[发明专利]基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节

说明书

本发明公开了基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：多个臂节，所述臂节的端面设有连接凸台，两臂节的连接凸台相互配合且通过球关节串联，所述球关节包括相互盖合呈球形壳体的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体之间设有球形气囊，所述球形气囊通过气动管路与气压调节装置连通，所述上壳体设有用于通过气动管路的通孔，上壳体和下壳体的内壁在球形气囊膨胀状态时与球形气囊外壁相抵。本发明通过模仿骨骼肌的功能，基于气压拮抗结构的弯曲关节在控制位置的同时具有良好的柔韧性和变刚度特性；同时满足了人机交互安全和环境适应性的要求。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节。

背景技术

近年来，机器人技术日益成熟，以人为本的机器人应用越来越多，如穿戴式机器人、康复机器人、智能假肢、步行机器人等，用户与机器人本身的物理人机交互也越来越多。传统机器人可以实现精确的定位和轨迹跟踪，但也受到固定的工作空间和工作模式的限制，其高刚度特性可能会对用户造成伤害。

现阶段人机安全性和环境适应性受到广泛关注。从运动生物力学的角度来看，肌肉是人体运动系统的动力源，肌肉收缩产生的力是用来维持或完成运动的。骨骼肌有两种收缩方式。在收缩过程中，肌肉张力保持不变，长度变化，导致关节运动，称为等渗收缩。相反，在收缩过程中，肌肉长度保持不变，没有关节运动，但肌肉张力增加，即等长收缩。在人类手臂的情况下，二头肌和三头肌是一对屈肌和伸肌，相互对抗和协调。当肘部弯曲时，二头肌收缩，三头肌放松。当关节位置一定时，肌肉张力增大，即关节刚度增大，且刚度具有非线性特性。通过模仿骨骼肌的功能，机器人关节在控制位置的同时具有良好的柔韧性和变刚度特性，能够满足人机安全和环境适应性的要求。

公开号为CN111685882A的说明书公开了一种狭窄腔道医疗操作用机器人及狭窄腔道医疗操作系统。狭窄腔道医疗操作用机器人包括壳体、连续体和第一驱动机构，连续体设置于壳体内，第一驱动机构连接于壳体上；第一驱动机构包括直线驱动单元和旋转驱动单元，直线驱动单元能驱动连续体伸出和缩回壳体，旋转驱动单元能驱动直线驱动单元与连续体一同绕连续体的中轴线旋转；连续体包括基座、第一弯曲关节、第二弯曲关节、第二驱动机构和第三驱动机构，第一弯曲关节与第二弯曲关节相连；第二驱动机构和第三驱动机构均设置于基座上，第二驱动机构能驱动第一弯曲关节弯曲，第三驱动机构能驱动第二弯曲关节弯曲和相对于第一弯曲关节伸缩，实现了连续体形态的多样控制。

公开号为CN211729172U的说明书公开了本实用新型提供一种四驱动气动单向弯曲关节，涉及气动机器人技术领域。该四驱动气动单向弯曲关节，包括上端盖、下端盖、气动人工肌肉、约束环、钢板弹簧、快插接头，约束环轴向密排成柱状结构，柱状结构内部留有钢板弹簧安装孔和四根人工肌肉安装孔。所述人工肌肉是内部为硅胶管，硅胶管外部嵌套约束环，硅胶管两端分别由上堵头和下堵头连接成密闭腔体，上堵头留有螺纹孔，下堵头设有螺纹孔和流体入口；上、下堵头通过螺栓固定连接在上、下端盖上；钢板弹簧两端分别与上、下端盖固定连接；快插接头安装在下端盖与下堵头螺纹连接。该关节由四根人工肌肉并联，结构较复杂，适合作为负载较大的机械手关节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效且高效变刚度的基于气压拮抗结构的弯曲关节，解决刚性弯曲关节机器人在运动过程中的柔韧性不足的问题。

基于气压拮抗结构的变刚度弯曲关节，包括：多个臂节，所述臂节的端面设有连接凸台，两臂节的连接凸台相互配合且通过球关节串联，所述球关节包括相互盖合呈球形壳体的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体之间设有球形气囊，所述球形气囊通过气动管路与气压调节装置连通，所述上壳体设有用于通过气动管路的通孔，上壳体和下壳体的内壁在球形气囊膨胀状态时与球形气囊外壁相抵。

所述多个臂节通过球关节相互串联；当球形气囊内压较小时，球形气囊为非膨胀状态，臂节的连接凸台与球关节之间无锁紧，弯曲关节能跟随软体结构在空间内任意方向实现弯曲运动；当球形气囊内压较大时，球形气囊为膨胀状态，球关节的外侧与连接凸台之间产生摩擦锁紧，进而改变弯曲关节的刚度，使其达到固定关节的目的。