介电弹性体机械腕关节的制作方法

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种介电弹性体机械腕关节。

背景技术：

机械手由于其超过人类手臂的灵活度和耐力度而广泛地应用于机械自动化生产中，其能够精确地实现定位及准确地完成工业现场所需的各种复杂动作。腕关节是机械手中连接末端执行器和手臂的重要组成部分，其主要功能是调整和改变机械手在一定空间区域内的位置和姿态。机械手腕关节一般需要三个自由度，方能满足机械手在工业现场各种复杂的工况要求。传统的机械手腕关节由复杂的转动副和齿轮传动构成，并且都采用刚性驱动，导致结构笨重、体积大、控制累积误差大、输出柔顺性差，不利于人机交互的安全性。因此具有运动范围大、结构紧凑、自身重量轻、柔顺性好和对作业环境适应能力强的柔性机械手受到了越来越多的关注。

技术实现要素：

本发明针对现有技术结构体积较大较重以及系统过于复杂度和维护较为困难的缺陷，提出一种介电弹性体机械腕关节，结构新颖、紧凑、设计合理，可实现手腕弯曲、俯仰以及内外旋转三自由度运动，利用介电弹性体锥形驱动器作为驱动元件，质量轻，操作安静，响应快，控制方便，具有一定的柔性，使得机械手腕的动力学特性更加柔顺化，提高人机交互的安全性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：活动盘、固定盘、安装座和若干均布于固定盘的介电弹性体锥形驱动单元，其中：活动盘、固定盘和安装座依次同心设置，固定盘和安装座之间设有若干支柱，介电弹性体锥形驱动单元中心处连有关节轴承连杆，关节轴承连杆另一端与活动盘相连，介电弹性体锥形驱动单元推动关节轴承连杆沿其轴向运动。

所述的介电弹性体锥形驱动单元包括：中心圆片和环形介电弹性体薄膜，其中：中心圆片设置于介电弹性体薄膜的内圆中，中心圆片与关节轴承连杆一端活动相连。

所述的固定盘的与介电弹性体薄膜对应处设有圆形通孔，中心圆片位于圆形通孔的中心处。

所述的介电弹性体薄膜外缘设有压紧环。

所述的固定盘中心处和活动盘中心处连有支撑连杆。

所述的支撑连杆一端通过球铰与活动盘相连，另一端与固定盘通过螺纹连接。

所述的固定盘中心处设有驱动支撑连杆轴向移动的调节螺母。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明装配结构示意图；

图3为本发明运行状态示意图；

图中：1安装座、2固定盘、3支柱、4活动盘、5关节轴承连杆、6铰链座、7销钉、8支撑连杆、9球铰、10调节螺母、11中心圆片、12介电弹性体薄膜、13压紧环、14介电弹性体锥形驱动单元。

具体实施方式

如图1～2所示，本实施例包括：活动盘4、固定盘2、安装座1和若干均布于固定盘2的介电弹性体锥形驱动单元14，其中：活动盘4、固定盘2和安装座1依次同心设置，固定盘2和安装座1之间设有若干支柱3，介电弹性体锥形驱动单元14中心处连有关节轴承连杆5，关节轴承连杆5另一端与活动盘4相连，介电弹性体锥形驱动单元14推动关节轴承连杆5沿其轴向运动。介电弹性体锥形驱动单元14包括：中心圆片11和环形介电弹性体薄膜12，其中：中心圆片11设置于介电弹性体薄膜12的内圆中，中心圆片11与关节轴承连杆5一端活动相连。

所述的固定盘2呈三角形，三个顶点处分别设有圆形通孔，三个圆形通孔分别设有一介电弹性体锥形驱动单元14。介电弹性体薄膜12的外边缘与通孔边缘相粘，介电弹性体薄膜12的外边缘进一步通过压紧环13压紧固定。介电弹性体薄膜12处于拉伸状态，其由中间的弹性体层和涂抹于其上下表面的环形柔性电极层组成，弹性体层材料可为聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，柔性电极层材料可为导电碳膏、单壁碳纳米管或银纳米线导电液。

所述的关节轴承连杆5一端活动设置于中心圆片11，另一端活动设置于活动盘4。活动盘4和固定盘2的与关节轴承连杆5相连处设有铰链座6，关节连杆与铰链座6通过销钉7固定。

所述的固定盘2中心处和活动盘4中心处连有支撑连杆8。支撑连杆8上端通过球铰9与活动盘4相连。支撑杆的下端设有外螺纹。固定盘2中心处设有调节螺母10，支撑杆下端螺纹与调节螺母10相配和，并穿过固定盘2。通过调节螺母10转动驱动支撑杆沿其轴向运动，以调节活动盘4和固定盘2之间的间距。随着间距的减小，预拉伸的介电弹性体薄膜12会在关节轴承连杆5的作用下下陷成为锥形，且随着锥形深度的增加，介电弹性体锥形驱动单元14的刚度逐渐增大，故可以通过旋进旋出支撑连杆8调节整个腕关节的刚度。

如图3所示，初始状态时，三个介电弹性体锥形驱动单元14都未通电，由于其对称布置及相同的薄膜预拉伸率，三个介电弹性体锥形驱动单元14会支撑活动盘4与固定盘2平行。当给其中右侧两个驱动单元同时加电压时，左侧的驱动单元的介电弹性体薄膜12的弹性回复力通过支撑连杆8和活动盘4作用于两个加电压的驱动单元上为其提供预紧力，在麦克斯韦应力和预紧力的共同作用下，右侧两个驱动器伸长并拉着与其连接的关节轴承连杆5下降，紧接着左侧驱动单元缩短并推动与其连接的关节轴承连杆5上升，进而使活动盘4呈现如图3所示的转动效果。可以通过分别给三个介电弹性体锥形驱动单元14加电压来控制与之相连的三个关节轴承连杆5的上下运动，进而得到该机械腕关节想要的转动角度。

与现有技术相比，结构新颖、紧凑、设计合理，可实现手腕弯曲、俯仰以及内外旋转三自由度运动，利用介电弹性体作为驱动，质量轻，操作安静，响应快，控制方便，具有一定的柔性，使得机械手腕的动力学特性更加柔顺化，提高人机交互的安全性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：

技术总结
一种介电弹性体机械腕关节，包括：活动盘、固定盘、安装座和若干均布于固定盘的介电弹性体锥形驱动单元，其中：活动盘、固定盘和安装座依次同心设置，固定盘和安装座之间设有若干支柱，介电弹性体锥形驱动单元中心处连有关节轴承连杆，关节轴承连杆另一端与活动盘相连，介电弹性体锥形驱动单元推动关节轴承连杆沿其轴向运动，本发明结构新颖、紧凑、设计合理，可实现手腕弯曲、俯仰以及内外旋转三自由度运动，利用介电弹性体作为驱动，质量轻，操作安静，响应快，控制方便，具有一定的柔性，使得机械手腕的动力学特性更加柔顺化，提高人机交互的安全性。

技术研发人员：张文明;李汶柏;邹鸿翔;闫寒
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2017.06.26
技术公布日：2017.09.08