CN114750187B - 采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸及控制方法，径向花边形弹性波纹管由橡胶制成，壁内或壁外有加强作用的经纬线，其轴向纵截面为V形或U形或Ω形、侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱如半张开雨伞，较大内腔承载压力下限制径向膨胀而橡胶弹性变形量小；作为气动人工肌肉，轴向具有较好的膨胀性和较大的驱动力；两根串联弹性波纹管作为无活塞气缸的软缸筒和驱动件，推杆的滑座在直线轴承导向下一根弹性波纹管轴向膨胀成宽V形、一根弹性波纹管轴向压缩成窄U形或Ω形，具有较大的行程和推动力，采用滚动摩擦替代弹性密封的滑动摩擦，消除低速爬行，动态性能好，弹性变形力补偿下控制精度更高。

Description

采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸及控制方法

技术领域

本发明涉及气动元件、机械人技术领域，尤其是一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸及控制方法。

背景技术

在机器人领域中，弹性波纹管作为轴向膨胀型气动人工肌肉驱动器，橡胶壁内没有编织经线、纬线的，轴向膨胀性好、但内腔承载压力小从而驱动力小，且存在径向膨胀、耗能并影响性能；橡胶壁内有编织经线、纬线的，内腔承载压力大从而驱动力大，且没有径向膨胀，但轴向膨胀性差、经纬线与橡胶的界面作用力大。

通用气缸的活塞杆驱动，在中间的活塞橡胶密封处，活塞杆与缸盖之间活塞橡胶密封处，密封摩擦力大而耗能，且易产生低速爬行现象，尤其是密封摩擦力大小的强非线性，对气缸控制精度影响很大。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸及控制方法，从而采用径向起伏波皱的花边形弹性波纹管，实现内腔承载压力大从而驱动力大、且轴向膨胀性好的功能，用以作为气动人工肌肉驱动器，或软气缸筒的可调行程气缸。

本发明所采用的技术方案如下：

一种径向花边形弹性波纹管，包括一体式结构的弹性波纹管，所述弹性波纹管的侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱状态如半张开雨伞。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述弹性波纹管的轴向纵截面为V形、U形或Ω形，即形成V形弹性波纹管、U形弹性波纹管或Ω形弹性波纹管。

所述弹性波纹管的波纹管部分、端部圆筒部分的壁材弹性材料的内部或壁材外面均设置加强的纬线和经线，纬线呈环状结构，所述纬线和经线交错编织在一起。

所述弹性波纹管作为气动轴向膨胀型人工肌肉。

一种采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，弹性波纹管作为可调行程气缸的软缸筒和驱动件，可调行程气缸由两根弹性波纹管组成，两根弹性波纹管是V形、U形或Ω形的三种弹性波纹管中相同的两根、或者是其中任意二种弹性波纹管的组合。

作为上述技术方案的进一步改进：

可调行程气缸的具体安装结构为：包括平行间隔设置的后座和前座，后座和前座的端部均安装有气管接头，气管接头接通两根弹性波纹管，用于气管连接；后座和前座之间连接有多根导向拉杆，每根导向拉杆上套有直线轴承，位于后座和前座之间设置有水平的异形推板，导向拉杆上的直线轴承固定在异形推板上，共同导向异形推板，异形推板上还固定有导向推杆，导向推杆上套有同样的直线轴承，导向推杆上的直线轴承被紧固在前座上，导向推杆的顶部固定一块推板，推板中心用紧固件固定外推杆；

两根弹性波纹管的端部圆筒部分各自朝外，并由螺纹夹紧套5旋紧固定在后座、前座的卡口上，两根弹性波纹管的封闭端中心处开孔，用前后两个密封垫圈、内六角螺栓和螺母密封地紧固在异形推板上，依次是密封垫圈、弹性波纹管的封闭端、异形推板、弹性波纹管的封闭端和密封垫圈；两根弹性波纹圆管分别充气、排气，使得异形推板在导向拉杆的导向下直线移动，异形推板促使导向推杆在直线轴承支撑下伸缩，从而驱动外推杆前后移动。

还包括呈三角形结构的行程调节板，所述行程调节板上开有穿过导向拉杆的孔，导向拉杆上均有加工的细长平面，细长平面平行于导向拉杆的中心线，紧定螺钉从径向将行程调节板拧紧在细长平面上，紧定螺钉松开可调整异形推板的前行距离；缓冲橡胶圈粘接在行程调节板上的导向拉杆的孔处，缓冲异形推板的冲击。

后座和前座的截面均呈“凸”字型结构，后座和前座相对安装；导向拉杆设置有三根，在空间呈三角形布置，导向推杆设置有对称的两根。

外推杆的前端从前到后依次设置有外螺纹、配合圆柱面和承载台阶面。

一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸的控制方法，对于气动轴向膨胀型人工肌肉，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与轴向膨胀长度之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制输出驱动力；对于可调行程气缸，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与外推杆正反行程之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，从而在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制外推杆的输出推、拉力。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，其径向花边形弹性波纹管由橡胶制成，壁内或壁外有加强作用的经纬线，其轴向纵截面为V形或U形或Ω形、侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱状态如半张开雨伞，波峰圆与波谷圆的直径差越大、轴向膨胀性越好，较大的内腔承载压力下能限制径向膨胀而橡胶弹性变形量小；作为气动人工肌肉，轴向具有较好的膨胀性和较大的驱动力；两根串联弹性波纹管作为无活塞气缸的软缸筒，推杆的滑座在直线轴承导向下一根弹性波纹管轴向膨胀成宽V形、一根弹性波纹管轴向压缩成窄U形或Ω形，具有较大的行程和推动力，尤其是采用滚动摩擦替代弹性密封的滑动摩擦，动态性能好、控制精度高。

本发明采用径向起伏波皱的花边形弹性波纹管作为气动人工肌肉驱动器，实现内腔承载压力大从而驱动力大、且轴向膨胀性好的功能。

本发明采用径向起伏波皱的花边形弹性波纹管作为软气缸筒的可调行程气缸，没有活塞与活塞杆，因而输出推、拉力近似相等；活塞与缸盖上也没有密封圈，克服了密封摩擦力大而耗能，尤其是密封摩擦力大小的强非线性，对气缸控制精度影响很大的缺陷，还可以根据需求调节气缸的行程；不同于普通气缸的活塞杆没有导向，需要增加导向结构、以承受偏心或斜向的载荷，本发明软气缸筒的可调行程气缸的外推杆是有导向支撑的。

本发明是一种采用径向花边形弹性波纹管的气动人工肌肉，以及一种采用径向花边形弹性波纹管作为软气缸筒的可调行程气缸，可以广泛应用在气动元件、机器人、自动化等应用中。

附图说明

图1为本发明V形弹性波纹管结构主剖视图。

图2为本发明V形弹性波纹管壁材内经纬线结构A-A剖视图。

图3为本发明V形弹性波纹管壁材内经纬线结构B处局部放大图。

图4为本发明V形弹性波纹管壁外面经纬线结构A-A剖视图。

图5为本发明V形弹性波纹管壁外面经纬线结构B处局部放大图。

图6为本发明U形弹性波纹管主剖视图。

图7为本发明Ω形弹性波纹管主剖视图。

图8为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸C-C主剖视图。

图9为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸D-D剖视图。

图10为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸俯视图。

图11为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸仰视图。

图12为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸E-E剖视图。

图13为本发明V形弹性波纹管的可调行程气缸F-F剖视图。

图14为本发明V形与U形弹性波纹管组合的可调行程气缸主剖视图。

图15为本发明可调行程气缸正反行程与推拉力之间的关系曲线示意图。

其中：1、V形弹性波纹管；1a、纬线；1b、经线；2、U形弹性波纹管；3、Ω形弹性波纹管；4、后座；5、螺纹夹紧套；6、导向拉杆；7、密封垫圈；8、直线轴承；9、异形推板；10、缓冲橡胶圈；11、行程调节板；12、前座；13、导向推杆；14、推板；15、外推杆；16、气管接头。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图15所示，本实施例的径向花边形弹性波纹管，包括一体式结构的弹性波纹管，弹性波纹管的侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱状态如半张开雨伞。

弹性波纹管的轴向纵截面为V形、U形或Ω形，即形成V形弹性波纹管1、U形弹性波纹管2或Ω形弹性波纹管3。

弹性波纹管的波纹管部分、端部圆筒部分的壁材弹性材料的内部或壁材外面均设置加强的纬线1a和经线1b，纬线1a呈环状结构，纬线1a和经线1b交错编织在一起，纬线1a与经线1b的接触点进行粘接或不粘接。

弹性波纹管作为气动轴向膨胀型人工肌肉。

本实施例的采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，弹性波纹管作为可调行程气缸的软缸筒和驱动件，可调行程气缸由两根弹性波纹管组成，两根弹性波纹管是V形、U形或Ω形的三种弹性波纹管中相同的两根、或者是其中任意二种弹性波纹管的组合，可调行程气缸中相同的两根或者其中任意二种弹性波纹管组合的尺寸，是相同的或不同的。

可调行程气缸的具体安装结构为：包括平行间隔设置的后座4和前座12，后座4和前座12的端部均安装有气管接头16，气管接头16接通两根弹性波纹管，用于气管连接；后座4和前座12之间连接有多根导向拉杆6，(以下以三根为例)每根导向拉杆6上套有直线轴承8，位于后座4和前座12之间设置有水平的异形推板9，导向拉杆6上的直线轴承8固定在异形推板9上，共同导向异形推板9，异形推板9上还固定有导向推杆13(以下为两根为例)，导向推杆13上套有同样的直线轴承8，导向推杆13上的直线轴承8被紧固在前座12上，导向推杆13的顶部固定一块推板14，推板14中心用紧固件固定外推杆15。

两根弹性波纹管的端部圆筒部分各自朝外，并由螺纹夹紧套5旋紧固定在后座4、前座12的卡口上，两根弹性波纹管的封闭端中心处开孔，用前后两个密封垫圈7、内六角螺栓和螺母密封地紧固在异形推板9上，依次是密封垫圈7、弹性波纹管的封闭端、异形推板9、弹性波纹管的封闭端和密封垫圈7；两根弹性波纹圆管分别充气、排气，使得异形推板9在导向拉杆6的导向下直线移动，异形推板9促使导向推杆13在直线轴承8支撑下伸缩，从而驱动外推杆15前后移动。

还包括呈三角形结构的行程调节板11，行程调节板11上开有穿过导向拉杆6的孔，导向拉杆6上均有加工的细长平面，细长平面平行于导向拉杆6的中心线，紧定螺钉从径向将行程调节板11拧紧在细长平面上，紧定螺钉松开可调整异形推板9的前行距离；缓冲橡胶圈10粘接在行程调节板11上的导向拉杆6的孔处，缓冲异形推板9的冲击。

后座4和前座12的截面均呈“凸”字型结构，后座4和前座12相对安装；导向拉杆6设置有三根，在空间呈三角形布置，导向推杆13设置有对称的两根。

外推杆15的前端从前到后依次设置有外螺纹、配合圆柱面和承载台阶面。

弹性波纹管由橡胶制成。

本实施例的采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸的控制方法，对于气动轴向膨胀型人工肌肉，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与轴向膨胀长度之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制输出驱动力；对于可调行程气缸，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与外推杆15正反行程之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，从而在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制外推杆15的输出推、拉力。

本发明的具体结构和功能如下：

包含轴向纵截面为V形或U形或Ω形的三种弹性波纹管，即V形弹性波纹管1或U形弹性波纹管2或Ω形弹性波纹管3，其侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱如半张开雨伞；

V形或U形或Ω形的三种弹性波纹管，均可作为气动轴向膨胀型人工肌肉；

V形或U形或Ω形的三种弹性波纹管，均可作为可调行程气缸的软缸筒和驱动件，可调行程气缸由两根弹性波纹管组成，两根弹性波纹管是V形或U形或Ω形的三种弹性波纹管中相同的两根、或者是其中任意二种弹性波纹管的组合；可调行程气缸中相同的两根或者其中任意二种弹性波纹管组合的尺寸，是相同的或不同的。

如图1-图5所示，轴向纵截面为V形或U形或Ω形的径向花边形弹性波纹管，其侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱状态如半张开雨伞；轴向纵截面为V形或U形或Ω形的径向花边形弹性波纹管，波纹管部分、右端圆筒部分和左端圆面部分的壁材内或壁外面(没有图表示)，均含有起加强作用的纬线1a和经线1b，其环状的纬线1a与经线1b交错编织在一起，纬线1a与经线1b的接触点进行粘接或不粘接。

轴向纵截面为U形和Ω形的径向花边形弹性波纹管，分别如图6、图7所示。

实施例一：

如图8-图13所示，本实施例公开一种V形弹性波纹管的可调行程气缸，两个气管接头16分别安装在后座4、前座12上面，分别接通两根V形弹性波纹管1，用于气管连接；后座4、前座12之间由三根导向拉杆6紧固，三个直线轴承8分别套进三根导向拉杆6上，三个直线轴承8均固定在异形推板9，从而共同导向异形推板9；异形推板9上还固定了两根导向推杆13，两根导向推杆13是分别套有两个直线轴承8，两个直线轴承8被紧固在前座12上，两根导向推杆13的前端固定了一块推板14，推板14中心用双螺母紧固了外推杆15，外推杆15前端是外螺纹。

两根V形弹性波纹管1的圆筒形管口各自朝外地由两个螺纹夹紧套5旋紧固定在后座4、前座12卡口上，两根V形弹性波纹管1的封闭端中心处开孔，用前后两个密封垫圈7、内六角螺栓和螺母密封地紧固在异形推板9上，依次是密封垫圈7、V形弹性波纹管1的封闭端、异形推板9、V形弹性波纹管1的封闭端、密封垫圈7；两根V形弹性波纹管1分别充气、排气，使得异形推板9在三根导向拉杆6的导向下直线移动，异形推板9促使两根导向推杆13在两个直线轴承8支撑下伸缩，两根导向推杆13头部的推板14、及外推板14上外推杆15也类似气缸活塞杆的前后移动。

三根导向拉杆6穿过行程调节板11上相应孔，三根导向拉杆6上均有加工的细长平面，细长平面平行于导向拉杆6的中心线，三个紧定螺钉从径向将行程调节板11拧紧在细长平面上，三个紧定螺钉松开可调整异形推板9的前行距离；三块缓冲橡胶圈10粘接在行程调节板11上的三根导向拉杆6孔处，缓冲异形推板9的冲击。

本发明V形与U形弹性波纹管组合的可调行程气缸主剖视图，如图14所示。

实施例二：

一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、气缸的控制方法，对于气动轴向膨胀型人工肌肉，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与轴向膨胀长度之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制输出驱动力；对于可调行程气缸，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与外推杆15正反行程之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，从而在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制外推杆15的输出推、拉力。

如图15所示，对于可调行程气缸，测量与绘制空载、恒负载(各种重量块的不同恒负载)状况下的弹性波纹管内腔压力与外推杆15正反行程之间的关系曲线，图15中不同曲线代表不同恒负载在不同行程时的驱动压力。当工况下实际负载和实际行程确定后，在横坐标的实际行程处找出实际负载上下的二个恒负载曲线上的纵坐标值(弹性波纹管内腔气体的压力值)，对这二个纵坐标值进行线性插值或最小二乘法插值，从而确定实际负载和实际行程下的、弹性波纹管内腔的控制压力。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉，其特征在于：包括一体式结构的弹性波纹管，所述弹性波纹管的侧壁径向横截面为波浪起伏的圆滑过渡花边形，从波谷处到波峰处侧壁的起皱状态如半张开雨伞；所述弹性波纹管的波纹管部分、端部圆筒部分的壁材弹性材料的内部或壁材外面均设置加强的纬线（1a）和经线（1b），纬线（1a）呈环状结构，所述纬线（1a）和经线（1b）交错编织在一起；

纬线（1a）与经线（1b）的接触点进行粘接或不粘接；所述弹性波纹管的轴向纵截面为V形、U形或Ω形，即形成V形弹性波纹管（1）、U形弹性波纹管（2）或Ω形弹性波纹管（3）。

2.一种采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，其特征在于：弹性波纹管作为可调行程气缸的软缸筒和驱动件，可调行程气缸由两根弹性波纹管组成，两根弹性波纹管是V形、U形或Ω形的三种弹性波纹管中相同的两根、或者是其中任意二种弹性波纹管的组合；可调行程气缸的具体安装结构为：包括平行间隔设置的后座（4）和前座（12），后座（4）和前座（12）的端部均安装有气管接头（16），气管接头（16）接通两根弹性波纹管，用于气管连接；后座（4）和前座（12）之间连接有多根导向拉杆（6），每根导向拉杆（6）上套有直线轴承（8），位于后座（4）和前座（12）之间设置有水平的异形推板（9），导向拉杆（6）上的直线轴承（8）固定在异形推板（9）上，共同导向异形推板（9），异形推板（9）上还固定有导向推杆（13），导向推杆（13）上套有同样的直线轴承（8），导向推杆（13）上的直线轴承（8）被紧固在前座（12）上，导向推杆（13）的顶部固定一块推板（14），推板（14）中心用紧固件固定外推杆（15）；

两根弹性波纹管的端部圆筒部分各自朝外，并由螺纹夹紧套（5）旋紧固定在后座（4）、前座（12）的卡口上，两根弹性波纹管的封闭端中心处开孔，用前后两个密封垫圈（7）、内六角螺栓和螺母密封地紧固在异形推板（9）上，依次是密封垫圈（7）、弹性波纹管的封闭端、异形推板（9）、弹性波纹管的封闭端和密封垫圈（7）；两根弹性波纹圆管分别充气、排气，使得异形推板（9）在导向拉杆（6）的导向下直线移动，异形推板（9）促使导向推杆（13）在直线轴承（8）支撑下伸缩，从而驱动外推杆（15）前后移动。

3.如权利要求2所述的采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，其特征在于：还包括呈三角形结构的行程调节板（11），所述行程调节板（11）上开有穿过导向拉杆（6）的孔，导向拉杆（6）上均有加工的细长平面，细长平面平行于导向拉杆（6）的中心线，紧定螺钉从径向将行程调节板（11）拧紧在细长平面上，紧定螺钉松开可调整异形推板（9）的前行距离；缓冲橡胶圈（10）粘接在行程调节板（11）上的导向拉杆（6）的孔处，缓冲异形推板（9）的冲击。

4.如权利要求2所述的采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，其特征在于：后座（4）和前座（12）的截面均呈“凸”字型结构，后座（4）和前座（12）相对安装；导向拉杆（6）设置有三根，在空间呈三角形布置，导向推杆（13）设置有对称的两根。

5.如权利要求2所述的采用径向花边形弹性波纹管的可调行程气缸，其特征在于：所述外推杆（15）的前端从前到后依次设置有外螺纹、配合圆柱面和承载台阶面。

6.如权利要求1或2所述的采用径向花边形弹性波纹管的人工肌肉、可调行程气缸，其特征在于：对于气动轴向膨胀型人工肌肉，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与轴向膨胀长度之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制输出驱动力；对于可调行程气缸，测量与绘制空载、恒负载状况下的弹性波纹管内腔压力与外推杆（15）正反行程之间的关系曲线，作为弹性变形力相关的误差补偿，从而在压力反馈与高速开关阀控制下精确控制外推杆（15）的输出推、拉力；当工况下实际负载和实际行程确定后，在横坐标的实际行程处找出实际负载上下的二个恒负载曲线上的纵坐标值，即弹性波纹管内腔气体的压力值，对这二个纵坐标值进行线性插值或最小二乘法插值，从而确定实际负载和实际行程下的、弹性波纹管内腔的控制压力。

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