[發明專利]基于氣壓拮抗結構的變剛度彎曲關節

有效

• 申請號: 202110408423.7
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113183175B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 王曼溶;王文彪;鮑官軍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J17/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了基于氣壓拮抗結構的變剛度彎曲關節，包括：多個臂節，所述臂節的端面設有連接凸臺，兩臂節的連接凸臺相互配合且通過球關節串聯，所述球關節包括相互蓋合呈球形殼體的上殼體和下殼體，所述上殼體和下殼體之間設有球形氣囊，所述球形氣囊通過氣動管路與氣壓調節裝置連通，所述上殼體設有用于通過氣動管路的通孔，上殼體和下殼體的內壁在球形氣囊膨脹狀態時與球形氣囊外壁相抵。本發明通過模仿骨骼肌的功能，基于氣壓拮抗結構的彎曲關節在控制位置的同時具有良好的柔韌性和變剛度特性；同時滿足了人機交互安全和環境適應性的要求。

技術領域

本發明涉及機器人領域，具體涉及基于氣壓拮抗結構的變剛度彎曲關節。

背景技術

近年來，機器人技術日益成熟，以人為本的機器人應用越來越多，如穿戴式機器人、康復機器人、智能假肢、步行機器人等，用戶與機器人本身的物理人機交互也越來越多。傳統機器人可以實現精確的定位和軌跡跟蹤，但也受到固定的工作空間和工作模式的限制，其高剛度特性可能會對用戶造成傷害。

現階段人機安全性和環境適應性受到廣泛關注。從運動生物力學的角度來看，肌肉是人體運動系統的動力源，肌肉收縮產生的力是用來維持或完成運動的。骨骼肌有兩種收縮方式。在收縮過程中，肌肉張力保持不變，長度變化，導致關節運動，稱為等滲收縮。相反，在收縮過程中，肌肉長度保持不變，沒有關節運動，但肌肉張力增加，即等長收縮。在人類手臂的情況下，二頭肌和三頭肌是一對屈肌和伸肌，相互對抗和協調。當肘部彎曲時，二頭肌收縮，三頭肌放松。當關節位置一定時，肌肉張力增大，即關節剛度增大，且剛度具有非線性特性。通過模仿骨骼肌的功能，機器人關節在控制位置的同時具有良好的柔韌性和變剛度特性，能夠滿足人機安全和環境適應性的要求。

公開號為CN111685882A的說明書公開了一種狹窄腔道醫療操作用機器人及狹窄腔道醫療操作系統。狹窄腔道醫療操作用機器人包括殼體、連續體和第一驅動機構，連續體設置于殼體內，第一驅動機構連接于殼體上；第一驅動機構包括直線驅動單元和旋轉驅動單元，直線驅動單元能驅動連續體伸出和縮回殼體，旋轉驅動單元能驅動直線驅動單元與連續體一同繞連續體的中軸線旋轉；連續體包括基座、第一彎曲關節、第二彎曲關節、第二驅動機構和第三驅動機構，第一彎曲關節與第二彎曲關節相連；第二驅動機構和第三驅動機構均設置于基座上，第二驅動機構能驅動第一彎曲關節彎曲，第三驅動機構能驅動第二彎曲關節彎曲和相對于第一彎曲關節伸縮，實現了連續體形態的多樣控制。

公開號為CN211729172U的說明書公開了本實用新型提供一種四驅動氣動單向彎曲關節，涉及氣動機器人技術領域。該四驅動氣動單向彎曲關節，包括上端蓋、下端蓋、氣動人工肌肉、約束環、鋼板彈簧、快插接頭，約束環軸向密排成柱狀結構，柱狀結構內部留有鋼板彈簧安裝孔和四根人工肌肉安裝孔。所述人工肌肉是內部為硅膠管，硅膠管外部嵌套約束環，硅膠管兩端分別由上堵頭和下堵頭連接成密閉腔體，上堵頭留有螺紋孔，下堵頭設有螺紋孔和流體入口；上、下堵頭通過螺栓固定連接在上、下端蓋上；鋼板彈簧兩端分別與上、下端蓋固定連接；快插接頭安裝在下端蓋與下堵頭螺紋連接。該關節由四根人工肌肉并聯，結構較復雜，適合作為負載較大的機械手關節。

發明內容

本發明的目的在于提供一種有效且高效變剛度的基于氣壓拮抗結構的彎曲關節，解決剛性彎曲關節機器人在運動過程中的柔韌性不足的問題。

基于氣壓拮抗結構的變剛度彎曲關節，包括：多個臂節，所述臂節的端面設有連接凸臺，兩臂節的連接凸臺相互配合且通過球關節串聯，所述球關節包括相互蓋合呈球形殼體的上殼體和下殼體，所述上殼體和下殼體之間設有球形氣囊，所述球形氣囊通過氣動管路與氣壓調節裝置連通，所述上殼體設有用于通過氣動管路的通孔，上殼體和下殼體的內壁在球形氣囊膨脹狀態時與球形氣囊外壁相抵。

所述多個臂節通過球關節相互串聯；當球形氣囊內壓較小時，球形氣囊為非膨脹狀態，臂節的連接凸臺與球關節之間無鎖緊，彎曲關節能跟隨軟體結構在空間內任意方向實現彎曲運動；當球形氣囊內壓較大時，球形氣囊為膨脹狀態，球關節的外側與連接凸臺之間產生摩擦鎖緊，進而改變彎曲關節的剛度，使其達到固定關節的目的。