气动多向弯曲柔性关节的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种气动多向弯曲柔性关节，包括约束元件、关节骨架、气囊、上端盖、下端盖、上封头、下封头、流体入口，在上端盖和下端盖之间设有若干个约束元件，所述若干个约束元件同轴串联密排形成柱状结构，在柱状结构内部形成若干个轴线平行的管状空腔，若干个管状空腔中的一个管状空腔的轴线与柱状结构的轴线重合，称为管状空腔一；除管状空腔一以外的管状空腔称为管状空腔二，在管状空腔二中设置气囊，气囊两端分别与上封头、下封头连接，在下封头上设有流体入口。本发明的关节的驱动装置与关节本体复合形成一体结构，相当于四个气动人工肌肉并联，具有1个自由度和2个机动度，可实现关节在空间上八个方向的主动弯曲和轴向伸长等功能。
【专利说明】气动多向弯曲柔性关节
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人肢体用柔性关节，特别涉及一种气动多向弯曲柔性关节。
【背景技术】
[0002]目前机器人技术在工业、军事、医疗和服务等领域应用广泛，已成为世界各国的重要战略支撑技术之一。作为机器人的关键技术和核心部件，各类主动关节的结构、驱动、运动性能和控制方法，将决定机器人的整体水平。在陆生、水生和仿人机器人领域，肢体柔性关节在解决柔性运动和抓取物体的适应性方面具有重要作用。因此，多年来国内外对柔性关节进行了深入研究并取得了可喜成果，研究的主要内容有关节驱动装置、驱动材料和关节柔性结构的实现。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。
[0003]国内外已研发的柔性关节主要有伺服电机驱动、液压驱动、气缸驱动、导电聚合物、电致驱动和人工肌肉驱动等几种形式。其中应用伺服电机驱动、液压和气缸驱动方式的柔性关节，其技术基本成熟，应用广泛，但体积较大，关节柔性程度受到限制；而导电聚合物和电致驱动行程较小，主要用于微动关节；气动人工肌肉驱动具有较好的综合柔性，近年来得到了快速发展，但具有较强的非线性。以上几种驱动装置在应用过程中都要与机械结构配合使用，体积大，小型化困难，关节的运动轨迹由机械结构决定，柔顺性差。
[0004]因此，目前已有的人工关节尚不能完全满足在形式变化较大的工业品的搬运、水中仿生及特种机器人等领域的特殊需要，有必要继续开发具有高度柔性的关节。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种机器人肢体用气动多向弯曲柔性关节。
[0006]本发明的一种气动多向弯曲柔性关节，包括约束元件、关节骨架、气囊、上端盖、下端盖、上封头、下封头、流体入口，在上端盖和下端盖之间设有若干个约束元件，所述若干个约束元件同轴串联密排形成柱状结构，在柱状结构内部形成若干个轴线平行的管状空腔，所述若干个管状空腔中的一个管状空腔的轴线与所述柱状结构的轴线重合，称为管状空腔一，在管状空腔一中设置关节骨架，关节骨架两端分别与上端盖、下端盖固定连接；除管状空腔一以外的管状空腔结构尺寸完全相同，关于管状空腔一的轴线对称分布，称为管状空腔二，在管状空腔二中设置气囊，气囊两端分别与上封头、下封头连接，构成密封腔体；上封头、下封头与上端盖、下端盖固定连接成一体，在下封头上设有流体入口。
[0007]所述约束元件为片状，约束元件的外形为圆形或正多边形，约束元件的镂空部分为所述管状空腔在不同约束元件的局部结构，约束元件的直径等于所述管状空腔的直径。
[0008]所述关节骨架为柔性轴或轴向可伸缩轴套。
[0009]所述柔性轴为圆柱螺旋弹簧或者橡胶轴；轴向可伸缩轴套由套筒和光轴组成，套筒和光轴间隙配合。
[0010]所述管状空腔数量为五个或多于五个。[0011]所述下封头上设有流体入口，以充入压力流体，当充入流体压力增加，密封腔体膨胀推动约束元件移动使关节主动变形加大，当充入流体压力减小，橡胶气囊恢复，关节变形减小，变形情况与所述骨架形式和通压状态有关；当骨架为柔性轴，各气囊通气压力不同时，关节发生空间多向主动弯曲和伸长复合变形，弯曲方向和变形程度由流体介质压力及通压气囊数量共同决定，各气囊通气压力相同或位置对称气囊通气压力相同时，关节发生主动伸长，变形程度由流体介质压力和通压气囊数量共同决定；当骨架为轴向可伸缩轴套，气囊通气时关节只发生主动伸长，变形程度由流体介质压力和通压气囊数量共同决定；所述充入流体，可以是无腐蚀、无毒性的介质，如压缩空气、水等。
[0012]本发明的优点是关节体积小、动作灵活，关节的驱动装置与关节本体复合形成一体结构，相当于四个气动人工肌肉并联，具有I个自由度和2个机动度，可实现关节在空间上八个方向的主动弯曲和轴向伸长等功能，属气动变形的柔性关节；该关节可采用一个比例阀和四个换向阀进行动作控制，方法简单易于实现；应用多个该关节组合，可实现生物体的复杂柔性运动；作为动作执行元件，由于其结构主要为复合弹性体，在接触不同形状和不同的硬度物体时，适应性会更好，动作平稳，具有一定缓冲效果；可用于柔性机械手、多足机器人腿部和仿生机器人的关节上，尤其适用于抓取或搬运易损、易碎和不规则形状的物体，具有很好的应用价值和市场前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
[0014]图1是本发明气动多向弯曲柔性关节爆炸示意图；
[0015]图2是本发明气动多向弯曲柔性关节轴侧示意图；
[0016]图3是本发明气动多向弯曲柔性关节柔性轴骨架示意图；
[0017]图4是本发明气动多向弯曲柔性关节轴向可伸缩轴套骨架示意图。
[0018]图中1、上封头；2、上端盖；3、关节骨架；3_1、套筒；3_2、光轴；4、约束元件；5、气囊；6、下端盖；7、下封头；8、流体入口。
【具体实施方式】
[0019]实施例:
[0020]下面结合附图和具体实例对本发明作出进一步地详细描述。
[0021]本发明气动多向柔性关节是由上封头1、上端盖2、关节骨架3、约束元件4、气囊5、下端盖6、下封头7和流体入口 8组成的；上端盖I和下端盖6分别位于气动多向柔性关节两端，气动多向柔性关节中间是20个约束元件4同轴密排串联，串联后外形为柱状结构，内部形成5个轴线平行的管状空腔，所述5个管状空腔中的一个管状空腔的轴线与所述柱状结构的轴线重合，称为管状空腔一，在管状空腔一中设置关节骨架3 (附图3柔性轴骨架实例，附图4轴向可伸缩轴套骨架实例)，关节骨架3两端分别与上端盖2、下端盖6固定连接；除管状空腔一以外的其余4个管状空腔结构尺寸完全相同，关于管状空腔一的轴线对称分布，称为管状空腔二，在管状空腔二中设置橡胶气囊5，橡胶气囊5两端分别与上封头1、下封头7连接，构成密封腔体；上封头1、下封头7与上端盖2、下端盖6固定连接成一体，在下封头7上设有流体入口，上端盖2和下端盖6可通过螺纹连接的方式与机器人本体组装。
【权利要求】
1.一种气动多向弯曲柔性关节，其特征在于:包括约束元件、关节骨架、气囊、上端盖、下端盖、上封头、下封头、流体入口，在上端盖和下端盖之间设有若干个约束元件，所述若干个约束元件同轴串联密排形成柱状结构，在柱状结构内部形成若干个轴线平行的管状空腔，所述若干个管状空腔中的一个管状空腔的轴线与所述柱状结构的轴线重合，称为管状空腔一，在管状空腔一中设置关节骨架，关节骨架两端分别与上端盖、下端盖固定连接；除管状空腔一以外的管状空腔结构尺寸完全相同，关于管状空腔一的轴线对称分布，称为管状空腔二，在管状空腔二中设置气囊，气囊两端分别与上封头、下封头连接，构成密封腔体；上封头、下封头与上端盖、下端盖固定连接成一体，在下封头上设有流体入口。
2.根据权利要求1所述的一种气动多向弯曲柔性关节，其特征在于:所述约束元件为片状，约束元件的外形为圆形或正多边形，约束元件的镂空部分为所述管状空腔在不同约束元件的局部结构，约束元件的直径等于所述管状空腔的直径。
3.根据权利要求1所述的一种气动多向弯曲柔性关节，其特征在于:所述关节骨架为柔性轴或轴向可伸缩轴套。
4.根据权利要求3所述的一种气动多向弯曲柔性关节，其特征在于:所述柔性轴为圆柱螺旋弹簧或者橡胶轴；轴向可伸缩轴套由套筒和光轴组成，套筒和光轴间隙配合。
5.根据权利要求1所述气动多向弯曲柔性关节，其特征在于:所述管状空腔数量为五个或多于五个。
【文档编号】B25J17/00GK103786164SQ201410029731
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】耿德旭, 张金涛, 耿麒先, 赵云伟 申请人:北华大学