CN1676289A - 组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节 - Google Patents

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本发明涉及一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，此弯曲关节可用作机器人、机械手和残疾人假肢的各类关节，尤其是如人体的臂关节一样的需多方向弯曲的机械人关节，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。弯曲关节采用弹性波纹管受流体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，由多个人工肌肉组件构成柔性关节；采用板弹簧或板铰链作为两方向弯曲的柔性关节骨架；采用圆杆弹簧、球状万向节或十字万向节作为多方向弯曲的柔性关节骨架。弹性波纹管的变形对流体压力的变化敏感，弹性波纹管弹性伸长、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。

Description

组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节
技术领域：
本发明涉及一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，此弯曲关节可用作机器人、机械手和残疾人假肢的各类关节，尤其是如人体的臂关节一样的需多方向弯曲的机械人关节，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，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肌肉动力，由多个人工肌肉组件构成柔性关节；采用板弹簧或板铰链作为两方向弯曲的柔性关节骨架，采用圆杆弹簧、球状万向节或十字万向节作为多方向弯曲的柔性关节骨架；靠板弹簧或圆杆弹簧的回弹作用，也可以靠对应的封闭的被压缩弹性波纹管(类似空气弹簧)的回弹作用，弯曲变形的关节回复伸直。弹性波纹管的变形对流体压力的变化敏感，弹性波纹管弹性伸长、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)人工肌肉组件
弹性波纹管3靠卡套2的内螺纹旋转夹紧在头座1和尾座4的卡口上，弹性波纹管3、头座1和尾座4构成的封闭空腔；流体通过软管7和直角接头6进入关节空腔，直角接头6与尾座4间有密封圈5密封；尾座4比头座1多了一个安装直角接头6的螺纹孔，头座1和尾座4上均由相同的导向槽8；由上述零件构成了一个独立的流体驱动的人工肌肉组件。
(2)板铰链两方向弯曲的柔性关节
板铰链9的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座1和尾座4的导向方槽8内形成板铰链两方向弯曲柔性关节。
(3)板弹簧两方向弯曲的柔性关节
板弹簧10的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座1和尾座4的导向方槽8内形成板弹簧两方向弯曲柔性关节。
(4)十字万向节或球状万向节多方向弯曲的柔性关节
多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块13定位后，固定在两端的正多边形底座12上；十字万向节11或球状万向节14的两端由螺母与正多边形底座12紧固，并且十字万向节11或球状万向节14两端轴颈与正多边形底座12中间孔的配合是间隙配合。
(5)圆杆弹簧多方向弯曲的柔性关节
多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块13定位后，固定在两端的正多边形螺纹孔座20上，圆杆弹簧15的两端由开口销19卡在半圆锥导套16上，半圆锥导套16塞在带有细牙螺纹的旋盖17内；旋转旋盖17可调节圆杆弹簧15的位置；圆盖18靠螺钉紧固在旋盖17上，并压紧圆杆弹簧15。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
本发明组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节采用板弹簧或板铰链作为两方向弯曲的柔性关节骨架，采用圆杆弹簧、球状万向节或十字万向节作为多方向弯曲的柔性关节骨架，弹性波纹管弹性体受流体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，可以象人或动物的关节一样灵活弯曲。靠板弹簧或圆杆弹簧的回弹作用，也可以靠对应的封闭的被压缩弹性波纹管(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视图
图3为本发明的板铰链两方向弯曲关节的B-B剖视图
图4为本发明的板铰链两方向弯曲关节主视图
图5为本发明的板铰链零件图
图6为本发明的板弹簧两方向弯曲关节的C-C剖视图
图7为本发明的板弹簧两方向弯曲关节主视图
图8为本发明的十字万向节多方向弯曲关节主视图
图9为本发明的十字万向节多方向弯曲关节的D-D剖视图
图10为本发明的十字万向节多方向弯曲关节的E局部放大图
图11为本发明的球状万向节多方向弯曲关节主视图
图12为本发明的圆杆弹簧多方向弯曲关节主视图
图13为本发明的圆杆弹簧多方向弯曲关节的F-F剖视图
图14为本发明的圆杆弹簧零件图
图15为本发明的半圆锥导套零件的主视图
图16为本发明的半圆锥导套零件的G-G剖视图
图17为本发明的弹性波纹管零件图
图18为本发明的弹性波纹管零件图的H局部放大图
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)人工肌肉组件
如附图1～2所示，弹性波纹管3靠卡套2夹紧在头座1和尾座4的卡口上，弹性波纹管3、头座1和尾座4构成的封闭空腔；流体通过软管7和直角接头6进入关节空腔，直角接头6与尾座4间有密封圈5密封；尾座4比头座1多了一个安装直角接头6的螺纹孔，头座1和尾座4上均由尺寸相同的导向槽8；由上述零件构成了一个独立的流体驱动人工肌肉组件。
弹性波纹管3是橡胶波纹管，其单节弹性波纹管的纵截面形状可为“V”、“U”、“Ω”等形状；其中“V”形截面的弹性波纹管3如附图17～18所示，所有弹性波纹管3壁内均夹有或不夹有加强丝；加强丝可以是环形纬丝21、或沿纵向轮廓分布的线状经丝22、或由线状经丝22缠绕环形纬丝21等三种形式。
(2)板铰链两方向弯曲的柔性关节
如附图3～4所示，板铰链9的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座1和尾座4的导向方槽8内，这样由两个人工肌肉组件和一个板铰链9构成了板铰链两方向弯曲柔性关节，板铰链9的结构如附图5所示。
(3)板弹簧两方向弯曲的柔性关节
如附图6～7所示，板弹簧10的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座1和尾座4的导向方槽8内，这样由两个人工肌肉组件和一个板弹簧10构成了板弹簧两方向弯曲柔性关节。
板弹簧10除定位安装夹紧部分之外的外形或横截面可以是长方形、梯形、双梯形等形状，以便有不同的力学性能。
(4)十字万向节或球状万向节多方向弯曲的柔性关节
如附图8～10所示，多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块13定位后，固定在两端的正多边形底座12上；十字万向节11的两端由螺母与正多边形底座12紧固，并且十字万向节11两端轴颈与正多边形底座12中间孔的配合是间隙配合。
如附图11所示，多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块13定位后，固定在两端的正多边形底座12上；球状万向节14的两端由螺母与正多边形底座12紧固，并且球状万向节14两端轴颈与正多边形底座12中间孔的配合是间隙配合。
上述正多边形底座12的边数等于人工肌肉组件的个数。
(5)圆杆弹簧多方向弯曲的柔性关节
如附图12～13所示，多个流体驱动肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块13定位后，固定在两端的正多边形螺纹孔座20上，圆杆弹簧15的两端由开口销19卡在半圆锥导套16上，半圆锥导套16塞在带有细牙螺纹的旋盖17内；旋转旋盖17调节圆杆弹簧15的位置；圆盖18靠螺钉紧固在旋盖17上，并压紧圆杆弹簧15。
更换不同直径的圆杆弹簧15和不同孔内径(附图15中的φD3尺寸)的半圆锥导套16，以改变圆杆弹簧15的刚性，使关节具有不同的力学性能。
上述正多边形螺纹孔座20的边数等于人工肌肉组件的个数。如附图14所示的圆杆弹簧15两端镦扁、钻孔后，热处理；如附图15～16所示的半圆锥导套16两两配作、标记并配对装配。
对各种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 (10)

1.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，其流体驱动人工肌肉的特征是：弹性波纹管(3)靠卡套(2)旋转夹紧在头座(1)和尾座(4)的卡口上，弹性波纹管(3)、头座(1)和尾座(4)构成的封闭空腔；流体通过软管(7)和直角接头(6)进入关节空腔，直角接头(6)与尾座(4)间有密封圈(5)密封；尾座(4)比头座(1)多了一个螺纹孔，头座(1)和尾座(4)上均由相同的导向槽(8)。
2.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，应用人工肌肉的板铰链两方向弯曲柔性关节的特征是：板铰链(9)的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座(1)和尾座(4)的导向方槽(8)内。
3.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，应用人工肌肉的板弹簧两方向弯曲柔性关节的特征是：板弹簧(10)的两端由内六角螺栓定位夹紧在两个人工肌肉组件的头座(1)和尾座(4)的导向方槽(8)内。
4.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，应用人工肌肉的十字万向节多方向弯曲柔性关节的特征是：多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块(13)定位后，固定在两端的正多边形底座(12)上；十字万向节(11)的两端由螺母与正多边形底座(12)紧固，并且十字万向节(11)两端轴颈与正多边形底座(12)中间孔的配合是间隙配合。
5.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，应用人工肌肉的球状万向节多方向弯曲柔性关节的特征是：多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块(13)定位后，固定在两端的正多边形底座(12)上；球状万向节(14)的两端由螺母与正多边形底座(12)紧固，并且球状万向节(14)两端轴颈与正多边形底座(12)中间孔的配合是间隙配合。
6.一种组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，应用人工肌肉的圆杆弹簧多方向弯曲柔性关节的特征是：多个人工肌肉组件分别由内六角螺栓经过导向块(13)定位后，固定在两端的正多边形螺纹孔座(20)上，圆杆弹簧(15)的两端由开口销(19)卡在半圆锥导套(16)上，半圆锥导套(16)塞在带有细牙螺纹的旋盖(17)内；旋转旋盖(17)调节圆杆弹簧(15)的位置；圆盖(18)靠螺钉紧固在旋盖(17)上，并压紧圆杆弹簧(15)。
7.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(3)是橡胶波纹管，其单节弹性波纹管的纵截面形状可为“V”、“U”、“Ω”等形状；所有弹性波纹管(3)壁内均夹有或不夹有加强丝；加强丝可以是环形纬丝(21)、或沿纵向轮廓分布的线状经丝(22)、或由线状经丝(22)缠绕环形纬丝(21)等三种形式。
8.根据权利要求3所述的板弹簧两方向弯曲柔性关节，其特征在于：板弹簧(10)除定位安装夹紧部分之外的外形或横截面可以是长方形、梯形、双梯形等形状，以便有不同的力学性能。
9.根据权利要求6所述的圆杆弹簧多方向弯曲柔性关节，其特征在于：更换不同直径的圆杆弹簧(15)和不同孔内径的半圆锥导套(16)，以改变圆杆弹簧(15)的刚性，使关节具有不同的力学性能。
10.根据权利要求6所述的圆杆弹簧多方向弯曲柔性关节，其特征在于：圆杆弹簧(15)两端镦扁、钻孔后，热处理；半圆锥导套(16)两两配作、标记并配对装配。
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