CN87107075A - 气动柔性气缸及弯曲、扭转关节 - Google Patents

Abstract

一种柔性气缸，由其工作容积是由弹性壁围成，在工作中不存在摩擦以及泄漏，在工作时可模拟人类关节做任意弯曲运动并可便于小型化。

Description

本发明属于气动系统领域。

气缸与气马达是气动系统的两种主要执行元件，前者的运动形式为直线运动，后者的运动形式为旋转运动，它们是以工作容积的变化来对外传递力（力矩）和位移（角位移）的原理进行工作的。

我们以图1所示的气缸的工作过程为例，说明一下气动执行元件的工作原理。气缸的工作容积形成于运动部件活塞1和固定部件气缸壁2与端盖之间，若在工作容积中通入压力气体，则活塞便沿着使工作容积增大的方向运动，即活塞在压力气体的推动下，克服外载荷做功。从气缸的工作过程，我们可以看到气动执行元件的两个主要特点：1、存在一工作容积，工作容积的变化是靠部件之间的相对运动实现的;2、存在摩擦副，往往有少量的气体通过摩擦泄漏，3、只可能做直线运动。

本发明的目的是研制出一种不存在摩擦副及泄漏，又可做弯曲、扭转运动的气动执行元件。

气缸的工作容积由一弹性壁围成，并控制弹性壁沿着与载荷相反的方向变形，这样的气动执行元件在工作过程中，其工作容积的变化是靠弹性壁的变形实现的，因此也就不存在摩擦副及泄漏。柔性气缸其结构如图2所示。它由中间有螺旋钢丝夹层限定径向变形的橡胶弹性圆柱壁1，端盖2及紧固圈3构成。若在柔性气缸中通入压力气体，则弹性壁沿轴向伸长;若通气压力减小为零，则弹性收缩，柔性气缸便恢复到初始状态。柔性气缸按其伸长量与气体压力之间的关系可分为压力一位移转换型与点位控制型，前者的伸长量以压力为控制信号，随压力连续变化，通气压力与伸长量之间的关系见下式和曲线1。

曲线1

P＝ (ε)/(1+ε) ……1

P-无因次压力，P＝ (D²)/(4D_mhE)

D-弹性壁内径

D_m-弹性壁中径

h-壁厚

E-橡胶材料的弹性模量

ε-伸长率 ε＝

△X-伸长量

X₀-初始长度

点位控制型气缸的弹性壁一般很薄，一旦有压力信号，缸壁便变形到最大位置，图3中的钢丝绳A起着限定柔性气缸的最大变形位置的作用。

柔性气缸与普通气缸相比除具有不同润滑，无泄漏等特点外，还由于弹性壁的变形容易控制，可以获得形式较为复杂的弯曲运动，用作一些特殊的执行元件。它即可做气动弯曲关节，也做气动扭转关节。

A、气动弯曲关节

若限制弹性壁的某一侧的轴向变形，柔性气缸便可构成能模拟人类关节弯曲运动的执行元件，即人工弯曲关节，如图4所示。图中的金属弹性片A起限制弹性壁沿轴向伸长的作用。当在气动弯曲关节中充入压力气体时，除靠近金属弹性片处的弹性壁不变形外，其余部位沿轴向伸长，其结果使整个弹性壁弯曲，弯曲角度与压力之间的关系见下式及曲线2。

P＝1- (2（1+θ-1）)/(θ 1+θ) ……2

θ-无因次转角 θ＝

θ-弯曲角度

D_m-弹性壁中径

X₀-弹性壁的初始长度。

曲线2

控制气体压力大小便能改变气动弯曲关节角度的大小。由实验得知，当 (D_m)/(X_O) 为1时弯曲角度θ最大可达180°。

目前机器人的执行元件的运动方式主要是直线运动和旋转运动，要模拟人类关节的弯曲运动必须通过一套中间机构将运动形式加以转换，因此，机器人的整个执行机构变为复杂，不利于小型化，灵活性也受到限制。而气动弯曲关节与其相比却具有如下特点。

1、可以直接模拟人类关节的弯曲运动，不需要运动转换机构、结构简单、动作灵活。

2、便于小型化。采用这种执行元件可以构成人工手指，模拟人手指的动作，这对于现有的机器人执行元件来说是很难实现的。

3、无需润滑，不污染环境。

4、造价低廉。

B、气动扭转关节

气动扭转关节的结构如图5所示，它由固定架1、转盘2、中轴3及两个相同的直对称安置的柔性气缸构成。当在两个气缸中通入压力气体时，转盘便在气缸的推动下旋转某一角度，旋转角度与压力之间的关系见下式及曲线3。

P＝1- 1/(1+2γ+γ2-γ2γ2)

曲线3

P＝1- 1/(1+2γ+γ²-γ²γ²)

γ-无因次扭转角度，γ＝ (△)/(γ_O) ;

△γ-扭转角度;

γ_θ-初始包角;

γ-无因次半径;

γ-气缸半径;

R-气缸的分布圆半径。

采用气动弯曲关节及扭转关节按一定的顺序联接便可构成人工假肢，模拟人类肢体的动作。

Claims (4)

1、气缸及气马达构成的机器人执行元件，本发明的特征为：气缸由有弹性的柔性材料构成。

2、如权利要求1所述，特征为橡胶弹性园柱壁、端盖、紧固圈、螺旋钢丝、钢丝。

3、一种气动弯曲关节，其特征为：由柔性气缸、金属弹性片组成。

4、一种气动扭转关节，其特征由固定支架、转盘、中轴、两个相同柔性气缸构成。

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