本发明专利技术涉及一种带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，它主要由前连杆、后连杆、关节转轴、关节轴承、柔性轴套、气动肌肉、缓冲机构、偏置弹簧组成。气动肌肉作为关节主要驱动部件，通过改变内部气体压力产生轴向拉动力来实现连杆绕关节转动。安装在缓冲机构上的大刚度值的缓冲用偏置弹簧，在连杆末端受到冲击时，可有效缓解冲击。非同轴安装的柔性轴套起到缓冲转动轴所受冲击的作用，且可扩展转动关节运动自由度。本装置整体为扁平形状，多个本装置并联，可组装出可实现非定轴的、非平面内的、复合转动运动的关节机构。本发明专利技术的肘关节装置能承受较大的载荷和冲击，动作平滑，柔顺性好，接近人体肘关节的运动特点，可满足仿生机器人和康复机器人等领域对柔顺机械关节的性能要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于柔顺性机器人关节机构
，涉及气动肌肉驱动的、带有柔性轴套和弹簧碰撞缓冲的柔顺人工肘关节装置。
技术介绍
在各种类型的机器人中，模拟人体手臂的关节型机器人，具有结构简单、占用空间小、相对运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。基于控制方便的需要，对机器人手臂的刚度需求很高，因此这类机器人都具有基座粗大坚固，结构刚度高等特征，让接近的人感到危险。当与人发生碰撞时，往往碰撞力很大，容易对人体造成伤害，限制了机器人进入人类生活环境，直接为人提供服务。刚度大的原因之一是现有的机器人关节大多采用电动机驱动，且缺少缓冲装置。此外，电机的功率/重量比小。在需要较大力矩时，相对于气动肌肉驱动而言，电机驱动的重量和体积较大，难以实现机器人的小型化。随着机器人技术的不断发展，人们不仅希望机器人具有精度高、响应快、承载能力大等特点，而且能表现出良好的柔顺性。尤其在仿生机器人和康复机器人领域，人们对其手臂柔顺性和安全性的要求远远大于对其位置精度和承载力的要求。人体运动分析表明，肘关节的转动中心轴不固定，中心轴轨迹类似“J”，即转动的同时，还伴随有平动；相比定轴转动，在相同的转角下，非定轴转动可实现更大的末端点运动空间；且肘关节在屈展过程中，大臂和小臂的中心线并不完全在一个平面内运动，即人体肘关节的转动运动并不是严格的平面内转动。而现有的机器人肘关节大多只能实现定轴的、平面内转动。目前，关节驱动装置的设计集中在将柔性元件和电动装置结合，如我国的专利技术专利(专利号CN201010233153J)机器人的关节驱动装置，将直流伺服电机与气动人工肌肉相结合，构成一种刚柔结合的机器人关节驱动装置。我国的专利技术专利(专利号 CN200910138667. 7)柔性机械手的关节驱动装置及柔性机械手，关节驱动装置包括圆柱形弹性壳和液压驱动器，利用新型柔性液压驱动元件驱动关节运动。现有的关节机构间力传递结构比较复杂，每个关节需要电机驱动，使得机械手臂重量较大，同时关节弯转角度不够大，位置控制难以达到要求；同时，关节驱动装置缺少模块化设计，多个关节组装成一个复合运动关节的可能性小；柔顺性有限，尤其是针对碰撞力较大的情况，难易实现对人体的很好保护；仅有一个转动自由度；且为定轴转动关节。因此，特性与人体生物肌肉驱动的关节差别较大，限制了高级仿生机器人技术的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种清洁、可靠，可实现安全碰撞的、 基于气动肌肉驱动的、可实现非定轴、空间转动的柔顺人工肘关节装置。为了实现上述目的，本专利技术采取了以下技术方案带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆1、后连杆16、关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19、气动肌肉5、缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧M组成。其中，关节转轴20固定连接前连杆1的后端，且与关节轴承23同轴装配在一起； 关节轴承23外圆与柔性轴套19套装在一起，两者不同轴；后连杆16的前端上开有圆孔，柔性轴套19同轴装配在圆孔中；缓冲转轴18固定在后连杆16上，且与缓冲机构14通过轴承 18连接，形成转动副；缓冲机构14的后端与缓冲用偏置弹簧15—端相连，起缓冲作用的大刚度值偏置弹簧15另一端与后连杆16连接，带有一定的预应力；橡胶限位球25安装在缓冲机构14前端；伸展用偏置弹簧M —端与前连杆1连接，另一端与缓冲机构14连接，也带有一定的预应力，保证在初始状态下，前连杆1与橡胶限位球25紧密接触；橡胶限位柱17 固定安装在后连杆16上，且位于缓冲转轴18的后下方；在偏置弹簧15预应力作用下，保证在初始状态下，橡胶限位柱17与缓冲机构14紧密接触；气动肌肉5左端的机构连接件3和前连杆1通过钢丝2固定连接，气动肌肉5右端的机构连接件7和缓冲机构14通过钢丝13 连接；气动肌肉5的后端安装有两位三通型电磁阀12 ；电磁阀12的输出端通过气管6与气动肌肉5的内腔相通，电磁阀12输入端一个接口通过气管11与减压阀10连接，电磁阀12 输入端另一接口与外界大气相通；减压阀10通过气管9与高压气源8连接。机构总体上为扁平的细长多连杆形状，且设计有柔性轴套来扩展转动关节运动自由度，所以通过螺柱螺母连接件26和27可将两个或更多个机构并联在一起，从而可模块化组装出可实现复合运动的关节机构。本专利技术的有益特点为1.气动肌肉和伸展弹簧本身固有的柔顺性和弹性保证了本装置良好的柔顺性；2.柔性轴套可模拟人体关节骨头接触处的软骨组织，保证了转轴的柔顺性；3.前连杆的转轴和后连杆的轴套中心点不重合，在负重转动下，柔性轴套受力变形，从而可部分模拟人体肘关节的非定轴转动运动；4.在缓冲机构和后连杆之间安装大刚度值起缓冲作用的偏置弹簧，当前连杆受到外在的大冲击力时，可缓解冲击，避免对人体造成伤害；5.可将两个或更多个此扁平细长肘关节机构并联在一起，从而可模块化组装出可实现复合运动的关节机构；6.关节可实现空间转动，前连杆末端点轨迹与人手臂轨迹更接近，仿人性更好，更利于与人手臂协作。附图说明图1为本专利技术柔顺肘关节装置的主视图；图2为本专利技术驱动部件的工作示意图；图3为本专利技术缓冲部件的工作示意图；图4为本专利技术装置模块化组装的俯视图。具体实施办法如图1所示，带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由铝合金前连杆1、铝合金后连杆16、铝合金关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19、气动肌肉5、铝合金缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧M组成。如图2所示，当前连杆1绕关节转轴20顺时针旋转时，气动肌肉5驱动部件为主驱动，可采用橡胶纤维丝外管4，通以高压空气的气动肌肉；气动肌肉5位于前连杆1和缓冲机构14上部，气动肌肉5左端的机构连接件3和前连杆1通过钢丝2固定连接，气动肌肉5右端的机构连接件7和缓冲机构14通过钢丝13连接；气动肌肉5的后端安装有两位三通型电磁阀12，电磁阀12的输出端与气动肌肉5的内腔相通；当气动肌肉充气收缩时， 输入端一个接口与减压阀10输出端通过气管11连接；当气动肌肉排气伸展时，电磁阀另一接口与外界大气相通；当电磁阀处于关闭状态时，气动肌肉保持内管气压，关节停止转动； 减压阀10输入端通过气管9与高压气源8连接；高压气源8通过气管经过减压阀10和电磁阀11对气动肌肉5的内腔充气，使气动肌肉5沿径向膨胀而沿轴向收缩，产生沿轴向的拉动力，轴向的拉动力通过与机构连接件3连接的钢丝2和与机构连接件7连接的钢丝13， 作用于前连杆1上，由于缓冲机构14和后连杆16之间安装了大刚度值偏置弹簧15，存在一定的预应力，当气动肌肉5产生的拉动力小于预应力时候，缓冲机构14相对静止，前连杆1 在气动肌肉5拉动力作用下，绕关节转轴20旋转。同时，偏置弹簧M被拉长，产生相应的恢复应力，使得前连杆1的旋转更加柔顺。前连杆1和后连杆16的连接机构主要包括关节转动轴承23和柔性轴套19，在关节转动轴承23的外层，添加硅胶材料，形成柔性轴套19。在具体加工和实际关节运动中， 前连杆1的转轴中心点21和轴套中心点22不重合，且中心点22位于中心点21的左下方。 转动中柔性轴套19会受力发生变形，从而使得肘关本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆１、后连杆１６、关节转轴２０、关节轴承２３、柔性轴套１９、气动肌肉５、缓冲机构１４、橡胶限位柱１７、橡胶限位球２５、缓冲用偏置弹簧１５和伸展用偏置弹簧２４组成。其特征在于：所述关节部件，由关节转轴２０、关节轴承２３、柔性轴套１９组成，关节转轴２０固定连接前连杆１的后端，且与关节轴承２３同轴装配在一起；关节轴承２３外圆与柔性轴套１９套装在一起，两者不同轴；后连杆１６的前端上开有圆孔，柔性轴套１９同轴装配在圆孔中，转动中会受力发生变形；所述缓冲部件，由缓冲机构１４、橡胶限位柱１７、橡胶限位球２５、缓冲用偏置弹簧１５和伸展用偏置弹簧２４组成，缓冲机构１４的后端与缓冲用偏置弹簧１５一端相连，起缓冲作用的大刚度值偏置弹簧１５另一端与后连杆１６连接，带有一定的预应力；橡胶限位球２５安装在缓冲机构１４前端；伸展用偏置弹簧２４连接前连杆１与缓冲机构１４，也带有一定的预应力，保证在初始状态下，前连杆１与橡胶限位球２５紧密接触；橡胶限位柱１７固定安装在后连杆１６上，且位于缓冲转轴１８的后下方；在偏置弹簧１５预应力作用下，保证在初始状态下，橡胶限位柱１７与缓冲机构１４紧密接触。...
【技术特征摘要】
1.带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆1、后连杆16、关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19、气动肌肉5、缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球 25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧M组成。其特征在于所述关节部件，由关节转轴20、关节轴承23、柔性轴套19组成，关节转轴20固定连接前连杆1的后端，且与关节轴承23同轴装配在一起；关节轴承23外圆与柔性轴套19套装在一起，两者不同轴；后连杆16的前端上开有圆孔，柔性轴套19同轴装配在圆孔中，转动中会受力发生变形；所述缓冲部件，由缓冲机构14、橡胶限位柱17、橡胶限位球25、缓冲用偏置弹簧15和伸展用偏置弹簧M组成，缓冲机构...
【专利技术属性】
技术研发人员：王斌锐，严冬明，金英连，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：86
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