CN219748046U - 负压驱动关节及多自由度负压驱动机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种负压驱动关节及多自由度负压驱动机械臂，包括正向驱动机构、反向驱动机构、单向阀、正向控制阀、反向控制阀以及摆动缸；正向驱动机构具有第一联动体、上端分别与第一联动体相连的第一活塞、第二活塞以及正向负压缸、正向流体缸，反向驱动机构具有第二联动体、上端分别与第二联动体相连的第三活塞、第四活塞以及反向负压缸、反向流体缸，正向流体腔通过第一管路分别与第二管路的一端、第三管路的一端连接，第二管路的另一端、第三管路的另一端分别通过正向控制阀连接摆动缸、通过单向阀连接反向流体腔，本实用新型关节调节的稳定性好，噪音低，结构简单，成本低、精密度高。

Description

负压驱动关节及多自由度负压驱动机械臂

技术领域

本实用新型涉及机械设备技术领域，具体地，涉及一种负压驱动关节及多自由度负压驱动机械臂。

背景技术

随着科技的进步，自动化生产设备越来越受到青睐，在众多自动化生产设备中，机器人逐渐应用于各个领域，其中，机械臂是目前机器人领域中得到最广泛应用的自动化机械装置，而传统的机械臂都是依据特有的任务设计完成。

在现有的机械臂设计结构中，多自由度运动大多是由各关节处的伺服电机驱动完成，其中不乏设计各种齿轮、电机配合等动力传动结构，使得结构复杂，难以实现轻量化设计，同时也存在这噪音大、成本高等缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种负压驱动关节及多自由度负压驱动机械臂。

根据本实用新型提供的一种负压驱动关节，包括正向驱动机构、反向驱动机构、单向阀、正向控制阀、反向控制阀以及摆动缸；

所述正向驱动机构具有第一联动体、上端分别与第一联动体相连的第一活塞、第二活塞以及平行布置的正向负压缸、正向流体缸，所述第一活塞、第二活塞分别布置在所述正向负压缸、正向流体缸中，所述第一活塞的下侧面、第二活塞的下侧面分别与正向负压缸、正向流体缸之间形成正向负压腔、正向流体腔；

所述反向驱动机构具有第二联动体、上端分别与第二联动体相连的第三活塞、第四活塞以及平行布置的反向负压缸、反向流体缸，所述第三活塞、第四活塞分别布置在所述反向负压缸、反向流体缸中，所述第三活塞的下侧面、第四活塞的上侧面分别与反向负压缸、反向流体缸之间形成反向负压腔、反向流体腔；

所述正向流体腔通过第一管路分别与第二管路的一端、第三管路的一端连接，所述第二管路的另一端、第三管路的另一端分别通过正向控制阀连接所述摆动缸、通过单向阀连接所述反向流体腔，其中，所述反向流体腔通过第五管路连接摆动缸，所述第五管路和摆动缸之间配置有反向控制阀；

当反向控制阀关闭、正向控制阀打开时，在正向负压腔的作用下能够通过第一联动体带动所述第二活塞挤压所述正向流体腔使得所述正向流体腔中的流体通过正向控制阀进入到所述摆动缸进而使得摆动缸正向转动或平动；

当反向控制阀打开、正向控制阀关闭时，在反向负压腔的作用下能够通过第二联动体带动所述第四活塞背向反向流体腔运动进而使得摆动缸中的流体被抽入到所述反向流体腔内使得摆动缸反向转动或平动。

优选地，所述第一联动体包括正向功能体以及分别连接第一活塞、第二活塞的第一活塞杆、第二活塞杆，所述第二联动体包括反向功能体以及分别连接第三活塞、第四活塞的第三活塞杆、第四活塞杆。

优选地，所述正向驱动机构具有正向直线导轨，所述正向功能体与正向直线导轨之间形成滑动副。

优选地，所述反向驱动机构具有反向丝杆组件，当反向控制阀、正向控制阀均关闭时，所述反向丝杆组件能够驱使第二联动体带动第三活塞、第四活塞同步运动进而将所述反向流体腔中的流体推至所述正向流体腔中进而能够实现负压驱动关节的初始储能。

优选地，所述正向负压缸、正向流体缸、反向负压缸、反向流体缸均竖直放置，所述正向功能体为配置在正向负压缸、正向流体缸上方的配重块，所述反向功能体为配置在反向负压缸、反向流体缸上方的配重块。

优选地，所述反向丝杆组件为丝杠和螺母块相配合的结构，当驱使所述丝杠转动时能够带动所述螺母块沿丝杠的轴向运动，其中，所述螺母块向上运动时能够推动所述反向功能体同步向上运动，当所述反向功能体运动到目标位置时，所述螺母块在所述丝杠的驱使下再回到初始位置。

优选地，所述正向负压腔、反向负压腔均为真空密闭腔体；

所述正向流体腔、反向流体腔均为充满流体的密闭腔体。

优选地，所述正向控制阀、反向控制阀均为开度可调节的阀门。

根据本实用新型提供的一种多自由度负压驱动机械臂，包括所述的负压驱动关节，还配置有第一阀岛以及第二阀岛，多个所述正向驱动机构并列布置，多个所述反向驱动机构并列布置；

各个所述正向驱动机构相连的第二管路通过第一阀岛连接相对应的正向控制阀、摆动缸；各个摆动缸相连的反向控制阀通过第二阀岛连接对应的反向驱动机构。

优选地，还包括控制器，所述控制器分别与第一阀岛、第二阀岛、正向控制阀、反向控制阀电连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型中的关节通过负压流体驱动结构，结构简单，质量轻，并通过多个并联驱动机构与阀岛组合作为机械臂的组成结构，能够实现连续储能，通过调节储能、释能相互不干扰，具有稳定性好，噪音低，结构简单，成本低、精密度高等优势。

2、本实用新型通过改变配重块质量，能够提高单次充能储存的能量，提高储能密度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为正向驱动机构的内部结构示意图；

图3为反向驱动机构的内部结构示意图；

图4为多自由度负压驱动机械臂的结构示意图；

图5为摆动缸采用平动时的结构示意图。

图中示出：

正向驱动机构1

正向负压缸11

正向负压腔12

正向流体缸13

正向流体腔14

第一联动体15

正向直线导轨16

第一活塞17

第一活塞杆171

第二活塞18

第二活塞杆181

反向驱动机构2

反向负压缸21

反向负压腔22

反向流体缸23

反向流体腔24

第二联动体25

反向丝杆组件26

丝杠261

螺母块262

第三活塞27

第三活塞杆271

第四活塞28

第四活塞杆281

第一阀岛3

第二阀岛4

单向阀5

正向控制阀6

反向控制阀7

摆动缸8

第一管路101

第二管路102

第三管路103

第四管路104

第五管路105

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型提供了一种负压驱动关节，如图1、图2、图3所示，包括正向驱动机构1、反向驱动机构2、单向阀5、正向控制阀6、反向控制阀7以及摆动缸8；正向驱动机构1具有第一联动体15、上端分别与第一联动体15相连的第一活塞17、第二活塞18以及平行布置的正向负压缸11、正向流体缸13，第一活塞17、第二活塞18分别布置在正向负压缸11、正向流体缸13内内部，第一活塞17的下侧面、第二活塞18的下侧面分别与正向负压缸11、正向流体缸13之间形成正向负压腔12、正向流体腔14，其中，正向负压腔12为密闭的负压空间，正向流体腔14为密闭流体空间，内部填充有流体；反向驱动机构2具有第二联动体25、上端分别与第二联动体25相连的第三活塞27、第四活塞28以及平行布置的反向负压缸21、反向流体缸23，第三活塞27、第四活塞28分别布置在反向负压缸21、反向流体缸23的内部，第三活塞27的下侧面、第四活塞28的上侧面分别与反向负压缸21、反向流体缸23之间形成反向负压腔22、反向流体腔24，反向负压腔22为密闭的负压空间，反向流体腔24为密闭流体空间，内部填充有流体。

进一步地，正向流体腔14通过第一管路101分别与第二管路102的一端、第三管路103的一端连接，第二管路102的另一端通过正向控制阀6连接摆动缸8，第三管路103的另一端通过单向阀5连接反向流体腔24，其中，反向流体腔24还通过第五管路105连接摆动缸8，摆动缸8和第五管路105之间配置有反向控制阀7。

如图2、图3所示，第一联动体15包括正向功能体以及分别连接第一活塞17、第二活塞18的第一活塞杆171、第二活塞杆181，正向功能体运动时通过第一活塞杆171、第二活塞杆181可带动第一活塞17、第二活塞18同步运动，第二联动体25包括反向功能体以及分别连接第三活塞27、第四活塞28的第三活塞杆271、第四活塞杆281，反向功能体运动时通过第三活塞杆271、第四活塞杆281可带动第三活塞27、第四活塞28同步运动。

如图2所示，正向驱动机构1具有正向直线导轨16，正向功能体与正向直线导轨16之间形成滑动副，滑动副起到导向的作用，滑动副可以采用多种结构，例如为滑槽配合滑轨的结构，当外力驱使正向功能体运动时能够沿正向直线导轨16滑动，能够有效防止各个活塞运动过程中出现扭转，影响使用寿命。

如图3所示，反向驱动机构2具有反向丝杆组件26，反向丝杆组件26为丝杠261和螺母块262相配合的结构，当驱使丝杠261转动时能够带动螺母块262沿丝杠261的轴向运动，例如通过电机驱使丝杠261转动时由于螺纹配合的结构能够驱使螺母块262沿丝杠261的轴向运动。电机驱使丝杠261正转时能够带动螺母块262向上运动进而推动反向功能体同步向上运动，当反向功能体运动到目标位置时，电机驱使丝杠261反转使得螺母块262离开反向功能体再回到初始位置，等待负压能释放完毕后反向功能体再次接触螺母块262时，其中，目标位置优选为反向负压腔22最大时的位置，初始位置为反向负压腔22最小时反向功能体恰能接触螺母块262的位置，因此，螺母块262运动时能够带动反向功能体从初始位置到目标位置，在一定程度上也能够有效防止各个活塞运动过程中出现扭转，影响使用寿命。

在实际应用时，当反向控制阀7、正向控制阀6均关闭时，反向丝杆组件26上的螺母块262能够驱使第二联动体25带动第三活塞27、第四活塞28同步运动进而将反向流体腔24中的流体推至正向流体腔14中使得正向功能体在正向直线导轨16上滑动，实现负压驱动关节上的正向驱动机构1、反向驱动机构2的初始储能。

当反向控制阀7关闭、正向控制阀6打开时，在正向负压腔12的作用下能够通过第一联动体15带动第二活塞18挤压正向流体腔14使得正向流体腔14中的流体通过正向控制阀6进入到摆动缸8进而使得摆动缸8正向转动或平动；当反向控制阀7打开、正向控制阀6关闭时，在反向负压腔22的作用下能够通过第二联动体25带动第四活塞28背向反向流体腔24运动进而使得摆动缸8中的流体被抽入到反向流体腔24内使得摆动缸8反向转动或平动。

在实际应用中，正向负压缸11、正向流体缸13、反向负压缸21、反向流体缸23均优选竖直放置，正向功能体为配置在正向负压缸11、正向流体缸13上方的配重块，反向功能体为配置在反向负压缸21、反向流体缸23上方的配重块，通过将正向功能体、反向功能体均设置为配重块，能够增加配重块的重力势能，增加正向驱动机构1、反向驱动机构2的储能密度。

本实用新型还提供了一种多自由度负压驱动机械臂，包括多个负压驱动关节，还配置有第一阀岛3以及第二阀岛4，如图1所示，多个正向驱动机构1并列布置，多个反向驱动机构2并列布置，正向控制阀6、反向控制阀7均优选为开度可调节的阀门，例如电磁夹管阀、球阀、截止阀、气动调节阀等，能够有效提高流体控制精度。

各个正向驱动机构1相连的第二管路102依次连接第一阀岛3、第四管路104、摆动缸8，其中，正向控制阀6布置在第四管路104上；各个摆动缸8依次连接第六管路106、第二阀岛4、第五管路105，反向控制阀7布置在第六管路106上。图4为包括6个负压驱动关节的机械臂，可通过控制各个关节的转动实现目标动作的调整。

需要说明的是，本实用新型中的摆动缸8除了采用图1中转动的结构形式外，还可采用平动的形式，例如图5所示，可实现关节伸长或缩短的动作调整，当流体进入摆动缸8中时摆动缸8中的活塞向外部方向运动，流体空间变大；当流体从摆动缸8中流出时摆动缸8中的活塞向内部方向运动，流体空间变小。除此之外，通过进一步的改进，本实用新型还可以实现平动和转动相结合的设计结构，以满足复杂动作的调整。

多自由度负压驱动机械臂还配置有控制器，控制器分别与第一阀岛3、第二阀岛4、正向控制阀6、反向控制阀7电连接，根据动作需求，控制器可控制第一阀岛3、第二阀岛4、正向控制阀6、反向控制阀7的打开与关闭。具体地，机械臂中的多个摆动缸8可同时进行多种转动，也可一部分进行转动，实现机械臂目标动作的实时快速调整，由控制器统一进行部署。

需要说明的是，本实用新型中的摆动缸8可采用现有技术，例如采用专利文献CN115674177A公开的关节结构，此处不再赘述。

本实用新型通过采用储存负压能的形式，当能量储存完毕后，在一定的时间段内不用电，尤其是在一些特殊环境下仍能够凭借自身存储的负压能执行各种动作，例如在医院做手术时，手术用的机械臂在停电时仍能够亟需进行动作。

如图1、图2、图3所示，本实用新型的工作原理如下：

初始储能过程：第一阀岛3和第二阀岛4均关闭，反向丝杆组件26中的螺母块262向上运动，带动第二联动体25向上运动，使反向负压腔22体积增大，储存能量，流体由反向流体腔24经单向阀5流入正向流体腔14，带动第一联动体15向上运动，使正向负压腔12体积增大，储存能量。

正向驱动过程：关闭所有正向控制阀6和反向控制阀7，选取一组正向驱动机构1和反向驱动机构2，打开第一阀岛3和第二阀岛4对应电磁阀，打开一个或数个正向控制阀6，正向负压腔12体积减小，释放能量，带动第一联动体15向下运动，流体由正向流体腔14经第一管路101、第二管路102、第一阀岛3、第四管路104流入对应摆动缸8内，使对应关节正向转动。

反向驱动过程：关闭所有正向控制阀6和反向控制阀7，选取一组正向驱动机构1和反向驱动机构2，打开第一阀岛3和第二阀岛4对应电磁阀，打开一个或数个反向控制阀7，反向负压腔22体积减小，释放能量，带动第二联动体25向下运动，流体由对应摆动缸8经第六管路106、第二阀岛4、第五管路105流入反向流体腔24内，使对应关节反向转动。

并行储能过程：当一组正向驱动机构1和反向驱动2能量耗尽时，关闭第一阀岛3和第二阀岛4对应电磁阀，单独驱动对应反向丝杆组件26中的螺母块262向上运动可重新储能，同时其他组正向驱动机构1和反向驱动2仍可正常工作。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种负压驱动关节，其特征在于，包括正向驱动机构(1)、反向驱动机构(2)、单向阀(5)、正向控制阀(6)、反向控制阀(7)以及摆动缸(8)；

所述正向驱动机构(1)具有第一联动体(15)、上端分别与第一联动体(15)相连的第一活塞(17)、第二活塞(18)以及平行布置的正向负压缸(11)、正向流体缸(13)，所述第一活塞(17)、第二活塞(18)分别布置在所述正向负压缸(11)、正向流体缸(13)中，所述第一活塞(17)的下侧面、第二活塞(18)的下侧面分别与正向负压缸(11)、正向流体缸(13)之间形成正向负压腔(12)、正向流体腔(14)；

所述反向驱动机构(2)具有第二联动体(25)、上端分别与第二联动体(25)相连的第三活塞(27)、第四活塞(28)以及平行布置的反向负压缸(21)、反向流体缸(23)，所述第三活塞(27)、第四活塞(28)分别布置在所述反向负压缸(21)、反向流体缸(23)中，所述第三活塞(27)的下侧面、第四活塞(28)的上侧面分别与反向负压缸(21)、反向流体缸(23)之间形成反向负压腔(22)、反向流体腔(24)；

所述正向流体腔(14)通过第一管路(101)分别与第二管路(102)的一端、第三管路(103)的一端连接，所述第二管路(102)的另一端、第三管路(103)的另一端分别通过正向控制阀(6)连接所述摆动缸(8)、通过单向阀(5)连接所述反向流体腔(24)，其中，所述反向流体腔(24)通过第五管路(105)连接摆动缸(8)，所述第五管路(105)和摆动缸(8)之间配置有反向控制阀(7)；

当反向控制阀(7)关闭、正向控制阀(6)打开时，在正向负压腔(12)的作用下能够通过第一联动体(15)带动所述第二活塞(18)挤压所述正向流体腔(14)使得所述正向流体腔(14)中的流体通过正向控制阀(6)进入到所述摆动缸(8)进而使得摆动缸(8)正向转动或平动；

当反向控制阀(7)打开、正向控制阀(6)关闭时，在反向负压腔(22)的作用下能够通过第二联动体(25)带动所述第四活塞(28)背向反向流体腔(24)运动进而使得摆动缸(8)中的流体被抽入到所述反向流体腔(24)内使得摆动缸(8)反向转动或平动。

2.根据权利要求1所述的负压驱动关节，其特征在于，所述第一联动体(15)包括正向功能体以及分别连接第一活塞(17)、第二活塞(18)的第一活塞杆(171)、第二活塞杆(181)，所述第二联动体(25)包括反向功能体以及分别连接第三活塞(27)、第四活塞(28)的第三活塞杆(271)、第四活塞杆(281)。

3.根据权利要求2所述的负压驱动关节，其特征在于，所述正向驱动机构(1)具有正向直线导轨(16)，所述正向功能体与正向直线导轨(16)之间形成滑动副。

4.根据权利要求3所述的负压驱动关节，其特征在于，所述反向驱动机构(2)具有反向丝杆组件(26)，当反向控制阀(7)、正向控制阀(6)均关闭时，所述反向丝杆组件(26)能够驱使第二联动体(25)带动第三活塞(27)、第四活塞(28)同步运动进而将所述反向流体腔(24)中的流体推至所述正向流体腔(14)中进而能够实现负压驱动关节的初始储能。

5.根据权利要求3所述的负压驱动关节，其特征在于，所述正向负压缸(11)、正向流体缸(13)、反向负压缸(21)、反向流体缸(23)均竖直放置，所述正向功能体为配置在正向负压缸(11)、正向流体缸(13)上方的配重块，所述反向功能体为配置在反向负压缸(21)、反向流体缸(23)上方的配重块。

6.根据权利要求4所述的负压驱动关节，其特征在于，所述反向丝杆组件(26)为丝杠(261)和螺母块(262)相配合的结构，当驱使所述丝杠(261)转动时能够带动所述螺母块(262)沿丝杠(261)的轴向运动，其中，所述螺母块(262)向上运动时能够推动所述反向功能体同步向上运动，当所述反向功能体运动到目标位置时，所述螺母块(262)在所述丝杠(261)的驱使下再回到初始位置。

7.根据权利要求1所述的负压驱动关节，其特征在于，所述正向负压腔(12)、反向负压腔(22)均为真空密闭腔体；

所述正向流体腔(14)、反向流体腔(24)均为充满流体的密闭腔体。

8.根据权利要求1所述的负压驱动关节，其特征在于，所述正向控制阀(6)、反向控制阀(7)均为开度可调节的阀门。

9.一种多自由度负压驱动机械臂，其特征在于，包括多个权利要求1至8任一项所述的负压驱动关节，还配置有第一阀岛(3)以及第二阀岛(4)，多个所述正向驱动机构(1)并列布置，多个所述反向驱动机构(2)并列布置；

各个所述正向驱动机构(1)相连的第二管路(102)通过第一阀岛(3)连接相对应的正向控制阀(6)、摆动缸(8)；各个摆动缸(8)相连的反向控制阀(7)通过第二阀岛(4)连接对应的反向驱动机构(2)。

10.根据权利要求9所述的多自由度负压驱动机械臂，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与第一阀岛(3)、第二阀岛(4)、正向控制阀(6)、反向控制阀(7)电连接。