一种基于乙炔燃爆反应的模块化驱动单元及驱动方法

技术领域

本发明属于驱动领域，具体涉及一种基于乙炔燃爆反应的模块化驱动单元及驱动方法。

背景技术

随着机器人技术研究的逐步深入，人们正在不断尝试开发实用性更强、功能更完整的机器人关节或整机，当机器人在预设工况下工作时，通常会需要爆发式的驱动输出，比如机器人跳跃运动的实现。目前应用于机器人上的各种驱动单元，常见的如电机、内燃机等，通常都是以稳定持续的方式进行驱动，为了实现此类瞬时爆发大功率输出，则需要使用常态输出功率高于爆发峰值的驱动模块，这将带来较大的体积和重量成本。变刚度驱动结构以及弹性驱动结构的研究一定程度上解决了这种问题，然而简单的弹性驱动结构作用甚微，复杂的弹性驱动与变刚度驱动又伴随着复杂的结构、更大的体积和更大的重量。

燃爆反应作为一种常见的爆发式能量输出形式，其峰值功率高、持续时间短、实现简单等特点恰好适配爆发输出的特点。现有的燃爆驱动方案根据具体应用场景的不同，使用的燃料类型主要有：甲烷-空气、丙烷-一氧化二氮、丁烷-空气、氢气-空气等。然而采用上述燃爆驱动燃料往往需要使用气泵泵入燃料气，或者钢瓶存储燃料气等方法实现燃料的输入，而此类燃料输送系统体积较大，大大限制了燃爆驱动装置的应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是：提供一种基于乙炔燃爆反应的模块化驱动单元及驱动方法，解决现有技术中存在的上述问题，利用燃爆反应作为能量来源，实现机器人的瞬时爆发大功率驱动。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于乙炔燃爆反应的模块化驱动单元，包括燃料生成腔、爆燃发生腔、活塞装置、齿轮齿条机构和输出盘；所述燃料生成腔包括分别用于存储电石和过氧化钠的两个反应腔和用于向两所述反应腔中注水的进水通道；所述爆燃发生腔通过气路与燃料生成腔连通，用于容纳来自反应腔的乙炔和氧气，其内部设有点火装置；所述活塞装置包括与爆燃发生腔连通的缸体和滑动配合于缸体内的活塞；所述齿轮齿条机构包括与活塞固定连接的齿条和与齿条啮合的齿轮；所述输出盘与齿轮同轴设置，输出盘与齿轮之间安装有扭簧；所述齿轮通过扭簧驱动输出盘转动以对外做功；所述扭簧存储的能量用于驱动齿轮反转使活塞复位；

进一步，所述爆燃发生腔和燃料生成腔分别设置于上壳体和下壳体；所述下壳体的结合端面上设有分别围绕两反应腔的密封槽和安装于密封槽内的密封圈；

进一步，两所述反应腔为对称分布的半圆形腔体，所述进水通道为设置于下壳体上与反应腔连通的进水管槽；

进一步，所述燃爆发生腔内壁开有点火孔，所述点火装置为电弧发生器，所述电弧发生器的输出线通过安装于点火孔的过线塞固定在燃爆发生腔内，且点火孔通过过线塞进行密封；

进一步，所述齿条一体成型于活塞的侧壁；

进一步，所述缸体设有用于与活塞滑动配合的缸孔和用于安装齿轮和输出盘的安装孔；所述缸孔和安装孔的孔心线垂直交叉，缸孔和安装孔之间设有开口，所述齿轮通过该开口与齿条啮合；

本发明还公开了一种采用所述模块化驱动单元的驱动方法，包括以下步骤：

S1.通过进水管槽向两反应腔内注入水，分别使两个反应腔内的电石和过氧化钠与水反应后分别生成乙炔与氧气；

S2.使用电弧发生器点燃充入燃爆发生腔内的乙炔与氧气的混合气体，制造燃爆反应，生成高压气体；

S3.利用高压气体冲击设有齿条的活塞移动，并通过齿轮齿条机构将活塞的直线运动转换为输出盘的爆发转动，实现对外做功；

S4.利用驱动输出过程中扭簧存储的能量驱动活塞复位。

本发明的有益效果为：

1.本发明使用电石和过氧化钠粉末与水反应分别制备乙炔和氧气，使用乙炔的化学燃爆反应进行爆发驱动，并设计了燃料生成、燃爆反应、驱动输出各功能模块化的新型结构。燃料腔内存储有固体的粉末，只需要加入适量水即可反应产生燃料，避免了使用其他燃料输送系统，同时，采用电石、过氧化钠固体粉末的存储条件相较于气体燃料的存储更为便利，缩小了燃爆装置的整体体积，使该装置应用于机器人关节时能有效控制机器人关节的体积和重量。

2.由于乙炔与氧气发生燃爆的混合比例范围广，使得乙炔-氧气的燃爆反应更易发生，从而降低了对燃料输入精度的要求。

3.本发明的驱动输出方式为爆发式转动，满足了现有跳跃式机器人等的爆发式驱动需求。

4.本发明采用电石与水反应制备乙炔、过氧化钠与水反应制备氧气，反应迅速反应产物生成量大，能够提高机器人关节动作的响应速度。

附图说明

图1是本发明的模块化驱动单元的爆炸图；

图2是图1中的A-A向视图。

附图标记：1-活塞，2-齿轮，3-缸体；4-输出盘，5-爆燃发生腔；6-点火孔，7-燃料生成腔，8-反应腔，9-密封槽，10-进水管槽。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1、2所示，本实施例的基于乙炔燃爆反应的模块化驱动单元，包括燃料生成腔7、爆燃发生腔5、活塞装置、齿轮齿条机构和输出盘4；所述燃料生成腔7包括分别用于存储电石和过氧化钠的两个反应腔8和用于向两所述反应腔8中注水的进水通道；所述爆燃发生腔5通过气路与燃料生成腔7连通，用于容纳来自反应腔8的乙炔和氧气，其内部设有点火装置；所述活塞装置包括与爆燃发生腔5连通的缸体3和滑动配合于缸体3内的活塞1；所述齿轮齿条机构包括与活塞1固定连接的齿条和与齿条啮合的齿轮2；所述输出盘4与齿轮2同轴设置，输出盘4与齿轮2之间安装有扭簧；所述齿轮2通过扭簧驱动输出盘4转动以对外做功；所述扭簧存储的能量用于驱动齿轮2反转使活塞1复位。

本实施例中，所述爆燃发生腔5和燃料生成腔7分别设置于上壳体和下壳体；上壳体和下壳体相互结合后四周用螺栓加固压实。所述下壳体的结合端面上设有分别围绕两反应腔8的密封槽9和安装于密封槽9内的密封圈，确保燃料生成腔7中两反应腔8的气密性。

本实施例中，两所述反应腔8为对称分布的半圆形腔体，所述进水通道为设置于下壳体上与反应腔8连通的进水管槽10，两个进水管槽10分别连通燃料生成腔7中两反应腔8，可利用软管将进水管槽10与外部的小型蠕动泵连接，利用蠕动泵向反应腔8内注入纯净水，水与反应腔8内的电石和过氧化钠粉末反应后可迅速生成大量的乙炔气体和氧气，并可以通过控制向两个腔内注入水的量间接控制乙炔气体和氧气的生成比例。

本实施例中，所述燃爆发生腔内壁开有点火孔6，所述点火装置为电弧发生器，所述电弧发生器的输出线通过安装于点火孔6的过线塞固定在燃爆发生腔内，且点火孔6通过过线塞进行密封；所述点火孔6为两个，使用过线塞将电弧发生器的两根输出线固定在燃爆发生腔内。在乙炔气体和氧气充入燃爆发生腔后，即可控制电弧发生器工作，其固定在燃爆腔内的两输出线末端将产生电弧，使得腔内的乙炔与氧气发生燃爆反应，瞬间产生大量高压气体以推动活塞1上行。

本实施例中，所述齿条一体成型于活塞1的侧壁，本实施例采用齿条活塞1，即在活塞1的侧壁加工出齿条结构与齿轮2相互啮合，采用齿条活塞1可以简化整个驱动单元的结构，减少零部件数量，提高紧凑性。

本实施例中，所述缸体3设有用于与活塞1滑动配合的缸孔和用于安装齿轮2和输出盘4的安装孔；所述缸孔和安装孔的孔心线垂直交叉，缸孔和安装孔之间设有开口，所述齿轮2通过该开口与齿条啮合，因此，活塞1、齿轮2、输出盘4均可紧凑的安装在缸体3上，有效减小本驱动单元所需的安装空间。

本发明还公开了一种采用所述模块化驱动单元的驱动方法，包括以下步骤：

S1.将电石粉末和过氧化钠粉末分别加入到两个反应腔8内，将设置有燃爆发生腔和燃料生成腔7的上壳体和下壳体合上并在四周用螺栓加固压实，由于下壳体结合面的密封槽9内布置有丁腈密封线，在压实后起到良好密封作用，利用软管通过进水管槽10与外部小型蠕动泵连接，通过进水管槽10向两反应腔8内注入水，分别使两个反应腔8内的电石和过氧化钠与水反应后分别生成乙炔与氧气，同时，可以通过控制向两个反应腔8内注入水的量间接控制乙炔气体和氧气的生成比例。

S2.由于燃料生成腔7与燃爆发生腔通过气路联通，因此，乙炔与氧气生成后充入到燃爆发生腔内；控制电弧发生器工作，使其固定在燃爆腔内的两输出线末端将产生电弧点燃充入燃爆发生腔内的乙炔与氧气的混合气体，制造燃爆反应，生成高压气体；

S3.由于燃爆发生腔上方开口与缸体3的缸孔联通，燃爆反应生成的高压气体将冲击活塞1端面，促使活塞1迅速沿缸孔向上滑动，利用一体成型在活塞1侧壁的齿条带动齿轮2转动，齿轮2与输出盘4之间内嵌有扭簧，齿轮2转动时将利用扭簧带动输出盘4转动并通过输出盘4向其连接的外部载荷做功。

S4.由于扭簧驱动输出盘4转动的过程中发生变形存储有能量，因此当活塞1上行到极限位置后，利用扭簧存储的能量驱动齿轮2反转使活塞1复位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。