本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種介電彈性體機(jī)械腕關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

機(jī)械手由于其超過(guò)人類(lèi)手臂的靈活度和耐力度而廣泛地應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)中，其能夠精確地實(shí)現(xiàn)定位及準(zhǔn)確地完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所需的各種復(fù)雜動(dòng)作。腕關(guān)節(jié)是機(jī)械手中連接末端執(zhí)行器和手臂的重要組成部分，其主要功能是調(diào)整和改變機(jī)械手在一定空間區(qū)域內(nèi)的位置和姿態(tài)。機(jī)械手腕關(guān)節(jié)一般需要三個(gè)自由度，方能滿(mǎn)足機(jī)械手在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜的工況要求。傳統(tǒng)的機(jī)械手腕關(guān)節(jié)由復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)副和齒輪傳動(dòng)構(gòu)成，并且都采用剛性驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)笨重、體積大、控制累積誤差大、輸出柔順性差，不利于人機(jī)交互的安全性。因此具有運(yùn)動(dòng)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、自身重量輕、柔順性好和對(duì)作業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的柔性機(jī)械手受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)體積較大較重以及系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜度和維護(hù)較為困難的缺陷，提出一種介電彈性體機(jī)械腕關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊、設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)手腕彎曲、俯仰以及內(nèi)外旋轉(zhuǎn)三自由度運(yùn)動(dòng)，利用介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，質(zhì)量輕，操作安靜，響應(yīng)快，控制方便，具有一定的柔性，使得機(jī)械手腕的動(dòng)力學(xué)特性更加柔順化，提高人機(jī)交互的安全性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：活動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán)、安裝座和若干均布于固定盤(pán)的介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元，其中：活動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán)和安裝座依次同心設(shè)置，固定盤(pán)和安裝座之間設(shè)有若干支柱，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元中心處連有關(guān)節(jié)軸承連桿，關(guān)節(jié)軸承連桿另一端與活動(dòng)盤(pán)相連，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元推動(dòng)關(guān)節(jié)軸承連桿沿其軸向運(yùn)動(dòng)。

所述的介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元包括：中心圓片和環(huán)形介電彈性體薄膜，其中：中心圓片設(shè)置于介電彈性體薄膜的內(nèi)圓中，中心圓片與關(guān)節(jié)軸承連桿一端活動(dòng)相連。

所述的固定盤(pán)的與介電彈性體薄膜對(duì)應(yīng)處設(shè)有圓形通孔，中心圓片位于圓形通孔的中心處。

所述的介電彈性體薄膜外緣設(shè)有壓緊環(huán)。

所述的固定盤(pán)中心處和活動(dòng)盤(pán)中心處連有支撐連桿。

所述的支撐連桿一端通過(guò)球鉸與活動(dòng)盤(pán)相連，另一端與固定盤(pán)通過(guò)螺紋連接。

所述的固定盤(pán)中心處設(shè)有驅(qū)動(dòng)支撐連桿軸向移動(dòng)的調(diào)節(jié)螺母。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明運(yùn)行狀態(tài)示意圖；

圖中：1安裝座、2固定盤(pán)、3支柱、4活動(dòng)盤(pán)、5關(guān)節(jié)軸承連桿、6鉸鏈座、7銷(xiāo)釘、8支撐連桿、9球鉸、10調(diào)節(jié)螺母、11中心圓片、12介電彈性體薄膜、13壓緊環(huán)、14介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元。

具體實(shí)施方式

如圖1～2所示，本實(shí)施例包括：活動(dòng)盤(pán)4、固定盤(pán)2、安裝座1和若干均布于固定盤(pán)2的介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14，其中：活動(dòng)盤(pán)4、固定盤(pán)2和安裝座1依次同心設(shè)置，固定盤(pán)2和安裝座1之間設(shè)有若干支柱3，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14中心處連有關(guān)節(jié)軸承連桿5，關(guān)節(jié)軸承連桿5另一端與活動(dòng)盤(pán)4相連，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14推動(dòng)關(guān)節(jié)軸承連桿5沿其軸向運(yùn)動(dòng)。介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14包括：中心圓片11和環(huán)形介電彈性體薄膜12，其中：中心圓片11設(shè)置于介電彈性體薄膜12的內(nèi)圓中，中心圓片11與關(guān)節(jié)軸承連桿5一端活動(dòng)相連。

所述的固定盤(pán)2呈三角形，三個(gè)頂點(diǎn)處分別設(shè)有圓形通孔，三個(gè)圓形通孔分別設(shè)有一介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14。介電彈性體薄膜12的外邊緣與通孔邊緣相粘，介電彈性體薄膜12的外邊緣進(jìn)一步通過(guò)壓緊環(huán)13壓緊固定。介電彈性體薄膜12處于拉伸狀態(tài)，其由中間的彈性體層和涂抹于其上下表面的環(huán)形柔性電極層組成，彈性體層材料可為聚丙烯酸酯、天然橡膠或硅膠，柔性電極層材料可為導(dǎo)電碳膏、單壁碳納米管或銀納米線(xiàn)導(dǎo)電液。

所述的關(guān)節(jié)軸承連桿5一端活動(dòng)設(shè)置于中心圓片11，另一端活動(dòng)設(shè)置于活動(dòng)盤(pán)4。活動(dòng)盤(pán)4和固定盤(pán)2的與關(guān)節(jié)軸承連桿5相連處設(shè)有鉸鏈座6，關(guān)節(jié)連桿與鉸鏈座6通過(guò)銷(xiāo)釘7固定。

所述的固定盤(pán)2中心處和活動(dòng)盤(pán)4中心處連有支撐連桿8。支撐連桿8上端通過(guò)球鉸9與活動(dòng)盤(pán)4相連。支撐桿的下端設(shè)有外螺紋。固定盤(pán)2中心處設(shè)有調(diào)節(jié)螺母10，支撐桿下端螺紋與調(diào)節(jié)螺母10相配和，并穿過(guò)固定盤(pán)2。通過(guò)調(diào)節(jié)螺母10轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)支撐桿沿其軸向運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)活動(dòng)盤(pán)4和固定盤(pán)2之間的間距。隨著間距的減小，預(yù)拉伸的介電彈性體薄膜12會(huì)在關(guān)節(jié)軸承連桿5的作用下下陷成為錐形，且隨著錐形深度的增加，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14的剛度逐漸增大，故可以通過(guò)旋進(jìn)旋出支撐連桿8調(diào)節(jié)整個(gè)腕關(guān)節(jié)的剛度。

如圖3所示，初始狀態(tài)時(shí)，三個(gè)介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14都未通電，由于其對(duì)稱(chēng)布置及相同的薄膜預(yù)拉伸率，三個(gè)介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14會(huì)支撐活動(dòng)盤(pán)4與固定盤(pán)2平行。當(dāng)給其中右側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)加電壓時(shí)，左側(cè)的驅(qū)動(dòng)單元的介電彈性體薄膜12的彈性回復(fù)力通過(guò)支撐連桿8和活動(dòng)盤(pán)4作用于兩個(gè)加電壓的驅(qū)動(dòng)單元上為其提供預(yù)緊力，在麥克斯韋應(yīng)力和預(yù)緊力的共同作用下，右側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)并拉著與其連接的關(guān)節(jié)軸承連桿5下降，緊接著左側(cè)驅(qū)動(dòng)單元縮短并推動(dòng)與其連接的關(guān)節(jié)軸承連桿5上升，進(jìn)而使活動(dòng)盤(pán)4呈現(xiàn)如圖3所示的轉(zhuǎn)動(dòng)效果?？梢酝ㄟ^(guò)分別給三個(gè)介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元14加電壓來(lái)控制與之相連的三個(gè)關(guān)節(jié)軸承連桿5的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到該機(jī)械腕關(guān)節(jié)想要的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊、設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)手腕彎曲、俯仰以及內(nèi)外旋轉(zhuǎn)三自由度運(yùn)動(dòng)，利用介電彈性體作為驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量輕，操作安靜，響應(yīng)快，控制方便，具有一定的柔性，使得機(jī)械手腕的動(dòng)力學(xué)特性更加柔順化，提高人機(jī)交互的安全性。

上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種介電彈性體機(jī)械腕關(guān)節(jié)，包括：活動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán)、安裝座和若干均布于固定盤(pán)的介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元，其中：活動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán)和安裝座依次同心設(shè)置，固定盤(pán)和安裝座之間設(shè)有若干支柱，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元中心處連有關(guān)節(jié)軸承連桿，關(guān)節(jié)軸承連桿另一端與活動(dòng)盤(pán)相連，介電彈性體錐形驅(qū)動(dòng)單元推動(dòng)關(guān)節(jié)軸承連桿沿其軸向運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎、緊湊、設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)手腕彎曲、俯仰以及內(nèi)外旋轉(zhuǎn)三自由度運(yùn)動(dòng)，利用介電彈性體作為驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量輕，操作安靜，響應(yīng)快，控制方便，具有一定的柔性，使得機(jī)械手腕的動(dòng)力學(xué)特性更加柔順化，提高人機(jī)交互的安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：張文明;李汶柏;鄒鴻翔;閆寒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.26
技術(shù)公布日：2017.09.08