專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生關(guān)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有徑向緩沖自由度的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著仿生學(xué)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的迅速發(fā)展，各式各樣的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)制造出來(lái)，用以模仿和替代人體關(guān)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于仿生機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、搜救機(jī)器人和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的仿生關(guān)節(jié)主要包括肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，均只具有空間3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，目前世界上已有的仿生關(guān)節(jié)大都是基于固定構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動(dòng)副數(shù)目而研制出來(lái)的，其功能等效于球副，具有固定的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)遇到一些極端情況時(shí)，比如與堅(jiān)硬的物體碰撞、從高處摔落地面等，等效球副類(lèi)仿生關(guān)節(jié)會(huì)受到經(jīng)過(guò)球心的巨大沖擊力，由于缺少實(shí)現(xiàn)徑向緩沖的移動(dòng)自由度，關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、剛度大、精度高、自由度可變且具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括圓柱形機(jī)架，其特征在于:所述圓柱形機(jī)架的上表面圓心處通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R4連接變結(jié)構(gòu)中心支鏈，所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈的外側(cè)同心設(shè)有等半徑環(huán)形導(dǎo)軌，所述環(huán)形導(dǎo)軌上設(shè)有三個(gè)滑塊，所述滑塊可在環(huán)形導(dǎo)軌上做圓周運(yùn)動(dòng)，每個(gè)滑塊均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl連接環(huán)形支鏈，所述每個(gè)環(huán)形支鏈均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3與變結(jié)構(gòu)中心支鏈連接，構(gòu)成封閉的運(yùn)動(dòng)鏈。本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施:所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈包括支撐板2a、虎克鉸U、套筒2b、移動(dòng)副P(pán)2和正三角形動(dòng)平臺(tái)2c，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副R4連接圓柱形機(jī)架與支撐板2a，虎克鉸U連接支撐板2a與套筒2b，移動(dòng)副P(pán)2連接套筒2b與正三角形動(dòng)平臺(tái)2c，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)2c的三個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3分別連接環(huán)形支鏈，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)(2c)與套筒(2b)之間移動(dòng)副上設(shè)有復(fù)位彈簧(2d)。所述環(huán)形支鏈包括弧形連接桿5a、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2、套筒5b、移動(dòng)副P(pán)1、伸縮桿5c，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl連接滑塊與弧形連接桿5a，轉(zhuǎn)動(dòng)副R2連接弧形連接桿5a與套筒5b，移動(dòng)副P(pán)l連接套筒5b與伸縮桿5c。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:由于本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):1.通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變化可實(shí)現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的兩種工作狀態(tài):正常工作狀態(tài)和極端工作狀態(tài)，正常狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)只具有空間3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，是一個(gè)4支鏈組成的等效球副類(lèi)仿生關(guān)節(jié)，與傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)功能相同，用于正常的關(guān)節(jié)導(dǎo)向、定位和承載等功能；當(dāng)遇到一些極端情況時(shí)，比如與堅(jiān)硬的物體碰撞、從高處摔落地面等，機(jī)構(gòu)會(huì)受到經(jīng)過(guò)球心的巨大沖擊力，在該沖擊力的作用下，機(jī)構(gòu)進(jìn)入極端工作狀態(tài)，被約束的徑向移動(dòng)自由度被激活，可用于對(duì)沖擊力進(jìn)行緩沖，防止關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)遭受破壞。因而本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)相比，可靠度和使用靈活度更高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。2.本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)兩種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變都是通過(guò)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和構(gòu)件連接關(guān)系的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，屬于自重組自重構(gòu)，不需要與外界進(jìn)行交換，易于實(shí)現(xiàn)且機(jī)構(gòu)利用率高。3.采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，與單球副關(guān)節(jié)相比，剛度更大、精度更高且易于控制。另外，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮到了對(duì)稱(chēng)性，使得關(guān)節(jié)具有很好的各向同性，且美觀。綜上所述本發(fā)明所具備的變結(jié)構(gòu)和徑向緩沖功能使其可以很好的適應(yīng)周?chē)h(huán)境以及工況的變化，且剛度大、精度高、操控性好、任務(wù)完成能力強(qiáng)，通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)可應(yīng)用于不同領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明正常工作狀態(tài)下中心變結(jié)構(gòu)支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、圓柱形機(jī)架；2、變結(jié)構(gòu)中心支鏈；2a、支撐板；U、虎克鉸；2b、套筒P2、移動(dòng)副；2c、正三角形動(dòng)平臺(tái)；2d、復(fù)位彈簧；3、環(huán)形導(dǎo)軌；4、滑塊；5、環(huán)形支鏈；5a、弧形連接桿；5b、套筒；P1、移動(dòng)副；5c、伸縮桿；R1 R4、轉(zhuǎn)動(dòng)副。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下:請(qǐng)參閱圖1至圖2，一種具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括圓柱形機(jī)架1，所述圓柱形機(jī)架的上表面圓心處通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R4連接變結(jié)構(gòu)中心支鏈2,所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈的外側(cè)同心設(shè)有等半徑環(huán)形導(dǎo)軌3，所述環(huán)形導(dǎo)軌上設(shè)有三個(gè)滑塊4，所述滑塊可在環(huán)形導(dǎo)軌上做圓周運(yùn)動(dòng)，每個(gè)滑塊均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl連接環(huán)形支鏈2，所述每個(gè)環(huán)形支鏈2均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3與變結(jié)構(gòu)中心支鏈2連接，構(gòu)成封閉的運(yùn)動(dòng)鏈。所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈包括支撐板2a、虎克鉸U、套筒2b、移動(dòng)副P(pán)2、復(fù)位彈簧2d和正三角形動(dòng)平臺(tái)2c，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副R4連接圓柱形機(jī)架I與支撐板2a，虎克鉸U連接支撐板2a與套筒2b，移動(dòng)副P(pán)2連接套筒2b與正三角形動(dòng)平臺(tái)2c，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)2c的三個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3分別連接環(huán)形支鏈2，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)2c與套筒2b之間移動(dòng)副上設(shè)有復(fù)位彈簧2d。所述環(huán)形支鏈2包括弧形連接桿5a、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2、套筒5b、移動(dòng)副P(pán)1、伸縮桿5c，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl連接滑塊4與弧形連接桿5a，轉(zhuǎn)動(dòng)副R2連接弧形連接桿5a與套筒5b，移動(dòng)副P(pán)l連接套筒5b與伸縮桿5c。上述結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)副R4的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與圓柱形機(jī)架I的中軸線重合；移動(dòng)副P(pán)2的移動(dòng)軸線與正三角形動(dòng)平臺(tái)2c垂直相交，交點(diǎn)位于正三角形的中心；轉(zhuǎn)動(dòng)副R1、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、虎克鉸U的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線始終相交于一點(diǎn)。
本發(fā)明可通過(guò)中心變結(jié)構(gòu)支鏈的機(jī)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)正常工作狀態(tài)和極端工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)中心變結(jié)構(gòu)支鏈中的移動(dòng)副P(pán)2被限動(dòng)，套筒2b和正三角形動(dòng)平臺(tái)2c固聯(lián)為一體如圖2所示，此時(shí)整個(gè)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有空間3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，與傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)功能相同，用于正常的關(guān)節(jié)導(dǎo)向、定位和承載等功能；當(dāng)遇到一些極端情況時(shí)，比如與堅(jiān)硬的物體碰撞、從高處摔落地面等，機(jī)構(gòu)會(huì)受到經(jīng)過(guò)球心的巨大沖擊力，在該沖擊力的作用下，機(jī)構(gòu)進(jìn)入極端工作狀態(tài)，中心變結(jié)構(gòu)支鏈中被約束的徑向移動(dòng)副P(pán)2被激活如圖1所示，此時(shí)整個(gè)仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有空間3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和I個(gè)沿徑向的移動(dòng)自由度，獲得沿徑向的移動(dòng)自由度可用于對(duì)沖擊力進(jìn)行緩沖，防止關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)遭受破壞。綜上所述本發(fā)明所具備的變結(jié)構(gòu)和徑向緩沖功能使其可以很好的適應(yīng)周?chē)h(huán)境以及工況的變化，且剛度大、精度高、操控性好、任務(wù)完成能力強(qiáng)，通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)可應(yīng)用于不同領(lǐng)域。以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括圓柱形機(jī)架(1)，其特征在于:所述圓柱形機(jī)架的上表面圓心處通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R4)連接變結(jié)構(gòu)中心支鏈(2),所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈的外側(cè)同心設(shè)有等半徑環(huán)形導(dǎo)軌(3)，所述環(huán)形導(dǎo)軌上設(shè)有三個(gè)滑塊(4)，所述滑塊可在環(huán)形導(dǎo)軌上做圓周運(yùn)動(dòng)，每個(gè)滑塊均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rl)連接環(huán)形支鏈(2)，所述每個(gè)環(huán)形支鏈(2)均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3)與變結(jié)構(gòu)中心支鏈(2)連接，構(gòu)成封閉的運(yùn)動(dòng)鏈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈包括支撐板(2a)、虎克鉸(U)、套筒(2b)、移動(dòng)副(P2)和正三角形動(dòng)平臺(tái)(2c)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副(R4)連接圓柱形機(jī)架(I)與支撐板(2a)，虎克鉸(U)連接支撐板(2a)與套筒(2b)，移動(dòng)副(P2)連接套筒(2b)與正三角形動(dòng)平臺(tái)(2c)，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)(2c)的三個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3)分別連接環(huán)形支鏈(2)，所述正三角形動(dòng)平臺(tái)(2c)與套筒(2b)之間移動(dòng)副上設(shè)有復(fù)位彈簧(2d)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述環(huán)形支鏈(2)包括弧形連接桿(5a)、轉(zhuǎn)動(dòng)副(R2)、套筒(5b)、移動(dòng)副(P1)、伸縮桿(5c)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)副(Rl)連接滑塊(4)與弧形連接桿(5a)，轉(zhuǎn)動(dòng)副(R2)連接弧形連接桿(5a)與套筒(5b)，移動(dòng)副(Pl)連接套筒(5b)與伸縮桿(5c)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有徑向緩沖功能的仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括圓柱形機(jī)架(1)，其特征在于所述圓柱形機(jī)架的上表面圓心處通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R4)連接變結(jié)構(gòu)中心支鏈(2)，所述變結(jié)構(gòu)中心支鏈的外側(cè)同心設(shè)有等半徑環(huán)形導(dǎo)軌(3)，所述環(huán)形導(dǎo)軌上設(shè)有三個(gè)滑塊(4)，所述滑塊可在環(huán)形導(dǎo)軌上做圓周運(yùn)動(dòng)，每個(gè)滑塊均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R1)連接環(huán)形支鏈(2)，所述每個(gè)環(huán)形支鏈(2)均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3)與變結(jié)構(gòu)中心支鏈(2)連接，構(gòu)成封閉的運(yùn)動(dòng)鏈。本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)兩種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，可用于對(duì)沖擊力進(jìn)行緩沖，防止關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)遭受破壞，因而本發(fā)明仿生關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)相比，可靠度和使用靈活度更高，應(yīng)用范圍也更加廣泛，不需要與外界進(jìn)行交換，易于實(shí)現(xiàn)且機(jī)構(gòu)利用率高。
文檔編號(hào)B25J17/00GK103158157SQ20131011112
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者暢博彥, 金國(guó)光, 王艷 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)