[實用新型]基于介電型EAP的多維主動關(guān)節(jié)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200920044190.1
• 申請日: 2009-06-19
• 公開（公告）號: CN201446531U
• 公開（公告）日: 2010-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王化明;欒云廣;吳孟;李成剛;李響
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

實用新型涉及一種基于介電型EAP的多維主動關(guān)節(jié)，屬于主動關(guān)節(jié)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

關(guān)節(jié)是機器人、機電系統(tǒng)相對運動部件間的結(jié)合部分。傳統(tǒng)的移動或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通常采用電機(如電磁電機)加上傳動機構(gòu)(如減速器、齒輪齒條傳動等)驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，造成機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、體積大、質(zhì)量大、功率質(zhì)量比小；傳動零件間存在著滑動和滾動摩擦，能效低；多數(shù)情況下一個關(guān)節(jié)只具有一個自由度，靈活性差等缺點，且這類驅(qū)動器相對固定的形式限制了其在某些環(huán)境中的應(yīng)用，因此不能滿足未來機器人及機電系統(tǒng)對關(guān)節(jié)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能量利用效率高、價格適中的要求。

除了電機驅(qū)動的關(guān)節(jié)外，還有由氣動人工肌肉驅(qū)動的關(guān)節(jié)。通過查詢專利，浙江工業(yè)大學(xué)的實用新型申請“一種氣動球關(guān)節(jié)”(實用新型申請?zhí)枺?00710069689.3)采用三個氣動人工肌肉驅(qū)動器實現(xiàn)球關(guān)節(jié)的驅(qū)動，但采用氣動人工肌肉驅(qū)動需要較多附件如氣源及其控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量大。

為解決關(guān)節(jié)驅(qū)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(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動器。這些驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)機器人系統(tǒng)、機電系統(tǒng)的微小型化，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜的環(huán)境中進行操作。但是壓電陶瓷由于變形量小，在應(yīng)用時往往需要放大機構(gòu)進行位移放大，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。形狀記憶合金由于溫度變化引起材料相變導(dǎo)致晶格間距距離變大實現(xiàn)宏觀位移驅(qū)動，其效率比較低，響應(yīng)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(shù)相比有很多優(yōu)點：可以直接對外做功、無需傳動機構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕；動作平滑、無相對摩擦運動部件、無熱、無噪聲；功率質(zhì)量比大、能量轉(zhuǎn)換效率高；變形大，可產(chǎn)生較大位移、響應(yīng)速度快；具有柔性，便于結(jié)構(gòu)安排等優(yōu)點，在關(guān)節(jié)驅(qū)動中有著誘人的應(yīng)用前景。

瑞士聯(lián)邦材料測試和研究實驗室的P.Lochmatter應(yīng)用VHB4910作為驅(qū)動材料研究了可單自由度彎曲的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，采用平面形驅(qū)動器推拉關(guān)節(jié)骨架實現(xiàn)關(guān)節(jié)擺動，并將多個關(guān)節(jié)串聯(lián)實現(xiàn)大范圍內(nèi)的單自度擺動。

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種基于介電型EAP的多維主動關(guān)節(jié)。

本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

本實用新型基于介電型EAP的多維主動關(guān)節(jié)，其特征在于該主動關(guān)節(jié)由上至下依次同軸設(shè)置上框、下框，上框內(nèi)設(shè)置有內(nèi)框，內(nèi)框與上框之間采用鉸接機構(gòu)鉸接，軸的上端與內(nèi)框固定，軸的下端穿過導(dǎo)向套，導(dǎo)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(shè)置2n個介電型EAP驅(qū)動器，所述介電型EAP驅(qū)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(shù)。

為克服已有關(guān)節(jié)的質(zhì)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(qū)動、質(zhì)量輕、具有柔性便于結(jié)構(gòu)安排等優(yōu)點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單的基于介電型EAP的多自由度主動關(guān)節(jié)。

本實用新型具有驅(qū)動自由度多，結(jié)構(gòu)安排方便簡單、具有柔性保護功能，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點，可代替機械手臂之間的關(guān)節(jié)、人工假肢或醫(yī)學(xué)修復(fù)中的關(guān)節(jié)及柔體機器人關(guān)節(jié)。

附圖說明

圖1為基于介電型EAP的主動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖中名稱標(biāo)號：1為內(nèi)框，2為軸，3為導(dǎo)向套，4為鉸接機構(gòu)，5為上框，6為連桿，7為EAP驅(qū)動器，8為下框，9為所施加預(yù)載荷。

圖2為采用錐形驅(qū)動器的主動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式，10為分片電極。

圖3為采用圓柱形驅(qū)動器的主動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式。

具體實施方式

本實用新型的關(guān)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(zhuǎn)。關(guān)節(jié)骨架由軸2、導(dǎo)向套3、內(nèi)框1、上框5和下框8組成。其中下框8及導(dǎo)向套3均與基底固連，軸2與內(nèi)框1固連，可沿導(dǎo)向套3作z向的直線運動。內(nèi)框1與上框5之間采用鉸接機構(gòu)4(虎克鉸或球鉸)進行連接，上框5相對于內(nèi)框1可繞x、y軸進行旋轉(zhuǎn)。所述介電型EAP驅(qū)動器沿關(guān)節(jié)骨架圓周方向布置，驅(qū)動器通過連桿6連接在上框與下框之間。一個關(guān)節(jié)可最多實現(xiàn)三個自由度的運動，包括沿z軸的移動和繞x、y軸的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)上框5在x向一側(cè)的驅(qū)動器通電產(chǎn)生位移，另一側(cè)不通電時，則使上框5相對內(nèi)框1產(chǎn)生繞x軸的旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)上框5在y向一側(cè)的驅(qū)動器通電產(chǎn)生位移，另一側(cè)不通電時，則使上框5相對內(nèi)框1產(chǎn)生繞y軸的旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)上框5四周的驅(qū)動器7都通電時，上框5將和內(nèi)框1及鉸接4、軸2一起產(chǎn)生沿z軸的直線運動。當(dāng)驅(qū)動器7能承受推力時，連桿6采用剛性桿或柔性桿。當(dāng)驅(qū)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(yù)載荷9。