CN202071080U - 一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，它主要由前连杆、后连杆、关节转轴、关节轴承、柔性轴套、气动肌肉、缓冲机构、偏置弹簧组成。气动肌肉作为关节主要驱动部件，通过改变内部气体压力产生轴向拉动力来实现连杆绕关节转动。安装在缓冲机构上的大刚度值的缓冲用偏置弹簧，在连杆末端受到冲击时，有效缓解冲击。非同轴安装的柔性轴套起到缓冲对转动轴的冲击作用，以及扩展转动关节运动自由度作用。本装置整体为扁平形状，可组装出可实现非定轴的、非平面内的、复合转动运动的关节机构。本肘关节装置能承受较大的载荷和冲击，动作平滑，柔顺性好，接近人体肘关节的运动特点，可满足仿生机器人和康复机器人等领域对机械关节的性能要求。

Description

一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于气动肌肉驱动的、带有柔性轴套和弹簧碰撞缓冲的柔顺人工肘关节装置，属于柔顺机器人关节机构技术领域。 

背景技术

在各种类型的机器人中，模拟人体手臂的关节型机器人，具有结构简单、占空间小、相对运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。基于控制方便的需要，对机器人手臂的刚度需求很高，因此这类机器人都具有基座粗大坚固，结构刚度高等特征，让接近的人感到危险。当与人发生碰撞时，往往碰撞力很大，容易对人体造成伤害，限制了机器人进入人类生活环境，直接为人提供服务。刚度大的原因之一是现有的机器人关节驱动装置大多采用电动机。此外，电机驱动的功率/重量比小、输出力矩小，在需要较大力矩时，相对于气动肌肉驱动而言，电机驱动的重量体积较大，难以实现机器人的小型化。 

随着机器人技术的不断发展，人们不仅希望机器人具有精度高、响应快、承载能力大等特点，而且能表现出良好的柔顺性，尤其在仿生机器人和康复机器人领域，人们对其手臂柔顺安全性的要求远远大于对其位置精度和承载力的要求。 

人体运动分析表明，肘关节的转动中心轴不固定，中心轴轨迹类似“J”，即转动的同时，还伴随有平动；相比定轴转动，在相同的转角下，非定轴转动可实现更大的末端点运动空间；且肘关节在屈展过程中，大臂和小臂的中心线并不完全在一个平面内运动。而现有的机器人肘关节大多只能实现定轴的平面内转动。 

目前，关节驱动装置的设计集中在将柔性元件和电动装置结合，如我国的发明专利(专利号：CN201010233153.2)机器人的关节驱动装置，将直流伺服电机与气动人工肌肉相结合，构成一种刚柔结合的机器人关节驱动装 置。我国的发明专利(专利号：CN200910138667.7)柔性机械手的关节驱动装置及柔性机械手，关节驱动装置包括圆柱形弹性壳和液压驱动器，利用新型柔性液压驱动元件驱动关节运动。现有的关节机构间力传递结构比较复杂，每个关节需要电机驱动，使得机械手臂重量较大，同时关节弯转角度不够大，位置控制难以达到要求。同时，关节驱动装置缺少模块化设计，多个关节组装成一个复合运动关节的可能性小；柔顺性有限，尤其是针对碰撞力较大的情况，难易实现对人体的很好保护；仅有一个转动自由度；且为定轴转动关节；因此，特性与人体生物肌肉驱动的关节差别较大，限制了高级仿生机器人技术的发展。 

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种清洁、可靠，可实现安全碰撞的、基于气动肌肉驱动的、可实现非定轴、空间转动的柔顺人工肘关节装置。 

本实用新型的一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆1、后连杆16、关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19、气动肌肉5、缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧24组成。 

其中，所述的关节部件由关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19组成，关节转轴20固定连接前连杆1的后端，且与关节轴承23同轴装配在一起；关节轴承23外圆与柔性轴套19套装在一起，两者不同轴；后连杆16的前端上开有圆孔，柔性轴套19同轴装配在圆孔中，转动中会受力发生变形；缓冲转轴18固定在后连杆16上，且与缓冲机构14通过轴承18连接，形成转动副；所述的缓冲部件由缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧24组成，缓冲机构14的后端与缓冲用偏置弹簧15一端相连，起缓冲作用的大刚度值偏置弹簧15另一端与后连杆16连接，带有一定的预应力；橡胶限位球25安装在缓冲机构14前端；伸展用偏置弹簧24连接前连杆1与缓冲机构14，也带有一定的预应力，保证在初始状态下，前连杆1与橡胶限位球25紧密接触；橡胶限位柱17固定安装在后连杆16上，且位于缓冲转轴18的后下方；在偏置弹簧15预应力 作用下，保证在初始状态下，橡胶限位柱17与缓冲机构14紧密接触；气动肌肉5左端的机构连接件3和前连杆1通过钢丝2固定连接，气动肌肉5右端的机构连接件7和缓冲机构14通过钢丝13连接；气动肌肉5的后端安装有两位三通型电磁阀12；电磁阀12的输出端通过气管6与气动肌肉5的内腔相通，电磁阀12输入端一个接口通过气管11与减压阀10连接，电磁阀12输入端另一接口与外界大气相通；减压阀10通过气管9与高压气源8连接。 

机构总体上为扁平的细长多连杆形状，通过螺柱螺母连接件26和27可将两个机构并联在一起，从而可模块化组装出可复合运动的关节机构。 

本实用新型的有益特点为： 

1.气动肌肉和伸展弹簧保证了驱动器的柔顺性； 

2.柔性轴套可模拟人体关节骨头接触处的软骨，保证了转轴的柔顺性； 

3.前连杆的转轴和后连杆的轴套中心点不重合，在负重转动下，柔性轴套受力变形，从而可部分模拟人体肘关节的非定轴转动运动； 

4.在缓冲机构和后连杆之间安装大刚度值缓冲作用的偏置弹簧，当前连杆受到外在的大冲击力时，可缓解冲击，避免对人体造成伤害； 

5.气动肌肉驱动机构总体上为扁平的细长多连杆形状，将两个此扁平细长机构并联在一起，从而可模块化组装出可复合运动的关节机构； 

6.关节可实现空间转动，前连杆末端点轨迹与人手臂轨迹更接近，仿人性更好，更利于与人手臂协作。 

附图说明

图1为本实用新型的一种柔顺肘关节装置的主视图； 

图2为本实用新型的驱动部件工作示意图； 

图3为本实用新型的缓冲部件工作示意图； 

图4为本实用新型装置模块化组装的俯视图。 

具体实施方式

如图1所示，一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由铝合金前连杆1、铝合金后连杆16、铝合金关节转轴20、关节轴承 23、柔性轴套19、气动肌肉5、铝合金缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧24组成。 

如图2所示，当前连杆1绕关节转轴20顺时针旋转时，气动肌肉5驱动部件为主驱动，可采用橡胶纤维丝外管4，通以高压空气的气动肌肉；气动肌肉5位于前连杆1和缓冲机构14上部，气动肌肉5左端的机构连接件3和前连杆1通过钢丝2固定连接，气动肌肉5右端的机构连接件7和缓冲机构14通过钢丝13连接；气动肌肉5的后端安装有两位三通型电磁阀12，电磁阀12的输出端与气动肌肉5的内腔相通；当气动肌肉充气收缩时，输入端一个接口与减压阀10输出端通过气管11连接；当气动肌肉排气伸展时，电磁阀另一接口与外界大气相通；当电磁阀处于关闭状态时，气动肌肉保持内管气压，关节停止转动；减压阀10输入端通过气管9与高压气源8连接；高压气源8通过气管经过减压阀10和电磁阀11对气动肌肉5的内腔充气，使气动肌肉5沿径向膨胀而沿轴向收缩，产生沿轴向的拉动力，轴向的拉动力通过与机构连接件3连接的钢丝2和与机构连接件7连接的钢丝13，作用于前连杆1上，由于缓冲机构14和后连杆16之间安装了大刚度值偏置弹簧15，存在一定的预应力，当气动肌肉5产生的拉动力小于预应力时候，缓冲机构14相对静止，前连杆1在气动肌肉5拉动力作用下，绕关节转轴20旋转。同时，偏置弹簧24被拉长，产生相应的恢复应力，使得前连杆1的旋转更加柔顺。 

前连杆1和后连杆16的连接机构主要包括关节转动轴承23和柔性轴套19，在关节转动轴承23的外层，添加硅胶材料，形成柔性轴套19，前连杆1的转轴中心点21和轴套中心点22，在具体加工和人体实际关节运动中，两者中心点不完全重合。转动中柔性轴套19会受力发生变形，从而使得肘关节转动中心不是定轴的。 

如图3所示，当前连杆1与后连杆16行成一定角度时，前连杆1末端受到冲击。此时，气动肌肉5在缓冲机构14上拉动力大于偏置弹簧15的预应力，缓冲机构14绕转轴18旋转，偏置弹簧15被拉长，缓解冲击。 

如图4所示，气动肌肉驱动部件可以模块化设计，前连杆1和后连杆16可采用两片细长形铝合金板条拼装而成，中间安装缓冲机构14，前后连 杆分别通过螺柱螺母连接件26进行多层组装连接。不同气动肌肉5内部压力作用下，多层组装关节可以实现部分侧摆动作，即肘关节做非平面转动。 

Claims (2)

1.一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆(1)、后连杆(16)、关节转轴(20)、关节轴承(23)、柔性轴套(19)、气动肌肉(5)、缓冲机构(14)、橡胶限位柱(17)、橡胶限位球(25)、缓冲用偏置弹簧(15)和伸展用偏置弹簧(24)组成，其特征在于：所述的关节部件由关节转轴(20)、关节轴承(23)、柔性轴套(19)组成，关节转轴(20)固定连接前连杆(1)的后端，且与关节轴承(23)同轴装配在一起；关节轴承(23)外圆与柔性轴套(19)套装在一起，两者不同轴；后连杆(16)的前端上开有圆孔，柔性轴套(19)同轴装配在圆孔中，转动中会受力发生变形；所述的缓冲部件由缓冲机构(14)、橡胶限位柱(17)、橡胶限位球(25)、缓冲用偏置弹簧(15)和伸展用偏置弹簧(24)组成，缓冲机构(14)的后端与缓冲用偏置弹簧(15)一端相连，起缓冲作用的大刚度值偏置弹簧(15)另一端与后连杆(16)连接，带有一定的预应力；橡胶限位球(25)安装在缓冲机构(14)前端；伸展用偏置弹簧(24)连接前连杆(1)与缓冲机构(14)，也带有一定的预应力，保证在初始状态下，前连杆(1)与橡胶限位球(25)紧密接触；橡胶限位柱(17)固定安装在后连杆(16)上，且位于缓冲转轴(18)的后下方；在偏置弹簧(15)预应力作用下，保证在初始状态下，橡胶限位柱(17)与缓冲机构(14)紧密接触；气动肌肉(5)左端的机构连接件(3)和前连杆(1)通过钢丝(2)固定连接，气动肌肉(5)右端的机构连接件(7)和缓冲机构(14)通过钢丝(13)连接；气动肌肉(5)的后端安装有两位三通型电磁阀(12)；电磁阀(12)的输出端通过气管(6)与气动肌肉(5)的内腔相通，电磁阀(12)输入端一个接口通过气管(11)与减压阀(10)连接，电磁阀(12)输入端另一接口与外界大气相通；减压阀(10)通过气管(9)与高压气源(8)连接。

2.根据权利1要求所述的关节机构装置，机构总体上为扁平的细长多连杆形状，通过螺柱螺母连接件(26)可将两个机构并联在一起，从而可模块化组装出可复合运动的关节机构。 

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