螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節的製作方法
2023-06-08 14:55:36
專利名稱：螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，此彎曲關節可用作機器人的肘、腿等各類關節，亦適用於由多個彎曲關節構成的機械手指，而且多個機械手指可組合成操作機械手，作為自動化設備的執行機構，屬於機器人、機械手應用技術領域。
背景技術：
本發明作出以前，在已有技術中，對於彎曲關節來說一般以各類電機或液氣壓為動力，採用各種機械結構與液氣壓缸、馬達等的組合形式作為執行機構；上述方式是剛性結構，對控制的精度要求高，且結構複雜，體積較大，製造成本高。亦有採用氣壓驅動的橡膠壁(一種可變形和儲存能量的、管壁內夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管)，產生軸向膨脹，由於一側限制伸長而產生關節的彎曲，靠橡膠管的彈性作用回復原狀的柔性關節(專利號ZL89214574)；由於橡膠壁的軸向、輕微的徑向膨脹都需耗費能量，反應不夠靈敏，且對彈性橡膠壁的彎曲變形無法得到較精確數學模型，動態控制效果不夠好，不能實現多關節彎曲的應用(如機械手指)動作協調性。
發明內容
本發明的目的在於克服上述不足之處，本發明彎曲關節採用螺旋彈簧為柔性骨架，彈性波殼受氣壓後膨脹作為肌肉動力；靠螺旋彈簧的作用，彎曲變形的關節回復原狀。彈性波殼軸向伸長而彎曲的變形力很小(可忽略不計)，對流體壓力的變化敏感，要求流體流量小，關節彎曲動作靈活，耗能小；只需對螺旋彈簧整體的大撓度變形分析，從而易於計算彎曲變形量，同時動態控制精度高；作為多關節的機械手指時，多關節的協調性好。
本發明的主要解決方案是這樣實現的本發明的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節的方案I是彈性波殼5c的單節彈性波殼的縱截面形狀為「V」、「U」或「Ω」等形狀，且其壁內含有環形緯絲19和纏繞環形緯絲的纏繞經絲20；彈性波殼總成由扣緊外殼5b將彈性波殼5c滾壓或模壓密封固定在法蘭內套5d的環槽中，旋轉空套在扣緊外殼5b的連接密封螺母5a，分別將彈性波殼5c從兩端密封夾緊在頭座2和尾座8的螺紋上，形成封閉的彎曲關節的流體膨脹空腔。螺旋彈簧18的兩端在中心面上同側方向的彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板6，經調整墊片7壓固在彈簧固定座4上，兩個彈簧固定座4分別安裝在頭座2或尾座8上；螺旋彈簧18前述中心面另一側被固定絲17捆綁，固定絲17經導絲架14導向後，由固絲螺釘16壓緊在張絲螺杆15的孔內，兩個張絲座13分別安裝頭座2或尾座8上，在張絲座13上的張絲螺杆15可旋轉調節固定絲17的鬆緊，使螺旋彈簧18處於自由狀態，形成柔性骨架。連接軟管11的直角管接頭10經小密封圈9螺紋密封固定在尾座8上，構成流體的通道。
多關節的機械手指的形成中間節1可以與頭座2螺紋連接，形成機械手指的指尖，或與尾座8螺紋連接的同時，中間節1的另一端與第二個柔性關節的頭座2螺紋連接，形成多關節的機械手指；它們中間厚度調整圈12作用是調節旋轉的相位角，保證多關節的固定絲17在同一平面內，即多關節的機械手指在平面內彎曲。
本發明的螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節的方案I、II、III或IV只是固定絲17的裝配方法或根數的不同，即方案I採用單根固定絲17捆綁螺旋彈簧18的裝配法；方案II採用單根固定絲17在螺旋彈簧18圈內的裝配法；方案III採用單根固定絲17在螺旋彈簧18圈外的裝配法；方案IV採用雙根固定絲17捆綁在螺旋彈簧18的裝配法。
本發明與已有技術相比具有以下優點本發明螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節採用限制伸長的螺旋彈簧18為柔性骨架，彈性波殼5b受氣壓後軸向膨脹作為肌肉動力，可以象人手的關節一樣靈活彎曲。不受外力狀態時，關節彎曲角度與其關節內的流體壓強有關；工作時，對外作用力隨關節內的流體壓強增加而增加。靠螺旋彈簧18的作用，關節彎曲後回復原狀。彎曲和回復的速度由進、出節流閥調節。彈性波殼5b壁內含有環形緯絲19和纏繞環形緯絲的纏繞經絲20，這樣彈性波殼5b徑向不易變形，其承載能力強；軸向變形容易，沿彈性波殼5b輪廓軸向的受力可忽略不計。因此本發明關節要求流體流量小，較小的壓力變化就產生較大的彎曲變形，耗能小；且彎曲變形量與流體壓強的關係，易建立數學模型，動態控制精度高，作為機械手指等多關節使用場合，多關節的協調性好。
圖1為本發明彎曲關節方案I的主視2為本發明彎曲關節方案I主視圖的A-A剖視3為本發明彎曲關節方案I主視圖的B處局部放大視4為本發明彎曲關節方案I的單固定絲捆綁裝配放大5為本發明彎曲關節方案II的單固定絲內裝配放大6為本發明彎曲關節方案III的單固定絲外裝配放大7為本發明彎曲關節方案IV的雙固定絲捆綁裝配放大8為本發明彎曲關節的頭座零件的主視9為本發明彎曲關節的頭座零件的左視10為本發明彎曲關節的尾座零件的主視11為本發明彎曲關節的尾座零件的左視12為本發明彎曲關節的彈性波殼總成裝配主視13為本發明彎曲關節的彈性波殼總成裝配C-C剖視14為本發明彎曲關節的張絲座零件的主視15為本發明彎曲關節的張絲座零件的左視16為本發明彎曲關節的彈簧主視17為本發明彎曲關節的彈簧左視18為本發明彎曲關節的流體控制原理圖
具體實施例方式下面本發明將結合附圖中的方案I實施作進一步描述方案I的關節主要由中間節1、頭座2、大密封圈3、彈簧固定座4、連接密封螺母5a、扣緊外殼5b、彈性波殼5c、法蘭內套5d、彈簧固定壓板6、調整墊片7、尾座8、小密封圈9、直角管接頭10、軟管11、厚度調整圈12、張絲座13、導絲架14、張絲螺杆15、固絲螺釘16、固定絲17、螺旋彈簧18、環形緯絲19、纏繞經絲20等構成。
其
具體實施例方式
是(1)彈性波殼5c的單節彈性波殼的縱截面形狀為「V」、「U」或「Ω」等形狀，彈性波殼5b壁內含有環形緯絲19和纏繞環形緯絲的纏繞經20，這樣彈性波殼5b徑向不易變形，其承載能力強；彈性波殼總成由扣緊外殼5b將彈性波殼5c滾壓或模壓密封固定在法蘭內套5d的環槽中，連接密封螺母5a空套在法蘭內套5d上；旋轉連接密封螺母5a，經大密封圈3，將彈性波殼總成兩端分別密封夾緊在頭座2或尾座8的螺紋上，它們形成封閉的彎曲關節的流體膨脹空腔。
(2)螺旋彈簧18一側的兩端彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板6，經調整墊片7緊固在彈簧固定座4上，由各兩個螺釘分別將彈簧固定座4固定頭座2或尾座8上；螺旋彈簧18另一側被固定絲17捆綁，固定絲17經導絲架14導向後，由固絲螺釘16壓緊在張絲螺杆15的孔內，張絲座13上的張絲螺杆15可旋轉調節固定絲17的鬆緊，使螺旋彈簧18處於自由狀態；調整墊片7的厚度約等於固定絲17的直徑，才能方便調整螺旋彈簧18處於自由狀態，形成柔性骨架。
(3)經過厚度調整圈12，中間節1可以與頭座2螺紋連接，形成手指的指尖；或與尾座8的同時，中間節1的另一端與第二個柔性關節的頭座2連接，形成多關節的機械手指；它們中間厚度調整圈12作用是調節旋轉的相位角，保證多關節的固定絲17在一個平面內。
(4)連接軟管11的直角管接頭10經小密封圈9螺紋密封固定在尾座8上，構成流體的通道。
下面為本發明的工作原理及工作過程本發明螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節採用螺旋彈簧18為柔性骨架，彈性波殼5c受氣壓後膨脹作為肌肉動力。波殼彈性體4內腔受氣壓後，由於在一側螺旋彈簧18的限制，不能軸向伸長，另一側可以軸向伸長，因此產生彎曲。不受外力狀態時，關節彎曲角度與其關節內的流體壓強有關；工作時，對外的作用力隨關節內的流體壓強增加而增加；關節在彎曲和扭轉上有一定的柔性，因而對位置精度要求低，並具有緩衝作用。靠螺旋彈簧18的作用，關節彎曲後回復原狀，分析螺旋彈簧18的受力變形，對關節的彎曲變形量與流體壓強的關係，易建立數學模型，便於精確控制。
如附圖17所示，關節的流體通路有軟管，一條通路堵死的三位四通閥，進、出口可調節流閥和壓力變送器等。壓力變送器主要用來檢測流體的壓力，把這種壓力信號轉變成標準的電壓或電流電信號，以便控制使用。儲氣罐或蓄能器的作用是保證工作中液氣壓力源的壓力穩定。靜態控制或動態精度要求不高時，控制系統採用壓力變送器傳遞壓力信號，在計算機中比較根據模型數值計算表或實驗參數擬合曲線的壓力參數而預先設定的值，通斷三位四通閥的電磁閥線圈。1DT失電，2DT得電，關節彎曲角度不斷增加；1DT、2DT均失電，保持關節彎曲角度；2DT失電、1DT得電，靠彈簧的作用，使關節內的流體排空，手指伸直。手指彎曲、伸直的快慢速度由流體通路的進、出口可調節流閥調節。動態控制精度高時，需要在彎曲關節上安裝角度和力覺傳感器，採用閉環方式進行實時控制。
多關節組合時，根據操作要求，數目可多可少的各關節的氣路有各自的一套軟管，三位四通閥，進、出口節流閥和壓力變送器等上述的控制系統，各自單獨進行控制，因此作為多關節手指時，多關節的協調性好。
權利要求
1.一種螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，對於採用氣壓驅動一種管壁內夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管，產生軸向膨脹，由於圓形橡膠管一側限制軸向膨脹而產生關節的彎曲，靠橡膠的彈性作用回復原狀的關節的現有技術，本發明的特徵是旋轉波殼總成兩端的連接密封螺母(5a)，分別將彈性波殼(5c)從兩端密封夾緊在頭座(2)和尾座(8)的螺紋上，形成封閉的彎曲關節的流體膨脹空腔。螺旋彈簧(18)兩端同側的彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板(6)，經調整墊片(7)壓固在彈簧固定座(4)上，兩個彈簧固定座(4)分別安裝在頭座(2)或尾座(8)上；螺旋彈簧(18)前述中心面另一側被固定絲(17)限制伸長而使得螺旋彈簧(18)在彈性波殼(5c)軸向伸長時產生彎曲，形成可彎曲的柔性骨架。
2.一種螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，應用彎曲關節構成機械手或機械手指，其特徵是中間節(1)可以與頭座(2)螺紋連接，形成機械手指的指尖；或與尾座(8)螺紋連接的同時，中間節(1)的另一端與第二個柔性關節的頭座(2)螺紋連接，形成多關節的機械手指；它們中間厚度調整圈(12)作用是調節旋轉的相位角，保證多關節的固定絲(17)在同一平面內，即多關節的機械手指在平面內彎曲。
3.根據權利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，其特徵在於彈性波殼(5c)的單節彈性波殼的縱截面形狀為「V」、「U」或「Ω」等形狀，且其壁內含有或不含有環形緯絲(19)和纏繞環形緯絲(19)的纏繞經絲(20)，含有環形緯絲(19)和纏繞經絲(20)作用是提高承載能力，減少徑向變形，不含有環形緯絲(19)和纏繞經絲(20)時用在輕載的場合；彈性波殼總成由扣緊外殼(5b)將彈性波殼(5c)滾壓或模壓密封固定在法蘭內套(5d)的環槽中，連接密封螺母(5a)空套在扣緊外殼(5b)上。
4.根據權利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，其特徵在於固定絲(17)的調整、固定方式固定絲(17)經導絲架(14)導向後，由固絲螺釘(16)壓緊在張絲螺杆(15)的孔內，兩個張絲座(13)分別安裝頭座(2)或尾座(8)上，張絲座(13)上的張絲螺杆(15)可旋轉調節固定絲(17)的鬆緊，使螺旋彈簧(18)處於自由狀態。
5.根據權利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，其特徵在於限制伸長螺旋彈簧(18)的固定絲(17)裝配方法或根數的不同，共有四種方案方案I採用單根固定絲(17)捆綁螺旋彈簧(18)的裝配法；方案II採用單根固定絲(17)在螺旋彈簧(18)圈內的裝配法；方案III採用單根固定絲(17)在螺旋彈簧(18)圈外的裝配法；方案IV採用雙根固定絲(17)捆綁螺旋彈簧(18)的裝配法。
6.根據權利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，其特徵在於螺旋彈簧(18)特殊結構是兩端的彈簧鋼絲末處均在螺旋彈簧(18)在中心面上，垂直於螺旋彈簧(18)中心線，同側方向、平直地伸出，以方便彈簧固定壓板(6)的壓緊固定。
7.根據權利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，其特徵在於連接軟管(11)的直角管接頭(10)經小密封圈(9)螺紋密封固定在尾座(8)上，構成流體的通道。
全文摘要
本發明涉及一種螺旋彈簧骨架流體驅動式彎曲關節，此關節可用作機器人的各類關節，尤其適用於多個彎曲關節的機械手指，屬於機器人、機械手應用技術領域。關節採用螺旋彈簧為柔性骨架，彈性波殼內受液氣壓作用後，軸向膨脹作為肌肉動力，由於螺旋彈簧一側軸向伸長受固定絲的限制，另一側可以軸向伸長，因此產生彎曲。不受外力時，關節彎曲角度與關節內的氣體壓強有關；工作時，對外作用力隨關節內的氣體壓強增加而增加；靠螺旋彈簧的作用，彎曲變形的關節回復原狀。對本發明關節，一側限制螺旋彈簧伸長的固定絲的裝配方案有四種，各適用不同場合；關節彎曲動作靈活，耗能小，動態控制精度高，作為多關節的機械手指時，多關節的協調性好。
文檔編號B25J18/02GK1613618SQ200410065648
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月4日 優先權日2004年11月4日
發明者章軍, 須文波, 呂兵 申請人:江南大學