[发明专利]一种可变腔体气压机器人关节及其驱动系统与控制方法

说明书

本发明公开了一种可变腔体气压机器人关节及其驱动系统与控制方法，可变腔体气压机器人关节包括机器人关节本体、可变腔体单作用气缸组、钢丝绳组以及滚齿等，单作用气缸组关于滚齿对称布置，安装于机器人关节本体上，通过钢丝绳组将单作用气缸直线运动转化为滚齿转动，实现机器人关节旋转运动。可变腔体气压机器人关节，根据负载反馈，通过二位二通电磁换向阀和三位五通电磁换向阀的控制，选择性提供有效作用面积，实现机器人关节输出力矩与实际负载力矩相匹配，大幅度提升机器人关节系统驱动效率。

技术领域：

本发明涉及一种可变腔体气压机器人关节及其驱动系统与控制方法。

技术背景：

随着科学技术的发展，移动机器人性能大幅度提升，已经在医疗健康、工业制造以及军事装备等领域广泛应用。目前，能源和驱动技术至今未取得突破性进展，移动机器人负载能力与续航时间受限，严重制约其推广及应用。因此，构建高功率密度特征的驱动系统、提高能量利用效率是移动机器人走向实用化需要解决的“瓶颈”问题。目前，研究人员尝试将气压驱动系统用于机器人关节，以外骨骼机器人为例，如美国加利福尼亚大学尔湾分校的Julius Klein等人开发的BONES外骨骼机器人和加利福尼亚大学开发的PNEU-WREX气缸驱动机器人。该类机器人利用气缸作为执行器驱动各关节运动，但驱动结构相对单一，气缸内腔的有效作用面积固定，不能根据关节负载变化而实时调节，当负载发生变化时，驱动系统只能通过气动阀节流来改变输出力和速度。由于此类机器人关节负载变化较大，节流调节存在大量压力损失，导致气压系统能量损耗较多，造成整个机器人驱动效率低下。因此，研究高能效的机器人关节及其驱动系统与控制方法，对于提高移动机器人系统效率有着非常重要的意义。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种可提高机器人关节驱动效率的驱动系统与控制方法，可通过选择不同单作用气缸腔体与高压气路的导通来实现与变负载的实时匹配，本发明适用于负载变化较大的机器人关节，具有较好的社会价值和经济效益。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

首先，本发明提供一种可变腔体气压机器人关节，包括单作用气缸组、气缸固定板、吊环螺母组、钢丝绳锁扣组、螺钉组、下端小臂、钢丝绳组、导向轮组、导向轮轴组、钢丝绳连接键组、套筒组、轴承组、滚齿、侧面带孔圆螺母和关节连接件。

所述单作用气缸组通过外螺纹连接的方式将其安装于所述气缸固定板上端，所述下端小臂通过所述螺钉组连接的方式将其安装于所述气缸固定板下端，所述套筒组通过间隙配合的方式将其安装于所述下端小臂伸出轴上，所述轴承组通过过盈配合的方式将其安装于所述下端小臂伸出轴上，所述滚齿通过过盈配合的方式将其安装于所述轴承组上，所述侧面带孔圆螺母通过内螺纹连接的方式将其安装于所述下端小臂伸出轴末端，所述关节连接件通过所述螺钉组连接的方式将其安装于所述滚齿下端。

所述吊环螺母组通过内螺纹连接的方式将其安装于所述单作用气缸组活塞杆末端，所述导向轮组通过所述导向轮轴组连接的方式将其安装于所述下端小臂支撑孔上，导向轮与导向轮轴形成间隙配合，导向轮轴与支撑孔形成过盈配合。

所述钢丝绳组通过所述钢丝绳锁扣组连接的方式将其上端与所述吊环螺母组连接，其下端绕过所述导向轮组之后，再缠绕在所述滚齿槽内，其末端焊接所述钢丝绳连接键组，所述钢丝绳连接键组通过过渡配合的方式将其安装于所述滚齿键槽上。

所述滚齿上设有槽A、槽B、槽C和槽D以及键槽A、键槽B、键槽C和键槽D，所述下端小臂上设有支撑孔A、支撑孔B、支撑孔C和支撑孔D。

通过采用上述安装方式实施，设定单作用气缸的活塞杆初始状态分别为：单作用气缸11和单作用气缸12的活塞杆处于完全伸出状态，单作用气缸13和单作用气缸14的活塞杆处于完全缩回状态。