CN202883534U - 蒸汽驱动的气缸模块及其用于机器人的安装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蒸汽驱动的气缸模块及其用于机器人的安装结构，包括气缸筒，所述气缸筒两端分别通过前端盖、后端盖密封，气缸筒内部设有装入了液体的活动腔，活动腔内设有活塞杆；活塞杆末端穿过前端盖并伸出于前端盖外，起始端与弹性电热丝的一端连接，弹性电热丝的另一端装于后端盖的内表面；所述后端盖上设有第一电路引出口，活塞杆末端设有第三电路引出口；通过第一电路引出口与第三电路引出口，后端盖、弹性电热丝、活塞杆串联入电路；另外，后端盖与气缸筒之间、活塞杆与气缸筒之间做绝缘处理。该气缸模块仅包含气缸筒、活塞杆、密封圈、端盖与弹性电热丝灯部件，没有与气管相连接的构造，很容易小型化。

Description

蒸汽驱动的气缸模块及其用于机器人的安装结构

技术领域

本实用新型涉及机器人的微细部控制技术领域，特别涉及一种蒸汽驱动的气缸模块及其用于机器人的安装结构。 

背景技术

目前,机器人已经应用于军事、医疗、航天、教育、娱乐、抢险救灾、家庭服务和社会服务等方面，并向新的领域伸展。在这些机器人整体系统中都需要使用气动系统提供动力。由于气动系统结构简单、轻便、安装维护简单、可靠性高。在较小体积的情况下，相对电机来说，能够获得更大的输出功率，所以可广泛应用于机械的微细部驱动领域。比如，通常所说的气爪。 

然而，传统的气动系统存在着以下不足： 

1、结构复杂：传统的气动系统，包括如下元件：执行器、气源、控制元件、还有各种辅助元件。大量的气动系统元件也会增加机器人整体系统的设计难度，并且也增加构筑系统所需要的成本。其中，执行器难以小型化。因为执行器的气缸必须与气管相连，两者之间需要可靠的接口，这个接口限制了执行器的进一步小型化。

2、气源输出压力跟气源的大小有关：如果作为气源气泵过大，输出的气压高，执行器输出功率也大；但是，机器人难以随身携带。气泵过小，则气压过小，可能又无法满足执行器对压力的要求。当需要控制多个执行元器运行的时候，支持气流控制的阀类机构复杂。若使用电路对其进行控制，结构就更为复杂。 

实用新型内容

本实用新型的发明目的是针对现有气缸模块的技术不足，提供一种小型化且便于操作的蒸汽驱动的气缸模块。 

进一步地，提供一种小型化且便于操作的蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构。 

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为： 

提供一种蒸汽驱动的气缸模块，包括气缸筒，所述气缸筒两端分别通过前端盖、后端盖密封，所述气缸筒内部设有装入了液体的活动腔，活动腔内设有活塞杆；所述活塞杆末端穿过前端盖并伸出于前端盖外，起始端与弹性电热丝的一端连接，弹性电热丝的另一端装于后端盖的内表面；所述后端盖上设有第一电路引出口，所述活塞杆末端设有第三电路引出口；通过第一电路引出口与第三电路引出口，所述后端盖、弹性电热丝、活塞杆串联入电路；另外，所述后端盖与气缸筒之间、活塞杆与气缸筒之间做绝缘处理。

优选地，所述气缸筒上设有第二电路引出口，用于与活塞杆电接触，从而检测活塞杆的行程。当活塞杆走到行程的尽头的时候，活塞杆会和气缸筒上未绝缘的地方接触(气缸筒与活塞杆之间，进行过绝缘处理)，那么从第二电路接口，就可以引出电流，检测第二电路接口引出电流的大小，就可以判断活塞杆是否移动到了行程的尽头，若确实需要精确读取行程大小，则必须在其他地方安放位置或角度传感器，对其形成进行间接测量，其位置可以参考附图10。 

优选地，为便于安装且便于限制活塞杆的最大行程，所述活动腔为设有用于限制活塞杆运动的第一台阶面，所述活塞杆起始段相应设有与第一台阶面配合的限位轴肩。 

优选地，为保证密封效果，所述限位轴肩端面套有第一密封圈。 

优选地，为便于安装，所述前端盖上设有第二台阶面。 

优选地，为进一步密封，所述活塞杆与第二台阶面接触的端面设有第二密封圈。 

所述气缸筒上设有第三台阶面，所述后端盖与第三台阶面接触的端面设有第三密封圈。 

在密封方面来看，采用国标所规定的密封结构。其中，由于气缸筒内部液体气体混合，密封的难度较大；所以，使用第一密封圈与第二密封圈共同对气缸筒内部进行密封。然而，使用这样的方式，会产生更大的摩擦力，也会导致第一密封圈与第二密封圈之间的气体受到压缩，抵消一部分液体气化产生的压力。所以，若密封情况良好，可以不装第二密封圈。 

优选地，所述前端盖通过螺钉紧固在缸筒前端；所述后端盖通过螺母紧固在缸筒后端。 

其中，弹性电热丝绕制成螺线管，类似于弹簧，以保证在正常工作的时候，弹性电热丝之间不会接触而导致短接。为保证气缸筒具有较快的散热速度、较轻的质量，气缸筒使用铝基的合金作为材料。 

使用中，注意如下几点：（1）在内部液体相同的情况下（在气缸筒内部液体一定时），气缸筒的直径尽量小，使液体在气缸筒内部占据较大的体积比例，保证弹性电热丝能够更充分地与液体接触。（2）液体尽量的少，在同样的能量输入的情况下，其能够更快地被加热到较高的温度，没有能量输入的情况下，散热也更容易，这样可以提高气缸模块的响应速度。（3）弹性电热丝的表面积尽量大，使弹性电热丝能更快地把热量传给液体，加快对液体加热的速度，减少自身过热熔断的危险。 

一种蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构，若干上述蒸汽驱动的气缸模块活塞杆相对且并排置于机械人手臂内，该若干蒸汽驱动的气缸模块分别与电路连接。 

优选地，所述蒸汽驱动的气缸模块的数量为两个。 

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：本实用新型的气缸模块直接作为电学元器件，串联入电路，可以完全使用控制电路的方法对模块的能量输入进行控制。该气缸模块仅包含气缸筒、活塞杆、密封圈、端盖与弹性电热丝灯部件，没有与气管相连接的构造，很容易小型化。小型化之后，在相同的体积之下，可以安放更多气缸模块，以实现更多自由度的控制。该气缸模块无需与通用气动系统的气源及控制辅助设备，机器人的整体设计较为简单，设备的采购成本也非常的低。作为电学元器件之间串联入电路，只需使用控制电路的方法，控制电路的通断时间比，就可以控制输入模块的能量，以这样的方式实现弱电控制控制强电，控制整个系统。理论上，随着缸筒内液体温度的升高，饱和气压就可以不断升高，实现非常大的力量输出。 

附图说明

图1 为蒸汽驱动的气缸模块的剖面图； 

图2为蒸汽驱动的气缸模块的能量转化图；

图3为蒸汽驱动的气缸模块的工作流程图；

图4为蒸汽驱动的气缸模块的工作原理图；

图5为蒸汽驱动的气缸模块的外观图；

图6为气缸筒内的水的温度饱和气压曲线图；

图7为蒸汽驱动的气缸模块的应用框架图（关于参数检测系统）；

图8为蒸汽驱动的气缸模块的应用框架图（关于控制系统）；

图9为绝缘工艺流程图；

图10 为蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本实用新型采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。 

如图4和5所示，一种蒸汽驱动的气缸模块，包括气缸筒1。气缸筒1两端分别通过前端盖4、后端盖7密封。气缸筒1内部设有装入了液体的活动腔11，活动腔11内设有活塞杆5。活塞杆5末端穿过前端盖4并伸出于前端盖4外，活塞杆5的起始端与弹性电热丝的一端连接，弹性电热丝的另一端装于后端盖7的内表面。后端盖7上设有第一电路引出口51，活塞杆5末端设有第三电路引出口53。通过第一电路引出口51与第三电路引出口53，后端盖7、弹性电热丝6、活塞杆5串联入电路。另外，活塞杆5与气缸筒1之间做过绝缘处理。 

如图1所示，为上述气缸模块的剖面图：图中，第二密封圈3与第一密封圈2同时对活塞杆5进行径向密封，其中，若仅第一密封圈2能够很好地完成密封，第二密封圈3可以拆下来。第三密封圈8置于后端盖7与气缸筒1之间，完成对模块的轴向密封；弹性电热丝6分别连接活塞杆5和后部端盖7，使用焊接的方式。 

其中，弹性电热丝绕制成螺线管，类似于弹簧，以保证在正常工作的时候，弹性电热丝之间不会接触而导致短接。为保证气缸筒1具有较快的散热速度、较轻的质量，气缸筒1使用铝基的合金作为材料。 

另外，在能量输入方面：后端盖7、弹性电热丝6、活塞杆5串联入电路，成为回路的一部分，电流流向如图5的i-i所示（也可以反过来）。 

气缸筒1上设有第二电路引出口52，用于与活塞杆5，从而检测活塞杆5的行程。当活塞杆走到行程的尽头的时候，活塞杆会和气缸筒上未绝缘的地方接触(气缸筒与活塞杆之间，进行过绝缘处理)，那么从第二电路接口52，就可以引出电流，检测第二电路接口52引出电流的大小，就可以判断活塞杆是否移动到了行程的尽头，若确实需要精确读取行程大小，则必须在其他地方安放位置或角度传感器，对其形成进行间接测量，其位置可以参考图10。但是，不得不提，即使读取了本模块活塞的行程，仍然难以对其进行精确的行程控制。 

活动腔11为设有用于限制活塞杆5运动的第一台阶面12，活塞杆5起始段相应设有与第一台阶面12配合的限位轴肩54，限位轴肩54端面套有第一密封圈2。前端盖4上设有第二台阶面41，活塞杆5与第二台阶面41接触的端面设有第二密封圈3。气缸筒1上设有第三台阶面13，后端盖7与第三台阶面41接触的端面设有第三密封圈8。前端盖4通过螺钉9紧固在气缸筒1前端；后端盖7通过螺母10紧固在气缸筒1后端。 

在密封方面来看，采用国标所规定的密封结构。其中，由于气缸筒1内部液体气体混合，密封的难度较大；所以，使用第一密封圈2与第二密封圈3共同对气缸筒1内部进行密封。然而，使用这样的方式，会产生更大的摩擦力，也会导致第一密封圈2与第二密封圈3之间的气体受到压缩，抵消一部分液体气化产生的压力。所以，若密封情况良好，可以直接拆掉第二密封圈3。 

使用原理如图2所示，将电能转化为内能，再将内能转化为机械能。如图3所示，使用步骤为：首先将电路导通；再利用弹性电热丝加热液体；气缸筒内饱和气压上升；接着，液体气化，气缸筒内气压激增；作用在活塞杆上的压力激增；机械被推动。 

使用中，注意如下几点：（1）在内部液体相同的情况下（在气缸筒内部液体一定时），气缸1筒的直径尽量小，使液体在气缸筒1内部占据较大的体积比例，保证弹性电热丝6能够更充分地与液体接触。（2）液体尽量的少，在同样的能量输入的情况下，其能够更快地被加热到较高的温度，没有能量输入的情况下，散热也更容易，这样可以提高气缸模块的响应速度。（3）弹性电热丝6的表面积尽量大，使弹性电热丝能更快地把热量传给液体，加快对液体加热的速度，减少自身过热熔断的危险。 

在实际使用中，如图8所示，还可以采用固态继电器控制电路的通断，根据电路导通和电路开路的时间比，可以对输入气缸模块模块的能量进行控制，从而控制模块内部的内能即内部的气体的压强，以控制向外输出的力的大小。为了保证系统不会出现短路现象，后端盖7与气缸筒1、气缸筒1与活塞杆5之间进行绝缘处理g。 

而绝缘处理g的方法，可以使用铝的阳极氧化方法，遵守如下工艺流程：如图9所述，对活动腔内表面进行：机械抛光-除油脂-清洗-化学抛光或电解抛光-清洗-阳极氧化-清洗-中和-清洗。 

对于所加热的液体，为保障安全和环保，可以使用水作为缸筒内的液体，图6的曲线显示温度与水的饱和气压之间的关系。 

如图10所示，蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构，两个上述蒸汽驱动的气缸模块活塞杆相对且并排置于机械人手臂内，该两个蒸汽驱动的气缸模块分别与电路连接。 两个气缸模块分别标为第一气缸模块00和第二气缸模块01。该机械人手臂通过第一铰链04和第二铰链05铰接与物体接触的指尖。 

在实施本实用新型的时候，只需要根据框架图9，用电路将两个模块连接在一起；再通过对微控制器编程实现对模块的控制。对于每个自由度，均需要使用两个模块进行驱动。推程时，第一气缸模块00的弹性电热丝首先发热，引起气缸筒内的液体汽化，从而在气缸筒内部产生高压来推动活塞杆，以此带动图10中的机械手指；回程时，第一气缸模块00的弹性电热丝停止加热，由于内部的液体质量非常小，温度与气压迅速下降；同时，第二气缸模块01的弹性电热丝开始加热，在其推动下完成回程并将第一气缸模块00的气缸筒复位（在第二气缸模块01的气缸筒内产生的较大压力下，第一气缸模块00的气缸筒的蒸气快速放热液化）。 

另外，由于为了让本模块的结构尽量简单，本模块内部并没有提供任何安装传感器的地方，只能使用一些比较巧妙的方法来进行检测图7所提到的几个参量，以下详述检测方法： 

A、检测弹性电热丝的温度：若弹性电热丝的温度过高，会导致弹性电热丝被烧断，导致整个模块报废。然而，在弹性电热丝温度升高的时候，其电阻率也会跟着升高。根据这个原理，我们测量在安装之前，率先测量不同温度下弹性电热丝的电阻值，将其拟合成电阻值与弹性电热丝温度曲线。使用的时候，只需要根据弹性电热丝阻值与温度的关系，就可以间接地推断弹性电热丝的温度。

B、行程检查：当活塞杆走到行程的尽头的时候，活塞杆会和气缸筒上未绝缘的地方接触(气缸筒与活塞杆之间，进行过绝缘处理)，那么从第二电路接口，就可以引出电流，检测第二电路接口引出电流的大小，就可以判断活塞杆是否移动到了行程的尽头，若确实需要精确读取行程大小，则必须在其他地方安放位置或角度传感器，对其形成进行间接测量，其位置可以参考附图10。但是，不得不提，即使读取了本模块活塞的行程，仍然难以对其进行精确的行程控制。 

C、气缸筒内部压力检测：为了保证系统的压力工作在正常的范围内，就必须检测气缸筒内部压力的大小。一般情况下，考虑到在气缸筒内部安装压力传感器，但是在狭小的空间中，这是不可能的。所以，我们只能通过检测活塞杆受到的压力的大小，或者机械其他部分受到的压力的大小，间接推断气缸筒内部压强的大小。如图10中所介绍，对于类似机械手指的结构，可以将压力传感器03安装在接触物体的指尖处，然后通过测量指尖处所受到的压力，间接推算气缸模块内部压力的大小。 

上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。 

Claims (10)

1.一种蒸汽驱动的气缸模块，包括气缸筒（1），所述气缸筒（1）两端分别通过前端盖（4）、后端盖（7）密封，所述气缸筒（1）内部设有装入了液体的活动腔（11），活动腔（11）内设有活塞杆（5）；其特征在于：所述活塞杆（5）末端穿过前端盖（4）并伸出于前端盖（4）外，所述活塞杆（5）的起始端与弹性电热丝的一端连接，弹性电热丝的另一端装于后端盖（7）的内表面；所述后端盖（7）上设有第一电路引出口（51），所述活塞杆（5）末端设有第三电路引出口（53）；通过第一电路引出口（51）与第三电路引出口（53），所述后端盖（7）、弹性电热丝（6）、活塞杆（5）串联入电路；另外，所述后端盖（7）与气缸筒之间、活塞杆（5）与气缸筒（1）之间做绝缘处理（g）。

2.根据权利要求1所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述气缸筒（1）上设有第二电路引出口（52），用于与活塞杆（5）电接触，从而检测活塞杆（5）的行程。

3.根据权利要求1所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述活动腔（11）为设有用于限制活塞杆（5）运动的第一台阶面（12），所述活塞杆（5）起始段相应设有与第一台阶面（12）配合的限位轴肩（54）。

4.根据权利要求3所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述限位轴肩（54）端面套有第一密封圈（2）。

5.根据权利要求1所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述前端盖（4）上设有第二台阶面（41）。

6.根据权利要求1所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述活塞杆（5）与第二台阶面（41）接触的端面设有第二密封圈（3）。

7.根据权利要求1所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述气缸筒（1）上设有第三台阶面（13），所述后端盖（7）与第三台阶面（41）接触的端面设有第三密封圈（8）。

8. 根据权利要求1-7任一项所述的蒸汽驱动的气缸模块，其特征在于：所述前端盖（4）通过螺钉（9）紧固在气缸筒（1）前端；所述后端盖（7）通过螺母（10）紧固在气缸筒（1）后端。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构，其特征在于：若干上述蒸汽驱动的气缸模块活塞杆相对且并排置于机械人手臂内，该若干蒸汽驱动的气缸模块分别与电路连接。

10. 根据权利要求9所述的蒸汽驱动的气缸模块用于机器人的安装结构，其特征在于：所述蒸汽驱动的气缸模块的数量为两个。 

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