CN216099009U - 一种变刚度摆动关节 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，所述摆动轴的一侧连接有摆动板，所述摆动板的两侧分别设有固定于固定架内表面左侧板和右侧板，所述摆动板、右侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅰ，所述摆动板、左侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅱ。本实用新型采用气囊结构，较好的利用了压缩空气的柔性，同时避免了压缩空气的密封难题，使得本实用新型的摆动关节具有良好的刚度且刚度可调。
Description
技术领域
本实用新型涉及机械关节技术领域，具体涉及一种变刚度摆动关节。
背景技术
关节的柔韧性和关节结构的复杂程度直接决定机械关节的结构和尺寸，大都采用纯机械结构，利用电机或者液压作为驱动，利用机械部件作为执行端，关节的柔韧性能不佳，关节刚度基本不可调。利用弹性元件实现机构柔顺性，新加坡国立大学设计了两级刚度柔性关节。一台用于驱动负载的无刷直流电机，一台用于调节刚度的微型致动器和一对镜像装配的非线性弹性传动模组，哈尔滨工业大学提出了柔顺关节。利用气动柔性驱动器，浙江工业大学设计了弯曲关节及扭转关节。利用扁平状的弹性橡胶管，南京理工大学设计了气动柔性关节的刚度可调。但是上述柔性关节结构较为复杂，并且刚度难以得到有效控制。
综上考虑，本发明提出一种柔性摆动关节，在关节摆动过程中实现扭转刚度可调。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种变刚度摆动关节，利用压缩空气的柔性有效实现扭转刚度的可调节性。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，所述摆动轴的一侧连接有摆动板，所述摆动板的两侧分别设有固定于固定架内表面的左侧板和右侧板，所述摆动板、右侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅰ，所述摆动板、左侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅱ。
作为优选，还包括盖合在固定架上的盖板，所述气囊Ⅰ被设置于固定架、盖板、摆动板、右侧板形成的内腔中，所述气囊Ⅱ被设置于固定架、盖板、摆动板、左侧板形成的内腔中。
作为优选，所述固定架和盖板上分别设有弧形槽，所述摆动板的侧边分别设有与弧形槽匹配的滑块。
作为优选，所述左侧板和右侧板的底边固定设置于固定架内表面。
作为优选，所述左侧板与右侧板的夹角为30°-359°。
进一步地，所述左侧板与右侧板的夹角为30°-180°。
本实用新型与现有技术相对比，其有益效果在于：本实用新型采用气囊结构，较好的利用了压缩空气的柔性，同时避免了压缩空气的密封难题，使得本实用新型的摆动关节具有良好的刚度且刚度可调。本实用新型机械结构简单实用，可靠性高，具有较大的应用价值。
附图说明
图1是本实用新型的分解示意图。
图2是本实用新型的整体结构示意图。
图3是本实用新型初始状态示意图(图中未示出盖板)。
图4是本实用新型摆动状态示意图(图中未示出盖板)。
图中：1、摆动板；2、左侧板；3、右侧板；4、固定架；5、气囊Ⅰ；6、气囊Ⅱ；7、盖板；8、摆动轴；9、弧形槽；10、滑块。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步具体的说明。
实施例：一种变刚度摆动关节，如图1-4所示，包括固定架4、盖板7、摆动轴8、摆动板1、左侧板2以及右侧板3，其中盖板7盖合于固定架4，组成扇形的关节结构，摆动轴8可转动地设置于固定架4内，摆动板1的一端与摆动轴8连接，另一端与固定架4的内壁滑动配合。摆动板1的两侧分别设有左侧板2和右侧板3，左侧板2 和右侧板3的底边固定设置于固定架4内表面。左侧板2与右侧板3 的夹角为30°-359°，优选为30°-180°，本实施例中为120°。
上述结构中，固定架4、盖板7、摆动板1、右侧板3形成的扇形内腔中设置有气囊Ⅰ5，固定架4、盖板7、摆动板1、左侧板2 形成的扇形内腔中设置有气囊Ⅱ6，气囊Ⅰ5和气囊Ⅱ6中分别注入有压缩气体，且气囊Ⅰ5的两侧分别与摆动板1和右侧板3固定，气囊Ⅱ6的两侧分别与摆动板1和左侧板2固定。由于内腔的约束，气囊不能发生径向和轴向形变，因此气囊的体积只与摆动板1和左右侧板的夹角有关，气囊体积越小，气囊内的压强就越大。本实施例中气囊Ⅰ5和气囊Ⅱ6内压缩气体的初始压强相当且大小可调，其初始压强的调节可以通过外部加装气压压力阀实现。
本实施例中，固定架4和盖板7上分别设有以摆动轴8为圆形的弧形槽9，摆动板1的侧边分别设有与弧形槽9匹配的滑块10，当摆动板1绕摆动轴8转动时，滑块10沿弧形槽9滑动。
经上述结构设计，当摆动关节摆动一定角度带动摆动轴8转过一定角度后，一侧气囊被压缩体积变小，其中的压缩气体压强值变大，另一侧气囊膨胀，体积变大，其中的压缩气体压强值变小，两侧压强差乘侧板面积即压力值，摆动板1在摆动过程中需要克服该压力值。摆动轴8转过的角度越大，该压力值越大，摆动轴8在摆动过程中需要克服的力值就越大，也就是说摆动关节的刚度越大。
具体而言，气囊体积的变化值与摆动板的角度变化有关，令摆动板与左侧板2或右侧板3的初始夹角为θ：
θ1＝θ-Δθ
θ2＝θ+Δθ
θ1-摆动轴8与右侧板3之间的夹角，rad；
θ2-摆动轴8与左侧板2之间的夹角，rad；
Δθ-摆动关节的摆动角，rad；
气囊Ⅰ5、气囊Ⅱ6的体积分别如下：
R-右侧板3和左侧板2的长度，m；
B-右侧板3和左侧板2的宽度，m；
V0-气囊Ⅰ5和气囊Ⅱ6的初始体积，m3；
V1-气囊Ⅰ5的体积，m3；
V2-气囊Ⅱ6的体积，m3；
气囊内的气体方程：
P0-气囊Ⅰ5和气囊Ⅱ6内压缩空气的初始压强，MPa；
P1-气囊Ⅰ5内压缩空气的压强，MPa；
P2-气囊Ⅱ6内压缩空气的压强，MPa；
κ-多变指数，变化缓慢时，气体变化近似于等温过程，取κ＝1；
K-摆动关节的扭转刚度，N/rad；
从上式可知，摆动关节的扭转刚度随摆动角Δθ变化，Δθ越大，扭转刚度越大。影响摆动关节的扭转刚度的参数：P0，P0越大，相同摆动角时扭转刚度越大。
最后，应当指出，以上实施例仅是本实用新型较有代表性的例子。显然，本实用新型不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改等同变化与修饰，均应认为属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种变刚度摆动关节，包括固定架和摆动轴，其特征在于，所述摆动轴的一侧连接有摆动板，所述摆动板的两侧分别设有固定于固定架内表面的左侧板和右侧板，所述摆动板、右侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅰ，所述摆动板、左侧板之间的扇形区域中设有气囊Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度摆动关节，其特征在于，还包括盖合在固定架上的盖板，所述气囊Ⅰ被设置于固定架、盖板、摆动板、右侧板形成的内腔中，所述气囊Ⅱ被设置于固定架、盖板、摆动板、左侧板形成的内腔中。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度摆动关节，其特征在于，所述固定架和盖板上分别设有弧形槽，所述摆动板的侧边分别设有与弧形槽匹配的滑块。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度摆动关节，其特征在于，所述左侧板和右侧板的底边固定设置于固定架内表面。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度摆动关节，其特征在于，所述左侧板与右侧板的夹角为30°-359°。
6.根据权利要求5所述的一种变刚度摆动关节，其特征在于，所述左侧板与右侧板的夹角为30°-180°。
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|---|---|
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2021
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