CN201446531U - 基于介电型eap的多维主动关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种基于介电型EAP的多维主动关节，属于主动关节的技术领域。该主动关节由上至下依次同轴设置上框、下框，上框内设置有内框，内框与上框之间采用铰接机构铰接，轴的上端与内框固定，轴的下端穿过导向套，导向套和下框均与基底固定连接，上框与下框之间同轴对称设置2n个介电型EAP驱动器，所述介电型EAP驱动器通过连杆连接在上框与下框的骨架上，其中n为自然数。本实用新型结构简单、成本低、质量轻、工作灵活。

Description

基于介电型EAP的多维主动关节

技术领域

实用新型涉及一种基于介电型EAP的多维主动关节，属于主动关节的技术领域。

背景技术

关节是机器人、机电系统相对运动部件间的结合部分。传统的移动或旋转关节通常采用电机(如电磁电机)加上传动机构(如减速器、齿轮齿条传动等)驱动关节运动，造成机械结构复杂、价格昂贵、体积大、质量大、功率质量比小；传动零件间存在着滑动和滚动摩擦，能效低；多数情况下一个关节只具有一个自由度，灵活性差等缺点，且这类驱动器相对固定的形式限制了其在某些环境中的应用，因此不能满足未来机器人及机电系统对关节质量轻、结构简单、能量利用效率高、价格适中的要求。

除了电机驱动的关节外，还有由气动人工肌肉驱动的关节。通过查询专利，浙江工业大学的实用新型申请“一种气动球关节”(实用新型申请号：200710069689.3)采用三个气动人工肌肉驱动器实现球关节的驱动，但采用气动人工肌肉驱动需要较多附件如气源及其控制系统等，系统结构尺寸和质量大。

为解决关节驱动中存在的问题，一些智能材料(如压电陶瓷，形状记忆合金等)被研究用来实现关节驱动器。这些驱动器能够实现机器人系统、机电系统的微小型化，能够实现在复杂的环境中进行操作。但是压电陶瓷由于变形量小，在应用时往往需要放大机构进行位移放大，使得结构复杂。形状记忆合金由于温度变化引起材料相变导致晶格间距距离变大实现宏观位移驱动，其效率比较低，响应速度慢。

介电型EAP是一种新型智能材料，较其它智能材料和传统的电磁技术相比有很多优点：可以直接对外做功、无需传动机构、结构简单、体积小、质量轻；动作平滑、无相对摩擦运动部件、无热、无噪声；功率质量比大、能量转换效率高；变形大，可产生较大位移、响应速度快；具有柔性，便于结构安排等优点，在关节驱动中有着诱人的应用前景。

瑞士联邦材料测试和研究实验室的P.Lochmatter应用VHB4910作为驱动材料研究了可单自由度弯曲的关节结构，采用平面形驱动器推拉关节骨架实现关节摆动，并将多个关节串联实现大范围内的单自度摆动。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于介电型EAP的多维主动关节。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

本实用新型基于介电型EAP的多维主动关节，其特征在于该主动关节由上至下依次同轴设置上框、下框，上框内设置有内框，内框与上框之间采用铰接机构铰接，轴的上端与内框固定，轴的下端穿过导向套，导向套和下框均与基底固定连接，上框与下框之间同轴对称设置2n个介电型EAP驱动器，所述介电型EAP驱动器通过连杆连接在上框与下框的骨架上，其中n为自然数。

为克服已有关节的质量大、自由度少、灵活性不高等不足，本实用新型利用介电型EAP功率密度比高、直接驱动、质量轻、具有柔性便于结构安排等优点，提供一种结构简单的基于介电型EAP的多自由度主动关节。

本实用新型具有驱动自由度多，结构安排方便简单、具有柔性保护功能，体积小，质量轻等优点，可代替机械手臂之间的关节、人工假肢或医学修复中的关节及柔体机器人关节。

附图说明

图1为基于介电型EAP的主动关节结构。

图中名称标号：1为内框，2为轴，3为导向套，4为铰接机构，5为上框，6为连杆，7为EAP驱动器，8为下框，9为所施加预载荷。

图2为采用锥形驱动器的主动关节结构形式，10为分片电极。

图3为采用圆柱形驱动器的主动关节结构形式。

具体实施方式

本实用新型的关节骨架最多可有三个自由度，即z轴的移动和绕x、y轴的旋转。关节骨架由轴2、导向套3、内框1、上框5和下框8组成。其中下框8及导向套3均与基底固连，轴2与内框1固连，可沿导向套3作z向的直线运动。内框1与上框5之间采用铰接机构4(虎克铰或球铰)进行连接，上框5相对于内框1可绕x、y轴进行旋转。所述介电型EAP驱动器沿关节骨架圆周方向布置，驱动器通过连杆6连接在上框与下框之间。一个关节可最多实现三个自由度的运动，包括沿z轴的移动和绕x、y轴的旋转。当上框5在x向一侧的驱动器通电产生位移，另一侧不通电时，则使上框5相对内框1产生绕x轴的旋转运动。当上框5在y向一侧的驱动器通电产生位移，另一侧不通电时，则使上框5相对内框1产生绕y轴的旋转运动。当上框5四周的驱动器7都通电时，上框5将和内框1及铰接4、轴2一起产生沿z轴的直线运动。当驱动器7能承受推力时，连杆6采用刚性杆或柔性杆。当驱动器只能承受拉力时，连杆6采用柔性杆。连杆6采用柔性杆时，在轴2上施加一定的轴向预载荷9。

对于回转体结构的驱动器形式(锥形、圆柱形)，可只采用一个驱动器，并在EAP上制造出2n处分片电极10，每片电极及夹在中间的EAP均可看作一个EAP子驱动器，可减小结构尺寸，提高结构紧凑性，其中n为自然数。基于介电型EAP的多维主动关节可用于机器人手臂、人工假肢关节、仿生柔体机器人关节等领域，具有柔性，结构安排方便、简单，体积小，质量轻，且具有保护功能。

下面结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明：

图1为基于介电型EAP的主动关节结构图。驱动器7通电产生位移，带动上框5产生相应的运动。当x向一侧的驱动器通电产生位移，而另一侧的驱动器未通电时，则会推动上框5产生绕x轴的旋转运动。当y向一侧的驱动器通电产生位移，而另一侧的驱动器未通电时，则会推动上框5产生绕y轴的旋转运动。当上框5四周的驱动器都通电时，则会都产生位移，推动上框5产生沿z轴的线性位移。

图2为采用回转形驱动器(锥形)时可采用的另一种主动关节结构.将锥形驱动器的EAP分成2n个区，每个区的EAP正反面涂上一对分片电极10，同一面上的分片电极之间相互隔开，每一对分片电极及之间的EAP可看作一个子驱动器.当子驱动器通电后，上框会产生相应的动作.

图3为采用回转形驱动器(圆柱形)时可采用的另一种主动关节结构。将圆柱形驱动器的EAP分成2n个区，每个区的EAP正反面涂上分片电极10，同一面上的分片电极之间隔开，每一对分片电极及之间的EAP可看作一个子驱动器。当子驱动器通电后，上框会产生相应的动作。

本实用新型结构简单、成本低、质量轻、工作灵活，可用于仿生机器人、机械手、假肢、医学修复等领域。

Claims (3)

1.一种基于介电型EAP的多维主动关节，其特征在于该主动关节由上至下依次同轴(2)设置上框(5)、下框(8)，上框(5)内设置有内框(1)，内框(1)与上框(5)之间采用铰接机构(4)铰接，轴(2)的上端与内框(1)固定，轴(2)的下端穿过导向套(3)，导向套(3)和下框(8)均与基底固定连接，上框(5)与下框(8)之间同轴(2)对称设置2n个介电型EAP驱动器(7)，所述介电型EAP驱动器(7)通过连杆(6)连接在上框(5)与下框(8)的骨架上，其中n为自然数。

2.根据权利要求1所述的基于介电型EAP的多维主动关节，其特征在于至少有一个介电型EAP驱动器(7)和连杆(6)构成的驱动装置，介电型EAP驱动器(7)和连杆(6)构成的驱动装置采用分片电极(10)及夹在内外分片电极之间的介电型EAP替换。

3.根据权利要求1所述的基于介电型EAP的多维主动关节，其特征在于当介电型EAP驱动器(7)能承受推力时，连杆(6)采用刚性或柔性杆；当介电型EAP驱动器(7)只能承受拉力时，连杆(6)采用柔性杆；当采用柔性杆时，在轴(2)上施加轴向预载荷(9)。

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