一种颗粒增强刚度的气动扭转关节的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体的说是涉及一种气动扭转关节，更具体的说是一种颗粒增强刚度的气动扭转关节。

背景技术

对于有质量要求及清洁度要求的机器人应用领域，如航天领域、康复机器人领域等，用气动扭转关节可以在一定程度上替代传统的机械扭转关节。气动扭转关节具有质量轻、功率密度比大、惯性小等优点，但是关节刚度低，精度差。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有的气动扭转关节连接刚度差，在承受载荷后刚度保持能力差，关节变形大的问题，进而提供一种颗粒增强刚度的气动扭转关节，实现关节扭转运动并具有一定的刚度保持功能，保证运动的可靠性和稳定性，提高机器人整体刚度和位姿准确性、可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种颗粒增强刚度的气动扭转关节，包括顶部端板、端板外环、刚度增强腔、扭转腔、保持圈、外接气管和底部端板，所述扭转腔固定连接在底部端板上；所述顶部端板固定连接在扭转腔上；所述保持圈设有两个，两个所述保持圈分别套设在扭转腔的上下两端；两个保持圈设置在顶部端板和底部端板之间；所述刚度增强腔的两端分别固定连接在上下两个所述保持圈上；所述刚度增强腔和扭转腔上皆设有气管连接头；所述气管连接头连接外接气管；所述端板外环设有两个，一个端板外环固定连接在顶部端板的底面上，另一个端板外环固定连接在底部端板的顶面上。

所述顶部端板和底部端板上皆均布有连接螺栓孔。

所述扭转腔为圆筒状结构；所述扭转腔由扭转腔腔体、扭转腔顶部柱塞、扭转腔纤维绳和扭转腔底部柱塞组成；所述扭转腔顶部柱塞、扭转腔底部柱塞分别采用强力密封胶密封连接在扭转腔腔体内侧的上下两端；所述扭转腔纤维绳采用硅橡胶缠绕粘接在扭转腔腔体上；所述扭转腔底部柱塞上预留有气管连接头，气管连接头的外端连接一根外接气管；所述顶部端板固定连接在扭转腔顶部柱塞上；所述扭转腔底部柱塞固定连接在底部端板上；两个保持圈分别套设在扭转腔顶部柱塞和扭转腔底部柱塞上。

所述扭转腔腔体由弹性橡胶材料制成，所述扭转腔纤维绳为单螺旋绳。

所述保持圈为圆盘状结构，保持圈上开有u型槽。

所述顶部端板和底部端板皆为圆盘状结构，顶部端板和底部端板上皆开有环形半球状沟槽。

所述端板外环为半圆形盘状结构，端板外环上开有环形半球状沟槽；两个端板外环上的两个环形半球状沟槽分别与顶部端板和底部端板上的环形半球状沟槽组合成的环形球状沟槽。

所述刚度增强腔为圆筒状结构；所述刚度增强腔由刚度增强腔顶部柱塞、刚度增强腔螺纹球头、刚度增强腔腔体、刚度增强腔颗粒和刚度增强腔底部柱塞组成；所述刚度增强腔腔体的内侧填充有刚度增强腔颗粒；所述刚度增强腔顶部柱塞和刚度增强腔底部柱塞分别通过采用强力密封胶密封连接在刚度增强腔腔体内部的上下两端；所述刚度增强腔螺纹球头设有两个，两个刚度增强腔螺纹球头分别通过螺纹连接在刚度增强腔顶部柱塞和刚度增强腔底部柱塞的外端；两个刚度增强腔螺纹球头分别连接在上下两个保持圈的u型槽内；两个刚度增强腔螺纹球头分别转动配合连接在两个环形球状沟槽内；所述刚度增强腔底部柱塞上预留有气管连接口，气管连接口的外端连接一根外接气管。

所述刚度增强腔的数量为三个。

所述刚度增强腔颗粒为轻质刚性颗粒。

本发明的有益效果：本发明一种颗粒增强刚度的气动扭转关节，通过对扭转腔充入一定压力的气体，实现扭转腔扭转，进而带动顶部端板的扭转实现关节扭转功能；保持圈套在扭转腔两侧柱塞上，当扭转腔扭转时，可保证三个刚度增强腔相对位置固定；整个扭转关节通过控制扭转腔充入气体压力达到预定扭转角度时，对刚度增强腔抽真空，刚度增强腔收缩，刚度增强腔内部的刚度增强腔颗粒压紧刚化，形成刚性支撑结构，以提高整个气动扭转关节的刚度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图一；

图2是本发明的整体结构半剖示意图二；

图3是本发明的刚度增强腔结构示意图；

图4是本发明的刚度增强腔刚化前的原理示意图；

图5是本发明的刚度增强腔刚化后的原理示意图；

图6是本发明的扭转腔结构示意图；

图7是本发明的顶部端板结构示意图；

图8是本发明的底部端板结构示意图；

图9是本发明的端板外环结构示意图；

图10是本发明的保持圈结构示意图。

图中：顶部端板1；端板外环2；刚度增强腔3；刚度增强腔顶部柱塞3-1；刚度增强腔螺纹球头3-2；刚度增强腔腔体3-3；刚度增强腔颗粒3-4；刚度增强腔底部柱塞3-5；扭转腔4；扭转腔腔体4-1；扭转腔顶部柱塞4-2；扭转腔纤维绳4-3；扭转腔底部柱塞4-4；保持圈5；外接气管6；底部端板7。

具体实施方式

下面结合附图1-10对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-10说明具体实施方式，一种颗粒增强刚度的气动扭转关节，包括顶部端板1、端板外环2、刚度增强腔3、扭转腔4、保持圈5、外接气管6和底部端板7，所述扭转腔4固定连接在底部端板7上；所述顶部端板1固定连接在扭转腔4上；所述保持圈5设有两个，两个所述保持圈5分别套设在扭转腔4的上下两端；两个保持圈5设置在顶部端板1和底部端板7之间，由顶部端板1和底部端板7进行轴端限位；所述刚度增强腔3的两端分别固定连接在上下两个保持圈5上，保持圈5带动均布的三个刚度增强腔3可绕中心轴线旋转；所述刚度增强腔3和扭转腔4上皆设有气管连接头；所述气管连接头连接外接气管6；所述端板外环2设有两个，一个端板外环2固定连接在顶部端板1的底面上，另一个端板外环2固定连接在底部端板7的顶面上。扭转关节工作时，往扭转腔腔体4-1内充入一定压力的气体，在扭转腔纤维绳4-3的约束下，扭转腔4产生扭转和轴向收缩，通过控制充入气体压力，扭转腔4实现预定角度的扭转。对刚度增强腔3抽真空，刚度增强腔腔体3-3收缩，将刚度增强腔腔体3-3内的刚度增强腔颗粒3-4压紧，实现整个刚度增强腔腔体3-3的刚化，形成刚性支撑结构，以提高整个气动扭转关节的刚度。

所述顶部端板1和底部端板7上皆均布有连接螺栓孔。所述连接螺栓孔作为气动扭转关节外接接口使用。

具体实施方式二：

下面结合图1-10说明具体实施方式，所述扭转腔4为圆筒状结构；所述扭转腔4由扭转腔腔体4-1、扭转腔顶部柱塞4-2、扭转腔纤维绳4-3和扭转腔底部柱塞4-4组成；所述扭转腔顶部柱塞4-2、扭转腔底部柱塞4-4分别采用强力密封胶密封连接在扭转腔腔体4-1内侧的上下两端；所述扭转腔纤维绳4-3采用硅橡胶缠绕粘接在扭转腔腔体4-1上；所述扭转腔底部柱塞4-4上预留有气管连接头，气管连接头的外端连接一根外接气管6；所述顶部端板1固定连接在扭转腔顶部柱塞4-2上；所述扭转腔底部柱塞4-4固定连接在底部端板7上；两个保持圈5分别套设在扭转腔顶部柱塞4-2和扭转腔底部柱塞4-4上。

所述扭转腔腔体4-1由弹性橡胶材料制成，所述扭转腔纤维绳4-3为单螺旋绳。

所述扭转腔顶部柱塞4-2、扭转腔底部柱塞4-4塞入扭转腔腔体4-1内之后采用强力密封胶密封，扭转腔纤维绳4-3缠绕在扭转腔腔体4-1上之后，采用硅橡胶粘接固定。所述扭转腔腔体4-1外部缠绕单螺旋的一定角度的扭转腔纤维绳4-3，扭转腔纤维绳4-3不可拉伸。当扭转腔纤维绳4-3与轴线的夹角小于54.74°时，扭转腔腔体4-1内充入一定压力的气体后产生膨胀，在扭转腔纤维绳4-3的约束作用下，扭转腔4产生扭转和轴向收缩动作。

具体实施方式三：

下面结合图1-10说明具体实施方式，所述保持圈5为圆盘状结构，保持圈5上开有u型槽，用于与刚度增强腔3相连，保证三个刚度增强腔3周向相对位置的固定；保持圈5套在扭转腔4上，在扭转腔4产生扭转时，可保证三个刚度增强腔相对位置固定。

具体实施方式四：

下面结合图1-10说明具体实施方式，所述顶部端板1和底部端板7皆为圆盘状结构，顶部端板1和底部端板7上皆开有环形半球状沟槽。

所述端板外环2为半圆形盘状结构，端板外环2上开有环形半球状沟槽；两个端板外环2上的两个环形半球状沟槽分别与顶部端板1和底部端板7上的环形半球状沟槽组合成的环形球状沟槽。

所述顶部端板1和底部端板7固接在扭转腔4两端，起轴端限位作用，表面均布有螺纹孔，作为整个气动扭转关节的外接接口。顶部端板1和底部端板7上的环形半球状沟槽，可与端板外环2上的环形半球状沟槽组合成完整的环形球状沟槽，螺纹球头3-2可沿完整的环形球状沟槽运动。

具体实施方式五：

下面结合图1-10说明具体实施方式，所述刚度增强腔3为圆筒状结构；所述刚度增强腔3由刚度增强腔顶部柱塞3-1、刚度增强腔螺纹球头3-2、刚度增强腔腔体3-3、刚度增强腔颗粒3-4和刚度增强腔底部柱塞3-5组成；所述刚度增强腔腔体3-3的内侧填充有刚度增强腔颗粒3-4；所述刚度增强腔顶部柱塞3-1和刚度增强腔底部柱塞3-5分别通过采用强力密封胶密封连接在刚度增强腔腔体3-3内部的上下两端；所述刚度增强腔螺纹球头3-2设有两个，两个刚度增强腔螺纹球头3-2分别通过螺纹连接在刚度增强腔顶部柱塞3-1和刚度增强腔底部柱塞3-5的外端；两个刚度增强腔螺纹球头3-2分别连接在上下两个保持圈5的u型槽内；两个刚度增强腔螺纹球头3-2分别转动配合连接在两个环形球状沟槽内；所述刚度增强腔底部柱塞3-5上预留有气管连接口，气管连接口的外端连接一根外接气管6。

所述刚度增强腔3的数量为三个。

所述刚度增强腔颗粒3-4为轻质刚性颗粒，刚度增强腔颗粒3-4在填充至刚度增强腔腔体3-3内时要求有一定的填充紧实度。刚度增强腔顶部柱塞3-1、刚度增强腔底部柱塞3-5塞入刚度增强腔腔体3-3内之后采用强力密封胶密封。刚度增强腔腔体3-3由弹性橡胶材料制成，在刚度增强腔腔体3-抽真空时，刚度增强腔腔体3-3收缩，将刚度增强腔腔体3-内的刚度增强腔颗粒3-4压紧刚化，整个刚度增强腔3变为刚性支撑，以提高整个气动扭转关节的刚性。两个刚度增强腔螺纹球头3-2分别通过螺纹拧入刚度增强腔顶部柱塞3-1和刚度增强腔底部柱塞3-5内，通过两个刚度增强腔螺纹球头3-2将整个刚度增强腔3安装在两个保持圈5的u型槽内，刚度增强腔螺纹球头3-2可在完整的环形球状沟槽转动，通过刚度增强腔螺纹球头3-2的螺纹拧入深度，可对刚度增强腔3进行预紧。

本发明的工作原理为：在扭转关节工作时，往扭转腔腔体4-1内充入一定压力的气体，在扭转腔纤维绳4-3的约束下，扭转腔4产生扭转和轴向收缩，通过控制充入气体压力，扭转腔4实现预定角度的扭转。对刚度增强腔3抽真空，刚度增强腔腔体3-3收缩，将刚度增强腔腔体3-3内的刚度增强腔颗粒3-4压紧，实现整个刚度增强腔腔体3-3的刚化，形成刚性支撑结构，以提高整个气动扭转关节的刚度。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。