一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置，涉及机器人技术领域，包括自上而下依次设置的上阻塞气囊、球壳和下阻塞气囊，所述球壳内设置有球槽，所述球槽内设置有球体，所述球体顶部设置有与上阻塞气囊的内圆柱面配合的上球杆，底部设置有与下阻塞气囊的内圆柱面配合的下球杆。通过本发明专利技术的设置，利用上阻塞气囊和下阻塞气囊为柔性元件实现球铰关节变刚度，上阻塞气囊与下阻塞气囊的囊壁采用波纹管状的折叠设计，波纹管折叠方向配合球铰形变的方向，以降低气囊本身的初始刚度。以降低气囊本身的初始刚度。以降低气囊本身的初始刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置。

技术介绍

[0002]人形机器人是机器人
最活跃的分支之一，在人形机器人的机械本体中，关节是最为重要的一部分，关节的结构与性能直接影响机器人的整体性能，包括机动能力、操作能力、运动平滑性等。而球窝关节是机器人的重要关节之一，现有的球关节装置中，球关节相关组件均为刚性组件，其刚度为固定状态，球铰关节在承受较大外力后比较容易发生损坏。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0005]一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置，包括自上而下依次设置的上阻塞气囊、球壳和下阻塞气囊，所述球壳内设置有球槽，所述球槽内设置有球体，所述球体顶部设置有与上阻塞气囊的内圆柱面配合的上球杆，底部设置有与下阻塞气囊的内圆柱面配合的下球杆。
[0006]进一步的，所述上阻塞气囊中心位置处设置有贯通设置的柱形孔，柱形孔壁形成内圆柱面，内圆柱面外侧形成波纹管结构的外囊壁，所述内圆柱面底部为外圆锥面，外圆锥面内侧形成波纹管结构的内囊壁。
[0007]进一步的，所述球壳包括上球壳和下球壳，所述上球壳上端面为锥面结构与上阻塞气囊的下端面相适配，上球壳下端面为平面结构与下球壳的上端面相适配，所述下球壳下方的中部为圆台结构四周为圆环结构，并与下阻塞气囊的上端面相适配。
[0008]进一步的，所述下阻塞气囊包括螺旋型外囊壁和柱形孔，柱形孔用于同下球杆配合，所述下阻塞气囊内部的空腔中设置有S型分割囊壁，所述S型分割囊壁用于将空腔分隔，所述S型分割囊壁上开设有孔。
[0009]进一步的，所述上阻塞气囊和下阻塞气囊内部均填充有硬质颗粒。
[0010]进一步的，所述上阻塞气囊和下阻塞气囊上均设置有气嘴。
[0011]有益效果
[0012]相比于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0013](1)本专利技术中提到的可变刚度球关节装置以颗粒阻塞原理实现旋转刚度的主动可控，实现了流体与固体相组合的多介质混合变刚度，其刚度变化范围广、实现方式简单可靠；
[0014](2)上阻塞气囊与下阻塞气囊协同作用，不仅可以实现在本专利技术中所提到的负压
变刚度效果，也可以在各自通正负压的情况下实现球关节姿态位置等的主动调整，为主动驱动式的变刚度球关节设计提供可取的参考方案；
[0015](3)上下阻塞气囊协同作用可实现上下相互拮抗的控制效果，能从均衡受力的角度出发使得球关节能承受外界一定程度的冲击下保持姿态不变，进而提高变刚度关节的稳定性，而且相互拮抗的组合变刚度组件其高刚度状态要远远优于单个气囊的效果，大大改善变刚度球关节的变刚度范围；
[0016](4)上阻塞气囊内圆柱面与球杆固定，外圆锥面与上球壳固定，中间的囊壁为波纹管结构，其折叠方向沿球关节球球面圆，其设计思路充分参考球关节绕Y轴与Z轴旋转的旋转方向，这样可以从结构上增加囊壁的变形空间，降低变形应力，进而大大降低球关节的初始刚度；
[0017](5)上阻塞气囊和下阻塞气囊通过真空负压的方式实现刚度变化，可以保证在不改变球关节所连接的两端零部件姿态的情况下实现变刚度，不会对关节两端的连接部件产生额外的干扰力；
[0018](6)上阻塞气囊和下阻塞气囊采用充正压的方式实现球关节带动脚掌恢复初始位置，其实现方式简单可靠，且不用额外增加弹簧等回位元件，在保证回复效果的情况下降低了机器人腿部结构的复杂性，更有利于机器人整机朝着小型化发展。
[0019](7)下阻塞气囊的外囊壁以绕气囊外圆柱面的螺旋线为拉伸路径，相比于圆形的常规波纹管，它受力后对于气囊外圆柱面中心轴方向上的形变具有一定的引导性(相当于增长负载力臂)，故外囊壁受力后形变更大、应力更低，其初始刚度更低，气囊整体的变刚度效果更好；
[0020](8)下阻塞气囊初始刚度较低，故初始状态下气囊内只要有较低气压就可以将囊内颗粒分开以实现气囊产生任意形变(即达到球关节的低刚度需求)，故相比之下该球关节对于机器人机身上配备的气动系统要求更低，对于机器人机身小型化大有裨益；
[0021](9)对于该下阻塞气囊，外囊壁主要改变球关节绕Y轴和Z轴的刚度，S型分隔囊壁主要改变球关节绕X轴的刚度，三向复合，球关节可转动的空间范围更大；
[0022](10)位于下阻塞气囊内部的S型分隔囊壁，可实现球关节绕X轴顺时针、逆时针方向旋转的刚度可调，同时均匀地将囊内腔体等分成四块，可大大优化常规波纹管出现的球关节回位后囊内硬质颗粒分配不均进而导致球关节回位后初始刚度分布不均的问题；
[0023](11)在S型分隔囊壁上均匀开设有规则排列的小孔，一方面保证阻塞气囊各个分隔腔室之间的气路相通，这样气囊内部就不用设置单独的连通气路，大大简化气囊的气路设计；另一方面开过孔之后的网状结构也可以大大降低阻塞气囊的初始刚度，以改善阻塞气囊的变刚度效果；
[0024](12)下阻塞气囊外囊壁为特异性螺旋型结构，在正压下可实现绕X轴方向的扭转，压力越大扭转角越大，该主动扭转作用可用于机器人关节处的主动驱动与姿态调整，作为主动式模块化机器人关节发展有很大指导意义。
附图说明
[0025]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0026]图1为变刚度球关节坐标系示意图(正视)。
[0027]图2为变刚度球关节坐标系示意图(俯视)。
[0028]图3为可变刚度球关节轴测图。
[0029]图4为可变刚度球关节爆炸图。
[0030]图5为可变刚度球关节剖视图。
[0031]图6为上阻塞气囊轴测图。
[0032]图7为上阻塞气囊剖视图(波纹管折叠方向示意图)。
[0033]图8为下阻塞气囊轴测图。
[0034]图9为下阻塞气囊剖视图(中间横剖切面)。
[0035]图10为下阻塞气囊剖视图(中间纵剖切面)。
[0036]图中：球关节配套零件
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1、上阻塞气囊
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2、下阻塞气囊
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3、上球壳
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11、下球壳
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12、球杆
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13、上球杆
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131、球体
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132、下球杆
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133、第一内圆柱面
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21、外圆锥面
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22、内囊壁
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23、外囊壁
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24、螺旋型外囊壁
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31、上平底
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32、圆锥形顶面
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33、下底面
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34、S型分割囊壁
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置，其特征在于，包括自上而下依次设置的上阻塞气囊、球壳和下阻塞气囊，所述球壳内设置有球槽，所述球槽内设置有球体，所述球体顶部设置有与上阻塞气囊的内圆柱面配合的上球杆，底部设置有与下阻塞气囊的内圆柱面配合的下球杆。2.根据权利要求1所述的一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置，其特征在于，所述上阻塞气囊中心位置处设置有贯通设置的柱形孔，柱形孔壁形成内圆柱面，内圆柱面外侧形成波纹管结构的外囊壁，所述内圆柱面底部为外圆锥面，外圆锥面内侧形成波纹管结构的内囊壁。3.根据权利要求1所述的一种基于颗粒阻塞的可变刚度球关节装置，其特征在于，所述球壳包括上球壳和下球壳，所述上球壳上端面为锥面结构与上阻塞气囊...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周义，姚俊升，翁志远，段云龙，袁清松，张沛清，张李，
申请(专利权)人：南京航空航天大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：