拋物線形異形板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種拋物線形異形板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)，是專利申請(發(fā)明創(chuàng)造名稱:變截面和異形的板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)，申請?zhí)?201110406737.X，申請日:2011年12月09日)的分案申請。此彎曲關(guān)節(jié)具有很好的柔順性和可控性，可用作機(jī)器人的各類關(guān)節(jié)，尤其適用于由多個彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成的柔性機(jī)械手指，作為自動化設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人、機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]在本發(fā)明之前，機(jī)器人彎曲關(guān)節(jié)多采用電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)靜態(tài)剛度好控制精度高，但是需要復(fù)雜的減速裝置，體積比較大而且柔性不好；也有的采用氣壓缸或者液壓缸驅(qū)動，需要復(fù)雜的流體回路且位置控制精度不高。目前的機(jī)器人關(guān)節(jié)多采用剛性骨架，對位置和力要求精度高，柔順性和自適應(yīng)性不好，尤其是用作機(jī)械手指時，對抓取對象物理創(chuàng)傷大。
[0003]專利CN200410065130.X提出了一種軸向膨脹的人工肌肉作為驅(qū)動力的板彈簧骨架柔性關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)通過膨脹肌肉伸長克服板彈簧阻力實現(xiàn)彎曲，具有一定的柔順性和自適應(yīng)性，用作機(jī)械手指時可以取得很好的抓取效果。不足之處:(1)關(guān)節(jié)作用空間小，其彎曲角度受很大限制。若板彈簧與人工肌肉的距離小，彎曲一定角度后人工肌肉與板彈簧接觸產(chǎn)生干涉，影響其進(jìn)一步變形；若二者距離大，關(guān)節(jié)尺寸較大，且彎曲同樣的角度人工肌肉的軸向伸長量增大，對人工肌肉的力學(xué)參數(shù)和材料性能要求苛刻。(2)板彈簧的受力是不均勻的，使用一般的等截面板彈簧不但會增大變形阻力、浪費能源，還會增加關(guān)節(jié)重量、浪費材料。(3)柔順性欠佳。柔順性的優(yōu)越性體現(xiàn)在減少裝配時間、簡化制造過程、提高精度、增加可靠性、減少維護(hù)、減輕質(zhì)量等方面，該專利零部件較多，缺乏必要的定位措施，波紋管用卡箍連接，可靠性不高而且更換麻煩，不利于維護(hù)。(4)動態(tài)響應(yīng)有待改善。一般的等截面板彈簧由平直狀態(tài)開始彎曲時阻力較大，需要較大的壓力才能開始動作，而且關(guān)節(jié)整體質(zhì)量大，慣性大，因此動態(tài)響應(yīng)性有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明針對上述不足，采用了變截面和異形的板彈簧為柔性骨架。變截面的板彈簧的長度和厚度不變，寬度根據(jù)板彈簧受力情況，以一定規(guī)律變化，符合板彈簧的受力分布，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上節(jié)約材料降低質(zhì)量，提高動態(tài)響應(yīng)性。變截面的板彈簧兩端寬中間細(xì)的結(jié)構(gòu)更容易變形，變形抗力小，動作更靈活。異形的板彈簧能有效避免關(guān)節(jié)大變形后彈性波紋管與板彈簧的接觸干涉問題，大大提高了柔順關(guān)節(jié)的作用空間。同時，關(guān)節(jié)部件間采用了必要的定位措施，避免裝配了精度不高引起的關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形、方便應(yīng)力和變形的分析計算。彈性波紋管使用管接頭形式，便于安裝和更換。該關(guān)節(jié)不僅可以單獨使用，還可以組裝成多關(guān)節(jié)機(jī)械手、機(jī)械臂等，具有很好的協(xié)調(diào)性。
[0005]本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的:
[0006]方案一:如圖1-3所示，彈性波紋管10的兩端結(jié)構(gòu)類似于液壓橡膠管結(jié)構(gòu)。彈性波紋管10的兩端通過外壓環(huán)9固定在管接頭8上，管接頭8分別與頭座5和尾座11相連，由鎖緊螺母7鎖緊，中間有密封墊片6密封，這些零件形成密封空腔，作為膨脹人工肌肉。
[0007]尾座11如圖4-5所示，其上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭13經(jīng)密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊4分別與頭節(jié)I和尾節(jié)14固定。
[0008]調(diào)節(jié)墊塊4如圖6-7所示，其上下面都有定位銷孔，保證頭座5、頭節(jié)1，以及尾座11、尾節(jié)14與調(diào)節(jié)墊塊4之間的相互定位。
[0009]如圖2所示，梯形邊板彈簧15a兩端嵌入槽口部分為矩形，中間部分為左右對稱的梯形邊，其任意橫截面均為矩形。如圖3所示，梯形邊板彈簧15a的兩端分別嵌在頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。
[0010]調(diào)節(jié)墊塊4的定位銷孔、頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口的作用是前后左右定位后，用螺栓3和長方形墊片2固定。即:使頭座5、頭節(jié)1、尾座11、尾節(jié)14、調(diào)節(jié)墊塊4、梯形邊板彈簧15a在縱向?qū)ΨQ面和彈性波紋管10的軸心線共面，避免關(guān)節(jié)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，并便于力和變形的分析。
[0011 ] 方案二:如圖8所示，彈性波紋管10的兩端結(jié)構(gòu)類似于液壓橡膠管結(jié)構(gòu)。彈性波紋管10的兩端通過外壓環(huán)9固定在管接頭8上，管接頭8分別與頭座5和尾座11相連，由鎖緊螺母7鎖緊，中間有密封墊片6密封，這些零件形成密封空腔，作為膨脹人工肌肉。尾座11上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭13經(jīng)密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊4分別與頭節(jié)I和尾節(jié)14固定。
[0012]如圖9所示，拋物線邊板彈簧15b兩端嵌入槽口部分為矩形，中間部分為左右對稱的拋物線邊，其任意橫截面均為矩形。拋物線邊板彈簧15b的兩端分別嵌在頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。
[0013]上述方案一、方案二是變截面板彈簧的柔順關(guān)節(jié)。
[0014]方案三:如圖10-11所示，彈性波紋管10的兩端結(jié)構(gòu)類似于液壓橡膠管結(jié)構(gòu)。彈性波紋管10的兩端通過外壓環(huán)9固定在管接頭8上，管接頭8分別與頭座5和尾座11相連，由鎖緊螺母7鎖緊，中間有密封墊片6密封，這些零件形成密封空腔，作為膨脹人工肌肉。尾座11上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭13經(jīng)密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊4分別與頭節(jié)I和尾節(jié)14固定。
[0015]縱截面為梯形的梯形異形板彈簧15c，其任意橫截面均為矩形，其兩端嵌入槽口部分為矩形，分別嵌在頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。
[0016]方案四:如圖12-13所示，彈性波紋管10的兩端結(jié)構(gòu)類似于液壓橡膠管結(jié)構(gòu)。彈性波紋管10的兩端通過外壓環(huán)9固定在管接頭8上，管接頭8分別與頭座5和尾座11相連，由鎖緊螺母7鎖緊，中間有密封墊片6密封，這些零件形成密封空腔，作為膨脹人工肌肉。尾座11上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭13經(jīng)密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊4分別與頭節(jié)I和尾節(jié)14固定。
[0017]縱截面為拋物線形的拋物線形異形板彈簧15d，其任意橫截面均為矩形，其兩端嵌入槽口部分為矩形，分別嵌在頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。
[0018]上述方案三、方案四是異形板彈簧的柔順關(guān)節(jié)。
[0019]本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0020]變截面的板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)采用了變寬度的變截面板彈簧，符合應(yīng)力的分布情況，中間細(xì)兩端寬的形狀更容易變形，減小了變形阻力，節(jié)約了能源，減小了關(guān)節(jié)質(zhì)量，節(jié)約了材料，使關(guān)節(jié)運動更靈活、動態(tài)響應(yīng)性更好。
[0021]異形的板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)有效避免了關(guān)節(jié)大變形后彈性波紋管與板彈簧的接觸干涉問題，大大提高了柔順關(guān)節(jié)的作用空間。
[0022]同時，關(guān)節(jié)部件間采用了必要的定位措施，避免了裝配精度不高引起的關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形，方便應(yīng)力和變形的分析計算；彈性波紋管使用管接頭形式，便于安裝和更換；更換不同厚度的調(diào)節(jié)墊塊，可以方便改變板彈簧所受的彎矩。
【附圖說明】
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[0023]圖1為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案一的主視圖
[0024]圖2為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案一主視圖的A-A剖視圖
[0025]圖3為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案一主視圖的B-B剖視圖
[0026]圖4為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)中尾座11零件的主視圖
[0027]圖5為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)中尾座11零件的左視圖
[0028]圖6為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)中調(diào)節(jié)墊塊4零件的俯視圖
[0029]圖7為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)中調(diào)節(jié)墊塊4零件俯視圖的C-C剖視圖
[0030]圖8為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案二的主視圖
[0031]圖9為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案二主視圖的D-D剖視圖
[0032]圖10為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案三的主視圖
[0033]圖11為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案三主視圖的E-E剖視圖
[0034]圖12為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案四的主視圖
[0035]圖13為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案四主視圖的F-F剖視圖
[0036]圖14為本發(fā)明柔順關(guān)節(jié)方案一的工作原理圖
【具體實施方式】
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[0037]下面本發(fā)明結(jié)合附圖14中的方案一實施作進(jìn)一步描述:
[0038]方案一中，彈性波紋管10的兩端通過壓片9固定在管接頭8上，波紋管兩端管接頭8分別與頭座5和尾座11相連，由鎖緊螺母7鎖緊，中間有密封墊片6密封，形成氣體空腔。尾座11上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭13經(jīng)密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊4分別與頭節(jié)I和尾節(jié)14固定。調(diào)節(jié)墊塊4上下表面都有定位銷，保證頭座5與頭節(jié)I以及尾座11與尾節(jié)14之間的相互定位。梯形邊板彈簧15a的兩端分別鑲嵌在頭節(jié)I和尾節(jié)14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。氣源與進(jìn)氣管接頭13相連，氣體經(jīng)進(jìn)氣管接頭進(jìn)入空腔。
[0039]工作時，通過控制彈性波紋管內(nèi)空腔壓力控制關(guān)節(jié)的彎曲角度。向空腔內(nèi)充氣時，腔內(nèi)壓力增大，彈性波紋管軸向伸長，因波紋管一側(cè)受板彈簧約束不能伸長，克服板彈簧阻力使關(guān)節(jié)彎曲；腔內(nèi)壓力減小時，關(guān)節(jié)在板彈簧的回復(fù)力下伸直。該關(guān)節(jié)具有很好的柔順性、自適應(yīng)性和可控性，可構(gòu)建成機(jī)械手指并組合成單自由度或者多自由度機(jī)械手。以單關(guān)節(jié)三指機(jī)械手為例，尾節(jié)與機(jī)械手掌連接，頭節(jié)與機(jī)械手指尖相連，指尖可根據(jù)抓取對象的不同設(shè)計成最優(yōu)曲線、選擇最佳抓取位置。為了降低作用損傷，可在機(jī)械指尖上包裹橡膠墊等緩沖介質(zhì)。抓取物體時，向空腔內(nèi)充氣，三根手指同時彎曲抓取物體，得到一定抓取力后保持壓力不變，維持抓取狀態(tài)；釋放抓取物時，打開排氣閥，腔內(nèi)壓力降低，手指在板彈簧回復(fù)力下松開物體。
【主權(quán)項】
1.拋物線形異形板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)，其特征是:彈性波紋管(10)的兩端通過外壓環(huán)(9)固定在管接頭(8)上，管接頭(8)分別與頭座(5)和尾座(11)相連，由鎖緊螺母(7)鎖緊，中間有密封墊片(6)密封，這些零件形成密封空腔，作為膨脹人工肌肉；尾座(11)上開有進(jìn)氣口，進(jìn)氣管接頭(13)經(jīng)密封圈(12)固定在尾座(11)上；頭座(5)和尾座(11)經(jīng)調(diào)節(jié)墊塊(4)分別與頭節(jié)(I)和尾節(jié)(14)固定；其中，板彈簧骨架為:縱截面為拋物線形的拋物線形異形板彈簧(15d)分別嵌在頭節(jié)(I)和尾節(jié)(14)的槽口中，并用螺栓(3)和長方形墊片(2)固定，所述縱截面為拋物線形的拋物線形異形板彈簧(15d)，其兩端嵌入槽口部分為矩形，其任意橫截面均為矩形。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種拋物線形異形板彈簧骨架柔順關(guān)節(jié)，此關(guān)節(jié)采用異形的板彈簧為骨架，通過流體驅(qū)動實現(xiàn)關(guān)節(jié)的彎曲，可用作機(jī)器人的各類關(guān)節(jié)，屬于機(jī)器人、機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)向彈性波紋管內(nèi)充氣時，彈性波紋管伸長，受板彈簧的約束向板彈簧一側(cè)彎曲；當(dāng)釋放彈性波紋管內(nèi)氣體時，關(guān)節(jié)在板彈簧的作用下回復(fù)到伸直狀態(tài)。通過控制彈性波紋管內(nèi)壓力，可使關(guān)節(jié)彎曲保持一定角度。彈性波紋管具有很好的柔順性、板彈簧具有很好的彈性，因此該關(guān)節(jié)具有很好的柔順性。板彈簧截面的改進(jìn)，可以增大彎曲空間、順應(yīng)強(qiáng)度要求、加大柔性和節(jié)約板彈簧材料。本發(fā)明關(guān)節(jié)彎曲動作靈活，耗能小，控制方便，有很好的柔性自適應(yīng)作用。
【IPC分類】B25J17-00
【公開號】CN104608143
【申請?zhí)枴緾N201510009990
【發(fā)明人】章軍, 劉光元, 劉傳江, 呂兵
【申請人】江南大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2011年12月9日