CN1613618A - 螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，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。关节采用螺旋弹簧为柔性骨架，弹性波壳内受液气压作用后，轴向膨胀作为肌肉动力，由于螺旋弹簧一侧轴向伸长受固定丝的限制，另一侧可以轴向伸长，因此产生弯曲。不受外力时，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；靠螺旋弹簧的作用，弯曲变形的关节回复原状。对本发明关节，一侧限制螺旋弹簧伸长的固定丝的装配方案有四种，各适用不同场合；关节弯曲动作灵活，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

螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节

技术领域：

本发明涉及一种螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，此弯曲关节可用作机器人的肘、腿等各类关节，亦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，对于弯曲关节来说：一般以各类电机或液气压为动力，采用各种机械结构与液气压缸、马达等的组合形式作为执行机构；上述方式是刚性结构，对控制的精度要求高，且结构复杂，体积较大，制造成本高。亦有采用气压驱动的橡胶壁(一种可变形和储存能量的、管壁内夹有限制径向膨胀螺旋丝的圆形橡胶管)，产生轴向膨胀，由于一侧限制伸长而产生关节的弯曲，靠橡胶管的弹性作用回复原状的柔性关节(专利号ZL89214574)；由于橡胶壁的轴向、轻微的径向膨胀都需耗费能量，反应不够灵敏，且对弹性橡胶壁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，不能实现多关节弯曲的应用(如机械手指)动作协调性。

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螺旋弹簧为柔性骨架，弹性波壳受气压后膨胀作为肌肉动力；靠螺旋弹簧的作用，弯曲变形的关节回复原状。弹性波壳轴向伸长而弯曲的变形力很小(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；只需对螺旋弹簧整体的大挠度变形分析，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：

本发明的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节的方案I是：弹性波壳5c的单节弹性波壳的纵截面形状为“V”、“U”或“Ω”等形状，且其壁内含有环形纬丝19和缠绕环形纬丝的缠绕经丝20；弹性波壳总成由扣紧外壳5b将弹性波壳5c滚压或模压密封固定在法兰内套5d的环槽中，旋转空套在扣紧外壳5b的连接密封螺母5a，分别将弹性波壳5c从两端密封夹紧在头座2和尾座8的螺纹上，形成封闭的弯曲关节的流体膨胀空腔。螺旋弹簧18的两端在中心面上同侧方向的弹簧丝的伸出部分由弹簧固定压板6，经调整垫片7压固在弹簧固定座4上，两个弹簧固定座4分别安装在头座2或尾座8上；螺旋弹簧18前述中心面另一侧被固定丝17捆绑，固定丝17经导丝架14导向后，由固丝螺钉16压紧在张丝螺杆15的孔内，两个张丝座13分别安装头座2或尾座8上，在张丝座13上的张丝螺杆15可旋转调节固定丝17的松紧，使螺旋弹簧18处于自由状态，形成柔性骨架。连接软管11的直角管接头10经小密封圈9螺纹密封固定在尾座8上，构成流体的通道。

多关节的机械手指的形成：中间节1可以与头座2螺纹连接，形成机械手指的指尖，或与尾座8螺纹连接的同时，中间节1的另一端与第二个柔性关节的头座2螺纹连接，形成多关节的机械手指；它们中间厚度调整圈12作用是调节旋转的相位角，保证多关节的固定丝17在同一平面内，即多关节的机械手指在平面内弯曲。

本发明的螺旋弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节的方案I、II、III或IV只是固定丝17的装配方法或根数的不同，即：方案I采用单根固定丝17捆绑螺旋弹簧18的装配法；方案II采用单根固定丝17在螺旋弹簧18圈内的装配法；方案III采用单根固定丝17在螺旋弹簧18圈外的装配法；方案IV采用双根固定丝17捆绑在螺旋弹簧18的装配法。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明螺旋弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节采用限制伸长的螺旋弹簧18为柔性骨架，弹性波壳5b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。不受外力状态时，关节弯曲角度与其关节内的流体压强有关；工作时，对外作用力随关节内的流体压强增加而增加。靠螺旋弹簧18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。弹性波壳5b壁内含有环形纬丝19和缠绕环形纬丝的缠绕经丝20，这样弹性波壳5b径向不易变形，其承载能力强；轴向变形容易，沿弹性波壳5b轮廓轴向的受力可忽略不计。因此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处局部放大视图

图4为本发明弯曲关节方案I的单固定丝捆绑装配放大图

图5为本发明弯曲关节方案II的单固定丝内装配放大图

图6为本发明弯曲关节方案III的单固定丝外装配放大图

图7为本发明弯曲关节方案IV的双固定丝捆绑装配放大图

图8为本发明弯曲关节的头座零件的主视图

图9为本发明弯曲关节的头座零件的左视图

图10为本发明弯曲关节的尾座零件的主视图

图11为本发明弯曲关节的尾座零件的左视图

图12为本发明弯曲关节的弹性波壳总成装配主视图

图13为本发明弯曲关节的弹性波壳总成装配C-C剖视图

图14为本发明弯曲关节的张丝座零件的主视图

图15为本发明弯曲关节的张丝座零件的左视图

图16为本发明弯曲关节的弹簧主视图

图17为本发明弯曲关节的弹簧左视图

图18为本发明弯曲关节的流体控制原理图

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的关节主要由中间节1、头座2、大密封圈3、弹簧固定座4、连接密封螺母5a、扣紧外壳5b、弹性波壳5c、法兰内套5d、弹簧固定压板6、调整垫片7、尾座8、小密封圈9、直角管接头10、软管11、厚度调整圈12、张丝座13、导丝架14、张丝螺杆15、固丝螺钉16、固定丝17、螺旋弹簧18、环形纬丝19、缠绕经丝20等构成。

其具体实施方式是：

(1)弹性波壳5c的单节弹性波壳的纵截面形状为“V”、“U”或“Ω”等形状，弹性波壳5b壁内含有环形纬丝19和缠绕环形纬丝的缠绕经

20，这样弹性波壳5b径向不易变形，其承载能力强；弹性波壳总成由扣紧外壳5b将弹性波壳5c滚压或模压密封固定在法兰内套5d的环槽中，连接密封螺母5a空套在法兰内套5d上；旋转连接密封螺母5a，经大密封圈3，将弹性波壳总成两端分别密封夹紧在头座2或尾座8的螺纹上，它们形成封闭的弯曲关节的流体膨胀空腔。

(2)螺旋弹簧18一侧的两端弹簧丝的伸出部分由弹簧固定压板6，经调整垫片7紧固在弹簧固定座4上，由各两个螺钉分别将弹簧固定座4固定头座2或尾座8上；螺旋弹簧18另一侧被固定丝17捆绑，固定丝17经导丝架14导向后，由固丝螺钉16压紧在张丝螺杆15的孔内，张丝座13上的张丝螺杆15可旋转调节固定丝17的松紧，使螺旋弹簧18处于自由状态；调整垫片7的厚度约等于固定丝17的直径，才能方便调整螺旋弹簧18处于自由状态，形成柔性骨架。

(3)经过厚度调整圈12，中间节1可以与头座2螺纹连接，形成手指的指尖；或与尾座8的同时，中间节1的另一端与第二个柔性关节的头座2连接，形成多关节的机械手指；它们中间厚度调整圈12作用是调节旋转的相位角，保证多关节的固定丝17在一个平面内。

(4)连接软管11的直角管接头10经小密封圈9螺纹密封固定在尾座8上，构成流体的通道。

下面为本发明的工作原理及工作过程：

本发明螺旋弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节采用螺旋弹簧18为柔性骨架，弹性波壳5c受气压后膨胀作为肌肉动力。波壳弹性体4内腔受气压后，由于在一侧螺旋弹簧18的限制，不能轴向伸长，另一侧可以轴向伸长，因此产生弯曲。不受外力状态时，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；关节在弯曲和扭转上有一定的柔性，因而对位置精度要求低，并具有缓冲作用。靠螺旋弹簧18的作用，关节弯曲后回复原状，分析螺旋弹簧18的受力变形，对关节的弯曲变形量与流体压强的关系，易建立数学模型，便于精确控制。

如附图17所示，关节的流体通路有软管，一条通路堵死的三位四通阀，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。储气罐或蓄能器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，通断三位四通阀的电磁阀线圈。1DT失电，2DT得电，关节弯曲角度不断增加；1DT、2DT均失电，保持关节弯曲角度；2DT失电、1DT得电，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，需要在弯曲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，三位四通阀，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 (7)

1.一种螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，对于采用气压驱动一种管壁内夹有限制径向膨胀螺旋丝的圆形橡胶管，产生轴向膨胀，由于圆形橡胶管一侧限制轴向膨胀而产生关节的弯曲，靠橡胶的弹性作用回复原状的关节的现有技术，本发明的特征是：旋转波壳总成两端的连接密封螺母(5a)，分别将弹性波壳(5c)从两端密封夹紧在头座(2)和尾座(8)的螺纹上，形成封闭的弯曲关节的流体膨胀空腔。螺旋弹簧(18)两端同侧的弹簧丝的伸出部分由弹簧固定压板(6)，经调整垫片(7)压固在弹簧固定座(4)上，两个弹簧固定座(4)分别安装在头座(2)或尾座(8)上；螺旋弹簧(18)前述中心面另一侧被固定丝(17)限制伸长而使得螺旋弹簧(18)在弹性波壳(5c)轴向伸长时产生弯曲，形成可弯曲的柔性骨架。

2.一种螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，应用弯曲关节构成机械手或机械手指，其特征是：中间节(1)可以与头座(2)螺纹连接，形成机械手指的指尖；或与尾座(8)螺纹连接的同时，中间节(1)的另一端与第二个柔性关节的头座(2)螺纹连接，形成多关节的机械手指；它们中间厚度调整圈(12)作用是调节旋转的相位角，保证多关节的固定丝(17)在同一平面内，即多关节的机械手指在平面内弯曲。

3.根据权利要求1所述的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，其特征在于：弹性波壳(5c)的单节弹性波壳的纵截面形状为“V”、“U”或“Ω”等形状，且其壁内含有或不含有环形纬丝(19)和缠绕环形纬丝(19)的缠绕经丝(20)，含有环形纬丝(19)和缠绕经丝(20)作用是提高承载能力，减少径向变形，不含有环形纬丝(19)和缠绕经丝(20)时用在轻载的场合；弹性波壳总成由扣紧外壳(5b)将弹性波壳(5c)滚压或模压密封固定在法兰内套(5d)的环槽中，连接密封螺母(5a)空套在扣紧外壳(5b)上。

4.根据权利要求1所述的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，其特征在于固定丝(17)的调整、固定方式：固定丝(17)经导丝架(14)导向后，由固丝螺钉(16)压紧在张丝螺杆(15)的孔内，两个张丝座(13)分别安装头座(2)或尾座(8)上，张丝座(13)上的张丝螺杆(15)可旋转调节固定丝(17)的松紧，使螺旋弹簧(18)处于自由状态。

5.根据权利要求1所述的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，其特征在于限制伸长螺旋弹簧(18)的固定丝(17)装配方法或根数的不同，共有四种方案：方案I采用单根固定丝(17)捆绑螺旋弹簧(18)的装配法；方案II采用单根固定丝(17)在螺旋弹簧(18)圈内的装配法；方案III采用单根固定丝(17)在螺旋弹簧(18)圈外的装配法；方案IV采用双根固定丝(17)捆绑螺旋弹簧(18)的装配法。

6.根据权利要求1所述的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，其特征在于：螺旋弹簧(18)特殊结构是两端的弹簧钢丝末处均在螺旋弹簧(18)在中心面上，垂直于螺旋弹簧(18)中心线，同侧方向、平直地伸出，以方便弹簧固定压板(6)的压紧固定。

7.根据权利要求1所述的螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节，其特征在于：连接软管(11)的直角管接头(10)经小密封圈(9)螺纹密封固定在尾座(8)上，构成流体的通道。

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