CN113183175B - 基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节 - Google Patents

基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：多个臂节，所述臂节的端面设有连接凸台，两臂节的连接凸台相互配合且通过球关节串联，所述球关节包括相互盖合呈球形壳体的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体之间设有球形气囊，所述球形气囊通过气动管路与气压调节装置连通，所述上壳体设有用于通过气动管路的通孔，上壳体和下壳体的内壁在球形气囊膨胀状态时与球形气囊外壁相抵。本发明通过模仿骨骼肌的功能，基于气压拮抗结构的弯曲关节在控制位置的同时具有良好的柔韧性和变刚度特性；同时满足了人机交互安全和环境适应性的要求。

Description

基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节。
背景技术
近年来，机器人技术日益成熟，以人为本的机器人应用越来越多，如穿戴式机器人、康复机器人、智能假肢、步行机器人等，用户与机器人本身的物理人机交互也越来越多。传统机器人可以实现精确的定位和轨迹跟踪，但也受到固定的工作空间和工作模式的限制，其高刚度特性可能会对用户造成伤害。
现阶段人机安全性和环境适应性受到广泛关注。从运动生物力学的角度来看，肌肉是人体运动系统的动力源，肌肉收缩产生的力是用来维持或完成运动的。骨骼肌有两种收缩方式。在收缩过程中，肌肉张力保持不变，长度变化，导致关节运动，称为等渗收缩。相反，在收缩过程中，肌肉长度保持不变，没有关节运动，但肌肉张力增加，即等长收缩。在人类手臂的情况下，二头肌和三头肌是一对屈肌和伸肌，相互对抗和协调。当肘部弯曲时，二头肌收缩，三头肌放松。当关节位置一定时，肌肉张力增大，即关节刚度增大，且刚度具有非线性特性。通过模仿骨骼肌的功能，机器人关节在控制位置的同时具有良好的柔韧性和变刚度特性，能够满足人机安全和环境适应性的要求。
公开号为CN111685882A的说明书公开了一种狭窄腔道医疗操作用机器人及狭窄腔道医疗操作系统。狭窄腔道医疗操作用机器人包括壳体、连续体和第一驱动机构，连续体设置于壳体内，第一驱动机构连接于壳体上；第一驱动机构包括直线驱动单元和旋转驱动单元，直线驱动单元能驱动连续体伸出和缩回壳体，旋转驱动单元能驱动直线驱动单元与连续体一同绕连续体的中轴线旋转；连续体包括基座、第一弯曲关节、第二弯曲关节、第二驱动机构和第三驱动机构，第一弯曲关节与第二弯曲关节相连；第二驱动机构和第三驱动机构均设置于基座上，第二驱动机构能驱动第一弯曲关节弯曲，第三驱动机构能驱动第二弯曲关节弯曲和相对于第一弯曲关节伸缩，实现了连续体形态的多样控制。
公开号为CN211729172U的说明书公开了本实用新型提供一种四驱动气动单向弯曲关节，涉及气动机器人技术领域。该四驱动气动单向弯曲关节，包括上端盖、下端盖、气动人工肌肉、约束环、钢板弹簧、快插接头，约束环轴向密排成柱状结构，柱状结构内部留有钢板弹簧安装孔和四根人工肌肉安装孔。所述人工肌肉是内部为硅胶管，硅胶管外部嵌套约束环，硅胶管两端分别由上堵头和下堵头连接成密闭腔体，上堵头留有螺纹孔，下堵头设有螺纹孔和流体入口；上、下堵头通过螺栓固定连接在上、下端盖上；钢板弹簧两端分别与上、下端盖固定连接；快插接头安装在下端盖与下堵头螺纹连接。该关节由四根人工肌肉并联，结构较复杂，适合作为负载较大的机械手关节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效且高效变刚度的基于气压拮抗结构的弯曲关节，解决刚性弯曲关节机器人在运动过程中的柔韧性不足的问题。
基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：多个臂节，所述臂节的端面设有连接凸台，两臂节的连接凸台相互配合且通过球关节串联，所述球关节包括相互盖合呈球形壳体的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体之间设有球形气囊，所述球形气囊通过气动管路与气压调节装置连通，所述上壳体设有用于通过气动管路的通孔，上壳体和下壳体的内壁在球形气囊膨胀状态时与球形气囊外壁相抵。
所述多个臂节通过球关节相互串联；当球形气囊内压较小时，球形气囊为非膨胀状态，臂节的连接凸台与球关节之间无锁紧，弯曲关节能跟随软体结构在空间内任意方向实现弯曲运动；当球形气囊内压较大时，球形气囊为膨胀状态，球关节的外侧与连接凸台之间产生摩擦锁紧，进而改变弯曲关节的刚度，使其达到固定关节的目的。
所述上壳体和下壳体的端面设有相互配合的边缘凸台，所述边缘凸台防止上壳体和下壳体在球形气囊内压变化时，相互脱开无法盖合，导致上壳体和下壳体交错，使得球形气囊在后续非膨胀状态下，臂节无法进行弯曲运动。
所述球关节设有穿过上壳体和下壳体的活动球销，所述臂节的连接凸台设有与活动球销相配合的连接孔，设置活动球销和连接凸台防止球关节因球形气囊气压不足导致臂节脱开。
所述活动球销为圆柱凸台结构，所述活动球销的一端为弧面且半径与上壳体和下壳体的内壁半径相同，所述球形气囊在膨胀状态时，活动球销的一端与球形气囊的外壁相抵，防止活动球销的端面凸出划伤球形气囊。
优选地，所述活动球销设有四个，且均匀分布于上壳体和下壳体；使得各连接凸台的连接孔处于同一平面内，方便了连接凸台的加工及与球关节的连接。
所述臂节的连接凸台的边缘均为圆角结构；防止臂节弯曲运动时，划伤操作人员及相关配合件。
所述臂节采用树脂材料，使得弯曲关节更轻便，刚度调节更灵活。
所述上壳体、下壳体和活动球销采用树脂材料，球形气囊采用硅胶材料。所述硅胶材质的球形气囊对外界环境的耐受性较好且不易老化，采用树脂材料和硅胶材料相配合，减轻了球关节的整体质量，实现了球形气囊的气压对弯曲关节刚度的实时调节。
相比现有技术，本发明的优点在于：
1.通过模仿骨骼肌的功能，基于气压拮抗结构的弯曲关节在控制位置的同时具有良好的柔韧性和变刚度特性；
2.满足了人机交互安全和环境适应性的要求。
附图说明
图1是本发明实施例中基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节的结构示意图；
图2是图1所示的球关节的结构示意图；
图3是图1所示的臂节的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：臂节1，臂节1的端面设有连接凸台，两个臂节1的连接凸台相互配合且通过球关节2串联。
如图2所示，球关节2包括上壳体3、下壳体4、置于上壳体3和下壳体4内部的球形气囊5、穿过上壳体3和下壳体4的活动球销6。
球形气囊5通过气动管路与气压调节装置连通，上壳体3设有用于通过气动管路的通孔，上壳体3和下壳体4的内壁在球形气囊5膨胀状态时与球形气囊5外壁相抵。
上壳体3和下壳体4的端面设有相互配合的边缘凸台，边缘凸台防止上壳体3和下壳体4在球形气囊5内压变化时，相互脱开无法盖合，导致上壳体3和下壳体4交错，使得球形气囊5在后续非膨胀状态下，臂节1无法进行弯曲运动。
活动球销6为圆柱凸台结构，活动球销6的一端为弧面且半径与上壳体3和下壳体4的内壁半径相同，球形气囊5在膨胀状态时，活动球销6的一端与球形气囊5的外壁相抵，防止活动球销6的端面凸出划伤球形气囊5。
活动球销6设有四个，且均匀分布于上壳体3和下壳体4；使得各连接凸台的连接孔处于同一平面内，方便了连接凸台的加工及与球关节2的连接。
如图3所示，臂节1的连接凸台的边缘均为圆角结构；防止臂节1弯曲运动时，划伤操作人员及相关配合件。
双连接关节1、单连接关节2、外壳体4和活动球销6均采用树脂材料3D打样成型；球形气囊5采用硅胶材料。硅胶材质的球形气囊5对外界环境的耐受性较好且不易老化，采用树脂材料和硅胶材料相配合，减轻了弯曲关节的整体质量，实现了球形气囊5的气压对基于气压拮抗结构的弯曲关节刚度的调节。
相邻臂节1的两个连接凸台相互交错并通过球关节2的四个活动球销6分别连接，球形气囊5连接的气动管路通过通气孔与外部调压装置相通。当需要弯曲关节任意方向实现弯曲运动，球形气囊5为非膨胀状态，相邻臂节1通过活动球销6和球关节2外壁相互铰接；当需要弯曲关节固定姿态时，外部调压装置向球形气囊5加压，使球形气囊5处于膨胀状态并挤压活动球销6，相邻臂节1连接孔与活动球销6相抵，产生摩擦锁紧，进而改变基于气压拮抗结构的弯曲关节的刚度，使其达到固定姿态的目的。

Claims (7)

1.基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：多个臂节，其特征在于，所述臂节的端面设有连接凸台，两臂节的连接凸台相互配合且通过球关节串联，所述球关节包括相互盖合呈球形壳体的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体之间设有球形气囊，所述球形气囊通过气动管路与气压调节装置连通，所述上壳体设有用于通过气动管路的通孔，上壳体和下壳体的内壁在球形气囊膨胀状态时与球形气囊外壁相抵；
所述球关节设有穿过上壳体和下壳体的活动球销，所述臂节的连接凸台设有与活动球销相配合的连接孔；活动球销为锥轴结构。
2.如权利要求1所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述上壳体和下壳体的端面设有相互配合的边缘凸台。
3.如权利要求1所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述活动球销为圆柱凸台结构，所述活动球销的一端为弧面且半径与上壳体和下壳体的内壁的半径相同。
4.如权利要求1所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述活动球销设有四个，且均匀分布于上壳体和下壳体。
5.如权利要求1所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述臂节的连接凸台的边缘均为圆角结构。
6.如权利要求1所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述臂节采用树脂材料。
7.如权利要求6所述的基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，其特征在于：所述上壳体、下壳体和活动球销采用树脂材料，球形气囊采用硅胶材料。
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