[其他]氣動柔性氣缸及彎曲、扭轉關節

無效

• 申請號: 87107075
• 申請日: 1987-10-20
• 公開（公告）號: CN87107075A
• 公開（公告）日: 1988-04-13
• 發明（設計）人: 阮健;許耀銘
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F16J10/00
• 分類號: F16J10/00;F15B15/08;B25J17/02
• 代理公司: 哈爾濱工業大學專利事務所
• 代理人: 劉景祥

本發明屬于氣動系統領域。

氣缸與氣馬達是氣動系統的兩種主要執行元件，前者的運動形式為直線運動，后者的運動形式為旋轉運動，它們是以工作容積的變化來對外傳遞力（力矩）和位移（角位移）的原理進行工作的。

我們以圖1所示的氣缸的工作過程為例，說明一下氣動執行元件的工作原理。氣缸的工作容積形成于運動部件活塞1和固定部件氣缸壁2與端蓋之間，若在工作容積中通入壓力氣體，則活塞便沿著使工作容積增大的方向運動，即活塞在壓力氣體的推動下，克服外載荷做功。從氣缸的工作過程，我們可以看到氣動執行元件的兩個主要特點：1、存在一工作容積，工作容積的變化是靠部件之間的相對運動實現的;2、存在摩擦副，往往有少量的氣體通過摩擦泄漏，3、只可能做直線運動。

本發明的目的是研制出一種不存在摩擦副及泄漏，又可做彎曲、扭轉運動的氣動執行元件。

氣缸的工作容積由一彈性壁圍成，并控制彈性壁沿著與載荷相反的方向變形，這樣的氣動執行元件在工作過程中，其工作容積的變化是靠彈性壁的變形實現的，因此也就不存在摩擦副及泄漏。柔性氣缸其結構如圖2所示。它由中間有螺旋鋼絲夾層限定徑向變形的橡膠彈性圓柱壁1，端蓋2及緊固圈3構成。若在柔性氣缸中通入壓力氣體，則彈性壁沿軸向伸長;若通氣壓力減小為零，則彈性收縮，柔性氣缸便恢復到初始狀態。柔性氣缸按其伸長量與氣體壓力之間的關系可分為壓力一位移轉換型與點位控制型，前者的伸長量以壓力為控制信號，隨壓力連續變化，通氣壓力與伸長量之間的關系見下式和曲線1。

曲線1

P＝ (ε)/(1+ε) ……1

P-無因次壓力，P＝ (D²)/(4D_mhE)

D-彈性壁內徑

D_m-彈性壁中徑

h-壁厚

E-橡膠材料的彈性模量

ε-伸長率 ε＝

△X-伸長量

X₀-初始長度

點位控制型氣缸的彈性壁一般很薄，一旦有壓力信號，缸壁便變形到最大位置，圖3中的鋼絲繩A起著限定柔性氣缸的最大變形位置的作用。

柔性氣缸與普通氣缸相比除具有不同潤滑，無泄漏等特點外，還由于彈性壁的變形容易控制，可以獲得形式較為復雜的彎曲運動，用作一些特殊的執行元件。它即可做氣動彎曲關節，也做氣動扭轉關節。

A、氣動彎曲關節

若限制彈性壁的某一側的軸向變形，柔性氣缸便可構成能模擬人類關節彎曲運動的執行元件，即人工彎曲關節，如圖4所示。圖中的金屬彈性片A起限制彈性壁沿軸向伸長的作用。當在氣動彎曲關節中充入壓力氣體時，除靠近金屬彈性片處的彈性壁不變形外，其余部位沿軸向伸長，其結果使整個彈性壁彎曲，彎曲角度與壓力之間的關系見下式及曲線2。

P＝1- (2（1+θ-1）)/(θ 1+θ) ……2

θ-無因次轉角 θ＝

θ-彎曲角度

D_m-彈性壁中徑

X₀-彈性壁的初始長度。

曲線2

控制氣體壓力大小便能改變氣動彎曲關節角度的大小。由實驗得知，當 (D_m)/(X_O) 為1時彎曲角度θ最大可達180°。

目前機器人的執行元件的運動方式主要是直線運動和旋轉運動，要模擬人類關節的彎曲運動必須通過一套中間機構將運動形式加以轉換，因此，機器人的整個執行機構變為復雜，不利于小型化，靈活性也受到限制。而氣動彎曲關節與其相比卻具有如下特點。

1、可以直接模擬人類關節的彎曲運動，不需要運動轉換機構、結構簡單、動作靈活。

2、便于小型化。采用這種執行元件可以構成人工手指，模擬人手指的動作，這對于現有的機器人執行元件來說是很難實現的。

3、無需潤滑，不污染環境。

4、造價低廉。

B、氣動扭轉關節

氣動扭轉關節的結構如圖5所示，它由固定架1、轉盤2、中軸3及兩個相同的直對稱安置的柔性氣缸構成。當在兩個氣缸中通入壓力氣體時，轉盤便在氣缸的推動下旋轉某一角度，旋轉角度與壓力之間的關系見下式及曲線3。

P＝1- 1/(1+2γ+γ2-γ2γ2)

曲線3

P＝1- 1/(1+2γ+γ²-γ²γ²)