[發明專利]變截面和異形的板彈簧骨架柔順關節

有效

• 申請號: 201110406737.X
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102490183A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 章軍;劉光元;劉傳江;呂兵
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種變截面和異形的板彈簧骨架柔順關節，此彎曲關節具有很好的柔順性和可控性，可用作機器人的各類關節，尤其適用于由多個彎曲關節構成的柔性機械手指，作為自動化設備的執行機構，屬于機器人、機械手應用技術領域。

背景技術：

在本發明之前，機器人彎曲關節多采用電機驅動，電機靜態剛度好控制精度高，但是需要復雜的減速裝置，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動，需要復雜的流體回路且位置控制精度不高。目前的機器人關節多采用剛性骨架，對位置和力要求精度高，柔順性和自適應性不好，尤其是用作機械手指時，對抓取對象物理創傷大。

專利CN200410065130.X提出了一種軸向膨脹的人工肌肉作為驅動力的板彈簧骨架柔性關節，該關節通過膨脹肌肉伸長克服板彈簧阻力實現彎曲，具有一定的柔順性和自適應性，用作機械手指時可以取得很好的抓取效果。不足之處：(1)關節作用空間小，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生干涉，影響其進一步變形；若二者距離大，關節尺寸較大，且彎曲同樣的角度人工肌肉的軸向伸長量增大，對人工肌肉的力學參數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，還會增加關節重量、浪費材料。(3)柔順性欠佳。柔順性的優越性體現在減少裝配時間、簡化制造過程、提高精度、增加可靠性、減少維護、減輕質量等方面，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。(4)動態響應有待改善。一般的等截面板彈簧由平直狀態開始彎曲時阻力較大，需要較大的壓力才能開始動作，而且關節整體質量大，慣性大，因此動態響應性有待提高。

發明內容：

本發明針對上述不足，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，寬度根據板彈簧受力情況，以一定規律變化，符合板彈簧的受力分布，在滿足強度的基礎上節約材料降低質量，提高動態響應性。變截面的板彈簧兩端寬中間細的結構更容易變形，變形抗力小，動作更靈活。異形的板彈簧能有效避免關節大變形后彈性波紋管與板彈簧的接觸干涉問題，大大提高了柔順關節的作用空間。同時，關節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節扭轉變形、方便應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。該關節不僅可以單獨使用，還可以組裝成多關節機械手、機械臂等，具有很好的協調性。

本發明的主要解決方案是這樣實現的：

方案一：如圖1-3所示，彈性波紋管10的兩端結構類似于液壓橡膠管結構。彈性波紋管10的兩端通過外壓環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如圖4-5所示，其上開有進氣口，進氣管接頭13經密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經調節墊塊4分別與頭節1和尾節14固定。

調節墊塊4如圖6-7所示，其上下面都有定位銷孔，保證頭座5、頭節1，以及尾座11、尾節14與調節墊塊4之間的相互定位。

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1和尾節14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。

調節墊塊4的定位銷孔、頭節1和尾節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1、尾座11、尾節14、調節墊塊4、梯形邊板彈簧15a在縱向對稱面和彈性波紋管10的軸心線共面，避免關節發生扭轉變形，并便于力和變形的分析。

方案二：如圖8所示，彈性波紋管10的兩端結構類似于液壓橡膠管結構。彈性波紋管10的兩端通過外壓環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上開有進氣口，進氣管接頭13經密封圈12固定在尾座11上。頭座5和尾座11經調節墊塊4分別與頭節1和尾節14固定。

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1和尾節14的槽口中，并用螺栓3和長方形墊片2固定。

上述方案一、方案二是變截面板彈簧的柔順關節。