CN1666720A - 螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节，此弯曲关节既类似于人体的手指、肘、膝等部位的单方向弯曲关节，又可成为需要保持平衡和缓冲性较好的脚腕、以及肩部的多方向弯曲关节，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。采用弹性波纹管受流体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，由一个或多个人工肌肉组件构成柔性关节；采用板铰链、球状万向节作为柔性关节的骨架；靠螺旋弹簧的回弹作用的回弹作用，弯曲变形的关节回复伸直。螺旋弹簧和封闭的可压缩弹性波纹管有极好的缓冲性，弹性波纹管壁内夹有加强作用的经、纬丝，弹性波纹管的变形对流体压力的变化敏感，要求流体流量小，耗能小，从而使柔性关节动作灵活。

Description

螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节

技术领域：

本发明涉及一种螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节，此关节是弯曲关节，可用作机器人、机械手和残疾人假肢的各类关节；其特征既类似于人体的手指、肘、膝等部位的单方向弯曲关节，又可成为需要保持平衡和缓冲性较好的脚腕、以及肩部的多方向弯曲关节，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，缓冲性差，对控制的精度要求高，且结构复杂，体积较大，制造成本高。尤其是现有机械手、机器人的关节不具有多方向弯曲的特征，不能体现动物的关节柔性、灵活性和多关节的协调性的特点。

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弹性波纹管受流体压力后轴向膨胀作为人工肌肉动力，由一个或多个人工肌肉组件驱动柔性关节；采用板铰链、球状万向节作为单、多自由度柔性关节的骨架；靠螺旋弹簧的回弹作用的回弹作用，弯曲变形的关节回复伸直。螺旋弹簧和封闭的可压缩弹性波纹管(类似空气弹簧)有极好的缓冲性，弹性波纹管壁内夹有加强作用的经、纬丝，弹性波纹管的变形对流体压力的变化敏感，其弹性伸长、弯曲的变形力很小(可忽略不计)，要求流体流量小，耗能小，从而使柔性关节动作灵活。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

(1)弹性波纹管总成

弹性波纹管6的其壁内夹有环形纬丝14和经丝13，类似液压油输送橡胶软管结构，弹性波纹管总成由弹性波纹管6、扣紧外壳5、法兰内套4、连接螺母3构成。

(2)人工肌肉组件

弹性波纹管总成的连接螺母3旋转，经密封垫2，将弹性波纹管6从两端密封地安装在头座1和尾座10的螺纹上，形成封闭的关节空腔；流体通过管接头12进入关节空腔，管接头12与尾座10间有密封圈11密封；头座1和尾座10上的削扁处各有两个相同的螺纹孔，作为人工肌肉组件与其他零件装配联接螺纹孔；螺旋弹簧7两端伸出的弹簧丝由压板8压紧，压板8由两个螺钉固定在垫块9上。

(3)板铰链的柔性关节

板铰链15的两端由内六角螺栓旋紧在人工肌肉组件的头座1和尾座10削扁处的螺纹孔上，形成板铰链弯曲柔性关节。

(4)球状万向节的柔性关节

过渡板17由两个内六角螺栓拧在人工肌肉组件的头座1或尾座10削扁处的螺纹孔上，过渡板17的另一端由两个内六角螺栓固定在正多边形底座16上；球状万向节18的两端由螺母与正多边形底座16紧固，且球状万向节18两端轴颈与正多边形底座16中间孔的配合是小间隙、过渡或小过盈配合。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节采用板铰链、球状万向节作为单、多自由度柔性关节的骨架，弹性波纹管弹性体受流体压力后轴向膨胀作为人工肌肉动力，可以象人或动物的关节一样灵活弯曲。靠螺旋弹簧的回弹作用，也可靠封闭的可压缩弹性波纹管(类似空气弹簧)的回弹作用，弯曲变形的关节回复伸直。弯曲和回复伸直的速度由进、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为本发明的人工肌肉组件的A-A剖视图

图2为本发明的人工肌肉组件主剖视图

图3为本发明的人工肌肉组件的B处局部放大

图4为本发明的板铰链的关节的C-C剖视图

图5为本发明的板铰链的关节的主剖视图

图6为本发明的板铰链零件图

图7为本发明的球状万向节关节的D-D剖视图

图8为本发明的球状万向节关节的主剖视图

图9为本发明人工肌肉组件的螺旋弹簧零件的主视图

图10为本发明人工肌肉组件的螺旋弹簧零件的左视图

具体实施方式：

下面本发明将结合附图对各种方式的实施作进一步描述：

(1)弹性波纹管总成

如附图1～3所示，弹性波纹管6的单节弹性波纹管的纵截面形状为“V”、“U”或“Ω”等形状，且其壁内含有环形纬丝14和柔性的绕环形纬丝14的经丝13；类似液压油输送橡胶软管结构，弹性波纹管总成由扣紧外壳5将弹性波纹管6滚压或模压密封固定在法兰内套4的环槽中，在扣紧外壳5上空套了连接螺母3，上述结构形成了弹性波纹管总成。

(2)人工肌肉组件

如附图1～3所示，弹性波纹管总成的连接螺母3旋转，带动法兰内套4压紧密封垫2，将弹性波纹管6从两端密封地安装在头座1和尾座10的螺纹上，形成封闭的弯曲关节的流体膨胀空腔；流体通过管接头12进入关节空腔，管接头12与尾座10间有密封圈11密封；尾座10比头座1多了一个安装管接头12的螺纹孔，头座1和尾座10上的削扁处各有两个相同的螺纹孔，作为人工肌肉组件与其他零件装配联接螺纹孔；螺旋弹簧7两端伸出的弹簧丝由压板8压紧，压板8由两个螺钉固定在垫块9上；由上述零件构成了一个独立的流体驱动的人工肌肉组件。

螺旋弹簧7的基本结构如附图9、10所示，其整体形状是圆柱形，亦可以是圆锥台、由两个圆锥台组合成的中间直径大或两端直径大的形状、及中间直径大或两端直径大的鼓形等。

(3)板铰链的柔性关节

如附图4、5所示，板铰链15的两端由内六角螺栓旋紧在人工肌肉组件的头座1和尾座10削扁处的螺纹孔上，形成板铰链弯曲柔性关节。板铰链15的结构如附图6所示

(4)球状万向节的柔性关节

如附图7、8所示，过渡板17由两个内六角螺栓拧在人工肌肉组件头座1或尾座10削扁处的螺纹孔上，过渡板17的另一端固定在正多边形底座16上；球状万向节18的两端由螺母与正多边形底座16紧固，且球状万向节18两端轴颈与正多边形底座16中间孔的配合是小间隙、过渡或小过盈配合。

正多边形底座16的边数为3～18个，相应的人工肌肉组件亦有3～18个；对多方向弯曲的柔性关节，单个人工肌肉组件由流体驱动，或多个人工肌肉组件由流体同时驱动，可以有不同大小的弯曲力和不同的弯曲方向。

下面为本发明的工作原理及工作过程：

每个人工肌肉组件的流体通路有软管，方向控制阀，进、出口可调节流阀、蓄能器(或储气罐)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，通断方向控制电磁阀线圈。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。

Claims (5)

1.一种螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节，其流体驱动人工肌肉的特征是：弹性波纹管总成由弹性波纹管(6)、扣紧外壳(5)、法兰内套(4)、连接螺母(3)构成；弹性波纹管总成的连接螺母(3)旋转，经密封垫(2)，将弹性波纹管(6)从两端密封地安装在头座(1)和尾座(10)的螺纹上，形成封闭的关节空腔；流体通过管接头(12)进入关节空腔，管接头(12)与尾座(10)间有密封圈(11)密封；头座(1)和尾座(10)上的削扁处各有两个相同的螺纹孔，作为人工肌肉组件与其他零件装配联接孔；螺旋弹簧(7)两端伸出的弹簧丝由压板(8)压紧，压板(8)由两个螺钉固定在垫块(9)上。

2.一种螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节，应用人工肌肉的板铰链关节的特征是：板铰链(15)的两端由内六角螺栓旋紧在人工肌肉组件的头座(1)和尾座(10)削扁处的螺纹孔上，形成板铰链弯曲柔性关节。

3.一种螺旋弹簧式人工肌肉的柔性关节，应用人工肌肉的球状万向节柔性关节的特征是：过渡板(17)由两个内六角螺栓拧在人工肌肉组件的头座(1)或尾座(10)削扁处的螺纹孔上，过渡板(17)的另一端由两个内六角螺栓固定在正多边形底座(16)上；球状万向节(18)的两端由螺母与正多边形底座(16)紧固，且球状万向节(18)两端轴颈与正多边形底座(16)中间孔的配合是小间隙、过渡或小过盈配合。

4.根据权利要求1所述的流体驱动人工肌肉，其特征在于：弹性波纹管(6)的单节弹性波纹管的纵截面形状为“V”、“U”或“Ω”等形状，且其壁内含有环形纬丝(14)和柔性的绕环形纬丝(14)的经丝(13)。

5.根据权利要求1所述的流体驱动人工肌肉，其特征在于：螺旋弹簧(7)的整体形状是圆柱形，亦可以是圆锥台、由两个圆锥台组合成的中间直径大或两端直径大的形状、及中间直径大或两端直径大的鼓形等。

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