出也可以收缩进固定圆筒6内，可伸缩圆环3的前端面焊接在传力斜面19的后端面上，固定圆筒6的外径与传力弹性体17以及活塞15的内径相同，固定圆筒6后端面圆心处与一根固定杆10的前端焊接，固定杆10的后端穿过活塞15的后壁并焊接在缸体2后壁内表面的圆心处，固定圆筒6内设置有一个圆柱形的液动肌肉4，液动肌肉4可在充入液体时沿轴向收缩并沿径向扩张，液动肌肉4的前端面圆心处通过一个移动小拉杆18与传力斜面19的后端面铰接，液动肌肉4的后端面圆心处通过一个固定小拉杆16与固定圆筒6后壁内表面的圆心处铰接，收缩充液管路12穿过缸体2的后壁、活塞15的后壁以及固定圆筒6的后壁伸入到固定圆筒6中，液动肌肉4通过三个软管9与收缩充液管路12的一端管口连接，活塞15的后端面与缸体2的内腔之间形成的腔体为充液腔14，充液腔14中有一个弹簧11套装在固定杆10外部，弹簧11的前端焊接在活塞15的后端面上，弹簧11的后端焊接在缸体2的后壁内表面上，撑开充液管路13的一端管口穿过缸体2的后壁并伸入到充液腔14内，收缩充液管路12的另一端管口与一个第一液压泵21连接，撑开充液管路13的另一端管口与一个第二液压泵22连接。

如图1和图2所示，本实施例中，弹簧11起到一个在关节撑开阶段缓冲和关节收缩阶段加快收缩速度的作用，弹簧11前后两端分别与活塞15后端面和缸体2后壁内表面焊接在一起，当通过撑开充液管路13给充液腔14充液后，弹簧11被拉长，产生一个预拉力，同时起到缓冲的作用，模拟蜘蛛的韧带功能，同时此预拉力与液动肌肉4的收缩力共同作用来使传力斜面19带动可转动臂1收缩，起到一个加速传力斜面19带动可转动臂1收缩的作用。当传力斜面19带动可转动臂1收缩到某位置后，活塞15不可避免的会由于惯性产生一个向前的位移，故弹簧11也可起到缓冲支撑的作用，避免活塞15对缸体2造成撞击。

如图1和图2所示，本实施例中，活塞15是一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状结构，活塞15前端圆环面与传力弹性体的后端面接触，活塞15的后端面与弹簧11的前端焊接，在一定液压力的作用下，活塞15会随着弹簧11的伸长量产生相应的位移；将此活塞15设置成前端开口的形状可以充分利用其内部空间。

本实施例中，传力弹性体17是一个由弹性材料制成的两端开口的中空的圆环形的结构，由缸体2和限位装置进行固定，传力弹性体17前端面和后端面分别抵靠在传力斜面19的后端面和活塞15的前端圆环面上，这会使活塞15与传力斜面19之间的相互作用更加柔顺，不会产生很大的冲击，起到了一个缓冲的作用。此传力弹性体17使用硅胶材料制成，有可压缩性能，恢复性强；效仿了生物静水骨骼模型，增加了整体结构的柔顺性。

如图1和图2所示，本实施例中，传力斜面19的前端面为斜面的斜切圆柱结构，前端面通过一个大拉杆20与可转动臂1的中部铰接，后端面中心处通过移动小拉杆18与液动肌肉4的前端面铰接，同时传力斜面19的后端面与可伸缩圆环3的前端面焊接。当缸体2的轴线与水平面平行时，传力斜面19的前端面与水平面之间的夹角为78°；便于安装和动力输出。

本实施例中，收缩充液管路12穿过缸体2的后壁、活塞15的后壁以及固定圆筒6的后壁伸入到固定圆筒6的中心腔内，收缩充液管路12的出口设置成三个圆柱形小喷嘴并通过三条软管9与液动肌肉4内部的三个液动肌腱7的圆柱形接口进行连接。

如图3所示，本实施例中，液动肌肉4是一个含有3个前端封闭、后端开口圆柱形的液动肌腱7的圆柱形弹性体，这3个圆柱形液动肌腱是环绕于液动肌肉4中心轴均匀排列的，以液动肌肉4的中心轴为圆心每隔120°放置一个液动肌腱7，另外每个液动肌腱7外部都缠绕着限位弹簧丝5，用来限制液动肌腱7径向的最大膨胀程度，使其不会由于因高压液压油引起的过度膨胀而破裂，液动肌肉4的前端面圆心处通过一个移动小拉杆18与传力斜面19的后端面铰接，如图1和图2所示，液动肌肉4的后端面圆心处通过一个固定小拉杆16与固定圆筒6后壁内表面的圆心处铰接，固定小拉杆16和固定圆筒6起到当液动肌肉4充液收缩时只对传力斜面19拉动产生位移的作用。第一液压泵21通过收缩充液管路12给3个圆柱形液动肌腱7进行充液后，这3个液动肌腱7会径向膨胀轴向收缩，这会使得包裹了三个液动肌腱7的液动肌肉4径向膨胀，轴向收缩，由于固定圆筒6通过固定小拉杆16给液动肌肉4的后端进行了固定，所以液动肌肉4轴向收缩的效果就会使得液动肌肉4的前端通过移动小拉杆18将传力斜面19向后拉动一段距离，同时传力斜面19还带动可伸缩圆环3向后移动，使可伸缩圆环3收缩到固定圆筒6中；响应快，柔顺性好，充分利用了圆柱形空间，整体结构紧凑，而且可使得可转动臂1收缩的角度得到主动控制，且收缩的速度更快。

如图5所示，本实施例中，限位装置包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的固定圆筒6，以及位于固定圆筒6的内壁前部且可沿固定圆筒6轴向前后伸缩的可伸缩圆环3，可伸缩圆环3可以从固定圆筒6前端开口伸出也可以收缩进固定圆筒6内，可伸缩圆环3前端面与传力斜面19的后端面焊接，传力斜面19前后运动的过程中，可伸缩圆环3也在固定圆筒6的壁内前后运动。此固定圆筒6后端面中心处与固定杆10的前端进行了焊接，固定杆10后端与缸体2后壁内表面中心处进行了焊接，因此固定圆筒6是与缸体2保持相对静止的。限位装置的作用是避免传力弹性体17受力后产生不必要的变形，使其变形后产生的力集中在轴向方向上。

本实施例中，仿蜘蛛一体化双向运动关节还包括两个液压泵，使用第二液压泵22给撑开充液管路13充、吸液压油，使用第一液压泵21给收缩充液管路12充、吸液压油，这两个液压泵构成的液压控制系统起到一个互锁的作用，将收缩关节动作与撑开关节动作分隔开，操作方便，提升了关节的撑开、收缩精度。

所述的活塞15与缸体2的接触部位设置有多个密封圈8，收缩充液管路12的与活塞15的接触部位设置有多个密封圈8，固定杆10与活塞15的接触部位设置有多个密封圈8，撑开充液管路13与缸体2的接触部位设置有多个密封圈8。

以上结合附图对本发明的结构原理进行了详细说明，下面将对本发明的工作原理进行说明：

在图1中，通过第二液压泵22给撑开充液管路13冲液时，充液腔14充满有一定压力的液压油，具有一定压力的液压油会推动活塞15移动到如图的位置，同时弹簧11会被拉长，弹簧11会产生一个预拉力，用于可转动臂1进行收缩动作时的辅助力，移动后的活塞15会挤压传力弹性体17，受到挤压的传力弹性体17会施加给传力斜面19一个推力，这个推力使传力斜面19产生位移，移动到如图1所示的位置，这个过程中传力斜面19会带动可伸缩圆环3从固定圆筒6中拉出，移动后的传力斜面19通过大拉杆20将可转动臂1转动到如图所示的位置，完成可转动臂1撑开的动作。

在图2中，使用第二液压泵22对撑开充液管路13吸油的同时启动第一液压泵21给收缩冲液管路12冲液，冲液后的三个液动肌腱7会径向膨胀轴向收缩，这使得液动肌肉4会径向膨胀后轴向收缩，液动肌肉4由于固定小拉杆16和固定圆筒6的作用，故其轴向的收缩动作会通过移动小拉杆18将传力斜面19拉回到如图2所示的位置，在传力斜面19被拉回的过程中会挤压传力弹性体17并带动可伸缩圆环3回到固定圆筒6的内壁中，活塞15由于传力弹性体17的推动以及弹簧11的拉动将运动到到如图2所示的位置，最终传力斜面19又通过大拉杆20将可转动臂1转动到如图2所示的位置，完成可转动臂1收缩的动作。

Claims (6)

1.仿蜘蛛一体化双向运动关节，包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的缸体(2)，其特征在于，缸体(2)外表面的前端与一个可转动臂(1)的一端铰接，缸体(2)内部从前至后依次设置有一个前端面为斜面的斜切圆柱结构的传力斜面(19)、一个由弹性材料制成的两端开口的中空的圆环形的传力弹性体(17)和一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的活塞(15)，传力斜面(19)、传力弹性体(17)和活塞(15)的外径与缸体(2)的内径相同，可转动臂(1)的中部通过一个大拉杆(20)与传力斜面(19)的前端面铰接，传力斜面(19)、传力弹性体(17)以及活塞(15)构成的圆柱形空腔内设置有一个限位装置，限位装置包括一个前端开口、后端封闭的中空的圆柱筒状的固定圆筒(6)，以及位于固定圆筒(6)内壁前部且可沿固定圆筒(6)轴向前后伸缩的可伸缩圆环(3)，可伸缩圆环(3)可以从固定圆筒(6)前端开口伸出也可以收缩进固定圆筒(6)内，可伸缩圆环(3)的前端面焊接在传力斜面(19)的后端面上，固定圆筒(6)的外径与传力弹性体(17)以及活塞(15)的内径相同，固定圆筒(6)后端面圆心处与一根固定杆(10)的前端焊接，固定杆(10)的后端穿过活塞(15)的后壁并焊接在缸体(2)后壁内表面的圆心处，固定圆筒(6)内设置有一个圆柱形的液动肌肉(4)，液动肌肉(4)的轴线与缸体(2)的轴线重合，液动肌肉(4)可在充入液体时沿轴向收缩并沿径向扩张，液动肌肉(4)的前端面圆心处通过一个移动小拉杆(18)与传力斜面(19)的后端面铰接，液动肌肉(4)的后端面圆心处通过一个固定小拉杆(16)与固定圆筒(6)后壁内表面的圆心处铰接，收缩充液管路(12)穿过缸体(2)的后壁、活塞(15)的后壁以及固定圆筒(6)的后壁伸入到固定圆筒(6)中，液动肌肉(4)通过多个软管(9)与收缩充液管路(12)的一端管口连接，活塞(15)的后端面与缸体(2)的内腔之间形成的腔体为充液腔(14)，充液腔(14)中有一个弹簧(11)套装在固定杆(10)外部，弹簧(11)的一端焊接在活塞(15)的后端面上，弹簧(11)的另一端焊接在缸体(2)的后壁内表面上，撑开充液管路(13)的一端管口穿过缸体(2)的后壁并伸入到充液腔(14)内，收缩充液管路(12)的另一端管口与一个第一液压泵(21)连接，撑开充液管路(13)的另一端管口与一个第二液压泵(22)连接；

所述的液动肌肉(4)内包裹有多个由弹性材质制成的、结构和尺寸均相同的液动肌腱(7)，液动肌腱(7)为一端开口另一端封闭的中空的圆柱状结构，收缩充液管路(12)的出口设置有三个圆柱形小喷嘴，每个液动肌腱(7)的开口均通过一个软管(9)与收缩充液管路(12)的一个圆柱形小喷嘴连接；

所述的活塞(15)与缸体(2)的接触部位设置有多个密封圈(8)。

2.根据权利要求1所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其特征在于，每个液动肌腱(7)的外部均缠绕有一根带有弹性的用于限制液动肌腱(7)径向扩张程度的限位弹簧丝(5)。

3.根据权利要求1所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其特征在于，所述的收缩充液管路(12)的与活塞(15)的接触部位设置有多个密封圈(8)。

4.根据权利要求1所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其特征在于，所述的固定杆(10)与活塞(15)的接触部位设置有多个密封圈(8)。

5.根据权利要求1所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其特征在于，所述的撑开充液管路(13)与缸体(2)的接触部位设置有多个密封圈(8)。

6.根据权利要求1所述的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其特征在于，当缸体(2)的轴线与水平面平行时，所述的传力斜面(19)的前端面与水平面之间的夹角为78°。