三驱动气动单向弯曲柔性关节论文和设计-刘齐

全文摘要

本实用新型公开了一种三驱动气动单向弯曲柔性关节，是一种弯曲角度和输出驱动力可连续调节的弯曲关节，主要应用于机器人、仿生装备等；为解决目前电机、气压缸、液压缸弯曲关节体积大，柔性差等问题；该关节本身具有柔性和缓冲功能；其结构特征在于上、下支撑端盖之间设有三个同圆周成品字型分布且中心轴线相互平行的弹性气囊，一片板簧，若干径向约束片；弹性气囊由气囊，上、下密封头构成；给弹性气囊充入压力流体，在径向约束片约束下，弹性气囊径向膨胀受限，只可轴向伸长；又在板簧约束下，关节只可向板簧另一侧弯曲；该柔性关节只具有1个弯曲自由度；端面弯曲角度大小取决于通入气体压力的大小和通入压力气体的弹性气囊个数。

主设计要求

1.三驱动气动单向弯曲柔性关节，其特征在于所述柔性关节采用三个气囊驱动；由径向约束片、板簧、气囊、上支撑端盖、下支撑端盖、上密封头、下密封头、气动接头、固定螺栓构成；在上支撑端盖和下支撑端盖之间设有若干个同轴串联密排径向约束片，形成圆柱状结构，在柱状结构内部形成1个矩形空腔和3个同圆周成品字型分布且中心轴线相互平行的管状空腔；在矩形空腔内装有板簧，板簧上、下两端分别用螺栓固定在上支撑端盖、下支撑端盖；在管状空腔中装有三个独立气囊，气囊上、下端分别与上、下密封头连接，构成三个独立的密封腔体；上、下密封头分别与上、下支撑端盖用螺栓固定连接成一体；气动接头连接在下密封头底部，用来连接气源，为气囊提供压力气体。

设计方案

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人用气动柔性关节，是一种可控弯曲角度的气动单向弯曲柔性关节。

背景技术

目前机器人技术在柔性制造、医疗救援、资源勘探和生活服务等领域应用广泛，在促进经济发展方面发挥了巨大作用。关节作为机器人运动的直接载体，对机器人运动性能的优劣起着决定性作用。传统关节受结构刚性与驱动方式的制约，对外界环境的适应性较差，因此，仿生柔性关节在机器人技术中的应用受到国内外学者的广泛关注。针对仿生柔性关节，国内外学者在关节柔性结构设计、关节柔性控制方法和关节柔性驱动材料等方面开展了深入研究，并取得了可喜成果，其中关节驱动结构和控制方式为研究重点，驱动材料是研究难点。现有柔性关节根据驱动源不同，分为电驱动仿生柔性关节、液压驱动仿生柔性关节和气动仿生柔性关节。其中电驱动仿生柔性关节在控制精度、响应速度动态性能方面具有较大优势，得到广泛应用，但受限于电机力矩控制系统的响应速度和被动柔性控制方法，关节柔性程度受到限制；液压驱动仿生柔性关节液压缸、液压马达等液压元件作为驱动元件，具有较大的驱动力矩，但其存在结构尺寸和质量偏大问题；气动仿生柔性关节多采用气缸、气动人工肌肉等驱动元件作为驱动装置，结构控制简单、清洁无污染和柔顺性高的突出优点，在仿生机器人领域得到广泛应用，但存在刚性弱、稳定性差的问题。因此有必要继续开发适用于抓取或搬运易损、易碎和不规则形状物体，具有高度柔顺性、轻型化的柔性关节。

发明内容

本发明提供了一种机器人末端执行器用三驱动气动单向弯曲柔性关节，可针对不同的工作任务调整其弯曲角度和驱动力。

三驱动气动单向弯曲柔性关节其特征在于上、下支撑端盖之间设有一片板簧和三个在板簧同侧同圆周且成品字型分布的独立弹性气囊；弹性气囊通入气体后在板簧的约束作用下，向板簧另一侧弯曲；端面弯曲角度和驱动力大小取决于通入的气体压力和弹性气囊的工作个数；三驱动气动单向弯曲柔性关节弹性气囊下密封头底部设有螺纹孔，可连接气动接头，作为关节的压力气体流入口；下支撑端盖与三个气囊的下密封头、板簧低端固定连接为一体，上支撑端盖与三个气囊的上密封头、板簧顶端固定连接为一体；在上、下支撑端盖之间设有若干个同轴串联紧密排列的径向约束片；径向约束片有三个成品字型同圆周圆孔，在品字型低端有一个一字型矩形孔状的片状结构，径向约束片厚度可根据具体使用要求灵活调节；同轴串联紧密排列的径向约束片形成的柱状结构有1个矩形空腔和3个轴线平行的管状空腔；板簧安装在矩形空腔内，三个独立弹性气囊安装在管状空腔内；所述关节可采用三个、两个或一个弹性气囊进行驱动；当弹性气囊充入压力气体时，弹性气囊在径向约束片约束下只能产生轴向伸长变形，在板簧作用下又限制弹性气囊轴向伸长，迫使三个弹性气囊向板簧的另一侧弯曲；充入气体压力越大关节端面弯曲角度越大；当充入气体压力减小时，弹性气囊形变减小，关节端面弯曲角度减小；本发明的优点是关节体积小、运动灵活；关节相当于三个气动人工肌肉并联，具有1个自由度，可实现单个方向的主动弯曲；该关节属流体驱动变形的柔性大变形关节；可采用比例阀和换向阀进行动作控制，控制方法简单，易于实现；在接触不同形状和不同的硬度物体时，适应性更好且本身具有一定缓冲作用。

附图说明

图1本发明一种用于仿生机器人的三驱动气动单向弯曲柔性关节爆炸示意图。

图2本发明一种用于仿生机器人的三驱动气动单向弯曲柔性关节轴侧示意图。

图3本发明一种用于仿生机器人的三驱动气动单向弯曲柔性关节骨架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述。

本发明由上支撑端盖1、上密封头螺栓2、上密封头3、气囊4、下密封头5、径向约束片6、板簧下安装螺栓7、板簧8、板簧上安装螺栓9、下支撑端盖10、下密封头螺栓11、气动接头12组成；上支撑端盖1和下支撑端盖10分别位于关节上、下两端；关节中间是若干个径向约束片6同轴密排串联，串联后外形为柱状结构，内部形成1个矩形空腔和3个尺寸完全相同的成品字型同圆周分布且轴线相互平行的管状空腔；在矩形空腔中设置板簧8，板簧8上、下两端分别通过板簧上安装螺栓9和板簧下安装螺栓7与上支撑端盖1、下支撑端盖10连接；在管状空腔中设置弹性气囊4，弹性气囊4与上、下两端的上密封头3、下密封头5构成密封腔体；上密封头3与上支撑端盖1固接，下密封头5与下支撑端盖10固接成一体，在下密封头5上设有螺纹通孔，通过螺纹与气动接头12连接；上支撑端盖1和下支撑端盖10可与机器人本体连接。

设计图

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