CN112338958A - 基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，包括扭转关节外壳、扭转关节内壳和内置气路，扭转关节外壳和扭转关节内壳均为圆柱筒结构，扭转关节外壳与扭转关节内壳同轴安装，且所述扭转关节外壳和扭转关节内壳相对转动设置；在扭转关节外壳和扭转关节内壳之间固定若干组逆向分布的气囊组和若干组顺向分布的气囊组，内置气路安装在扭转关节内壳与扭转关节外壳的内部的通孔中，所有逆向分布的气囊和所有顺向分布的气囊分别连接一内置气路，分布方向一致的气囊同时充气产生形变，实现扭转关节内壳与扭转关节外壳之间的相对转动。本发明利用气囊充气变形触发扭转关节内外壳之间转动，具有低触发、低冲击、高柔性的特点。

Description

基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节

技术领域

本发明属于柔性机器人领域，尤其是涉及一种基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节。

背景技术

传统机械结构中转动关节一般由电机驱动，具有较好的控制精度，但是微型伺服控制电机的成本较高，且需要安装轴承与涂抹润滑油，会对机构产生一定污染。传统机械结构中的转动关节通常具备较高的刚度，但是无法很好抵抗转动过程中的振动现象。本发明所述基于气囊充气致动的柔性扭转关节，在运动上具有较好的柔性，能够实现连接与扭转的功能。气囊柔性连接赋予扭转关节很强的运动适应性，能够减缓转动过程中的振动现象，具有广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，利用气囊充气变形触发扭转关节内外壳之间转动，提供一种低触发、低冲击、高柔性的双向连接转动关节，以满足软体机器人结构之间的连接、扭转需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，包括若干组逆向分布的气囊组、扭转关节外壳、若干组顺向分布的气囊组、扭转关节内壳和内置气路，所述的扭转关节外壳和扭转关节内壳均为圆柱筒结构，所述的扭转关节外壳与扭转关节内壳同轴安装，且所述扭转关节外壳和扭转关节内壳相对转动设置；

在扭转关节外壳和扭转关节内壳之间固定若干组逆向分布的气囊组和若干组顺向分布的气囊组，所述的逆向分布的气囊组包括若干个逆向分布的气囊，每个逆向分布的气囊组的若干个逆向分布的气囊沿周向分布，若干组逆向分布的气囊组沿轴向布置，所述的顺向分布的气囊组包括若干个顺向分布的气囊7，每个顺向分布的气囊组的若干个顺向分布的气囊沿周向分布，若干组顺向分布的气囊组沿轴向布置，同一圆周处的若干顺向分布的气囊和若干逆向分布的气囊交错布置；

所述内置气路安装在扭转关节内壳与扭转关节外壳的内部的通孔中，所有逆向分布的气囊和所有顺向分布的气囊分别连接一内置气路，分布方向一致的气囊同时充气或放气，分布方向一致的气囊同时充气产生形变，实现扭转关节内壳与扭转关节外壳之间的相对转动。

进一步的，在扭转关节外壳的一端开设连接螺纹孔，在扭转关节内壳的远离连接螺纹孔的一端设有内壳连接螺柱，内壳连接螺柱伸出扭转关节外壳布置，其中一个气动扭转关节通过安装在扭转关节内壳上的连接螺柱与另一个气动扭转关节的扭转关节外壳上的连接螺纹孔配合，实现多个气动扭转关节的拼接。

进一步的，在扭转关节外壳的连接螺纹孔位置处及在扭转关节内壳的内壳螺柱位置处均开有一防转动销孔，拼接后的两个气动扭转关节，扭转关节外壳和扭转关节内壳上的防转动销孔对齐，在对齐的防转动销孔中配合一防止拼接的气动扭转关节的转动的销子。

进一步的，在扭转关节外壳上开设有环形凹槽，在扭转关节内壳上设有环形凸起，通过环形凸起与环形凹槽相互配合实现扭转关节外壳和扭转关节内壳的转动连接。

进一步的，每个气囊连接一根分内置气路，与分布方向一致的气囊连通的所有分内置气路汇流至相应的内置气路。

进一步的，每一所述逆向分布的气囊组至少包括三个逆向分布的气囊，每一所述顺向分布的气囊组至少包括三个顺向分布的气囊。

进一步的，每个气囊包括气囊本体和两个气囊固定端，两个气囊固定端分别固定在气囊本体的两端，通过两个气囊固定端分别与扭转关节内壳和扭转关节外壳连接，且在与扭转关节内壳固定的气囊固定端上开设有与气囊本体内部连通的充气口。

进一步的，所述气囊本体由编织网制成，且在气囊外缠绕有螺旋线。

进一步的，每个气囊的两端直接粘接在扭转关节内壳的外壁与扭转关节外壳的内壁上。

进一步的，在所述环形凹槽表面涂覆自润滑材料。

相对于现有技术，本发明所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节具有以下优势：

1.传统的机械转动一般需要外接电机并辅助滑动轴承与转动轴承来实现，本发明所述气囊充气致动的模块化柔性扭转关节在转动原理上实现了创新，能够独立完成连接、扭转动作并维持刚度保证稳定性，无须电机驱动，使结构简单，质量低，启动压力小，无润滑油污染、安装简单。

2.本发明所述气囊充气致动的模块化柔性扭转关节具有重复可拼接性，多个扭转关节扭转角度可以实现累加，角度可控。

3.本发明所述气囊充气致动的模块化柔性扭转关节具备一定柔性，能够实现柔性连接，具有高缓冲，抵抗震动的效果。

4.气囊充气致动触发内壳与外壳之间相对转动，实现所连接两端机构之间的扭转。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于气囊充气致动的模块化柔性扭转关节立体结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为本发明所述的一种基于气囊充气致动的模块化柔性扭转关节中的气囊充气前示意图；

图4为本发明所述的一种基于气囊充气致动的模块化柔性扭转关节中的气囊充气后示意图；

图5为本发明所述的一种基于气囊充气致动的模块化柔性扭转关节致动原理扭转示意图；

图6为本发明所述的多个柔性扭转关节的拼接示意图。

附图标记说明：

1-逆向分布的气囊；2-扭转关节外壳；3-防转动销孔；4-内置气路；5-连接螺纹孔；6-扭转关节内壳；7-顺向分布的气囊；8-内壳连接螺柱；9-充气口，10-气囊本体，11-气囊固定端，12-分内置气路，13-环形凸起，14-通孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图6所示，基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，包括若干组逆向分布的气囊组、扭转关节外壳2、若干组顺向分布的气囊组、扭转关节内壳6和内置气路4，所述的扭转关节外壳2和扭转关节内壳6均为圆柱筒结构，所述的扭转关节外壳2与扭转关节内壳6同轴安装，且所述扭转关节外壳2和扭转关节内壳6相对转动设置；

在扭转关节外壳2和扭转关节内壳6之间固定若干组逆向分布的气囊组和若干组顺向分布的气囊组，所述的逆向分布的气囊组包括若干个逆向分布的气囊1，每个逆向分布的气囊组的若干个逆向分布的气囊沿周向分布，若干组逆向分布的气囊组沿轴向布置，所述的顺向分布的气囊组包括若干个顺向分布的气囊7，每个顺向分布的气囊组的若干个顺向分布的气囊7沿周向分布，若干组顺向分布的气囊组沿轴向布置，同一圆周处的若干顺向分布的气囊7和若干逆向分布的气囊1交错布置；

所述内置气路4安装在扭转关节内壳2与扭转关节外壳6的内部的通孔14中，所有逆向分布的气囊1和所有顺向分布的气囊7分别连接一内置气路4，分布方向一致的气囊同时充气或放气，分布方向一致的气囊同时充气产生形变，实现扭转关节内壳2与扭转关节外壳6之间的相对转动，进而实现扭转关节所连接的两端机构之间的相对转动。

在扭转关节外壳2的一端开设连接螺纹孔5，螺纹孔5与通孔14连通，在扭转关节内壳6的远离连接螺纹孔的一端设有内壳连接螺柱8，内壳连接螺柱8伸出扭转关节外壳2布置，其中一个气动扭转关节通过安装在扭转关节内壳6上的连接螺柱8与另一个气动扭转关节的扭转关节外壳2上的连接螺纹孔5配合；在扭转关节外壳2的连接螺纹孔5位置处及在扭转关节内壳6的内壳螺柱8位置处均开有一防转动销孔3，拼接后的两个气动扭转关节，扭转关节外壳2和扭转关节内壳6上的防转动销孔对齐，在对齐的防转动销孔3中配合一防止拼接的气动扭转关节的转动的销子，实现多个气动扭转关节的拼接，以及扭转角度的累加。

在扭转关节外壳2上开设有环形凹槽，在扭转关节内壳6上设有环形凸起13，通过环形凸起13与环形凹槽相互配合实现扭转关节外壳2和扭转关节内壳6的转动连接。

每个气囊连接一根分内置气路12，与分布方向一致的气囊连通的所有分内置气路汇流至相应的内置气路。

每一所述逆向分布的气囊组至少包括三个逆向分布的气囊1，每一所述顺向分布的气囊组至少包括三个顺向分布的气囊7。

所有的气囊的结构都是相同的，每个气囊包括气囊本体10和两个气囊固定端11，两个气囊固定端11分别固定在气囊本体10的两端，通过两个气囊固定端11分别与扭转关节内壳6和扭转关节外壳2连接，且在与扭转关节内壳6固定的气囊固定端上开设有与气囊本体10内部连通的充气口1。

所述气囊本体10由编织网制成，且在气囊外缠绕有螺旋线，保证气囊只能够轴向伸长且所伸长的长度一定。当气囊1、7充气变形达到限定长度，继续充气能够增加气囊的刚度，保持气动扭转关节转动后的稳定性。

每个气囊的两端直接粘接在扭转关节内壳6的外壁与扭转关节外壳2的内壁上。所述气动扭转关节内壳与气动扭转关节外壳分别与所连接机构通过螺纹连接与固定销配合锁紧。

在所述环形凹槽表面涂覆自润滑材料，能够使得接触摩擦力较小，保证扭转内壳与扭转外壳之间可以实现一定范围的相对转动，自润滑材料是一种现有材料，例如：石墨或其他现有材料，在此不再赘述。

扭转关节的连接作用通过扭转关节外壳2与扭转关节内壳6分别与需要被连接的结构通过螺纹连接实现连接锁紧。扭转关节的转动是通过逆向分布的气囊1或者顺向分布的气囊7充气产生形变来实现，通过对一组气囊同时充气，实现扭转方向的控制，例如图5中，扭转关节外壳2与扭转关节内壳6均安装好，扭转关节外壳2所连接的一端为固定端，不发生转动行为，而扭转关节内壳6所连接一端为转动端，发生转动行为，打开与顺向分布的气囊7相连的内置气路4上的气阀(不在本扭转关节内)，同时给所有顺向分布的气囊7充气，使其产生形变，由于扭转关节外壳2固定，所以顺向分布的气囊7带动扭转关节内壳6按顺时针方向旋转一定角度△α。反之打开所有与逆向分布的气囊1连接的内置气路4上的气阀，同时给所有逆向分布的气囊1充气，产生变形，由于扭转关节外壳2固定，所以逆向分布的气囊1带动扭转关节内壳6按照逆时针方向旋转一定角度。若扭转关节内壳6连接固定端，扭转关节外壳2连接转动端，则全部逆向分布的气囊1充气后带动扭转关节外壳2按照顺时针方向转动，全部顺向分布的气囊7充气后带动扭转关节外壳2按照逆时针方向转动。

本申请分别对模块化扭转关节中的两类气囊充放气，使气囊的直线运动转变为关节内外壳之间的相对转动，提供一种低冲击、柔性转动关节，满足特定气动柔性应用场景的需求。

转动关节是基于沿转动关节内壳与外壳之间成一定角度排列的圆周阵列分布的气囊充气膨胀进行转动。气囊两端分别与转动关节内壳与外壳固连，气囊充气膨胀产生的沿气囊轴线的径向位移，因受到转动关节内壳与外壳之间固定距离的限制，两类气囊膨胀伸长后使得转动关节内壳与外壳之间沿排布方向产生顺时针转动或逆时针转动，提供了扭转力，有效实现连接、扭转的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：包括若干组逆向分布的气囊组、扭转关节外壳(2)、若干组顺向分布的气囊组、扭转关节内壳(6)和内置气路(4)，所述的扭转关节外壳(2)和扭转关节内壳(6)均为圆柱筒结构，所述的扭转关节外壳(2)与扭转关节内壳(6)同轴安装，且所述扭转关节外壳(2)和扭转关节内壳(6)相对转动设置；

在扭转关节外壳(2)和扭转关节内壳(6)之间固定若干组逆向分布的气囊组和若干组顺向分布的气囊组，所述的逆向分布的气囊组包括若干个逆向分布的气囊(1)，每个逆向分布的气囊组的若干个逆向分布的气囊沿周向分布，若干组逆向分布的气囊组沿轴向布置，所述的顺向分布的气囊组包括若干个顺向分布的气囊(7)，每个顺向分布的气囊组的若干个顺向分布的气囊(7)沿周向分布，若干组顺向分布的气囊组沿轴向布置，同一圆周处的若干顺向分布的气囊(7)和若干逆向分布的气囊(1)交错布置；

所述内置气路(4)安装在扭转关节内壳(2)与扭转关节外壳(6)的内部的通孔中，所有逆向分布的气囊(1)和所有顺向分布的气囊(7)分别连接一内置气路(4)，分布方向一致的气囊同时充气或放气，分布方向一致的气囊同时充气产生形变，实现扭转关节内壳(2)与扭转关节外壳(6)之间的相对转动。

2.根据权利要求1所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：在扭转关节外壳(2)的一端开设连接螺纹孔(5)，在扭转关节内壳(6)的远离连接螺纹孔的一端设有内壳连接螺柱(8)，内壳连接螺柱(8)伸出扭转关节外壳(2)布置，其中一个气动扭转关节通过安装在扭转关节内壳(6)上的连接螺柱(8)与另一个气动扭转关节的扭转关节外壳(2)上的连接螺纹孔(5)配合，实现多个气动扭转关节的拼接。

3.根据权利要求2所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：在扭转关节外壳(2)的连接螺纹孔(5)位置处及在扭转关节内壳(6)的内壳螺柱(8)位置处均开有一防转动销孔(3)，拼接后的两个气动扭转关节，扭转关节外壳(2)和扭转关节内壳(6)上的防转动销孔对齐，在对齐的防转动销孔(3)中配合一防止拼接的气动扭转关节的转动的销子。

4.根据权利要求1所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：在扭转关节外壳(2)上开设有环形凹槽，在扭转关节内壳(6)上设有环形凸起，通过环形凸起与环形凹槽相互配合实现扭转关节外壳(2)和扭转关节内壳(6)的转动连接。

5.根据权利要求1所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：每个气囊连接一根分内置气路，与分布方向一致的气囊连通的所有分内置气路汇流至相应的内置气路。

6.根据权利要求1所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：每一所述逆向分布的气囊组至少包括三个逆向分布的气囊(1)，每一所述顺向分布的气囊组至少包括三个顺向分布的气囊(7)。

7.根据权利要求1-8中任一项所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：每个气囊包括气囊本体(10)和两个气囊固定端(11)，两个气囊固定端(11)分别固定在气囊本体(10)的两端，通过两个气囊固定端(11)分别与扭转关节内壳(6)和扭转关节外壳(2)连接，且在与扭转关节内壳(6)固定的气囊固定端上开设有与气囊本体(10)内部连通的充气口(1)。

8.根据权利要求7所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：所述气囊本体(10)由编织网制成，且在气囊外缠绕有螺旋线。

9.根据权利要求1-6中的任一项所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：每个气囊的两端直接粘接在扭转关节内壳(6)的外壁与扭转关节外壳(2)的内壁上。

10.根据权利要求4所述的基于气囊充放气致动的模块化柔性扭转关节，其特征在于：在所述环形凹槽表面涂覆自润滑材料。

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