CN112692872B - 一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节 - Google Patents

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Abstract

一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，属于机器人技术领域。本发明解决了现有的柔性机器人的脊柱关节刚性较小、承载能力差的问题。第一脊柱与第二脊柱之间通过若干气缸首尾对接，若干所述气缸相互平行布置，且每个气缸的缸体一端均与第一脊柱的端部铰接，每个气缸的活塞杆一端均与第二脊柱的端部铰接，气缸中位于活塞两侧的腔室分别通过气管与外部气源连接。本申请可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换。通过调节各活塞杆两侧的气压，从而实现关节的锁定。由于气缸的活塞所受的轴向力与气缸的缸体中通入的气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。本申请的脊柱关节可实现非常大的刚度及承载能力。

Description

一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节
技术领域
本发明涉及一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，属于机器人技术领域。
背景技术
柔性机器人由于其本身良好的柔顺结构、灵活连续的变形特性以及极高的安全性和环境适应性，使其在医疗康复、抢险救灾、资源勘测、管路检测以及军事侦查中有着巨大的应用潜力。但是柔性机器人由于刚性较小、承载能力差等问题，导致其应用具有很大的局限性。为了提高柔性机器人的刚度和承载能力，扩展其应用范围，柔性机器人的变刚度问题一度成为研究的热点。
发明内容
本发明是为了解决现有柔性机器人的脊柱关节刚性较小、承载能力差的问题，进而提供了一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，它包括结构相同的第一脊柱和第二脊柱，其中第一脊柱与第二脊柱之间通过若干气缸首尾对接，若干所述气缸相互平行布置，且每个气缸的缸体一端均与第一脊柱的端部铰接，每个气缸的活塞杆一端均与第二脊柱的端部铰接，气缸中位于活塞两侧的腔室分别通过气管与外部气源连接。
进一步地，气缸的缸体与第一脊柱之间以及气缸的活塞杆与第二脊柱之间均通过球铰连接。
进一步地，所述第一脊柱结构包括脊柱主体及对称布置在脊柱主体两端部的两组安装组件，其中安装组件包括沿脊柱主体周向布置的若干安装块，每个安装块上均加工有球窝，气缸与安装块之间通过球窝及球头实现球铰连接，第一脊柱与第二脊柱的结构相同。
进一步地，每组安装组件中安装块的数量均与气缸的数量相同。
进一步地，所述脊柱主体包括第一圆柱段及同轴固装在第一圆柱段两端的两个第二圆柱段，其中第一圆柱段的直径小于第二圆柱段的直径，两组安装组件对应安装在两个第二圆柱段上远离第一圆柱段的一端部。
进一步地，每个第二圆柱段上远离第一圆柱段的一端均加工有弧形凹槽。
进一步地，若干气缸沿周向均布。
进一步地，气缸的数量为四个。
进一步地，所述外部气源为气泵。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换。
通过调节各活塞杆两侧的气压，可在气压作用下使得活塞杆具有很强的外力抵抗能力，从而实现关节的锁定。
由于气缸的活塞所受的轴向力与气缸的缸体中通入的气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。
关节刚度由缸体内充入的气体压力决定，缸体内可一直加压至刚性结构产生破坏为止，因此，本申请的脊柱关节可实现非常大的刚度及承载能力。
附图说明
图1为本申请的主剖视示意图；
图2为本申请在偏转锁定状态下的主剖视示意图；
图3为第一脊柱的立体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，它包括结构相同的第一脊柱1和第二脊柱2，其中第一脊柱1与第二脊柱2之间通过若干气缸3首尾对接，若干所述气缸3相互平行布置，且每个气缸3的缸体31一端均与第一脊柱1的端部铰接，每个气缸3的活塞杆32一端均与第二脊柱2的端部铰接，气缸3中位于活塞33两侧的腔室分别通过气管4与外部气源5连接。
第一脊柱1和第二脊柱2构成关节的主体部分，外部气源5和气管4构成关节的动力传输部分，气缸3中的缸体31、活塞33及活塞杆32构成关节的执行部分。
气缸3的数量不限，优选为4个、6个、8个或10个。
脊柱关节作动时，分别向四个气缸3的两侧均通入高压气体，在高压气体的作用下，活塞杆32若产生移动时将使两侧产生很大的压差，所以活塞杆32的移动需要施加很大的外力，从而使四个气缸3的活塞33锁死，实现了脊柱关节的锁死，即无法产生相对转动。在断开气源时，缸体31两侧腔体恢复至与大气连通，活塞33运动时两侧不会有压差，四个气缸3的活塞33解除锁死，连续变刚度脊柱关节恢复自由状态，可在外力驱动下自由弯曲。
关节刚度由缸体31内充入的气体压力决定，缸体31内可一直加压至刚性结构产生破坏为止，所以该脊柱关节可实现非常大的刚度。
本申请可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换。
通过调节各活塞杆32两侧的气压，可在气压作用下使得活塞杆32具有很强的外力抵抗能力，从而实现关节的锁定。
由于气缸3的活塞33所受的轴向力与气缸3的缸体31中通入的气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。
将多个本申请的可变刚度脊柱关节连接在一起可组成变刚度柔性臂，该变刚度柔性臂和柔性驱动器组合成变刚度柔性机械臂，可以实现其在柔性和刚性状态之间切换，有效的拓展应用范围。
气缸3的缸体31与第一脊柱1之间以及气缸3的活塞杆32与第二脊柱2之间均通过球铰连接。如此设计，使得气缸3与脊柱之间的连接更稳定，且保证相临两个脊柱之间的转动连接。
所述第一脊柱1结构包括脊柱主体11及对称布置在脊柱主体11两端部的两组安装组件，其中安装组件包括沿脊柱主体11周向布置的若干安装块12，每个安装块12上均加工有球窝121，气缸3与安装块12之间通过球窝121及球头13实现球铰连接，第一脊柱1与第二脊柱2的结构相同。如此设计，通过设置安装组件，便于相临两个脊柱之间的连接。
每组安装组件中安装块12的数量均与气缸3的数量相同。
所述脊柱主体11包括第一圆柱段111及同轴固装在第一圆柱段111两端的两个第二圆柱段112，其中第一圆柱段111的直径小于第二圆柱段112的直径，两组安装组件对应安装在两个第二圆柱段112上远离第一圆柱段111的一端部。如此设计，在保证脊柱主体11强度的同时，有效减轻脊柱主体11的重量。
每个第二圆柱段112上远离第一圆柱段111的一端均加工有弧形凹槽113。如此设计，弧形凹槽113即为减重槽。
若干气缸3沿周向均布。如此设计，保证关节的转动角度更均匀。
气缸3的数量为四个。
所述外部气源5为气泵。

Claims (6)

1.一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：它包括结构相同的第一脊柱(1)和第二脊柱(2)，其中第一脊柱(1)与第二脊柱(2)之间通过若干气缸(3)首尾对接，若干所述气缸(3)相互平行布置，且每个气缸(3)的缸体(31)一端均与第一脊柱(1)的端部铰接，每个气缸(3)的活塞杆(32)一端均与第二脊柱(2)的端部铰接，气缸(3)中位于活塞(33)两侧的腔室分别通过气管(4)与外部气源(5)连接；所述第一脊柱(1)结构包括脊柱主体(11)及对称布置在脊柱主体(11)两端部的两组安装组件，其中安装组件包括沿脊柱主体(11)周向布置的若干安装块(12)，每个安装块(12)上均加工有球窝(121)，气缸(3)与安装块(12)之间通过球窝(121)及球头(13)实现球铰连接，第一脊柱(1)与第二脊柱(2)的结构相同；所述脊柱主体(11)包括第一圆柱段(111)及同轴固装在第一圆柱段(111)两端的两个第二圆柱段(112)，其中第一圆柱段(111)的直径小于第二圆柱段(112)的直径，两组安装组件对应安装在两个第二圆柱段(112)上远离第一圆柱段(111)的一端部；若干气缸(3)沿周向均布；所述脊柱关节可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换；脊柱关节作动时，分别向四个气缸(3)的两侧均通入高压气体，在高压气体的作用下，活塞杆(32)若产生移动时将使两侧产生很大的压差，所以活塞杆(32)的移动需要施加很大的外力，从而使四个气缸(3)的活塞(33)锁死，实现了脊柱关节的锁死，即无法产生相对转动；在断开气源时，缸体(31)两侧腔体恢复至与大气连通，活塞(33)运动时两侧不会有压差，四个气缸(3)的活塞(33)解除锁死，连续变刚度脊柱关节恢复自由状态，可在外力驱动下自由弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：气缸(3)的缸体(31)与第一脊柱(1)之间以及气缸(3)的活塞杆(32)与第二脊柱(2)之间均通过球铰连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：每组安装组件中安装块(12)的数量均与气缸(3)的数量相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：每个第二圆柱段(112)上远离第一圆柱段(111)的一端均加工有弧形凹槽(113)。
5.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：气缸(3)的数量为四个。
6.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度脊柱关节，其特征在于：所述外部气源(5)为气泵。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113425553B (zh) * 2021-06-25 2023-02-03 右江民族医学院附属医院 一种椎骨疾病康复护理装置

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101622107A (zh) * 2006-10-13 2010-01-06 机扑工程技术利得股份有限公司 蠕虫状机构
CN104476533A (zh) * 2014-11-27 2015-04-01 清华大学 主从操控的柔性连续体机器人装置及其控制方法
CN105966640A (zh) * 2016-06-15 2016-09-28 哈尔滨工业大学 一种可重复变构型桁架式航天器结构
CN106313028A (zh) * 2016-09-23 2017-01-11 天津理工大学 软体模块机器人单元模块
US9821475B1 (en) * 2012-10-26 2017-11-21 Other Lab, Llc Robotic actuator
CN107443415A (zh) * 2017-09-18 2017-12-08 北京化工大学 一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构
CN108044613A (zh) * 2017-11-29 2018-05-18 上海交通大学 柔性气动单元与多单元串联机械臂
CN109877819A (zh) * 2019-04-17 2019-06-14 中南大学 变刚度软体蛇形臂
CN109895077A (zh) * 2019-04-01 2019-06-18 嘉兴学院 一种多工况气动机器人
CN111113387A (zh) * 2020-01-19 2020-05-08 浙江理工大学 一种用于多足机器人的仿生柔性脊柱结构
CN111846008A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 哈尔滨工业大学 一种具有变刚度踝关节的双足机器人

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10034172C2 (de) * 2000-07-13 2002-10-24 Joachim Augthun Sicherheitsschloss
US20070162152A1 (en) * 2005-03-31 2007-07-12 Massachusetts Institute Of Technology Artificial joints using agonist-antagonist actuators
CN103671889A (zh) * 2012-09-20 2014-03-26 洛阳市黄河软轴控制器股份有限公司 多段式换挡执行气缸
CN103056876B (zh) * 2013-01-16 2015-03-04 北京化工大学 变刚度并联关节蛇形机器人机构
CN103831839B (zh) * 2014-01-17 2016-01-20 南京航空航天大学 机器人仿生腕关节及其结构优化方法
CN106272531B (zh) * 2016-10-16 2018-07-10 福州幻科机电科技有限公司 一种仿真智能机器人的脊柱关节总成
CN108453759B (zh) * 2018-05-21 2020-11-06 中国计量大学 仿生机器人及其脊柱装置
CN108839031B (zh) * 2018-06-22 2022-03-18 哈尔滨理工大学 一种适于丘陵地带的四足机器人柔顺脊柱结构

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101622107A (zh) * 2006-10-13 2010-01-06 机扑工程技术利得股份有限公司 蠕虫状机构
US9821475B1 (en) * 2012-10-26 2017-11-21 Other Lab, Llc Robotic actuator
CN104476533A (zh) * 2014-11-27 2015-04-01 清华大学 主从操控的柔性连续体机器人装置及其控制方法
CN105966640A (zh) * 2016-06-15 2016-09-28 哈尔滨工业大学 一种可重复变构型桁架式航天器结构
CN106313028A (zh) * 2016-09-23 2017-01-11 天津理工大学 软体模块机器人单元模块
CN107443415A (zh) * 2017-09-18 2017-12-08 北京化工大学 一种蛇形机器人的模块化变刚度关节机构
CN108044613A (zh) * 2017-11-29 2018-05-18 上海交通大学 柔性气动单元与多单元串联机械臂
CN109895077A (zh) * 2019-04-01 2019-06-18 嘉兴学院 一种多工况气动机器人
CN109877819A (zh) * 2019-04-17 2019-06-14 中南大学 变刚度软体蛇形臂
CN111113387A (zh) * 2020-01-19 2020-05-08 浙江理工大学 一种用于多足机器人的仿生柔性脊柱结构
CN111846008A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 哈尔滨工业大学 一种具有变刚度踝关节的双足机器人

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