CN1330465C - 板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节 - Google Patents

板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，此关节可用作机器人的各类关节，尤其适用于多个弯曲关节的机械手指，属于机器人、机械手应用技术领域。关节采用各种横截面形状的板弹簧为柔性骨架，波壳弹性体内腔受液气压作用后，轴向膨胀作为肌肉动力，由于受一侧板弹簧的限制，不能轴向伸长，另一侧可以轴向伸长，因此产生弯曲。自由状态时，关节弯曲角度与关节内的气体压强有关；工作时，对外作用力随关节内的气体压强增加而增加；靠板弹簧的作用，弯曲变形的关节回复原状。本发明关节有单、多自由度两种形式，其弯曲动作灵活，耗能小，动态控制精度高，作为多关节的机械手指时，多关节的协调性好。

Description

板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节
技术领域：
本发明涉及一种板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，此弯曲关节可用作机器人的肘、腿等各类关节，尤其适用于由多个弯曲关节构成的机械手指，而且多个机械手指可组合成操作机械手，作为自动化设备的执行机构，属于机器人、机械手应用技术领域。
背景技术：
本发明作出以前，在已有技术中，有采用气压驱动圆柱形橡胶弹性壁的轴向膨胀，由于一侧金属弹性片限制弹性壁轴向膨胀而产生关节的弯曲，靠弹性壁的弹性作用回复原状的柔性关节(″气动柔性气缸及弯曲、扭转关节″，专利申请号CN 87107075 A)。由于弹性壁的轴向膨胀耗费能量，功率/体积*质量的比小，弹性壁橡胶的老化还会改变其弹性模量E，弹性壁的弯曲变形无法得到较精确数学模型；金属弹性片仅仅起限制弹性壁轴向膨胀的作用，但金属弹性片的安装不够牢固，容易被轴向力拉脱。亦有采用螺旋弹簧骨架、气压驱动的圆柱弹性体的轴向膨胀，由于一侧限制伸长而产生关节的弯曲，靠圆柱弹性体和螺旋弹簧的弹性作用回复原状的柔性关节(《气动式限自由度机械手指》，″液压与气动″，2004年第8期)。由于圆柱弹性体的轴向、少许径向膨胀都需耗费能量，反应不够灵敏，且对圆柱弹性体的弯曲变形无法得到较精确数学模型，动态控制效果不够好，不能较好实现多关节的协调性。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明弯曲关节采用各种横截面形状的板弹簧为柔性骨架，波壳弹性体受气压后膨胀作为肌肉动力；在受侧外力时，单自由度关节也不会侧弯，而多自由度关节亦能缓冲扭转冲击。靠板弹簧的作用，弯曲变形的关节回复原状。波壳弹性体伸长、弯曲的变形力很小(可忽略不计)，对流体压力的变化敏感，要求流体流量小，关节弯曲动作灵活，耗能小；只需对板弹簧的大挠度变形分析，从而易于计算弯曲变形量，同时动态控制精度高；作为多关节的机械手指时，多关节的协调性好。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
本发明的板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节的方案I是：单节波壳的纵截面形状是“V”、“U”、“Ω”等形状的波壳弹性体4，靠卡箍3夹紧在头座2和尾座7的卡口上。弹簧工作部分形状为长方形、梯形或菱形的，横截面形状为矩形、月牙形或弧形的板弹簧5的两端经垫块6固定在头座2和尾座7上；长铰链座11被固定在尾座7上，短铰链座13被固定在头座2上，铰链12将长铰链座11和短铰链座13铰链连接在一起，构成铰链机构；波壳弹性体4受液气压作用而轴向伸长时，因受一侧的板弹簧5的限制而产生弯曲，铰链机构的约束使关节单自由度转动，这是一种单自由度弯曲柔性关节。头节1与头座2螺纹连接，头座2和尾座7在两端封闭弯曲关节内的流体膨胀空腔。波壳弹性体4壁内含有环形纬丝14和缠绕环形纬丝的缠绕经丝15，这样波壳弹性体4径向不易变形，其承载能力强；轴向变形容易，沿波壳弹性体4轮廓轴向的受力可忽略不计。头座和尾座卡口的轴心线与它们的主体轴心线的偏心距为e，这样流体驱动的力矩大，动态性能好，亦使安装结构紧凑。通过头座2、尾座7的相同外螺纹部分与中节16的内螺纹连接成多关节手指。
本发明的板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节的方案II是：除去关节内部有长铰链座11、铰链12、短铰链座13构成的铰链机构，用无孔的头座2a和尾座7a代替方案I中有孔头座2和尾座7；在尾座7a外侧，由直角管接头9a代替方案I中管接头9，将流体管路径向外接，其余结构完全相同。波壳弹性体4受液气压作用而轴向伸长时，因受一侧的板弹簧5的限制而产生多自由度弯曲，这是一种多自由度弯曲柔性关节，其结构较小，动作灵活，易做小型的手指关节，同时这种关节亦能缓冲扭转的冲击。通过头座2a、尾座7a的相同外螺纹部分与中节16的内螺纹连接成多关节手指。
实际上，根据结构和使用的需要，尾座7或尾座7a均可通过管接头9或直角管接头9a将流体从关节径向或轴向引入关节内腔；当然，对只使用管接头9的多关节机械手指，必须有单独的软管密封地从下部关节内腔内穿过，再连通上部关节内腔。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
本发明板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节采用各种横截面形状的板弹簧为柔性骨架，波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力，可以象人手的关节一样灵活弯曲。自由状态时，关节弯曲角度与其关节内的流体压强有关；工作时，作用力随关节内的流体压强增加而增加。在受侧外力时，单自由度关节也不会侧弯，而多自由度关节亦能缓冲扭转冲击。靠各种形状、各种横截面形状的板弹簧的作用，关节弯曲后回复原状。弯曲和回复的速度由进、出节流阀调节。本发明关节要求流体流量小，较小的压力变化就产生较大的弯曲变形，耗能小；且弯曲变形量与流体压强的关系，易建立数学模型，动态控制精度高，作为机械手指等多关节使用场合，多关节的协调性好。
附图说明：
图1为本发明弯曲关节方案I的主视图
图2为本发明弯曲关节方案I主视图的A-A剖视图
图3为本发明弯曲关节方案I主视图的B处局部放大图
图4为本发明弯曲关节方案II的主视图
图5为本发明弯曲关节方案I头座零件的右视图
图6为本发明弯曲关节方案I头座零件的主视图
图7为本发明弯曲关节方案I头座零件的左视图
图8为本发明弯曲关节方案I尾座零件的主视图
图9为本发明弯曲关节方案I尾座零件的左视图
图10为本发明弯曲关节方案I或II的流体控制原理图
具体实施方式：
下面本发明将结合附图中的方案I实施作进一步描述：
方案I的关节主要由头节1、头座2、卡箍3、波壳弹性体4、板弹簧5、垫块6、尾座7、密封垫8、管接头9、软管10、长铰链座11、铰链12、短铰链座13、环形纬丝14、缠绕经丝15、中节16等构成。
波壳弹性体4靠卡箍3夹紧在头座2和尾座7的卡口上，板弹簧5的两端经垫块6固定在头座2和尾座7上；关节内部，两个内六角螺栓分别穿过密封垫8将长铰链座11和短铰链座13固定在尾座7和头座2上，长铰链座11和短铰链座13之间靠铰链12连接；头节1与头座2螺纹连接，中节16与尾座7连接；气压源由接在管接头9的软管10提供，关节下部轴向的管接头9穿过密封垫8安装尾座7上；为提高承载能力，减少和消除波壳弹性体4的径向膨胀，波壳弹性体4壁内含有环形纬丝14和缠绕环形纬丝的缠绕经丝15。中节16的内螺纹亦可与除去头节1的柔性弯曲关节的头座2的外螺纹连接，形成多关节机械手指。
下面为本发明的工作原理及工作过程：
本发明板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节采用各种形状、各种横截面形状的板弹簧5为柔性骨架，波壳弹性体4受气压后膨胀作为肌肉动力。波壳弹性体4内腔受气压后，由于在一侧板弹簧5的限制，不能轴向伸长，另一侧可以轴向伸长，因此产生弯曲。自由状态时，关节弯曲角度与其关节内的流体压强有关；工作时，对外的作用力随关节内的流体压强增加而增加。限制了关节的自由度，在受侧外力时，关节也不会侧弯；但扭矩可使关节头座2以其主轴心线产生一定的旋转，扭矩一定的情况下，其转动角度与板弹簧5的横截面形状、尺寸有关；因此，关节在弯曲和扭转上有一定的柔性。靠各种横截面形状的板弹簧5的作用，关节弯曲后回复原状，且弯曲变形量与流体压强的关系，易建立数学模型。
如附图10所示，关节的流体通路有软管，二位二通、二位三通阀，进、出口可调节流阀和压力变送器等。压力变送器主要用来检测流体的压力，把这种压力信号转变成标准的电压或电流电信号，以便控制使用。蓄能器或储气罐的作用是保证工作中液气压力源的压力稳定。静态控制或动态精度要求不高时，控制系统采用压力变送器传递压力信号，在计算机中比较根据模型数值计算表或实验参数拟合曲线的压力参数而预先设定的值，通断二位阀的电磁阀线圈。1DT得电，关节弯曲角度不断增加；1DT失电，二位二通阀2DT得电，保持关节弯曲角度；1DT、2DT均失电，靠弹簧的作用，使关节内的流体排空，手指伸直。手指弯曲、伸直的快慢速度由流体通路的进、出口可调节流阀调节。动态控制精度高时，需要在关节上安装角度和力觉传感器，采用闭环方式进行实时控制。
多关节组合时，根据操作要求，数目可多可少的各关节的气路有各自的一套软管，进、出口节流阀和压力变送器等上述的控制系统，各自单独进行控制，因此作为多关节手指时，多关节的协调性好。

Claims (5)

1.一种板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，其特征是：波壳弹性体(4)两端靠卡箍(3)密封夹紧在头座(2)和尾座(7)的卡口上；板弹簧(5)的两端经垫块(6)靠螺钉固定在头座(2)和尾座(7)上；长铰链座(11)被固定在尾座(7)上，短铰链座(13)被固定在头座(2)上，铰链(12)将长铰链座(11)和短铰链座(13)铰接在一起，构成铰链机构，铰链机构位于波壳弹性体(4)的内部；波壳弹性体(4)受液气压作用而轴向伸长时，因受一侧的板弹簧(5)的限制而产生弯曲，铰链机构的约束使关节单自由度转动。
2.一种板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，其特征是：波壳弹性体(4)两端靠卡箍(3)密封夹紧在头座(2a)和尾座(7a)的卡口上；板弹簧(5)的两端经垫块(6)靠螺钉固定在头座(2a)和尾座(7a)上；波壳弹性体(4)受液气压作用而轴向伸长时，因受一侧的板弹簧(5)的限制而产生多自由度弯曲。
3.根据权利要求1或2所述的板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，其特征在于：采用板弹簧(5)为柔性骨架，板弹簧(5)的横截面形状为矩形、月牙形或弧形，板弹簧(5)的工作部分形状为长方形、梯形或菱形。
4.根据权利要求1或2所述的板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，其特征在于：采用波壳弹性体(4)受液气压后轴向伸长作为弯曲的动力，波壳弹性体(4)的单节波壳的纵截面为矩形、“V”、“U”或“Ω”型，波壳弹性体(4)的壁内含有环形纬丝(14)和缠绕环形纬丝的缠绕经丝(15)，其作用是提高承载能力，减少径向变形。
5.根据权利要求1或2所述的板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，其特征在于：头座(2，2a)和尾座(7，7a)的卡口的轴心线与它们的主轴心线偏心。
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