專利名稱：基于介電型eap的多維主動關節(jié)的制作方法
技術領域：
實用新型涉及一種基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，屬于主動關節(jié)的技術領域。
背景技術：
關節(jié)是機器人、機電系統(tǒng)相對運動部件間的結合部分。傳統(tǒng)的移動或旋轉關節(jié)通 常采用電機(如電磁電機)加上傳動機構(如減速器、齒輪齒條傳動等)驅動關節(jié)運動，造 成機械結構復雜、價格昂貴、體積大、質量大、功率質量比小；傳動零件間存在著滑動和滾動 摩擦，能效低；多數情況下一個關節(jié)只具有一個自由度，靈活性差等缺點，且這類驅動器相 對固定的形式限制了其在某些環(huán)境中的應用，因此不能滿足未來機器人及機電系統(tǒng)對關節(jié) 質量輕、結構簡單、能量利用效率高、價格適中的要求。 除了電機驅動的關節(jié)外，還有由氣動人工肌肉驅動的關節(jié)。通過查詢專利，浙江工 業(yè)大學的實用新型申請"一種氣動球關節(jié)"(實用新型申請?zhí)?00710069689. 3)采用三個 氣動人工肌肉驅動器實現球關節(jié)的驅動，但采用氣動人工肌肉驅動需要較多附件如氣源及 其控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)結構尺寸和質量大。 為解決關節(jié)驅動中存在的問題，一些智能材料(如壓電陶瓷，形狀記憶合金等)被 研究用來實現關節(jié)驅動器。這些驅動器能夠實現機器人系統(tǒng)、機電系統(tǒng)的微小型化，能夠實 現在復雜的環(huán)境中進行操作。但是壓電陶瓷由于變形量小，在應用時往往需要放大機構進 行位移放大，使得結構復雜。形狀記憶合金由于溫度變化引起材料相變導致晶格間距距離 變大實現宏觀位移驅動，其效率比較低，響應速度慢。 介電型EAP是一種新型智能材料，較其它智能材料和傳統(tǒng)的電磁技術相比有很多
優(yōu)點可以直接對外做功、無需傳動機構、結構簡單、體積小、質量輕；動作平滑、無相對摩
擦運動部件、無熱、無噪聲；功率質量比大、能量轉換效率高；變形大，可產生較大位移、響
應速度快；具有柔性，便于結構安排等優(yōu)點，在關節(jié)驅動中有著誘人的應用前景。 瑞士聯邦材料測試和研究實驗室的P. Lochmatter應用VHB4910作為驅動材料研
究了可單自由度彎曲的關節(jié)結構，采用平面形驅動器推拉關節(jié)骨架實現關節(jié)擺動，并將多
個關節(jié)串聯實現大范圍內的單自度擺動。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術存在的缺陷提供一種基于介電 型EAP的多維主動關節(jié)。 本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案 本實用新型基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，其特征在于該主動關節(jié)由上至下依 次同軸設置上框、下框，上框內設置有內框，內框與上框之間采用鉸接機構鉸接，軸的上端 與內框固定，軸的下端穿過導向套，導向套和下框均與基底固定連接，上框與下框之間同軸 對稱設置2n個介電型EAP驅動器，所述介電型EAP驅動器通過連桿連接在上框與下框的骨 架上，其中n為自然數。[0010] 為克服已有關節(jié)的質量大、自由度少、靈活性不高等不足，本實用新型利用介電型 EAP功率密度比高、直接驅動、質量輕、具有柔性便于結構安排等優(yōu)點，提供一種結構簡單的 基于介電型EAP的多自由度主動關節(jié)。 本實用新型具有驅動自由度多，結構安排方便簡單、具有柔性保護功能，體積小， 質量輕等優(yōu)點，可代替機械手臂之間的關節(jié)、人工假肢或醫(yī)學修復中的關節(jié)及柔體機器人 關節(jié)。

圖1為基于介電型EAP的主動關節(jié)結構。 圖中名稱標號1為內框，2為軸，3為導向套，4為鉸接機構，5為上框，6為連桿，7 為EAP驅動器，8為下框，9為所施加預載荷。 圖2為采用錐形驅動器的主動關節(jié)結構形式，10為分片電極。 圖3為采用圓柱形驅動器的主動關節(jié)結構形式。
具體實施方式本實用新型的關節(jié)骨架最多可有三個自由度，即z軸的移動和繞x、 y軸的旋轉。 關節(jié)骨架由軸2、導向套3、內框1、上框5和下框8組成。其中下框8及導向套3均與基底 固連，軸2與內框1固連，可沿導向套3作z向的直線運動。內框1與上框5之間采用鉸接 機構4(虎克鉸或球鉸)進行連接，上框5相對于內框l可繞x、y軸進行旋轉。所述介電型 EAP驅動器沿關節(jié)骨架圓周方向布置，驅動器通過連桿6連接在上框與下框之間。 一個關 節(jié)可最多實現三個自由度的運動，包括沿z軸的移動和繞x、 y軸的旋轉。當上框5在x向 一側的驅動器通電產生位移，另一側不通電時，則使上框5相對內框l產生繞x軸的旋轉運 動。當上框5在y向一側的驅動器通電產生位移，另一側不通電時，則使上框5相對內框1 產生繞y軸的旋轉運動。當上框5四周的驅動器7都通電時，上框5將和內框1及鉸接4、 軸2 —起產生沿z軸的直線運動。當驅動器7能承受推力時，連桿6采用剛性桿或柔性桿。 當驅動器只能承受拉力時，連桿6采用柔性桿。連桿6采用柔性桿時，在軸2上施加一定的 軸向預載荷9。 對于回轉體結構的驅動器形式(錐形、圓柱形)，可只采用一個驅動器，并在EAP上 制造出2n處分片電極IO，每片電極及夾在中間的EAP均可看作一個EAP子驅動器，可減小 結構尺寸，提高結構緊湊性，其中n為自然數?；诮殡娦虴AP的多維主動關節(jié)可用于機器 人手臂、人工假肢關節(jié)、仿生柔體機器人關節(jié)等領域，具有柔性，結構安排方便、簡單，體積 小，質量輕，且具有保護功能。
以下結合附圖對實用新型的技術方案進行詳細說明 圖1為基于介電型EAP的主動關節(jié)結構圖。驅動器7通電產生位移，帶動上框5 產生相應的運動。當x向一側的驅動器通電產生位移，而另一側的驅動器未通電時，則會推 動上框5產生繞x軸的旋轉運動。當y向一側的驅動器通電產生位移，而另一側的驅動器 未通電時，則會推動上框5產生繞y軸的旋轉運動。當上框5四周的驅動器都通電時，則會 都產生位移，推動上框5產生沿z軸的線性位移。 圖2為采用回轉形驅動器(錐形)時可采用的另一種主動關節(jié)結構。將錐形驅動器的EAP分成2n個區(qū)，每個區(qū)的EAP正反面涂上一對分片電極10，同一面上的分片電極之 間相互隔開，每一對分片電極及之間的EAP可看作一個子驅動器。當子驅動器通電后，上框 會產生相應的動作。 圖3為采用回轉形驅動器(圓柱形)時可采用的另一種主動關節(jié)結構。將圓柱形 驅動器的EAP分成2n個區(qū)，每個區(qū)的EAP正反面涂上分片電極10，同一面上的分片電極之 間隔開，每一對分片電極及之間的EAP可看作一個子驅動器。當子驅動器通電后，上框會產 生相應的動作。 本實用新型結構簡單、成本低、質量輕、工作靈活，可用于仿生機器人、機械手、假 肢、醫(yī)學修復等領域。
權利要求一種基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，其特征在于該主動關節(jié)由上至下依次同軸(2)設置上框(5)、下框(8)，上框(5)內設置有內框(1)，內框(1)與上框(5)之間采用鉸接機構(4)鉸接，軸(2)的上端與內框(1)固定，軸(2)的下端穿過導向套(3)，導向套(3)和下框(8)均與基底固定連接，上框(5)與下框(8)之間同軸(2)對稱設置2n個介電型EAP驅動器(7)，所述介電型EAP驅動器(7)通過連桿(6)連接在上框(5)與下框(8)的骨架上，其中n為自然數。
2. 根據權利要求1所述的基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，其特征在于至少有一個介電型EAP驅動器(7)和連桿(6)構成的驅動裝置，介電型EAP驅動器(7)和連桿(6)構成的驅動裝置采用分片電極(10)及夾在內外分片電極之間的介電型EAP替換。
3. 根據權利要求1所述的基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，其特征在于當介電型EAP驅動器(7)能承受推力時，連桿(6)采用剛性或柔性桿；當介電型EAP驅動器(7)只能承受拉力時，連桿(6)采用柔性桿；當采用柔性桿時，在軸(2)上施加軸向預載荷(9)。
專利摘要本實用新型公布了一種基于介電型EAP的多維主動關節(jié)，屬于主動關節(jié)的技術領域。該主動關節(jié)由上至下依次同軸設置上框、下框，上框內設置有內框，內框與上框之間采用鉸接機構鉸接，軸的上端與內框固定，軸的下端穿過導向套，導向套和下框均與基底固定連接，上框與下框之間同軸對稱設置2n個介電型EAP驅動器，所述介電型EAP驅動器通過連桿連接在上框與下框的骨架上，其中n為自然數。本實用新型結構簡單、成本低、質量輕、工作靈活。
文檔編號B25J17/00GK201446531SQ200920044190
公開日2010年5月5日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權日2009年6月19日
發(fā)明者吳孟, 李響, 李成剛, 欒云廣, 王化明 申請人:南京航空航天大學