專利名稱：螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，此彎曲關節(jié)可用作機器人的肘、腿等各類關節(jié)，亦適用于由多個彎曲關節(jié)構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)，屬于機器人、機械手應用技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明作出以前，在已有技術(shù)中，對于彎曲關節(jié)來說一般以各類電機或液氣壓為動力，采用各種機械結(jié)構(gòu)與液氣壓缸、馬達等的組合形式作為執(zhí)行機構(gòu)；上述方式是剛性結(jié)構(gòu)，對控制的精度要求高，且結(jié)構(gòu)復雜，體積較大，制造成本高。亦有采用氣壓驅(qū)動的橡膠壁(一種可變形和儲存能量的、管壁內(nèi)夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管)，產(chǎn)生軸向膨脹，由于一側(cè)限制伸長而產(chǎn)生關節(jié)的彎曲，靠橡膠管的彈性作用回復原狀的柔性關節(jié)(專利號ZL89214574)；由于橡膠壁的軸向、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(shù)學模型，動態(tài)控制效果不夠好，不能實現(xiàn)多關節(jié)彎曲的應用(如機械手指)動作協(xié)調(diào)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，本發(fā)明彎曲關節(jié)采用螺旋彈簧為柔性骨架，彈性波殼受氣壓后膨脹作為肌肉動力；靠螺旋彈簧的作用，彎曲變形的關節(jié)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(jié)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，從而易于計算彎曲變形量，同時動態(tài)控制精度高；作為多關節(jié)的機械手指時，多關節(jié)的協(xié)調(diào)性好。
本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)的方案I是彈性波殼5c的單節(jié)彈性波殼的縱截面形狀為“V”、“U”或“Ω”等形狀，且其壁內(nèi)含有環(huán)形緯絲19和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)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(nèi)套5d的環(huán)槽中，旋轉(zhuǎn)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(jié)的流體膨脹空腔。螺旋彈簧18的兩端在中心面上同側(cè)方向的彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板6，經(jīng)調(diào)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(cè)被固定絲17捆綁，固定絲17經(jīng)導絲架14導向后，由固絲螺釘16壓緊在張絲螺桿15的孔內(nèi)，兩個張絲座13分別安裝頭座2或尾座8上，在張絲座13上的張絲螺桿15可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)固定絲17的松緊，使螺旋彈簧18處于自由狀態(tài)，形成柔性骨架。連接軟管11的直角管接頭10經(jīng)小密封圈9螺紋密封固定在尾座8上，構(gòu)成流體的通道。
多關節(jié)的機械手指的形成中間節(jié)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(jié)1的另一端與第二個柔性關節(jié)的頭座2螺紋連接，形成多關節(jié)的機械手指；它們中間厚度調(diào)整圈12作用是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的相位角，保證多關節(jié)的固定絲17在同一平面內(nèi)，即多關節(jié)的機械手指在平面內(nèi)彎曲。
本發(fā)明的螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節(jié)的方案I、II、III或IV只是固定絲17的裝配方法或根數(shù)的不同，即方案I采用單根固定絲17捆綁螺旋彈簧18的裝配法；方案II采用單根固定絲17在螺旋彈簧18圈內(nèi)的裝配法；方案III采用單根固定絲17在螺旋彈簧18圈外的裝配法；方案IV采用雙根固定絲17捆綁在螺旋彈簧18的裝配法。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節(jié)采用限制伸長的螺旋彈簧18為柔性骨架，彈性波殼5b受氣壓后軸向膨脹作為肌肉動力，可以象人手的關節(jié)一樣靈活彎曲。不受外力狀態(tài)時，關節(jié)彎曲角度與其關節(jié)內(nèi)的流體壓強有關；工作時，對外作用力隨關節(jié)內(nèi)的流體壓強增加而增加?？柯菪龔椈?8的作用，關節(jié)彎曲后回復原狀。彎曲和回復的速度由進、出節(jié)流閥調(diào)節(jié)。彈性波殼5b壁內(nèi)含有環(huán)形緯絲19和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)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(fā)明關節(jié)要求流體流量小，較小的壓力變化就產(chǎn)生較大的彎曲變形，耗能小；且彎曲變形量與流體壓強的關系，易建立數(shù)學模型，動態(tài)控制精度高，作為機械手指等多關節(jié)使用場合，多關節(jié)的協(xié)調(diào)性好。


圖1為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案I的主視2為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案I主視圖的A-A剖視3為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案I主視圖的B處局部放大視4為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案I的單固定絲捆綁裝配放大5為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案II的單固定絲內(nèi)裝配放大6為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案III的單固定絲外裝配放大7為本發(fā)明彎曲關節(jié)方案IV的雙固定絲捆綁裝配放大8為本發(fā)明彎曲關節(jié)的頭座零件的主視9為本發(fā)明彎曲關節(jié)的頭座零件的左視10為本發(fā)明彎曲關節(jié)的尾座零件的主視11為本發(fā)明彎曲關節(jié)的尾座零件的左視12為本發(fā)明彎曲關節(jié)的彈性波殼總成裝配主視13為本發(fā)明彎曲關節(jié)的彈性波殼總成裝配C-C剖視14為本發(fā)明彎曲關節(jié)的張絲座零件的主視15為本發(fā)明彎曲關節(jié)的張絲座零件的左視16為本發(fā)明彎曲關節(jié)的彈簧主視17為本發(fā)明彎曲關節(jié)的彈簧左視18為本發(fā)明彎曲關節(jié)的流體控制原理圖
具體實施例方式下面本發(fā)明將結(jié)合附圖中的方案I實施作進一步描述方案I的關節(jié)主要由中間節(jié)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(nèi)套5d、彈簧固定壓板6、調(diào)整墊片7、尾座8、小密封圈9、直角管接頭10、軟管11、厚度調(diào)整圈12、張絲座13、導絲架14、張絲螺桿15、固絲螺釘16、固定絲17、螺旋彈簧18、環(huán)形緯絲19、纏繞經(jīng)絲20等構(gòu)成。
其
具體實施例方式
是(1)彈性波殼5c的單節(jié)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(nèi)含有環(huán)形緯絲19和纏繞環(huán)形緯絲的纏繞經(jīng)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(nèi)套5d的環(huán)槽中，連接密封螺母5a空套在法蘭內(nèi)套5d上；旋轉(zhuǎn)連接密封螺母5a，經(jīng)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(jié)的流體膨脹空腔。
(2)螺旋彈簧18一側(cè)的兩端彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板6，經(jīng)調(diào)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(cè)被固定絲17捆綁，固定絲17經(jīng)導絲架14導向后，由固絲螺釘16壓緊在張絲螺桿15的孔內(nèi)，張絲座13上的張絲螺桿15可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)固定絲17的松緊，使螺旋彈簧18處于自由狀態(tài)；調(diào)整墊片7的厚度約等于固定絲17的直徑，才能方便調(diào)整螺旋彈簧18處于自由狀態(tài)，形成柔性骨架。
(3)經(jīng)過厚度調(diào)整圈12，中間節(jié)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(jié)1的另一端與第二個柔性關節(jié)的頭座2連接，形成多關節(jié)的機械手指；它們中間厚度調(diào)整圈12作用是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的相位角，保證多關節(jié)的固定絲17在一個平面內(nèi)。
(4)連接軟管11的直角管接頭10經(jīng)小密封圈9螺紋密封固定在尾座8上，構(gòu)成流體的通道。
下面為本發(fā)明的工作原理及工作過程本發(fā)明螺旋彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關節(jié)采用螺旋彈簧18為柔性骨架，彈性波殼5c受氣壓后膨脹作為肌肉動力。波殼彈性體4內(nèi)腔受氣壓后，由于在一側(cè)螺旋彈簧18的限制，不能軸向伸長，另一側(cè)可以軸向伸長，因此產(chǎn)生彎曲。不受外力狀態(tài)時，關節(jié)彎曲角度與其關節(jié)內(nèi)的流體壓強有關；工作時，對外的作用力隨關節(jié)內(nèi)的流體壓強增加而增加；關節(jié)在彎曲和扭轉(zhuǎn)上有一定的柔性，因而對位置精度要求低，并具有緩沖作用?？柯菪龔椈?8的作用，關節(jié)彎曲后回復原狀，分析螺旋彈簧18的受力變形，對關節(jié)的彎曲變形量與流體壓強的關系，易建立數(shù)學模型，便于精確控制。
如附圖17所示，關節(jié)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(wěn)定。靜態(tài)控制或動態(tài)精度要求不高時，控制系統(tǒng)采用壓力變送器傳遞壓力信號，在計算機中比較根據(jù)模型數(shù)值計算表或?qū)嶒瀰?shù)擬合曲線的壓力參數(shù)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(jié)彎曲角度不斷增加；1DT、2DT均失電，保持關節(jié)彎曲角度；2DT失電、1DT得電，靠彈簧的作用，使關節(jié)內(nèi)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(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。動態(tài)控制精度高時，需要在彎曲關節(jié)上安裝角度和力覺傳感器，采用閉環(huán)方式進行實時控制。
多關節(jié)組合時，根據(jù)操作要求，數(shù)目可多可少的各關節(jié)的氣路有各自的一套軟管，三位四通閥，進、出口節(jié)流閥和壓力變送器等上述的控制系統(tǒng)，各自單獨進行控制，因此作為多關節(jié)手指時，多關節(jié)的協(xié)調(diào)性好。
權(quán)利要求
1.一種螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，對于采用氣壓驅(qū)動一種管壁內(nèi)夾有限制徑向膨脹螺旋絲的圓形橡膠管，產(chǎn)生軸向膨脹，由于圓形橡膠管一側(cè)限制軸向膨脹而產(chǎn)生關節(jié)的彎曲，靠橡膠的彈性作用回復原狀的關節(jié)的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的特征是旋轉(zhuǎn)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(jié)的流體膨脹空腔。螺旋彈簧(18)兩端同側(cè)的彈簧絲的伸出部分由彈簧固定壓板(6)，經(jīng)調(diào)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(cè)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(chǎn)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(qū)動式彎曲關節(jié)，應用彎曲關節(jié)構(gòu)成機械手或機械手指，其特征是中間節(jié)(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(jié)(1)的另一端與第二個柔性關節(jié)的頭座(2)螺紋連接，形成多關節(jié)的機械手指；它們中間厚度調(diào)整圈(12)作用是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的相位角，保證多關節(jié)的固定絲(17)在同一平面內(nèi)，即多關節(jié)的機械手指在平面內(nèi)彎曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，其特征在于彈性波殼(5c)的單節(jié)彈性波殼的縱截面形狀為“V”、“U”或“Ω”等形狀，且其壁內(nèi)含有或不含有環(huán)形緯絲(19)和纏繞環(huán)形緯絲(19)的纏繞經(jīng)絲(20)，含有環(huán)形緯絲(19)和纏繞經(jīng)絲(20)作用是提高承載能力，減少徑向變形，不含有環(huán)形緯絲(19)和纏繞經(jīng)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(nèi)套(5d)的環(huán)槽中，連接密封螺母(5a)空套在扣緊外殼(5b)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，其特征在于固定絲(17)的調(diào)整、固定方式固定絲(17)經(jīng)導絲架(14)導向后，由固絲螺釘(16)壓緊在張絲螺桿(15)的孔內(nèi)，兩個張絲座(13)分別安裝頭座(2)或尾座(8)上，張絲座(13)上的張絲螺桿(15)可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)固定絲(17)的松緊，使螺旋彈簧(18)處于自由狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，其特征在于限制伸長螺旋彈簧(18)的固定絲(17)裝配方法或根數(shù)的不同，共有四種方案方案I采用單根固定絲(17)捆綁螺旋彈簧(18)的裝配法；方案II采用單根固定絲(17)在螺旋彈簧(18)圈內(nèi)的裝配法；方案III采用單根固定絲(17)在螺旋彈簧(18)圈外的裝配法；方案IV采用雙根固定絲(17)捆綁螺旋彈簧(18)的裝配法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，其特征在于螺旋彈簧(18)特殊結(jié)構(gòu)是兩端的彈簧鋼絲末處均在螺旋彈簧(18)在中心面上，垂直于螺旋彈簧(18)中心線，同側(cè)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(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，其特征在于連接軟管(11)的直角管接頭(10)經(jīng)小密封圈(9)螺紋密封固定在尾座(8)上，構(gòu)成流體的通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種螺旋彈簧骨架流體驅(qū)動式彎曲關節(jié)，此關節(jié)可用作機器人的各類關節(jié)，尤其適用于多個彎曲關節(jié)的機械手指，屬于機器人、機械手應用技術(shù)領域。關節(jié)采用螺旋彈簧為柔性骨架，彈性波殼內(nèi)受液氣壓作用后，軸向膨脹作為肌肉動力，由于螺旋彈簧一側(cè)軸向伸長受固定絲的限制，另一側(cè)可以軸向伸長，因此產(chǎn)生彎曲。不受外力時，關節(jié)彎曲角度與關節(jié)內(nèi)的氣體壓強有關；工作時，對外作用力隨關節(jié)內(nèi)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(jié)回復原狀。對本發(fā)明關節(jié)，一側(cè)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(jié)彎曲動作靈活，耗能小，動態(tài)控制精度高，作為多關節(jié)的機械手指時，多關節(jié)的協(xié)調(diào)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(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者章軍, 須文波, 呂兵 申請人:江南大學