氣動旋伸型雙螺旋柔性關節的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，包括約束元件、骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯密排形成柱狀結構，在柱狀結構內部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在螺旋管狀空腔一中設置圓柱螺旋彈簧，在螺旋管狀空腔二中設置氣囊。本發明關節體積緊湊，主動關節的兩個螺旋人工肌肉驅動裝置與關節本體復合為一體，該關節具有兩個自由度，可實現仿生關節的平面旋轉、彎曲和軸向伸長等功能，具有較好的綜合柔性。
【專利說明】氣動旋伸型雙螺旋柔性關節
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人肢體用柔性關節，特別涉及一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節。【背景技術】
[0002]目前機器人技術在工業、軍事、醫療和服務等領域應用廣泛，已成為世界各國的重要戰略支撐技術之一。作為機器人的關鍵技術和核心部件，各類主動關節的結構、驅動、運動性能和控制方法，將決定機器人的整體水平。在陸生、水生和仿人機器人領域，肢體柔性關節在解決柔性運動和抓取物體的適應性方面具有重要作用。因此，多年來國內外對柔性關節進行了深入研究并取得了可喜成果，研究的主要內容有關節驅動裝置、驅動材料和關節柔性結構的實現。其中關節驅動結構和控制方式為研究重點，驅動材料是研究難點。
[0003]國內外已研發的柔性關節主要有伺服電機驅動、液壓驅動、氣缸驅動、導電聚合物、電致驅動和人工肌肉驅動等幾種形式。其中應用伺服電機驅動、液壓和氣缸驅動方式的柔性關節，其技術基本成熟，應用廣泛，但體積較大，關節柔性程度受到限制；而導電聚合物和電致驅動行程較小，主要用于微動關節；氣動人工肌肉驅動具有較好的綜合柔性，近年來得到了快速發展，但具有較強的非線性。以上幾種驅動裝置在應用過程中都要與機械結構配合使用，體積大，小型化困難，關節的運動軌跡由機械結構決定，柔順性差。
[0004]因此，目前已有的人工關節尚不能完全滿足在形式變化較大的工業品的搬運、水中仿生及特種機器人等領域的特殊需要，有必要繼續開發具有高度柔性的關節。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種機器人肢體用氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，采用螺旋彈性體定向膨脹方式驅動，實現旋轉、彎曲和伸長功能。
[0006]本發明的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，包括約束元件、關節骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯密排形成柱狀結構，在柱狀結構內部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在兩組同軸螺旋管狀空腔的公共軸線處形成圓柱形空腔，在圓柱形空腔內設置關節骨架，關節骨架兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接；螺旋管狀空腔一數量為2個，初始相位差為180°，在所述螺旋管狀空腔一中設置圓柱螺旋彈簧，圓柱螺旋彈簧的兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接成一體；螺旋管狀空腔二數量為2個，初始相位差為180°，在螺旋管狀空腔二中設置氣囊，氣囊兩端分別與上封頭、下封頭連接，構成密封腔體，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設有流體入口，以充入壓力流體。
[0007]所述氣囊有兩個，每個氣囊管徑、中徑、節距、旋向和圈數完全相同；兩個氣囊構成雙螺旋結構。
[0008]所述氣囊為一個,為單螺旋結構。
[0009]所述約束元件為片狀，外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分稱為螺旋孔，螺旋孔有兩組，所述螺旋孔為兩組螺旋管狀空腔在約束元件的局部結構，螺旋孔的中徑等于所對應的螺旋管狀空腔的中徑，同一約束元件上兩組螺旋孔之間的相位差由約束元件所在軸向位置決定。
[0010]所述骨架為柔性軸或軸向可伸縮軸套。
[0011]所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或橡膠軸；軸向可伸縮軸套由套筒和光軸組成，套筒和光軸間隙配合。
[0012]在下封頭上設有流體入口，以充入壓力流體，當充入流體壓力增加或充壓氣囊數量增加，密封腔體膨脹推動約束元件移動使關節變形加大，當充入流體壓力減小或充壓氣囊數量減少，彈簧恢復，關節變形減小，變形情況與所述骨架形式有關，當骨架為柔性軸時，關節發生扭轉、彎曲和伸長復合變形，當骨架為可伸縮軸套時，關節發生扭轉和伸長復合變形；所述充入流體，可以是無腐蝕、無毒性的介質，如壓縮空氣、水等。
[0013]本發明的優點是關節體積緊湊，主動關節的兩個螺旋人工肌肉驅動裝置與關節本體復合為一體；該關節具有2個自由度，可實現仿生關節的平面旋轉、彎曲和軸向伸長等功能，具有較好的綜合柔性；根據需要加裝不同的骨架，可分別完成平面旋彎伸和單方向旋進兩種組合模式的變形運動；可采用兩個比例閥，或一個比例閥和兩個換向閥進行運動控制，方法簡單控制方便；主要應用于仿生機器人的手臂轉動和彎曲關節上，尤其適用于大拇指基關節、機器魚胸鰭和水中軟體動物的關節上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明:
[0015]圖1是本發明氣動旋伸型雙螺旋柔性關節爆炸示意圖；
[0016]圖2是本發明氣動旋伸型雙螺旋柔性關節軸側示意圖；
[0017]圖3是本發明氣動旋伸型雙螺旋柔性關節柔性軸骨架示意圖；
[0018]圖4是本發明氣動旋伸型雙螺旋軸向可伸縮軸套骨架示意圖。
[0019]圖中1、上封頭；2、上端蓋；3、關節骨架；3_1、套筒；3_2、光軸；4、約束元件；5、氣囊；6、圓柱螺旋彈簧；7、下端蓋；8、下封頭；9、流體入口。
【具體實施方式】
[0020]實施例:
[0021]下面結合附圖和具體實例對本發明作出進一步地詳細描述。
[0022]本發明是由上封頭1、上端蓋2、關節骨架3、約束元件4、氣囊5、圓柱螺旋彈簧6、下端蓋7、下封頭8、流體入口 9組成的；上端蓋I和下端蓋7分別位于氣動旋伸型雙螺旋柔性關節兩端，氣動旋伸型雙螺旋柔性關節中間是20個約束元件4同軸密排串聯，串聯后外形為柱狀結構，內部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，螺旋管腔的法向截面為圓形，在螺旋管狀空腔公共軸線處形成圓柱形空腔，各空腔互不干涉；在軸線處的圓柱形空腔中設置關節骨架3 (附圖3柔性軸骨架實例，附圖4軸向可伸縮軸套骨架實例)，關節骨架3兩端分別與所述上端蓋2和下端蓋7固定連接成一體；在所述大中徑的螺旋管腔(螺旋管狀空腔一)中設置圓柱螺旋彈簧6，螺旋管狀空腔一數量為2個，初始相位差為180°，所述圓柱螺旋彈簧6兩端分別與上端蓋I和下端蓋5固定連接成一體；螺旋管狀空腔二數量為2個，初始相位差為180°，在所述小中徑的螺旋管腔(螺旋管狀空腔二)中設置橡膠氣囊5，所述氣囊5兩端設置上封頭I和下封頭8，構成密封腔體，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋2和下端蓋7固定連接成一體；在下封頭上設有流體入口 9，上端蓋2和下端蓋7可通過螺紋連接的方式與機器人本體組裝。
【權利要求】
1.一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:包括約束元件、骨架、氣囊、圓柱螺旋彈簧、上端蓋、下端蓋、上封頭、下封頭、流體入口，在上端蓋和下端蓋之間設有若干個約束元件，所述若干個約束元件同軸串聯密排形成柱狀結構，在柱狀結構內部形成中徑不同的兩組同軸的螺旋管狀空腔，分別稱為螺旋管狀空腔一和螺旋管狀空腔二，在兩組同軸螺旋管狀空腔的公共軸線處形成圓柱形空腔，在圓柱形空腔內設置關節骨架，關節骨架兩端分別與上端蓋、下端蓋固定連接；螺旋管狀空腔一數量為2個，初始相位差為180°，在所述螺旋管狀空腔一中設置圓柱螺旋彈簧，圓柱螺旋彈簧的兩端分別與上端蓋、下端蓋固定練車成一體；螺旋管狀空腔二數量為2個，初始相位差為180°，在螺旋管狀空腔二中設置氣囊，氣囊兩端分別與上封頭、下封頭連接，構成密封腔體，上封頭和下封頭分別與所述上端蓋、下端蓋固定連接成一體，在下封頭上設有流體入口，以充入壓力流體。
2.根據權利要求1所述的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:所述氣囊有兩個，每個氣囊管徑、中徑、節距、旋向和圈數完全相同；兩個氣囊構成雙螺旋結構。
3.根據權利要求1所述的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:所述氣囊為一個，為單螺旋結構。
4.根據權利要求1所述的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:所述約束元件為片狀，外形為圓形或正多邊形，約束元件的鏤空部分稱為螺旋孔，螺旋孔有兩組，所述螺旋孔為兩組螺旋管狀空腔在約束元件的局部結構，螺旋孔的中徑等于所對應的螺旋管狀空腔的中徑，同一約束元件上兩組螺旋孔之間的相位差由約束元件所在軸向位置決定。
5.根據權利要求1所述的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:所述骨架為柔性軸或軸向可伸縮軸套。
6.根據權利要求5所述的一種氣動旋伸型雙螺旋柔性關節，其特征在于:所述柔性軸為圓柱螺旋彈簧或橡膠軸；軸向可伸縮軸套由套筒和光軸組成，套筒和光軸間隙配合。
【文檔編號】B25J17/00GK103786166SQ201410029750
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】耿德旭, 張金濤, 武廣斌, 劉曉敏 申請人:北華大學