流体控制可变刚度弾性轴的制作方法

1.本发明属于柔性机器人领域，涉及一种流体控制可变刚度弾性轴，是一种压力流体与填充物共同作用的变刚度弾性轴。


背景技术：

2.机器人已广泛应用于军事、工业、服务、医疗等众多领域。传统的机器人一般以刚性结构为主，结构刚度好，控制精度高，运动精确，但传统机器人结构复杂，环境适应性差，尤其是在较小空间内运动时，运动受限，灵活度有限，人机交互的安全性较差。为解决传统机器人的不足，提高机器人的柔性，研究人员提出柔性机器人，主要包括仿生机器人和仿人机器人，柔性机器人本体主要采用柔性材料加工而成，可连续变形，并且具有无限多的自由度，可任意改变结构尺寸，灵活性和安全性较好，能够适应更复杂的工作环境，能够有效克服传统机器人的不足，但柔性机器人往往存在刚性不足的缺陷，承载能力差，严重制约了柔性机器人的发展，为解决柔性机器人刚性不足的缺陷，变刚度机器人成为近年来研究人员的研究热点；基于现有的技术和研究，柔性机器人实现变刚度的方式主要有耦合结构设计、可变刚度的智能材料和材料发生相变三种，耦合结构的变刚度方式主要是通过冗余的驱动力矩作用使得结构的刚度发生变化，此方式会存在弯曲驱动力矩对冗余驱动力矩耦合产生的刚度变化效果产生怎样的影响等问题，采用可变刚度的智能材料这种变刚度方式对材料的性能要求很高，且控制较难，通过材料发生相变使机器人变刚度这种方式成为研究人员的研究主流；基于堵塞原理的变刚度结构成为材料发生相变方式的典型代表，随着研究人员的深入研究，发现颗粒或微粒物质就个体而言属于固体，但大量同一尺寸的颗粒或微粒固体组合在一起就会体现流动性，基于颗粒堵塞原理的变刚度结构，微观上能实现流体和固体之间的相互转化，从而实现变刚度的性能；目前颗粒堵塞的变刚度方法主要基于真空负压原理，但由于现有负压设备的真空度较小，该方式的变刚度范围较小；本发明提出的变刚度弾性轴，是基于充压的颗粒或微粒堵塞变刚度，变刚度效果明显；本发明可作为柔性机器人的变刚度弾性轴，既满足柔性机器人的柔性要求，又能提高柔性机器人的刚度。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种流体控制可变刚度弾性轴，能够克服目前柔性机器人刚性不足的缺陷，在压力流体和填充物的共同作用下，可针对不同的工作要求调节柔性机器人驱动或执行机构的刚性和柔性；结构简单，控制方便，通用性强。本发明结构简单，刚度变化明显，控制简单，使用方便，响应速度快，安全且适应性好，非常适合应用于柔性机器人。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
4.一种流体控制可变刚度弾性轴，主要包括上密封端盖、外弾性轴、填充物、内气囊、下密封端盖、气管接头。所述外弾性轴和内气囊构成变刚度弾性轴的嵌套结构，外弾性轴和内气囊中间设有填充物，外弾性轴和内气囊两端分别与上密封端盖和下密封端盖固定连接；
5.进一步，所述的上密封端盖和下密封端盖之间设有与其同轴线的外弾性轴和内气囊，上密封端盖为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面；其中上密封端盖直径较大的圆柱面外侧设有外弾性轴的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中上密封端盖直径较小的圆柱面外侧设有内气囊的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；下密封端盖为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面，其中下密封端盖直径较大的圆柱面外侧设有外弾性轴的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中下密封端盖直径较小的圆柱面外侧设有内气囊的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；
6.进一步，所述的上密封端盖和下密封端盖可采用铝、镁、钢、合金、工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺、聚缩醛、变性聚苯醚、聚酯、聚苯硫醚、聚芳基酯、不饱和聚酯、酚塑料、环氧塑料制作；外弾性轴采用塑性较好的材料，如puc纤维管、puc钢丝管、pvc塑料；内气囊采用弹性变形较好的材料如硅胶、乳胶、橡胶；
7.所述上密封端盖和下密封端盖之间装配外弾性轴和内气囊时需保证上密封端盖、下密封端盖、外弾性轴、内气囊中心轴线在一条直线上；
8.所述上密封端盖、下密封端盖、外弾性轴、内气囊装配后在外弾性轴和内气囊之间形成圆环状空腔；空腔内设有填充物；
9.进一步，所述填充物可采用金属颗粒、陶粒、沙粒、有机材料、无机材料中的一种或者多种；填充物形状可采用球形、圆柱体、四面体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或多种；填充物根据圆环状空腔的尺寸确定，可采用不同尺寸的颗粒、微粒或微粉的一种或多种；
10.所述下密封端盖5端面开有通孔或螺纹孔，用于压力流体的输入，内气囊4通入压力流体后，产生径向变形，在塑性较好的外弾性轴2的约束下，径向变形受限，挤压填充物3，在压力流体作用下，填充物3实现“流体状态”到“固体状态”的转化，在流体压力和填充物3的共同作用下，弾性轴的刚度提升，随压力流体的增大而刚度提升越明显；
11.本发明的有益效果如下：
12.1)本发明通过调节通入内气囊的流体压力，实现弾性轴的变刚度功能；
13.2)本发明填充物堵塞原理基于正压充压，相较于真空堵塞原理，变刚度效果明显。
附图说明
14.图1为流体控制可变刚度弾性轴总体结构示意图
15.图2为流体控制可变刚度弾性轴剖视图。
16.图3为流体控制可变刚度弾性轴总体爆炸示意图。
17.图2和图3中：1为上密封端盖；2为外弾性轴；3为填充物；4为内气囊；5为下密封端盖，6为气管接头。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述：一种流体控制可变刚度弾性轴由上密封端盖1、外弾性轴2、填充物3、内气囊4、下密封端盖5、气动接头6组成；所述的上密封端盖1和下密封端盖5之间设有与其同轴线的外弾性轴2和内气囊4，上密封端盖1为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面；其中上密封端盖1直径较大的圆柱面外侧设有外弾性
轴2的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中上密封端盖1直径较小的圆柱面外侧设有内气囊4的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；下密封端盖5为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面，其中下密封端盖5直径较大的圆柱面外侧设有外弾性轴2的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中下密封端盖5直径较小的圆柱面外侧设有内气囊4的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；
19.进一步，所述上密封端盖和下密封端盖之间装配外弾性轴和内气囊时需保证上密封端盖、下密封端盖、外弾性轴、内气囊中心轴线在一条直线上；
20.进一步，所述的上密封端盖1和下密封端盖5可采用铝、镁、钢、合金、工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺、聚缩醛、变性聚苯醚、聚酯、聚苯硫醚、聚芳基酯、不饱和聚酯、酚塑料、环氧塑料制作；
21.所述外弾性轴2设在内气囊4外侧，和内气囊4构成变刚度弾性轴的嵌套结构，上密封端盖1、下密封端盖5、外弾性轴2、内气囊4装配后在外弾性轴2和内气囊4之间形成圆环状空腔，空腔内设有填充物3；
22.进一步，所述外弾性轴2采用塑性较好的材料，如puc纤维管、puc钢丝管、pvc塑料；内气囊4采用弹性变形较好的材料，如硅胶、乳胶、橡胶；
23.进一步，所述填充物3可采用金属颗粒、陶粒、沙粒、有机材料、无机材料中的一种或者多种；填充物形状可采用球形、圆柱体、四面体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或多种；填充物根据圆环状空腔的尺寸确定，可采用不同尺寸的颗粒、微粒或微粉的一种或多种；
24.所述下密封端盖5端面开有通孔或螺纹孔，用于压力流体的输入，内气囊4通入压力流体后，产生径向变形，在塑性较好的外弾性轴2的约束下，径向变形受限，挤压填充物3，在压力流体作用下，填充物3实现“流体状态”到“固体状态”的转化，在流体压力和填充物3的共同作用下，弾性轴的刚度提升，随压力流体的增大而刚度提升越明显；
25.本发明的工作原理如下：变刚度弾性轴不工作时外弾性轴及内气囊处于自由状态下，填充物具有流动性，变刚度弾性轴此时具有良好的柔性，可随着柔性机器人的动作或功能要求实现可控的伸长或弯曲功能；当变刚度弾性轴输入压力流体工作时，内气囊膨胀变形；因外弾性轴材质塑性较好，在外弾性轴的约束作用下，内气囊膨胀受阻，挤压填充物，随着压力的增加内气囊对填充物的挤压力增加，填充物实现堵塞，基于堵塞原理，圆环状空腔内的填充物从微观角度整体上从流体状态转化为固体状态，且填充物之间的内应力发生变化，填充物相互嵌套，相互制约，从而实现弾性轴刚度的调节；通入流体的压力值不同，内气囊体积膨胀以及填充物所受挤压力不同，弾性轴整体刚度不同，通过气压与填充物的共同作用，实现弾性轴的变刚度功能；
26.本发明的有益效果如下：
27.3)本发明通过调节通入内气囊的流体压力，实现弾性轴的变刚度功能；
28.4)本发明填充物堵塞原理基于正压充压，相较于真空堵塞原理，变刚度效果明显。
29.上述实施例仅仅是对本发明的原理进行说明，在不脱离本发明设计精神和范围的前提下，本发明还会有进一步的变化和改进，这些变化和改进仍是本发明权利要求书确定的保护范围。