具有制动功能嵌套式约束环柔性臂制造技术

为解决柔性臂刚性不足、承载力小等缺陷，本发明专利技术提出了具有制动功能嵌套式约束环柔性臂，主要包括驱动组件和制动组件，驱动组件通过调节通入人工肌肉的流体压力大小，实现三维空间任意方向的可控弯曲和伸长；驱动组件的若干约束环采用嵌套结构，实现柔性臂的抗扭转功能；制动组件主要利用摩擦制动原理，向制动气囊内通入压力流体，挤压制动杆形成制动力从而达到制动目的，通入流体压力越大，制动力越大，通过调节通入制动气囊的流体压力大小，可实现制动力无级控制，实现柔性臂的任意位姿保持，制动效果明显，本发明专利技术结构简单，运动灵活，使用方便。方便。方便。

【技术实现步骤摘要】
具有制动功能嵌套式约束环柔性臂


[0001]本专利技术属于柔性机器人领域，特别是涉及一种具有制动功能嵌套式约束环柔性臂。

技术介绍

[0002]柔性机器人手臂因其柔顺性，灵活性，人机交互安全行等优势得到广泛研究，但目前刚性不足承载力差成为柔性机械臂的主要短板。为解决机器人关节位姿保持和关节阻尼可调节问题，研究人员对机器人关节制动器做了大量的研究，主要有鼓式制动器、盘式制动器、摩擦制动器、电磁制动器和压电陶瓷制动器等结构，哈尔滨工业大学的马骏等人设计了一种应用于机器人关节的盘式制动器，制动器的摩擦盘和制动盘上设有相同的环形凸台，制动力矩达到3N
·
m，但是尺寸偏大，外径为170mm；德国麦尔公司设计制造了一种用于空间机械手的电磁制动器，制动力矩稳定，但是改变制动力矩需要更换不同弹性系数的弹簧，不能在使用中调节制动力矩；德国宇航中心为了减轻机械臂的总体质量，设计了只有70克的压电陶瓷制动器，由于压电陶瓷在一定湿度下制动性能会衰退，所以没有进行应用；还有其他一些机构研发的机器人关节制动器普遍存在尺寸及重量大，或是制动力矩小且不能调节的问题，不适用于柔性机器人手臂的关节中。本专利技术提出了一种具有制动功能嵌套式约束环柔性臂，结构简单运动灵活，可实现三维空间任意方向的可控弯曲和伸长，具有抗扭转功能并且能够实现机械臂的任意位姿保持，可作为机械臂应用于柔性机器人中，根据手臂的工作要求实现运动以及实时位姿保持功能。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种具有制动功能嵌套式约束环柔性臂，能够克服目前柔性机械臂刚性不足、承载力小等缺陷，可实现柔性臂的抗扭转功能以及任意位姿的保持。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0004]具有制动功能嵌套式约束环柔性臂其特征在于主要包括螺钉、驱动器上端盖、上堵头、橡胶管、约束环、下堵头、气动接头、复合端盖、制动气囊、制动气囊下端盖、制动杆、限位片、螺母、螺栓、弧形摩擦片、上限位面、导向杆；所述螺钉、驱动器上端盖、上堵头、橡胶管、约束环、下堵头、气动接头、复合端盖为驱动组件；所述复合端盖、制动气囊、制动气囊下端盖、制动杆、限位片、螺母、螺栓、弧形摩擦片、上限位面、导向杆为制动组件。
[0005]所述上堵头、橡胶管和下堵头同轴安装形成人工肌肉，下堵头设有螺纹孔，人工肌肉外部设有约束环，约束环开有异形腔，异形腔可为扇形、弧形、椭圆形、三角形；6个人工肌肉两两一组径向成120
°
安装于约束环的三个异形腔内。
[0006]所述约束环上表面设有两个弧形凸台，两个z形凸台，两个弧形槽，相邻两约束环相位差为60度，三个约束环为一组，约束环下表面设有六个相同的弧形凸台和两个弧形槽，相邻两约束环的凸台和凹槽相互嵌套，z形凸台嵌套在相邻约束环的弧形槽内，保证柔性臂工作过程中约束环间隙均匀且不脱开，嵌套结构保证柔性臂的抗扭功能；
[0007]所述驱动器两端由上端盖和复合端盖约束，所述驱动器上端盖为柱状壳结构，内部开有与约束环相同数量相同结构的异形腔，驱动器上端盖上端面设有螺纹孔，与人工肌肉上堵头连接，连接方式可为螺钉连接，驱动器上端盖下端面径向均布有三个小孔用于安装导向杆，中间位置和异形腔之间设有较大的孔，用于轻量化，下端面设有与约束环下表面相同的凸台和凹槽与约束环上表面的凸台和凹槽对接。
[0008]所述复合端盖为驱动器下端盖与制动器上端盖通过连接杆固定一体而成，上半部分为驱动器下端盖，下半部分为制动器上端盖，中间位置设有连接杆，驱动器下端盖内部开有与约束环相同数量相同结构的异形腔，异形腔内设有通孔或螺纹孔，用于与人工肌肉下堵头连接，径向均布有三个小孔用于安装导向杆，中间位置和异形腔之间设有较大的孔，用于轻量化，端面设有与约束环上表面相同的凸台和凹槽用于与约束环上表面的凸台和凹槽对接，驱动器上端盖与人工肌肉下堵头通过气动接头连接，用于压力流体的输入。
[0009]进一步，所述复合端盖下半部分的制动器上端盖为柱状壳结构，中间径向均匀分布三个凸台并设有通孔，通孔内设有制动杆，外侧径向均匀分布三个弧形凸台并设有螺纹孔或通孔，，与制动器下端盖弧形凸台连接，连接方式可为螺纹连接，一侧设有半圆环状凸台与制动器下端盖半圆环状凸台对接，用于向制动气囊输入压力流体。
[0010]更进一步，所述三组橡胶管通入相同压力流体，在压力流体作用下，柔性臂轴向伸长，三组橡胶管通入不同压力流体，柔性臂向通入压力较小的橡胶管一侧弯曲，通过调节流体压力大小实现三维空间任意方向的可控弯曲和伸长。
[0011]所述3个导向杆并联且径向成120
°
均匀分布在三组人工肌肉之间，起导向作用，导向杆的数量可为3个、6个，所用材料为弹性较好的材料，可为弹簧钢；
[0012]所述制动器下端盖为柱状壳结构，与制动器上端结构相同，复合端盖和下端盖之间设有限位片、弧形摩擦片、制动气囊。
[0013]所述弧形摩擦片沿制动杆外壁安装在制动气囊内壁，弧形摩擦片采用三组，每组包括4个弧形摩擦片，弧形摩擦片可采用3组、4组、5组，每组弧形摩擦片的数量可为3个、4个、5个；所述限位片为阶梯状，安装于相邻两摩擦片中间，与制动器上、下端盖配合限制摩擦片轴向移动与径向转动，限位片数量与摩擦片相同，采用三组，每组4个，限位片可采用3组、4组、5组，每组限位片的数量可为3个、4个、5个。
[0014]所述制动气囊内部结构为环形，中间径向均匀开有三个通孔，三个通孔设有三个制动杆，制动气囊一侧开有通孔，用于输入压力流体。
[0015]所述制动杆与导向杆固定连接，连接方式可为胶粘，制动杆本体设有下限位面，上限位面与制动杆固定连接，连接方式可为胶粘或螺纹连接的一种，上、下限位面用于驱动器轴向限位，防止约束环嵌套结构失效，三个制动杆分别穿入制动气囊上的三个通孔，制动气囊通入压力流体后膨胀，轴向和径向外侧受到端盖限制，气囊只能向内侧膨胀，从而推动安装在制动气囊内侧的弧形摩擦片径向收缩，随着压力的增加弧形摩擦片与制动杆接触，从而产生作用力而达到制动目的，制动气囊输入压力越大，则制动力越大；
[0016]本专利技术的优点在于：
[0017]1)具有制动功能嵌套式约束环柔性臂其长度大小，直径大小均可按照实际应用尺寸进行灵活选取零部件；
[0018]2)柔性臂能够实现三维空间任意方向的可控弯曲和伸长；
[0019]3)约束环的嵌套结构能够实现机械臂抗扭转功能；
[0020]4)制动力大，能够实现机械臂任意位姿保持，制动效果明显。
附图说明
[0021]图1为具有制动功能嵌套式约束环柔性臂总体结构示意图；
[0022]图2为具有制动功能嵌套式约束环柔性臂剖视图；
[0023]图3为具有制动功能嵌套式约束环柔性臂总体爆炸示意图；
[0024]图4为驱动器上端盖示意图；
[0025]图5为复合端盖示意图；
[0026]图6为约束环相位1示意图；
[0027]图7为约束环相位2示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有制动功能嵌套式约束环柔性臂其特征在于主要包括螺钉、驱动器上端盖、上堵头、橡胶管、约束环、下堵头、气动接头、复合端盖、制动气囊、制动气囊下端盖、制动杆、限位片、螺母、螺栓、弧形摩擦片、上限位面、导向杆；所述下堵头、橡胶管和上堵头同轴安装形成人工肌肉，下堵头设有螺纹孔，人工肌肉外部设有开有异形腔的约束环，6个人工肌肉两两一组径向成120
°
安装于约束环的三个异形腔内，驱动器两端由上端盖和复合端盖约束，所述复合端盖为驱动器的下端盖与制动器上端盖通过连接杆固定一体而成，驱动器上端盖下表面设有通孔，通过气动接头与人工肌肉下堵头连接，用于压力流体的输入；所述约束环上表面设有两个弧形凸台，两个z形凸台，两个弧形槽，相邻两约束环相位差为60度，三个约束环为一组，约束环下表面设有六个相同的弧形凸台和两个弧形槽，相邻两约束环的凸台和凹槽相互嵌套，z形凸台嵌套在相邻约束环的弧形槽内，保证柔性臂工作过程中约束环间隙均匀且不脱开，嵌套结构保证柔性臂的抗扭功能；所述导向杆并联且径向成120
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均匀分布在三组人工肌肉之间，起导向作用；所述复合端盖与制动器下端盖均为柱状壳结构，复合端盖和下端盖之间设有限位片、弧形摩擦片、制动气囊；所述弧形摩擦片沿制动杆外壁安装在制动气囊内壁，弧形摩擦片采用三组，每组包括4个弧形摩擦片；所述限位片为阶梯状，安装于相邻两摩擦片中间，与制动器上、下端盖配合限制摩擦片轴向移动与径向转动，限位片数量与摩擦片相同，采用三组，每组4个；所述制动气囊内部结构为环形，中间径向均匀开有三个通孔，用于安装制动杆，制动气囊一侧开有通孔，用于输入压力流体；所述制动杆与导向杆固定连接，制动杆设有下限位面，下限位面与制动杆固定连接，上、下限位面用于驱动器轴向限位，防止约束环嵌套结构失效...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霞，彭贺，耿德旭，许文智，武广斌，
申请(专利权)人：北华大学，
类型：发明
国别省市：