CN110480668B - 一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构 - Google Patents

Abstract

本发明给出的一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，包括：三杆两关节机构、液压驱动锁紧机构、柔性连接机构；三杆两关节机构包括第一球头杆、第二球头杆以及球窝杆；球窝杆的两端分别设置有球窝A、球窝B；且球窝杆沿轴线设置球窝杆通孔；柔性连接机构包括第一柔性连接件、第二柔性连接件；第一球头杆的球头端能够与球窝A匹配，并通过第一柔性连接件连接形成第一球关节，第二球头杆的球头端能够与球窝B匹配，并通过第二柔性连接件连接形成第二球关节；液压驱动锁紧机构设置在球窝杆通孔中，包括第一活塞、第二活塞以及设置于第一活塞、第二活塞之间的油腔。该机构，具有柔性与刚性相结合的特点，结构紧凑，比体积条件下输出力大，动作灵活，可制造性强。

Description

一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构

技术领域

本发明为一种机器人手指机构，尤其涉及一种柔性连接与液压驱动的球头关节机构。

背景技术

机器人手指是机器人执行元件的末段机构，需求越来越灵活。每个手指要求有多个自由度，因此需要多个驱动装置，比较麻烦。并且手指驱动机构要求结构紧凑，有足够大的驱动力，同时，在受到冲击力或在弯曲过程中，连接结构之间还需要一定的柔性。所以，设计刚柔结合的关节手指机构至关重要。

目前，手指机构的柔性连接方式主要有两种：

一是手指关节处的柔性靠钢丝绳实现，将钢丝绳在其内部进行有规则的绕线和固定。在直线步进电机的驱动下，牵引和释放钢丝绳，在弹性扭簧和限位元件的配合下，完成手指的弯曲和伸展动作【《装备制造技术》2013年第2期《欠驱动机器人手指试实验平台的设计》】；

二是手指的柔性靠人工肌肉实现，人工肌肉是在气动驱动的作用下，通过橡胶气囊径向膨胀产生轴向收缩，实现关节的伸展和弯曲动作。并且通过控制气压可以控制关节的转向【《双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用》】。

但目前这些柔性手指关节机构都存在一些问题。例如，电机驱动的柔性手指机构，机构体积太大、结构复杂、很难模拟人手一些小关节的运动；气动驱动的柔性手指机构，驱动力太小，且气动驱动要有气囊，只有在机构很薄时，才能很好的伸缩，这样使得机构体积也变得很大，并且容易损坏。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，以解决手指关节的结构过大、手指关节的柔性及驱动力等问题。本发明柔性与刚性相结合的，结构紧凑，比体积条件下输出力大，动作灵活，可制造性强。同时，本发明所述的球头连接具有定向转动、摆动等优点，液压驱动具有驱动力大的优点，并且柔性连接可用无驱动的橡胶体，即柔性材料连接。在不加驱动时，该手指机构在柔性机构的阻尼作用下，可以保持一个固定的位置，在加驱动后，关节机构变形并锁紧，使手指发生弯曲。所以，该手指关节机构在机械机构、液压机构及柔性机构的共同作用下，实现手指伸曲运动。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，包括：三杆两关节机构、液压驱动锁紧机构、柔性连接机构；其中：

所述的三杆两关节机构，包括两球头杆以及位于两球头杆之间的球窝杆，所述的两球头杆分别为第一球头杆、第二球头杆；

球窝杆的两端均设置有球窝，分别为球窝A、球窝B；且球窝杆沿轴线设置球窝杆通孔，该球窝杆通孔的两端分别与球窝A、球窝B连通；

柔性连接机构包括第一柔性连接件、第二柔性连接件；

第一球头杆的球头端能够与球窝A匹配，并通过第一柔性连接件连接形成第一球关节，第二球头杆的球头端能够与球窝B匹配，并通过第二柔性连接件连接形成第二球关节；

液压驱动锁紧机构设置在球窝杆通孔中，包括第一活塞、第二活塞以及设置于第一活塞、第二活塞之间的油腔；第一活塞的一端与油腔密封连接，另一端则具有与第一球头杆的球头端上所设置的锥面凹槽a匹配的活塞锥面端a，第二活塞的一端与油腔密封连接，另一端则具有与第二球头杆的球头端所设置的锥面凹槽b匹配的活塞锥面端b；而油腔通过柔性油管与液压油连接。

进一步地，第二活塞沿着轴线贯穿设置有活塞通孔；而第二球头杆则设置有球头杆通孔；

球头杆通孔的一端通过第二球头杆的锥面凹槽b与活塞通孔的一端连通，球头杆通孔的另一端则贯穿第二球头杆设置；而活塞杆通孔的另一端则通过孔径增大的扩孔与油腔连通；

柔性油管沿着球头杆通孔、活塞通孔布置，并与扩孔连通。

进一步地，第一球头杆的球头端位于球窝A内并与球窝A的外形匹配；而第二球头杆的球头端则位于球窝B内并与球窝B的外形匹配。

进一步地，所述的第一活塞、第二活塞的结构一致，均为三段式结构，包括密封端、活塞锥面端以及处于密封端与活塞锥面端之间的圆柱段；同时第一活塞、第二活塞中，仅第二活塞沿着轴线贯穿设置有活塞通孔；第一活塞的活塞锥面端即为所述的活塞锥面端a，与第一球头杆的球头端相邻，而第一活塞的密封端与球窝杆通孔的内壁密封连接，而第一活塞的圆柱段外围套接弹簧a，弹簧a的一端与第一活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔邻近于第一球头杆的端部的内壁设置的螺纹套a 的端面相触；第二活塞的活塞锥面端即为所述的活塞锥面端b，与第二球头杆的球头端相邻，第二活塞的密封端与球窝杆通孔密封连接，而第二活塞的圆柱段外围套接弹簧b，弹簧b的一端与第二活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔邻近于第二球头杆的端部的内壁设置的螺纹套b的端面相触；

第一活塞的密封端、第二活塞的密封端与球窝杆通孔的孔壁一起围合形成油腔。

进一步地，所述的第一柔性连接件为第一橡胶体，第二柔性连接件为第二橡胶体；

第一橡胶体、第二橡胶体均为两端敞口设置的空囊状球形结构，第一橡胶体、第二橡胶体的两个敞口端分别为敞口端a、敞口端b；

第一橡胶体的敞口端a嵌装在第一球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽a内，第一橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝A设置的环形凹槽b内；第二橡胶体的敞口端a嵌装在第二球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽c内，第二橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝B设置的环形凹槽d内。

本发明在实施过程中，首先，进行装配准备，将上活塞、下活塞、弹簧放入球窝杆通孔中，将螺纹套通过螺纹配合固定在球窝杆的球窝杆通孔端部，确定上活塞、下活塞的初始位置，将上球头杆、下球头杆与分别球窝杆配合，将橡胶体的端部与球头杆的环形凹槽及球窝杆的环形凹槽弹性紧固连接；然后，向柔性油管中通入液压油，液压油流经下活塞通孔后流入球窝杆通孔的油腔中；最后，在液压油的压力作用下，推动上活塞、下活塞在球窝杆通孔内上下移动，在上活塞的活塞锥面端与上球头杆内侧锥面凹槽的配合及下活塞的活塞锥面端与下球头杆内侧锥面凹槽的配合下，关节机构变形并锁紧，实现手指的弯曲。当液压油卸载后，上活塞、下活塞会在弹簧作用下恢复到初始位置，上球头杆、下球头杆会在橡胶体的作用下恢复到初始位置，三杆伸直。

本发明与现有发明相比，具有以下优点：本发明的一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，球头连接具有定向转动、摆动等优点，液压驱动具有驱动力大的优点，并且该球头关节手指机构采用柔性连接，在冲击作用下，对机构损坏小，该手指机构在不加驱动时，可以保持一个固定的位置，在加驱动后，关节机构变形并锁紧，实现手指机构伸曲。同时，该手指机构具有柔性与刚性相结合的特点，结构紧凑，比体积条件下输出力大，动作灵活，可制造性强。

附图说明

图1，柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构结构原理示意图；

图2，通油前后对比示意图；

图3，橡胶体与上球头杆连接处结构示意图；

图4，下活塞三维结构图(剖切去除1/4)；

图5，下球头三维结构图(剖切去除1/2)；

图中，1-上球头杆、2-橡胶体、3-球窝杆、4-上活塞、5-螺纹套、6-弹簧、7-活塞密封圈、8-密封接头、9-柔性油管、10-下活塞、11-下球头杆、12-环形凹槽a、13-锥面凹槽、14-活塞锥面端、15-螺纹配合、16-球窝杆通孔、17-油腔、18-活塞通孔、19-过渡孔、20-球头杆通孔。

具体实施方式

以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至5所示，本发明所述的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，包括：三杆两关节机构、液压驱动锁紧机构、柔性连接机构；其中：

所述的三杆两关节机构，包括两球头杆(上球头杆1、下球头杆11)以及位于两球头杆之间的球窝杆3，所述的两球头杆分别为第一球头杆、第二球头杆；

第一球头杆、第二球头杆均为一端设置有球头的杆件，且第一球头杆的球头端、第二球头杆的球头端均设置有锥面凹槽13，同时第二球头杆设置有球头杆通孔20，该球头杆通孔的一端与第二球头杆的锥面凹槽13的窄端连通，另一端则贯穿第二球头杆设置；另外，本实施例中，球头杆通孔20与锥面凹槽13的窄端之间设置有过渡孔。

球窝杆的两端均设置有球窝，分别为球窝A、球窝B；且球窝杆沿轴线设置球窝杆通孔16，该球窝杆通孔的两端分别与球窝A、球窝B连通；

第一球头杆的球头端位于球窝A内并与球窝A的外形匹配；而第二球头杆的球头端则位于球窝B 内并与球窝B的外形匹配；

所述的液压驱动锁紧机构，如图1至3所示，包括第一活塞(上活塞4)、第二活塞(下活塞10) 以及柔性油管9；第一活塞、第二活塞均位于球窝杆通孔内并依次设置在第一球窝杆的球头与第二球窝杆的球头之间，且第一活塞与第二活塞之间存在间距；

所述的第一活塞、第二活塞的结构一致，均为三段式结构，包括密封端10-1、活塞锥面端10-3 以及处于密封端与活塞锥面端之间的圆柱段10-2；同时第一活塞、第二活塞中，仅第二活塞沿着轴线贯穿设置有活塞通孔18，所述活塞通孔一端与球窝杆通孔连通，另一端则设置成孔径增大的扩孔；

第一活塞的活塞锥面端与第一球头杆的球头端相邻，而第一活塞的密封端与球窝杆通孔的内壁密封连接，即在第一活塞的密封端与球窝杆通孔间装有活塞密封圈，以实现两者的密封，而第一活塞的圆柱段外围套接弹簧a，弹簧a的一端与第一活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔的内壁设置的螺纹套a端面相触；第二活塞的活塞锥面端与第二球头杆的球头端相邻，第二活塞的密封端与球窝杆通孔邻近于第一球头杆的端部内壁密封连接，即在第二活塞的密封端与球窝杆通孔间装有活塞密封圈，以实现两者的密封，而第二活塞的圆柱段外围套接弹簧b，弹簧b的一端与第二活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔邻近于第二球头杆的端部的内壁设置的螺纹套b端面相触；

第一活塞的密封端、第二活塞的密封端与球窝杆通孔的孔壁一起围合形成油腔；

所述的柔性连接机构，包括第一柔性连接件，第二柔性连接件，均采用橡胶制成，为一橡胶体2，也可以采用其他的弹性材料制成。为便于说明，本发明所述的第一柔性连接件为第一橡胶体，第二柔性连接件为第二橡胶体；第一橡胶体、第二橡胶体均为两端敞口设置的空囊状球形结构，第一橡胶体、第二橡胶体的两个敞口端分别为敞口端a、敞口端b；

第一橡胶体的敞口端a嵌装在第一球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽a12内，第一橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝A设置的环形凹槽b内；第二橡胶体的敞口端a嵌装在第二球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽c内，第二橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝B设置的环形凹槽d内。

综上所述，可知本发明中，第一球头杆的球头端能够与球窝A匹配，并通过第一柔性连接件(第一橡胶体)连接形成第一球关节，第二球头杆的球头端能够与球窝B匹配，并通过第二柔性连接件(第二橡胶体)连接形成第二球关节。第一\第二橡胶体使两杆(球头杆与球窝杆)之间有摆动阻尼。无驱动时，机构保持在一个常态下，当摆动时，橡胶体可以拉伸，它的驱动摆动是由中间的液压驱动锁紧机构完成，中间的液压供油是由中间的管路实现的。当不工作时，活塞收入中间的油腔，三杆伸直；当工作时，两个活塞推出，实现手指机构弯曲。

柔性油管沿着球头杆通孔、活塞通孔布置，且在活塞通孔与柔性油管之间用密封接头连接，使得柔性软管与油腔连通。

附图所述的球头关节手指机构为立式结构，因此，以附图所示方向为准，所述的第一活塞为上活塞，所述的第二活塞为下活塞，所述第一球头杆为上球头杆，所述的第二球头杆为下球头杆。在实施过程中，首先，进行装配准备，将上活塞4、下活塞10、弹簧6放入球窝杆通孔16中，将螺纹套5 通过螺纹配合15固定在球窝杆3的球窝杆通孔16端部，确定上活塞4、下活塞10的初始位置，将上球头杆1、下球头杆11与分别球窝杆3配合，将橡胶体2的端部分别与上球头杆的环形凹槽12及球窝杆的环形凹槽弹性紧固连接；然后，向柔性油管9中通入液压油，液压油流经下活塞通孔18后流入球窝杆通孔16的油腔17中；最后，在液压油的压力作用下，推动上活塞4、下活塞10在球窝杆通孔16内上下移动，在上活塞4的活塞锥面端14与上球头杆1内侧锥面凹槽13的配合及下活塞10的活塞锥面端10-3与下球头杆11内侧锥面凹槽的配合下，关节机构变形并锁紧，实现手指的弯曲。当液压油卸载后，上活塞4、下活塞10会在弹簧6作用下恢复到初始位置，上球头杆1、下球头杆11 会在橡胶体2的作用下恢复到初始位置，三杆伸直。

本发明的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，可以通过改变液压油压力、改变锥面凹槽的角度来改变手指弯曲的角度。具体地，无驱动时，机构保持在一个常态下，当摆动时，橡胶体可以拉伸，它的驱动摆动是由中间的液压驱动锁紧机构完成，中间的液压供油是由中间的管路(进油管路) 实现的。当不工作时，活塞收入中间的油腔，三杆伸直；当工作时，两个活塞推出，实现手指机构弯曲。

Claims (5)

1.一种柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，其特征在于，包括：三杆两关节机构、液压驱动锁紧机构、柔性连接机构；其中：

所述的三杆两关节机构，包括两球头杆以及位于两球头杆之间的球窝杆，所述的两球头杆分别为第一球头杆、第二球头杆；

球窝杆的两端均设置有球窝，分别为球窝A、球窝B；且球窝杆沿轴线设置球窝杆通孔，该球窝杆通孔的两端分别与球窝A、球窝B连通；

柔性连接机构包括第一柔性连接件、第二柔性连接件；

第一球头杆的球头端能够与球窝A匹配，并通过第一柔性连接件连接形成第一球关节，第二球头杆的球头端能够与球窝B匹配，并通过第二柔性连接件连接形成第二球关节；

液压驱动锁紧机构设置在球窝杆通孔中，包括第一活塞、第二活塞以及设置于第一活塞、第二活塞之间的油腔；第一活塞的一端与油腔密封连接，另一端则具有与第一球头杆的球头端上所设置的锥面凹槽a匹配的活塞锥面端a，第二活塞的一端与油腔密封连接，另一端则具有与第二球头杆的球头端所设置的锥面凹槽b匹配的活塞锥面端b；而油腔通过柔性油管与液压油连接。

2.根据权利要求1所述的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，其特征在于，第二活塞沿着轴线贯穿设置有活塞通孔；而第二球头杆则设置有球头杆通孔；

球头杆通孔的一端通过第二球头杆的锥面凹槽b与活塞通孔的一端连通，球头杆通孔的另一端则贯穿第二球头杆设置；而活塞杆通孔的另一端则通过孔径增大的扩孔与油腔连通；

柔性油管沿着球头杆通孔、活塞通孔布置，并与扩孔连通。

3.根据权利要求1所述的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，其特征在于，第一球头杆的球头端位于球窝A内并与球窝A的外形匹配；而第二球头杆的球头端则位于球窝B内并与球窝B的外形匹配。

4.根据权利要求1所述的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，其特征在于，所述的第一活塞、第二活塞的结构一致，均为三段式结构，包括密封端、活塞锥面端以及处于密封端与活塞锥面端之间的圆柱段；同时第一活塞、第二活塞中，仅第二活塞沿着轴线贯穿设置有活塞通孔；第一活塞的活塞锥面端即为所述的活塞锥面端a，与第一球头杆的球头端相邻，而第一活塞的密封端与球窝杆通孔的内壁密封连接，而第一活塞的圆柱段外围套接弹簧a，弹簧a的一端与第一活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔邻近于第一球头杆的端部的内壁设置的螺纹套a的端面相触；第二活塞的活塞锥面端即为所述的活塞锥面端b，与第二球头杆的球头端相邻，第二活塞的密封端与球窝杆通孔密封连接，而第二活塞的圆柱段外围套接弹簧b，弹簧b的一端与第二活塞的密封端相触，另一端则与球窝杆通孔邻近于第二球头杆的端部的内壁设置的螺纹套b的端面相触；

第一活塞的密封端、第二活塞的密封端与球窝杆通孔的孔壁一起围合形成油腔。

5.根据权利要求1所述的柔性连接与液压驱动的球头关节手指机构，其特征在于，所述的第一柔性连接件为第一橡胶体，第二柔性连接件为第二橡胶体；

第一橡胶体、第二橡胶体均为两端敞口设置的空囊状球形结构，第一橡胶体、第二橡胶体的两个敞口端分别为敞口端a、敞口端b；

第一橡胶体的敞口端a嵌装在第一球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽a内，第一橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝A设置的环形凹槽b内；第二橡胶体的敞口端a嵌装在第二球头杆上邻近于自身球头端设置的环形凹槽c内，第二橡胶体的敞口端b则嵌装在球窝杆上邻近于自身的球窝B设置的环形凹槽d内。

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