專利名稱：基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節的制作方法
技術領域：
本實用新型是球關節，屬于氣動柔性球關節，適用于設計制作柔性機械手等 場合。(二) 背景技術當今世界，電機驅動機器人和液壓驅動機器人的驅動部件大都是作往復運動 或旋轉運動。當它們被用來制作機器人的關節時，通常必需有一套機械裝置，把 往復或旋轉運動轉換成所要求的其他運動方式。這種方式設計的機器人關節可能 具有高精確度、大輸出功率等優點；但這些設計往往體積大、結構復雜以及價格 昂貴，而且靈活性也遠遠落后于人體的關節。靈巧機器人的應用前景已得到人們的普遍認可，又由于當代機器人驅動部件 存在以上缺點，所以靈巧機器人驅動部件的研究成為機器人設計者關注的重點， 機器人工程師正在尋求新型的驅動部件以取代舊的驅動部件。如專利申請號為03141627.6，實用新型名稱為一種氣動柔性球關節的中國實 用新型專利申請，公開了一種球關節，包括封蓋、封接頭、橡膠管、緊固圈，封 蓋上間隔120度設有三個螺紋孔，另一個封蓋上間隔120度設有三個臺階孔，且 臺階孔的大孔為螺紋孔，三根相同橡膠管的左右兩端分別與兩種不同結構的封接 頭連接，緊固圈緊固在橡膠外面，其更好的密封作用，封接頭通過螺紋與封蓋連 接，而與臺階孔封蓋相連的封接頭中心設有通孔，使得橡膠管內腔與大氣相通。 這一實用新型提出了機器人球關節一種新的結構，并在一定程度上提高了球關節 的靈活性，但是，該球關節的運動是通過三根橡膠管內氣壓的不同和橡膠的伸縮 性共同作用下實現的。因為該實用新型才用的是直線型橡膠組合的結構，所以剛性差，并在一定程度上限制了該球關節的運動效果，不利于對該球關節實現精確 的控制，所以該設計存在一定的缺點剛性差，結構不合理，運動效果差，精確 控制較難。
發明內容為了克服已有的機器人球關節的剛性差、結構不合理、運動效果差、精確控 制較難的不足，本實用新型提供一種剛性好，結構簡單合理、運動效果良好、精 確控制容易，且易于小型化的基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是-一種基于弧形氣動缸的氣動柔i主球關節，包括至少三個弧形氣動柔性氣缸、 上轉盤、下固定盤、球殼和半球殼，所述弧形氣動柔性氣缸包括弧形橡膠管、彈 簧鋼絲，所述彈簧鋼絲沿著弧形橡膠管的徑向螺旋密繞在其橡膠管的內壁中，所 述弧形橡膠管外側的彈簧匝數的密度比內側彈簧匝數密度小；所述半球殼可轉動地套裝在球殼上，所述的半球殼與上轉盤固定連接，所述 的球殼固定連接下固定盤，在上轉盤和下固定盤之間安裝至少三個弧形氣動柔性 氣缸，所述至少三個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈均勻分布；所述每個弧形氣動柔性氣缸的兩端分別密封安裝第一端蓋、第二端蓋，所述 第一端蓋與下固定盤固定連接，所述第一端蓋上設有與外界大氣連通的通孔，所 述第二端蓋與上轉盤固定連接。作為優選的一種方案所述的弧形氣動柔性氣缸有三個，所述三個弧形氣動 柔性氣缸在球面上呈120度均勻分布。或者是所述的弧形氣動柔性氣缸有四個，所述四個弧形氣動柔性氣缸在球 面上呈90度均勻分布。又或者是所述的弧形氣動柔性氣缸有六個，所述六個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈60度均勻分布。本實用新型的技術構思為采用弧形氣動柔性氣缸來實現關節運動，彈簧鋼 絲是沿著弧形橡膠管的徑向螺旋密繞在其橡膠管的內壁中，由于弧形橡膠管外側 的弧長比內側弧長長，故其外側的彈簧匝數的密度要比內側彈簧匝數密度小。弧 形氣動柔性氣缸的工作原理是通過端蓋的通孔把壓縮空氣通入到弧形橡膠管內， 在壓縮空氣壓力的作用下，由于弧形橡膠管固有弧形，使得弧形橡膠管和彈簧鋼 絲只能沿著弧形伸長，又由于彈簧鋼絲的徑向限制作用，從而保證了弧形氣動柔 性氣缸在變形過程中不會發生徑向變形；當減小壓縮空氣的壓力，由于弧形橡膠 管和彈簧鋼絲的回彈作用，弧形氣動柔性氣缸會沿著弧形收縮。通過控制氣動柔性球關節的弧形氣動柔性氣缸的充氣壓力的大小來最終控制 空間中球關節各角度的大小。本實用新型的有益效果主要表現在1、剛性好；2、結構簡單合理，尺寸小， 易于小型化；2、動作靈活，運動效果好，具有較大的實施價值。(四)
圖1是弧形氣動缸的氣動柔性球關節的初始狀態結構示意圖。 圖2是圖1的A-A示意圖。圖3是弧形氣動缸的氣動柔性球關節的工作狀態結構示意圖。圖4是圖3的俯視圖。圖5是弧形氣動柔性氣缸的示意圖。圖6是弧形橡膠管的放大示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖1 圖5， 一種基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，由三個弧形氣動柔性氣缸6、第一端蓋8、第二端蓋2、上轉盤1、下固定盤9、半球殼3、球殼7 和通氣管10所組成，三個弧形氣動柔性氣缸6的上下兩端分別與第二端蓋2、第 一端蓋8密封連接，弧形氣動柔性氣缸由于其固有的弧形，從而在旋轉中可以保 證它能沿弧形伸長或收縮；第一端蓋8與下固定盤固定連接，第一端蓋8有一通 孔和外界大氣連通；第二端蓋2是封閉的，固定連接于上轉盤；三個大小相同的 弧形氣動柔性氣缸6呈120度通過第一端蓋和第二端蓋分別均勻安置在下上轉盤 之間，下固定盤9通過本身的中心圓柱與球殼7固定；半球殼3套在球殼7上， 半球殼3能夠相對球殼7自由轉動；球殼7與上轉盤1固定連接。本實施例采用的半球殼3、球殼7屬于萬向機構的一種；當然的，也可以采 用其他的萬向機構來實現本實施例。參照圖5、圖6，弧形氣動柔性氣缸由弧形橡膠管4、彈簧鋼絲5組成；第一 端蓋8、第二端蓋2通過強力膠固定密封連接在弧形橡膠管4的兩端，也可以以 其它方式進行密封連接，第一端蓋8有一通孔和外界大氣連通，第二端蓋2—端 是封閉的；彈簧鋼絲5是沿著弧形橡膠管4的徑向螺旋密繞在其橡膠管的內壁中， 由于弧形橡膠管4外側的弧長比內側弧長長，故其外側的彈簧匝數的密度要比內 側彈簧匝數密度小。弧形氣動柔性氣缸6的工作原理是通過第一端蓋8的通孔 把壓縮空氣通入到弧形橡膠管4內，在壓縮空氣壓力的作用下，由于弧形橡膠管 4的固有弧形，使得弧形橡膠管4和彈簧鋼絲5只能沿著弧形伸長，又由于彈簧 鋼絲5的徑向限制作用，從而保證了弧形氣動柔性氣缸6在變形過程中不會發生 徑向變形；當減小壓縮空氣的壓力，由于弧形橡膠管4和彈簧鋼絲5的回彈作用， 弧形氣動柔性氣缸6會沿著弧形收縮。弧形氣動柔性氣缸6，其結構簡單，尺寸 小，易于小型化，動作靈活，剛性好，具有較大的實施價值。本實施例的工作過程為當向三個弧形氣動柔性氣缸6中通入壓縮氣體時，氣缸伸長變形，上轉盤1和半球殼3將在弧形氣動柔性氣缸6的推動下，以球殼 7的球心為中心繞球殼7旋轉一個角度，如圖3所示。通過控制一種弧形氣動缸 的氣動柔性球關節的充氣壓力的大小來最終控制旋轉角度的大小。在初始階段， 呈120度均勻安置的三個弧形氣動柔性氣缸6處于自然長度狀態，即伸長量為零， 如附圖1所示；然后向三個弧形氣動柔性氣缸6都通入壓強為P的壓縮空氣，弧 形氣動柔性氣缸6由于受到氣體壓力作用而變形伸長，由于弧形氣動柔性氣缸6 的一端與下固定盤9相連，與半球殼3脫開；而另一端與球殼7脫開，與上轉盤 1相連，因此上轉盤1和半球殼3將一起在三個弧形氣動柔性氣缸6的推動下， 以球殼7的球心為中心，繞球殼7在水平面內沿X軸方向旋轉一個角度a 、在對 應的鉛垂面內沿Y軸方向旋轉一個角度(3分別如圖3和圖4所示。如采用四個弧形氣動柔性氣缸，或者五個甚至多個弧形氣動柔性氣缸，其工 作原理和工作過程與上述的三個類似。
權利要求1、一種基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，其特征在于所述氣動柔性求關節包括至少三個弧形氣動柔性氣缸、上轉盤、下固定盤、球殼和半球殼，所述弧形氣動柔性氣缸包括弧形橡膠管、彈簧鋼絲，所述彈簧鋼絲沿著弧形橡膠管的徑向螺旋密繞在其橡膠管的內壁中，所述弧形橡膠管外側的彈簧匝數的密度比內側彈簧匝數密度小；所述半球殼可轉動地套裝在球殼上，所述的半球殼與上轉盤固定連接，所述的球殼固定連接下固定盤，在上轉盤和下固定盤之間安裝至少三個弧形氣動柔性氣缸，所述至少三個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈均勻分布；所述每個弧形氣動柔性氣缸的兩端分別密封安裝第一端蓋、第二端蓋，所述第一端蓋與下固定盤固定連接，所述第一端蓋上設有與外界大氣連通的通孔，所述第二端蓋與上轉盤固定連接。
2、 如權利要求1所述的基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，其特征在于所述的 弧形氣動柔性氣缸有三個，所述三個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈120度均勻分 布。
3、 如權利要求1所述的基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，其特征在于所述的 弧形氣動柔性氣缸有四個，所述四個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈90度均勻分 布。
4、 如權利要求l所述的基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，其特征在于所述的 弧形氣動柔性氣缸有六個，所述六個弧形氣動柔性氣缸在球面上呈60度均勻分 布。
專利摘要一種基于弧形氣動缸的氣動柔性球關節，包括至少三個弧形氣動柔性氣缸、上轉盤、下固定盤、球殼和半球殼，弧形氣動柔性氣缸包括弧形橡膠管、彈簧鋼絲，彈簧鋼絲沿著弧形橡膠管的徑向螺旋密繞在其橡膠管的內壁中，弧形橡膠管外側的彈簧匝數的密度比內側彈簧匝數密度小；半球殼可轉動地套裝在球殼上，半球殼與上轉盤固定連接，球殼固定連接下固定盤，在上轉盤和下固定盤之間安裝至少三個弧形氣動柔性氣缸，在球面上呈均勻分布；每個弧形氣動柔性氣缸的兩端分別密封安裝第一端蓋、第二端蓋，端蓋與下固定盤固定連接，第一端蓋上設有與外界大氣連通的通孔，第二端蓋與上轉盤固定連接。本實用新型剛性好、結構簡單合理、易于小型化、具有良好靈活性。
文檔編號B25J17/00GK201109119SQ20072018469
公開日2008年9月3日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者壽華梁, 張立彬, 李尚會, 楊慶華, 王志恒, 鮑官軍 申請人:浙江工業大學