气动变刚度柔性弯曲关节

1.本发明属于柔性机器人领域，特别是涉及一种气动变刚度柔性弯曲关节。


背景技术：

2.随着科技的不断进步和发展，机器人在不同领域都有广泛的应用，柔性机器人相较于传统工业机器人因其灵活性、柔顺性以及人机交互安全性等优点被广泛应用到农业、医疗、环境探测等各个领域；柔性机器人的柔顺性往往是以牺牲承载能力为前提的，灵活的柔性机器人往往刚度不足；目前现有技术中实现变刚度的方法一种是以抽真空或负压的颗粒阻塞技术为主，该方法实现的变刚度效果不明显，机器人在实际工作过程中，仍然难以有较大的承载能力；另一种是采用变刚度材料，该方法响应速率较低，工作周期大大加长。
3.基于此问题，亟需提供一种可弯曲、刚度可无级调节、承载能力大的变刚度柔性关节，本发明提出的气动变刚度柔性弯曲关节，通过驱动人工肌肉以及变刚度人工肌肉共同作用，承载能力大，变刚度效果明显；本发明可作为柔性机器人的变刚度机械臂，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，提高柔性机器人的承载能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可弯曲、刚度可无级调节、承载能力大的气动变刚度柔性弯曲关节，该关节能够根据负载和位姿情况实时调节关节刚度，实现范围内任意负载的任意位姿保持，该柔性弯曲关节采用气动人工肌肉驱动方式，变刚度工作系统主要通过对通入压力气体大小的调节实现刚度的无级调节，结构简单，运动灵活，人机交互安全，变刚度效果明显。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明所提出的一种气动变刚度柔性弯曲关节主要包括螺钉、上密封端盖、驱动人工肌肉、变刚度人工肌肉、板弹簧、约束环、下密封端盖和气动接头；
7.所述驱动人工肌肉为驱动人工肌肉弹性气囊、驱动人工肌肉上接头和驱动人工肌肉进气孔接头之间形成的密闭腔体，
8.进一步地，所述驱动人工肌肉弹性气囊为圆环形状，内部为中空结构，材料可为乳胶、橡胶、硅胶。
9.进一步地，所述驱动人工肌肉进气孔接头设有螺纹孔，用于向驱动人工肌肉弹性气囊通入压力气体；
10.所述变刚度人工肌肉整体结构为多层的中空柱状结构，由外至内依次包括变刚度人工肌肉外膜、变刚度人工肌肉约束气囊、变刚度人工肌肉充气气囊；两端通过变刚度人工肌肉上接头和变刚度人工肌肉进气孔接头固定连接，形成密封腔体；
11.进一步地，变刚度人工肌肉约束气囊和变刚度人工肌肉充气气囊之间设有颗粒填充物；
12.进一步地，所述变刚度人工肌肉外膜为螺旋嵌套式结构，可伸长可压缩可弯曲；
13.进一步地，所述变刚度人工肌肉约束气囊和变刚度人工肌肉充气气囊与驱动人工肌肉的弹性气囊结构和材料相似；
14.进一步地，所述变刚度人工肌肉进气孔接头设有螺纹孔，用于向变刚度人工肌肉充气气囊通入压力气体；
15.所述驱动人工肌肉与变刚度人工肌肉外部套有若干约束环，两端由上下密封端盖固定连接，约束环为薄板状对称结构，前后(按图示方向定义，下同)两侧分别设有三个通孔，中间设有矩形沟槽；
16.进一步地，所述矩形沟槽内设有板弹簧，用于限制中性层的伸长；
17.进一步地，约束环两侧通孔用于放置驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉，两种肌肉均前后对称分布，对称中心设有板弹簧，驱动人工肌肉前后对称放置在约束环左右(按图示方向定义)两侧四个通孔内，变刚度人工肌肉前后对称放置在约束环中间两个通孔内；
18.在上述技术方案中，本发明提供的一种气动变刚度柔性弯曲关节，利用气压和颗粒阻塞的共同作用，实现关节的单向弯曲和变刚度功能；关节采用驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉两种人工肌肉，外部设有若干薄板状约束环对两种人工肌肉进行径向约束，两种人工肌肉均采用对称方式分布，对称面设有板弹簧，驱动人工肌肉弹性气囊通过气泵通入压力气体，由于约束环的约束作用人工肌肉径向变形受到限制，只能轴向伸长，而人工肌肉的对称面设有板弹簧，限制关节的轴向伸长，因此人工肌肉的轴向伸长转化成弯曲变形，通过控制通入气体压力大小可实现关节不同角度的弯曲；变刚度人工肌肉设置了三层结构，最内侧的充气气囊和中间的约束气囊之间设有颗粒填充物，最外层的外膜则采用螺旋嵌套式结构，可伸长可压缩可弯曲，通过气泵向充气气囊通入压力气体，在气压的作用下颗粒之间、颗粒与约束气囊之间、约束气囊与螺旋嵌套式外膜之间的间隙以及相互作用力发生变化，从而达到变刚度的目的。由于驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉是独立的，因此可以通过分别控制驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉，根据负载和位姿情况实时调节关节刚度，实现关节范围内任意负载的任意位姿保持。
19.本发明利用通入压力气体和颗粒阻塞的共同优势实现关节变刚度功能，变刚度效果和刚度变化范围均优于抽真空或负压的变刚度关节；本发明的气动变刚度柔性弯曲关节具有结构简单、变刚度响应快的优点；本发明的本体结构即为驱动结构，具有体积小、重量轻的优点。
附图说明
20.图1为总体结构示意图；
21.图2为总体爆炸示意图；
22.图3为驱动人工肌肉爆炸图；
23.图4为变刚度人工肌肉爆炸图；
24.图5为约束环结构示意图；
25.附图标记说明：
26.1、上密封端盖；2、螺钉；3、驱动人工肌肉；4、变刚度人工肌肉；5、若干约束环；6、下密封端盖；7、气动接头；31、驱动人工肌肉上接头；32、驱动人工肌肉弹性气囊；33、驱动人工肌肉进气口接头；41、变刚度人工肌肉上接头；42、变刚度人工肌肉外膜；43、变刚度人工肌
肉约束气囊；44、颗粒填充物；45、变刚度人工肌肉充气气囊；46、变刚度人工肌肉进气孔接头。
具体实施方式
27.为能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述：
28.如图1-5所示，本发明实施例提供的一种气动变刚度柔性弯曲关节，包括上密封端盖1、螺钉2、驱动人工肌肉3、变刚度人工肌肉4、若干约束环5、下密封端盖6、气动接头7、板弹簧8；
29.如图2所示，驱动人工肌肉3包括驱动人工肌肉上接头31、驱动人工肌肉弹性气囊32、驱动人工肌肉进气口接头33；驱动人工肌肉上接头31和驱动人工肌肉进气口接头33均为圆柱形阶梯状结构，通过扣压方式与驱动人工肌肉弹性气囊32固定连接，形成密封腔体；驱动人工肌肉进气口接头33设有螺纹孔，与气动接头7固定连接，通过气泵和气管向驱动人工肌肉弹性气囊32通入压力气体；
30.如图3所示，变刚度人工肌肉4整体结构为多层的中空柱状结构，由外至内依次为变刚度人工肌肉外膜42、变刚度人工肌肉约束气囊43、变刚度人工肌肉充气气囊45，变刚度人工肌肉约束气囊43和变刚度人工肌肉充气气囊45之间设有颗粒填充物44，两端通过变刚度人工肌肉上接头41和变刚度人工肌肉进气孔接头46固定连接，形成密封腔体；变刚度人工肌肉外膜42为螺旋嵌套式结构，该结构在外力的作用下能够实现伸长、压缩和弯曲功能，变刚度人工肌肉进气口接头46设有螺纹孔，与气动接头7固定连接，通过气泵和气管向变刚度人工肌肉充气气囊45通入压力气体；
31.如图4所示，约束环5为薄板状对称结构，前后对称设有6个通孔，中间设有矩形沟槽，其中左右两侧4个通孔用于放置驱动人工肌肉3，中间两个较大的通孔用于放置变刚度人工肌肉4，中间矩形沟槽用于放置板弹簧8，约束环5采用若干个叠加而成，用于限制驱动人工肌肉3的径向变形；
32.向驱动人工肌肉弹性气囊32通入压力气体，在压力气体的作用下，驱动人工肌肉弹性气囊32首先进行径向膨胀，由于外侧若干约束环5的约束作用，驱动人工肌肉弹性气囊32径向膨胀受限只能轴向伸长，但约束环5中间矩形沟槽的板弹簧8限制关节的轴向伸长，因此驱动人工肌肉3的轴向伸长转化成绕板弹簧8的弯曲变形；设后侧两驱动人工肌肉通入的气压值分别为p1、p3，前侧两驱动人工肌肉通入的气压值分别为p2、p4，p1＝p3》p2＝p4时，柔性关节向前弯曲，p1＝p3《p2＝p4时，柔性关节向后弯曲，通过调节p1、p3和p2、p4的压力差可以实时调节柔性弯曲关节的弯曲角度；
33.向变刚度人工肌肉充气气囊45通入压力气体时，在压力气体的作用下，变刚度人工肌肉充气气囊45径向膨胀，推动颗粒填充物44挤压变刚度人工肌肉约束气囊43和变刚度人工肌肉外膜42，在气压和颗粒阻塞的共同作用下颗粒之间、颗粒与约束气囊之间、约束气囊与螺旋嵌套式外膜之间的间隙以及相互作用力发生变化，从而实现变刚度的目的，并且通过控制通入的气压值可以实现柔性弯曲关节刚度的无级调控；
34.由于驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉是独立的，因此可以通过分别控制驱动人工肌肉和变刚度人工肌肉，根据负载和位姿情况实时调节关节刚度，实现关节范围内任意负
载的任意位姿保持。
35.本发明利用通入压力气体和颗粒阻塞的共同优势实现关节变刚度功能，变刚度效果和刚度变化范围均优于抽真空或负压的变刚度关节；本发明的气动变刚度柔性弯曲关节具有结构简单、变刚度响应快的优点；本发明的本体结构即为驱动结构，具有体积小、重量轻的优点。