[发明专利]流体控制可变刚度弾性轴

说明书

本发明公开了一种流体控制可变刚度弾性轴，变刚度弾性轴主要包括上密封端盖、外弾性轴、填充物、内气囊、下密封端盖、气管接头；上密封端盖、下密封端盖、外弾性轴以及内气囊同轴安装，外弾性轴和内气囊之间的圆环状空腔设有填充物，下密封端盖端面设有通孔或螺纹孔，用于压力流体的输入；内气囊在压力流体作用下推动填充物挤压外弾性轴，提高弹性轴整体刚度，通入压力越大，弾性轴刚度越好；本发明结合压力流体与填充物的优势，实现弾性轴变刚度功能，具有结构简单，使用方便，变刚度，响应速度快，刚度变化范围广，环境适应性强，灵活性好等优点。

技术领域

本发明属于柔性机器人领域，涉及一种流体控制可变刚度弾性轴，是一种压力流体与填充物共同作用的变刚度弾性轴。

背景技术

机器人已广泛应用于军事、工业、服务、医疗等众多领域。传统的机器人一般以刚性结构为主，结构刚度好，控制精度高，运动精确，但传统机器人结构复杂，环境适应性差，尤其是在较小空间内运动时，运动受限，灵活度有限，人机交互的安全性较差。为解决传统机器人的不足，提高机器人的柔性，研究人员提出柔性机器人，主要包括仿生机器人和仿人机器人，柔性机器人本体主要采用柔性材料加工而成，可连续变形，并且具有无限多的自由度，可任意改变结构尺寸，灵活性和安全性较好，能够适应更复杂的工作环境，能够有效克服传统机器人的不足，但柔性机器人往往存在刚性不足的缺陷，承载能力差，严重制约了柔性机器人的发展，为解决柔性机器人刚性不足的缺陷，变刚度机器人成为近年来研究人员的研究热点；基于现有的技术和研究，柔性机器人实现变刚度的方式主要有耦合结构设计、可变刚度的智能材料和材料发生相变三种，耦合结构的变刚度方式主要是通过冗余的驱动力矩作用使得结构的刚度发生变化，此方式会存在弯曲驱动力矩对冗余驱动力矩耦合产生的刚度变化效果产生怎样的影响等问题，采用可变刚度的智能材料这种变刚度方式对材料的性能要求很高，且控制较难，通过材料发生相变使机器人变刚度这种方式成为研究人员的研究主流；基于堵塞原理的变刚度结构成为材料发生相变方式的典型代表，随着研究人员的深入研究，发现颗粒或微粒物质就个体而言属于固体，但大量同一尺寸的颗粒或微粒固体组合在一起就会体现流动性，基于颗粒堵塞原理的变刚度结构，微观上能实现流体和固体之间的相互转化，从而实现变刚度的性能；目前颗粒堵塞的变刚度方法主要基于真空负压原理，但由于现有负压设备的真空度较小，该方式的变刚度范围较小；本发明提出的变刚度弾性轴，是基于充压的颗粒或微粒堵塞变刚度，变刚度效果明显；本发明可作为柔性机器人的变刚度弾性轴，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。

发明内容

本发明提供了一种流体控制可变刚度弾性轴，能够克服目前柔性机器人刚性不足的缺陷，在压力流体和填充物的共同作用下，可针对不同的工作要求调节柔性机器人驱动或执行机构的刚性和柔性；结构简单，控制方便，通用性强。本发明结构简单，刚度变化明显，控制简单，使用方便，响应速度快，安全且适应性好，非常适合应用于柔性机器人。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种流体控制可变刚度弾性轴，主要包括上密封端盖、外弾性轴、填充物、内气囊、下密封端盖、气管接头。所述外弾性轴和内气囊构成变刚度弾性轴的嵌套结构，外弾性轴和内气囊中间设有填充物，外弾性轴和内气囊两端分别与上密封端盖和下密封端盖固定连接；

进一步，所述的上密封端盖和下密封端盖之间设有与其同轴线的外弾性轴和内气囊，上密封端盖为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面；其中上密封端盖直径较大的圆柱面外侧设有外弾性轴的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中上密封端盖直径较小的圆柱面外侧设有内气囊的上端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；下密封端盖为圆柱阶梯状结构，具有两个圆柱面，其中下密封端盖直径较大的圆柱面外侧设有外弾性轴的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；其中下密封端盖直径较小的圆柱面外侧设有内气囊的下端，可通过扣压、胶粘、捆绑等方式进行连接；