CN113524253A

CN113524253A - 一种可变刚度摆动关节及其刚度控制方法

Info

Publication number: CN113524253A
Application number: CN202110751458.0A
Authority: CN
Inventors: 钱少明; 毛杰涵
Original assignee: Zhijiang College of ZJUT
Current assignee: Zhijiang College of ZJUT
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开了一种可变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，摆动轴的一侧设有摆动板，摆动板的两侧分别设有左侧板和右侧板，左侧板和右侧板分别能够相对摆动轴同心转动，摆动板、右侧板之间设有气囊Ⅰ，摆动板、左侧板之间设有气囊Ⅱ；摆动轴上设有齿轮Ⅰ，固定架上装有分别与齿轮Ⅰ啮合的齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ；齿轮Ⅱ固定连接有右摆动杆，右摆动杆远离齿轮Ⅱ的一端铰接有右连杆，右连杆远离右摆动杆的一端与右侧板铰接；齿轮Ⅲ固定连接有左摆动杆，左摆动杆远离齿轮Ⅲ的一端铰接有左连杆，左连杆远离左摆动杆的一端与左侧板铰接。本发明的摆动关节具有良好的刚度且刚度可调，机械结构简单实用，可靠性高，具有较大的应用价值。

Description

一种可变刚度摆动关节及其刚度控制方法

技术领域

本发明涉及机械关节技术领域，具体涉及一种可变刚度摆动关节及其刚度控制方法，适用于制作柔性机械臂、机械手、上肢下肢康复机器人的柔性摆动关节等场合。

背景技术

关节的柔韧性和关节结构的复杂程度直接决定机械关节的结构和尺寸，大都采用纯机械结构，利用电机或者液压作为驱动，利用机械部件作为执行端，关节的柔韧性能不佳，关节刚度基本不可调。利用弹性元件实现机构柔顺性，新加坡国立大学设计了两级刚度柔性关节。一台用于驱动负载的无刷直流电机，一台用于调节刚度的微型致动器和一对镜像装配的非线性弹性传动模组，哈尔滨工业大学提出了柔顺关节。利用气动柔性驱动器，浙江工业大学设计了弯曲关节及扭转关节。利用扁平状的弹性橡胶管，南京理工大学设计了气动柔性关节的刚度可调。但是上述柔性关节结构较为复杂，并且刚度难以得到有效控制。

综上考虑，本发明提出一种柔性摆动关节，关节驱动由利用电机、液压和气动等作为驱动元件，在关节摆动过程中实现扭转刚度可调。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可变刚度摆动关节及其刚度控制方法，利用压缩空气的柔性有效实现扭转刚度的可调节性。

为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，所述摆动轴的一侧设有摆动板，所述摆动板的两侧分别设有左侧板和右侧板，所述左侧板和右侧板分别能够相对摆动轴同心转动，所述摆动板、右侧板之间设有气囊Ⅰ，所述摆动板、左侧板之间设有气囊Ⅱ；

所述摆动轴上设有齿轮Ⅰ，所述固定架上装有分别与齿轮Ⅰ啮合的齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ；所述齿轮Ⅱ固定连接有右摆动杆，所述右摆动杆远离齿轮Ⅱ的一端铰接有右连杆，所述右连杆远离右摆动杆的一端与右侧板铰接；所述齿轮Ⅲ固定连接有左摆动杆，所述左摆动杆远离齿轮Ⅲ的一端铰接有左连杆，所述左连杆远离左摆动杆的一端与左侧板铰接。

作为优选，还包括盖合在固定架上的盖板，所述气囊Ⅰ被设置于固定架、盖板、摆动板、右侧板形成的内腔中，所述气囊Ⅱ被设置于固定架、盖板、摆动板、左侧板形成的内腔中。

作为优选，所述固定架和盖板上分别设有弧形槽，所述摆动板、左侧板和右侧板的侧边分别设有与弧形槽匹配的滑块。

作为优选，所述齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿轮Ⅲ、右摆动杆、右连杆、左摆动杆、左连杆分别位于盖板的外侧，所述右连杆和左连杆分别铰接在右侧板和左侧板侧边上的滑块上。

作为优选，所述左侧板和右侧板的端部分别设有轴套，所述摆动轴、左侧板和右侧板的轴套分别可转动地设置于同一轴心。

作为优选，所述齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数相等。

上述的一种可变刚度摆动关节的刚度控制方法，通过调节气囊Ⅰ和气囊Ⅱ的初始压强或改变齿轮Ⅰ分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数比来控制摆动关节的刚度。

进一步地，气囊Ⅰ和气囊Ⅱ的初始压强越大，相同摆动角时扭转刚度越大。

进一步地，齿轮Ⅰ分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数比越小，相同摆动角时扭转刚度越小。

本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：

1、本发明的摆动关节具有良好的刚度且刚度可调。

2、本发明采用气囊结构，较好的利用了压缩空气的柔性，同时避免了压缩空气的密封难题。

3、本发明机械结构简单实用，可靠性高，具有较大的应用价值。

附图说明

图1是本发明的分解示意图。

图2是本发明的整体结构示意图(图中未示出盖板)。

图3是本发明初始状态示意图(图中未示出盖板)。

图4是本发明摆动状态示意图(图中未示出盖板)。

图5是本发明外形结构示意图。

图中：1、摆动板；2、右侧板；3、左侧板；4、齿轮Ⅰ；5、齿轮Ⅱ；6、齿轮Ⅲ；7、右摆动杆；8、右连杆；9、左摆动杆；10、左连杆；11、固定架；12、气囊Ⅰ；13、气囊Ⅱ；14、销轴；15、盖板；16、摆动轴；17、轴心；18、弧形槽；19、滑块；20、轴套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。

实施例：一种可变刚度摆动关节，如图1-5所示，包括固定架11、盖板15和摆动轴16，其中盖板15盖合于固定架11，组成扇形的关节结构，固定架11内设有轴心17，摆动轴16可转动地套设于轴心17，摆动轴16的一侧固定连接有摆动板1，摆动板1的两侧分别设有左侧板3和右侧板2，左侧板3和右侧板2的端部分别错位设有轴套20，左侧板3和右侧板2的轴套20分别套在轴心17上，并位于摆动轴16的下方，使得摆动板1、左侧板3和右侧板2能够绕同一轴心17转动。

上述结构中，固定架11、盖板15、摆动板1、右侧板2形成的内腔中设置有气囊Ⅰ12，固定架11、盖板15、摆动板1、左侧板3形成的内腔中设置有气囊Ⅱ13，气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13中分别注入有压缩气体，且气囊Ⅰ12的两侧分别与摆动板1和右侧板2固定，气囊Ⅱ13的两侧分别与摆动板1和左侧板3固定。由于内腔的约束，气囊不能发生径向和轴向形变，因此气囊的体积只与摆动板1和左右侧板的夹角有关，气囊体积越小，气囊内的压强就越大。本实施例中气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13内压缩气体的初始压强相当且大小可调，其初始压强的调节可以通过外部加装气压压力阀实现。

本实施例中，摆动轴16上固定设有齿轮Ⅰ4，固定架11上装有分别与齿轮Ⅰ4啮合的齿轮Ⅱ5和齿轮Ⅲ6，齿轮Ⅱ5和齿轮Ⅲ6的齿数相同，分别设置于齿轮Ⅰ4下方两侧；齿轮Ⅱ5固定连接有右摆动杆7，右摆动杆7远离齿轮Ⅱ5的一端铰接有右连杆8，右连杆8远离右摆动杆7的一端与右侧板2铰接；齿轮Ⅲ6固定连接有左摆动杆9，左摆动杆9远离齿轮Ⅲ6的一端铰接有左连杆10，左连杆10远离左摆动杆9的一端与左侧板3铰接。本实施例中，左连杆10和右连杆8的铰接分别通过销轴14实现。

上述结构中，固定架11和盖板15上分别设有以轴心17为圆心的弧形槽18，摆动板1、左侧板3和右侧板2的侧边分别设有与弧形槽18匹配的滑块19，当摆动板1、左侧板3和右侧板2绕轴心17转动时，滑块19沿弧形槽18滑动。齿轮Ⅰ4、齿轮Ⅱ5、齿轮Ⅲ6、右摆动杆7、右连杆8、左摆动杆9、左连杆10分别位于盖板15的外侧，右连杆8和左连杆10分别铰接在右侧板2和左侧板3侧边上的滑块19上，通过盖板15将气囊腔室与传动结构分离。

经上述结构设计，当摆动轴16转过一定角度后，一侧气囊被压缩，体积变小其中的压缩气体压强值变大，另一侧气囊膨胀，体积变大，其中的压缩气体压强值变小，两侧压强差乘侧板面积即压力值，摆动轴16在摆动过程中需要克服该压力值。摆动轴16转过的角度越大，该压力值越大，摆动轴16在摆动过程中需要克服的力值就越大，也就是说摆动关节的刚度越大。摆动轴16带动摆动板1右转某一角度，右侧板2左转相应角度，左侧板3左转相应角度，气囊Ⅰ12压缩，气囊Ⅱ13膨胀；摆动轴16带动摆动板1左转某一角度，左侧板3右转相应角度，右侧板2右转相应角度，气囊Ⅰ12膨胀，气囊Ⅱ13压缩。摆动轴16转动角度越大，摆动关节的刚度也会随之变大。可以通过调节气囊的初始压强及齿轮齿数比来控制摆动关节的刚度。例如当摆动轴16带动摆动板1向右转动时，齿轮Ⅰ4带动齿轮Ⅱ5左转，通过类平行四边形的机构带动右侧板2左转，气囊Ⅰ12被压缩，气囊Ⅰ12的压缩由两部分组成，即摆动板1右转角度及右侧板2左转角度，右侧板2左转角度取决于齿轮Ⅰ4和齿轮Ⅱ5的齿数比；与此同时齿轮Ⅰ4带动齿轮Ⅲ6左转，通过类平行四边形的机构带动左侧板3左转，气囊Ⅱ13膨胀，气囊Ⅱ13的膨胀由两部分组成，即摆动板1右转角度及左侧板3左转角度，左侧板3右转角度取决于齿轮Ⅰ4和齿轮Ⅲ6的齿数比。

具体而言，气囊体积的变化值与摆动板1、左侧板3、右侧板2的角度变化有关，令摆动板1与左侧板3或右侧板2的初始夹角为θ：

θ₁-摆动轴1与右侧板2之间的夹角，rad；

θ₂-摆动轴1与左侧板3之间的夹角，rad；

Δθ-摆动关节的摆动角，rad；

i-齿轮Ⅰ4和齿轮Ⅱ5之间的齿数比，齿轮Ⅰ4和齿轮Ⅲ6之间的齿数比；

Z₁-齿轮Ⅰ4的齿数；

Z₂-齿轮Ⅱ5和齿轮Ⅲ6的齿数；

气囊Ⅰ12、气囊Ⅱ13的体积分别如下：

R-右侧板2和左侧板3的长度，m；

B-右侧板2和左侧板3的宽度，m；

V₀-气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13的初始体积，m³；

V₁-气囊Ⅰ12的体积，m³；

V₂-气囊Ⅱ13的体积，m³；

气囊内的气体压强方程：

P₀-气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13内压缩空气的初始压强，MPa；

P₁-气囊Ⅰ12内压缩空气的压强，MPa；

P₂-气囊Ⅱ13内压缩空气的压强，MPa；

κ-多变指数，变化缓慢时，气体变化近似于等温过程，取κ＝1；

K-摆动关节的扭转刚度，N/rad；

从上式可知，摆动关节的扭转刚度随摆动角Δθ变化，Δθ越大，扭转刚度越大。影响摆动关节的扭转刚度的参数：P₀和i，P₀越大，相同摆动角时扭转刚度越大；i越小，相同摆动角时扭转刚度越小。

摆动关节的扭转刚度控制方法：

1)改变气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13内压缩空气的初始压强，其初始压强可以通过外部加装气压压力阀实现。如果气囊Ⅰ12和气囊Ⅱ13内压缩空气的初始压强不同，可实现摆动关节左右两侧不同的刚度。

2)改变传动比i，即更换齿轮Ⅰ4、齿轮Ⅱ5和齿轮Ⅲ6的齿数。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种可变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，其特征在于，所述摆动轴的一侧设有摆动板，所述摆动板的两侧分别设有左侧板和右侧板，所述左侧板和右侧板分别能够相对摆动轴同心转动，所述摆动板、右侧板之间设有气囊Ⅰ，所述摆动板、左侧板之间设有气囊Ⅱ；

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度摆动关节，其特征在于，还包括盖合在固定架上的盖板，所述气囊Ⅰ被设置于固定架、盖板、摆动板、右侧板形成的内腔中，所述气囊Ⅱ被设置于固定架、盖板、摆动板、左侧板形成的内腔中。

3.根据权利要求2所述的一种可变刚度摆动关节，其特征在于，所述固定架和盖板上分别设有弧形槽，所述摆动板、左侧板和右侧板的侧边分别设有与弧形槽匹配的滑块。

4.根据权利要求3所述的一种可变刚度摆动关节，其特征在于，所述齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿轮Ⅲ、右摆动杆、右连杆、左摆动杆、左连杆分别位于盖板的外侧，所述右连杆和左连杆分别铰接在右侧板和左侧板侧边上的滑块上。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度摆动关节，其特征在于，所述左侧板和右侧板的端部分别设有轴套，所述摆动轴、左侧板和右侧板的轴套分别可转动地设置于同一轴心。

6.根据权利要求1所述的一种可变刚度摆动关节，其特征在于，所述齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数相等。

7.如权利要求1所述的一种可变刚度摆动关节的刚度控制方法，其特征在于，通过调节气囊Ⅰ和气囊Ⅱ的初始压强或改变齿轮Ⅰ分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数比来控制摆动关节的刚度。

8.根据权利要求7所述的刚度控制方法，其特征在于，气囊Ⅰ和气囊Ⅱ的初始压强越大，相同摆动角时扭转刚度越大。

9.根据权利要求7所述的刚度控制方法，其特征在于，齿轮Ⅰ分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿数比越小，相同摆动角时扭转刚度越小。