CN111283727B - 一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕，属于机器人驱动执行装置，用于机器人手腕部件和执行机构上；该手腕能够解决目前电机、液压和气压驱动的柔性关节体积大、柔性不足、位姿保持等问题；其结构特征在于手腕上、下法兰之间设有内弹性半球、球座、柔性轴向驱动器和人工肌肉等部件；手腕制动力由内弹性半球和球座之间的装配预紧力来决定；柔性手腕不工作时处于制动状态，可很好地保持不同载荷下机器人位姿；柔性轴向驱动器通入压力气体后，手腕可解除制动状态或根据需要调节制动力大小，该柔性手腕处于工作状态时具有俯仰、摆动两个自由度；本身具有柔性和过载保护功能。

Description

一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕

技术领域

本发明涉及一种用于机器人手臂上具有制动装置的气动柔性手腕。

背景技术

机器人技术在军事、智能制造、医疗和智能服务等领域应用广泛；柔性关节在解决机器人柔性运动、柔性抓取等方面具有重要作用，机器人手腕的柔性决定了手臂末端执行器的灵活性；目前机器人手腕的驱动方式主要有：电机驱动、液压驱动、气缸驱动和人工肌肉驱动等形式；应用电机驱动、液压驱动和气缸作为驱动方式的手腕，技术已成熟，且应用范围广，但其体积较大，手腕的柔性受到较大限制；人工肌肉柔性驱动性能较好，发展速度很快，本身不具有制动功能，难以实现腕部位姿保持；为满足机器人手臂的柔性搬运、仿生机械装置柔性驱动等领域的需求，亟待研制具有高度柔性并具有制动功能的柔性手腕。

发明内容

本发明目的是解决目前机器人手腕柔性不足和自制动技术问题，提供了一种具有空间位姿保持功能的机器人用自制动气动柔性手腕；该手腕由柔性驱动关节和制动装置组成，柔性驱动关节其特征在于手腕上、下法兰之间设有均匀分布的若干气动人工肌肉，柔性关节内设置弹性半球制动装置；弹性半球制动装置轴线位于手腕上、下法兰的几何中心连线；柔性手腕的下法兰设有螺纹连接孔，用螺栓固定圆周均布的四个气动人工肌肉；气动人工肌肉是由弹性气囊和径向约束元件等组成，可完成轴向驱动和变形，四个气动人工肌肉组合驱动可实现手腕关节俯仰、横摆两个自由度的运动；弹性半球制动装置是由调节垫片、固定螺栓、左、右半球座、内弹性半球、气动柔性轴向驱动器、楔形滑块、拉杆、滚轮构成；手腕下法兰几何中心位置留有螺纹孔，用螺栓固定弹性半球制动装置内弹性半球的底座，内弹性半球为花瓣状薄壁空心半球体，半球体上对称分布四个沟槽，构成花瓣状结构；内弹性半球的每个弹性花瓣上固定连接一个拉杆，拉杆端部装配有滚轮，滚轮装配在倒锥形楔形滑块的T型槽内，拉杆中心轴线与楔形滑块的中心轴线垂直；气动柔性轴向驱动器结构特征在于，驱动器上、下端盖之间设有弹性环形气囊，环形气囊中心轴线处设有导向轴；弹性环形气囊通入气体后，可沿导向轴轴向伸长；伸长量和驱动力取决于环形气囊通入的气体的压力；气动柔性轴向驱动器下端盖与内弹性半球内腔底部固接，并保证气动柔性轴向驱动器中心轴线与关节中心轴线重合；气动柔性轴向驱动器上端盖与倒锥形楔形滑块固定连接；楔形滑块锥面上均匀分布有四个T型槽，T型槽中心线与楔形滑块中心轴线成一定夹角；内弹性半球外侧装有球座，球座由左、右半球座组成；左、右半球座上设有调节垫片、固定螺栓；球座与内弹性半球为过盈配合，使球座和内弹性半球之间产生预紧力，该预紧力即为手腕关节的初始制动力；预紧力的大小可通过球座上调节垫片的厚度来调整；气动柔性轴向驱动器下端留有气体入口，当充入的气压增加时驱动气动柔性轴向驱动器轴向伸长变形；气动柔性轴向驱动器伸长形变时，推动楔形滑块沿气动柔性轴向驱动器的导向轴轴向移动，使楔形滑块T型槽内的滚子带动拉杆径向移动；此时内弹性半球花瓣状制动板径向收缩，内弹性半球与球座之间的摩擦力减小或减为零；球座与内弹性半球之间的预紧力减小，制动力降低；当气动柔性轴向驱动器轴向伸长到某一数值时，球座和内弹性半球相互分离，制动力为零，此时弹性球形制动装置处于工作状态，手腕可灵活动作；当手腕动作完成时，将气动柔性轴向驱动器输入压力降低为零，气动柔性轴向驱动器带动楔形滑块沿导向轴复位到初始位置；内弹性半球花瓣状制动板在其本身弹性作用下径向复位，使球座与内弹性半球之间恢复初始制动力，从而保持手腕的位姿状态稳定，并承受一定的载荷；柔性手腕工作过程中制动力根据需要也可进行调整，制动力大小取决于轴向驱动器的通入压力；本发明的优点在于体积小，关节灵活，具有位姿保持功能，制动力可灵活调节；制动装置作为柔性手腕关节的一部分，可提高柔性手腕刚度，使承载能力得到改善；使手腕接触不同负载时适应能力更强，动作更加稳定；在仿生机器人和特种装备等应用领域具有很大的推广应用价值，具有很好发展前景。

附图说明

图1为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕非工作状态总体结构剖面图；

图2为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕工作状态总体结构剖面图；

图3为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕爆炸示意图；

图4为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕轴测示意图；

图5为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕柔性轴向驱动器构成示意图；

图6为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕柔性轴向驱动器爆炸示意图；

图7为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕内弹性球示意图；

图8为一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕楔形滑块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述：

如图1所示，一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕，本发明设有手腕上法兰3、左半球座5、右半球座6、内弹性半球14、拉杆12、滚轮、楔形滑块11、柔性轴向驱动器13、人工肌肉16、手腕下法兰17及若干连接螺栓和螺母；将人工肌肉16在圆周方向均匀对称分布在手腕下法兰17上并用螺栓固定；内弹性半球14用螺栓固定在手腕下法兰17的几何中心位置上；使内弹性半球14的球心在手腕上、下法兰几何中心连线上；内弹性半球14内腔底部留有螺纹孔和通孔，螺纹孔用来固定柔性轴向驱动器13，使柔性轴向驱动器13的导向轴中心轴线与手腕上、下法兰几何中心连线重合；通气孔为柔性轴向驱动器13提供压力气体；楔形滑块11成倒锥形固定在柔性轴向驱动器13上端盖，使柔性轴向驱动器13中心轴轴线与楔形滑块11中心轴线重合，并且楔形滑块11上的T型槽对称线与内弹性球花瓣状制动板的对称线在同一平面内；拉杆11一端与内弹性半球14固定连接，另一端装有滚轮，滚轮装配在楔形滑块11的T型槽内，可沿T型槽滚动；拉杆11装配时保证拉杆11中心轴线与柔性轴向驱动器14中心轴线垂直；左半球座5、右半球座6、调节螺栓7、调节垫片8、固定螺栓组成球座；球座安装在内弹性半球14外侧，球座和内弹性半球14采用过盈配合装配；球座上的调节螺栓7、调节垫片8可调节球座和内弹性半球14之间的预紧力大小；球座装配时需保证左半球座5、右半球座6与内弹性半球14的球心重合；采用螺栓或胶粘等工艺将球座、人工肌肉16装配在手腕上法兰3上，保证手腕上法兰3和手腕下法兰17同轴；在手腕上法兰3和手腕下法兰17上留有螺纹孔，用于连接执行机构或机器人本体。

气动柔性轴向驱动器13上端盖13-9和下端盖13-2之间设有双层紧密排列串联的内滑环13-4、外动环13-7和相互嵌套的弹性管状元件13-5、13-6，两端盖之间还设有导向轴13-3；导向轴13-3中心轴线与上、下端盖中心连线重合，且双层紧密排列串联的内滑环13-4、外动环13-7形成的柱状体中心轴线与导向轴13-3中心轴线重合；导向轴13-3一端与下端盖13-2固接，另一端穿过上端盖13-9，起到导向的作用；上、下端盖与内外弹性管状元件13-5、13-6固接形成横截面是圆环状的密闭腔体；下端盖13-2设有流体流入口；内滑环13-4为圆环状，也可以是圆柱管状结构；外动环13-7为片状结构；外动环13-7形状内侧为圆环面，外动环13-7外侧形状具有多样性，如圆环面、圆柱面、正多边形等片状几何形状，可根据外部环境和配件外形设定外动环13-7形状；导向轴13-3应是刚性轴或刚性可伸缩轴套；内、外弹性管状元件13-5、13-6可采用大形变弹性材料制作；气体也可采用水、油等压力流体。

Claims (2)

1.一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕,其特征在于，手腕上法兰和下法兰几何中心连线上设有弹性半球制动装置，其周围均匀对称分布四个人工肌肉，四个气动人工肌肉组合驱动以使手腕关节俯仰、横摆两个自由度的运动；弹性半球制动装置由球座、内弹性半球、拉杆、滚轮、楔形滑块、柔性轴向驱动器组成；球座由对称形薄壁空心半球体状的左半球座、右半球座、调节垫片、调节螺栓组成；内弹性半球其结构为花瓣状薄壁空心半球体，半球体上对称分布的偶数个沟槽使内弹性半球球壁形成若干花瓣状制动板；球座包覆在内弹性半球外，球座与上法兰连接，内弹性半球与下法兰连接，球座、内弹性半球之间采用过盈配合进行装配，装配后球心重合，且球心位于手腕上、下法兰几何中心连线上；可通过调节垫片和调节螺栓调节球座与内弹性半球之间的预紧力；预紧力大小决定柔性手腕初始制动力和承载力；

其中，内弹性半球花瓣状制动板对称中线上设带有螺纹孔的凸台，用来安装拉杆；拉杆另一端连接滚轮，滚轮装配在楔形滑块的T型槽内，拉杆中心轴线垂直于手腕上、下法兰几何中心连线；楔形滑块为半圆锥体结构，在其锥体表面均匀分布有沿楔形滑块圆锥母线所开的T型槽，T型槽个数与内弹性半球花瓣状制动板个数相同；楔形滑块成倒锥状安装在气动柔性轴向驱动器上端盖，气动柔性轴向驱动器导向轴穿过楔形滑块中心孔，其中心轴线重合；气动柔性轴向驱动器下端盖固定在下弹性半球内腔底部，气动柔性轴向驱动器中心轴轴线与上法兰和下法兰几何中心连线重合；

气动柔性轴向驱动器下端留有气体入口，当充入的气压增加时驱动气动柔性轴向驱动器轴向伸长变形；气动柔性轴向驱动器伸长形变时，推动楔形滑块沿气动柔性轴向驱动器的导向轴轴向移动，使楔形滑块T型槽内的滚子带动拉杆径向移动；此时内弹性半球花瓣状制动板径向收缩，内弹性半球与球座之间的摩擦力减小或减为零；球座与内弹性半球之间的预紧力减小，制动力降低；当气动柔性轴向驱动器轴向伸长到某一数值时，球座和内弹性半球相互分离，制动力为零，此时弹性球形制动装置处于工作状态，手腕可灵活动作；当手腕动作完成时，将气动柔性轴向驱动器输入压力降低为零，气动柔性轴向驱动器带动楔形滑块沿导向轴复位到初始位置；内弹性半球花瓣状制动板在其本身弹性作用下径向复位，使球座与内弹性半球之间恢复初始制动力，从而保持手腕的位姿状态稳定，并承受一定的载荷。

2.按照权利要求1所述一种具有弹性半球制动装置的气动柔性手腕，其特征在于，气动柔性轴向驱动器上端盖和下端盖之间设有双层紧密排列串联的内滑环、外动环和相互嵌套的弹性管状元件，两端盖之间还设有导向轴；导向轴中心轴线与上、下端盖中心连线重合，且双层紧密排列串联的内滑环、外动环形成的柱状体中心轴线与导向轴中心轴线重合；导向轴一端与下端盖固接，另一端穿过上端盖，起到导向的作用；上、下端盖与内外弹性管状元件固接形成横截面是圆环状的密闭腔体；下端盖设有流体流入口；内滑环为圆环状；外动环为片状结构；外动环形状内侧为圆环面，外动环外侧形状可根据外部环境和配件外形设定；导向轴应是刚性轴或刚性可伸缩轴套；内、外弹性管状元件可采用大形变弹性材料制作。

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