CN112720565A - 一种基于气动的连续可变刚度球关节 - Google Patents

Abstract

一种基于气动的连续可变刚度球关节，属于机器人技术领域。本发明解决了现有的柔性机器人刚度小、承载能力差的问题。在关节锁死状态下，支撑球头外壁与右球窝内壁紧密接触，支撑球头上开设有凹槽，且凹槽的开口端朝向左球窝设置，硅胶密封腔体安装在凹槽的底部，所述摩擦球头的一端部插装在所述凹槽内且与硅胶密封腔体无间隙接触，另一端部的形状与左球窝内壁随形设置，左球窝的内壁固设有球窝摩擦层，摩擦球头的另一端部固设有球头摩擦层，硅胶密封腔体的内部安装有气芯，且所述气芯通过气管与外部气源连通。由于摩擦力与硅胶密封腔体内通入的高压气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。本申请的球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球关节

技术领域

本发明涉及一种基于气动的连续可变刚度球关节，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度小、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的柔性机器人刚度小、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球关节。

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球关节，它包括左球窝、右球窝、支撑球头、摩擦球头及硅胶密封腔体，其中左球窝与右球窝相对固接设置且形成空腔，支撑球头配合转动安装在空腔内，且在关节锁死状态下，支撑球头外壁与右球窝内壁紧密接触，支撑球头上开设有凹槽，且凹槽的开口端朝向左球窝设置，所述硅胶密封腔体安装在凹槽的底部，所述摩擦球头的一端部插装在所述凹槽内且与硅胶密封腔体无间隙接触，另一端部的形状与左球窝内壁随形设置，左球窝的内壁固设有球窝摩擦层，摩擦球头的另一端部固设有球头摩擦层，所述硅胶密封腔体的内部安装有气芯，且所述气芯通过气管与外部气源连通。

进一步地，所述气芯呈“凸”字形结构，且其上开设有阶梯通孔，其中阶梯通孔的小直径端与气管连接。

进一步地，支撑球头上开设有通气孔，所述通气孔与所述凹槽底端连通设置，气管插装在通气孔内且其一端插装在硅胶密封腔体上，气芯的小直径端同轴插装在气管内。

进一步地，支撑球头上靠近凹槽开口端的一侧加工为平面结构，摩擦球头的另一端部加工有环形台肩，关节转动状态下，环形台肩卡设在支撑球头的平面结构上。

进一步地，所述球窝摩擦层为硅胶材质。

进一步地，所述球头摩擦层为皮革材质。

进一步地，支撑球头与左球窝间隙配合。

进一步地，左球窝与右球窝之间通过螺栓固接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请的球关节可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换；通过调节硅胶密封腔体内部的气压，实现球关节内部胀紧，产生的摩擦力矩可实现球关节的锁定；

由于摩擦力与硅胶密封腔体内通入的高压气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。

本申请中的硅胶密封腔体处于封闭的刚性结构内部，可加压至刚性结构产生破坏为止，因此，本申请的球关节可实现非常大的刚度及承载能力。

附图说明

图1为本申请的第一主剖视示意图(非锁定且非偏转状态下)；

图2为本申请的第二主剖视示意图(锁定且非偏转状态下)；

图3为本申请的第三主剖视示意图(非锁定且偏转状态下)；

图4为本申请的第四主剖视示意图(锁定且偏转状态下)；

图5为本申请的左视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种基于气动的连续可变刚度球关节，它包括左球窝1、右球窝2、支撑球头3、摩擦球头4及硅胶密封腔体5，其中左球窝1与右球窝2相对固接设置且形成空腔，支撑球头3配合转动安装在空腔内，且在关节锁死状态下，支撑球头3外壁与右球窝2内壁紧密接触，支撑球头3上开设有凹槽，且凹槽的开口端朝向左球窝1设置，所述硅胶密封腔体5安装在凹槽的底部，所述摩擦球头4的一端部插装在所述凹槽内且与硅胶密封腔体5无间隙接触，另一端部的形状与左球窝1内壁随形设置，左球窝1的内壁固设有球窝摩擦层6，摩擦球头4的另一端部固设有球头摩擦层7，所述硅胶密封腔体5的内部安装有气芯8，且所述气芯8通过气管9与外部气源连通。硅胶密封腔体5、气管9及气芯8构成动力部分。摩擦球头4与球头摩擦层7构成执行部分。

所述凹槽为导向槽，为摩擦球头4的移动及硅胶密封腔体5的膨胀提供导向作用。

气管9与外界高压气源连接，在球关节作动时，通过气管9及气芯8向硅腔密封腔体内通入高压气体，硅胶密封腔体5发生膨胀，使摩擦球头4与左球窝1胀紧，支撑球头3与右球窝2胀紧，形成两对摩擦副，在两对摩擦副所产生的摩擦力的作用下，实现球关节的锁死。

由于摩擦力与硅胶密封腔体5内通入的高压气体压力成正比，因此可以实现刚度的连续调节。

断开气源时，硅胶密封腔体5收缩并恢复原状，摩擦球头4与左球窝1分离，支撑球头3与右球窝2分离，球关节解除锁死并恢复自由状态，即可在外力驱动下自由弯曲。

本申请的球关节可在自由转动状态和刚度锁定状态进行切换；通过调节硅胶密封腔体5内部的气压，实现球关节内部胀紧，产生的摩擦力矩可实现球关节的锁定；

本申请中的硅胶密封腔体5处于封闭的刚性结构内部，可加压至刚性结构产生破坏为止，因此，本申请的球关节可实现非常大的刚度及承载能力。

将多个本申请的可变刚度球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配套使用组合成变刚度柔性机械臂，可以实现其在任意位置的高变刚度，有效拓展应用范围。

所述气芯8呈“凸”字形结构，且其上开设有阶梯通孔，其中阶梯通孔的小直径端与气管9连接。如此设计，便于气芯8与气管9的连接，同时大直径端作为气腔可以使硅胶密封腔体5的膨胀更均匀。

支撑球头3上开设有通气孔，所述通气孔与所述凹槽底端连通设置，气管9插装在通气孔内且其一端插装在硅胶密封腔体5上，气芯8的小直径端同轴插装在气管9内。如此设计，气芯8插装在气管9内，使得二者之间的连接密封性更好。

支撑球头3上靠近凹槽开口端的一侧加工为平面结构，摩擦球头4的另一端部加工有环形台肩41，关节转动状态下，环形台肩41卡设在支撑球头3的平面结构上。如此设计，通过平面结构及环形台肩41，实现对摩擦球头4的限位。另外，加工有环形台肩41的支撑球头3另一端部结构表面积更大，进而使得在关节锁死状态时，球窝摩擦层6与球头摩擦层7之间的接触面积更大。

所述球窝摩擦层6为硅胶材质。

所述球头摩擦层7为皮革材质。

支撑球头3与左球窝1间隙配合。如此设计，为自由活动状态下的支撑球头3提供活动空间。

左球窝1与右球窝2之间通过螺栓10固接。螺栓10的数量为多个，如：4个、8个或10个。

Claims (8)

1.一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：它包括左球窝(1)、右球窝(2)、支撑球头(3)、摩擦球头(4)及硅胶密封腔体(5)，其中左球窝(1)与右球窝(2)相对固接设置且形成空腔，支撑球头(3)配合转动安装在空腔内，且在关节锁死状态下，支撑球头(3)外壁与右球窝(2)内壁紧密接触，支撑球头(3)上开设有凹槽，且凹槽的开口端朝向左球窝(1)设置，所述硅胶密封腔体(5)安装在凹槽的底部，所述摩擦球头(4)的一端部插装在所述凹槽内且与硅胶密封腔体(5)无间隙接触，另一端部的形状与左球窝(1)内壁随形设置，左球窝(1)的内壁固设有球窝摩擦层(6)，摩擦球头(4)的另一端部固设有球头摩擦层(7)，所述硅胶密封腔体(5)的内部安装有气芯(8)，且所述气芯(8)通过气管(9)与外部气源连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：所述气芯(8)呈“凸”字形结构，且其上开设有阶梯通孔，其中阶梯通孔的小直径端与气管(9)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：支撑球头(3)上开设有通气孔，所述通气孔与所述凹槽底端连通设置，气管(9)插装在通气孔内且其一端插装在硅胶密封腔体(5)上，气芯(8)的小直径端同轴插装在气管(9)内。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：支撑球头(3)上靠近凹槽开口端的一侧加工为平面结构，摩擦球头(4)的另一端部加工有环形台肩(41)，关节转动状态下，环形台肩(41)卡设在支撑球头(3)的平面结构上。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：所述球窝摩擦层(6)为硅胶材质。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：所述球头摩擦层(7)为皮革材质。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：支撑球头(3)与左球窝(1)间隙配合。

8.根据权利要求1所述的一种基于气动的连续可变刚度球关节，其特征在于：左球窝(1)与右球窝(2)之间通过螺栓(10)固接。

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