CN108481318B - 基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统。所述的驱动杆包括柔性外膜，其为中空的柱状结构，内部填充有散粒体，柔性外膜的两端分别内置有上密封端头、下密封端头，上、下密封端头分别通过密封箍圈与柔性外膜的两端固定连接，下密封端头的端面上开设有孔，气管穿入孔内与柔性外膜内腔连通。所述的驱动系统包括空气压缩机，空气压缩机通过空气压缩通路与电磁阀的P口连通，电磁阀的T口与大气连通，电磁阀的A口与真空通路连接，电磁阀的B口与气压通路连接，真空通路、气压通路和变刚度驱动杆气管间交汇处连接采用三通快插气管接头连通。本发明结构简单紧凑、刚度变化幅度大，控制简单、驱动平稳。

Description

基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统。

背景技术

机器人能代替人类从事重复单一繁重的体力劳动，在服务和医疗领域机器人代替人类从事简单、重复的劳动；在危险和有毒等恶劣的环境条件下的应用更为重要。因此，机器人的理论研究和应用研究一直以来都是人类发展的重要课题。机器人技术不断向高速度、高精度和轻量化方向发展。传统工业机器人具有结构刚度高，控制精度高；但存在基座笨重、臂杆较短、功耗高、操作空间有限、较低负重比、自由度有限等缺点。研究人员模仿自然界中的软体动物如章鱼，海星，蚯蚓等，利用柔性材料研制出柔性机器人，相比传统机器人和连续体机器人具有柔性材料应变大，可以任意改变结构尺寸，驱动器小、质量轻、操作速度高、能量消耗低、载荷质量比大和构件设计紧凑、自由度无限多、更加安全、适应更多更复杂的工作环境等。

柔性机器人是传统机器人的延续，国内外研究人员对柔性机构的研究方兴未艾。传统的机器人驱动方式多采用电机驱动或是液压驱动，此类驱动器能耗高，结构为刚体，机构占用体积大，机构复杂等缺点，不适用于柔性机器人的应用。因此，新的驱动方式对于柔性机器人的发展显得至关重要。

目前柔性机器人驱动方式包括形状记忆合金(SMA)、电流变液(ERF)、磁流变液(MRF)、腱绳驱动系统和气动人工肌肉。

SMA可以通过有记忆塑性变形,在合金变形后，再加热回到原来的形状。但SMA的张力变化幅度较低一般小于10%，同时SMA整个系统对温度调节有很强的依赖性，致使整个系统的散热也严重限制了SMA的应用。

电流变液和磁流变液由于外部电场或磁场作用流变行为被改变，内部磁性颗粒沿着电场或磁场方向紧密分布形成力链，整个系统通过改变电/磁场强度的改变从而实现变刚度。此驱动装置需要外加大功率电压（电压>1kv），而且高质量的智能液体价格昂贵，且高密度体积限制操作空间以及可实现的屈服强度范围的限制削弱他们在柔性机器人的应用。

腱绳驱动系统通过绳与机构的摩擦和绳自身的张力来实现变刚度，因此这需要的张力很大，且需要机器人自身结构能够承受很大张力，这对于柔性机器人是不可取的。

气动人工肌肉即 McKibben 气动人工肌肉，在20 世纪 60～70 年代由美国医生McKibben 发明了一种驱动假肢运动的气动执行元件。模仿人类肌肉构造，其内部为一根橡胶管,外部为双螺旋线编织的纤维编织层,两端用连接件固定,一端通气源,另一端连接负载。当橡胶管充气时,肌肉收缩产生拉力,所产生拉力的大小取决于肌肉的直径 , 编制纤维初始编织角和充气压力值。当橡胶管排气后人工肌肉拉力消失恢复原长度。其力/伸长值与人体肌肉相似。具有的结构简单，紧凑、高功率/质量比、动作平滑响应快等优点。但由于气动肌肉的非线性和自身的柔性，很难对其进行精确的控制，与实际控制差距较大。非充气状态下气动肌肉刚度很小，需要另外的支撑机构，这也增加了结构的复杂性。

以上驱动方式存在严重缺点，因此研究新型驱动方式对柔性机器人发展至关重要。

近年来研究人员发现颗粒物质拥有许多不同于其他物质的特性，并随着研究人员对颗粒物质特性展开了深入研究，散粒体阻塞理论逐渐被应用到柔性机器人领域，以下是对散粒体阻塞理论的概述：

散粒体是几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体。散粒体就个体而言属于固体，但是大量散粒体组成的系统会表现出流体的性质。大量散粒体组成的离散态物质体系在宏观上表现出许多复杂而有趣的不同于固、液、气态物质的奇特现象，如：粮仓效应、尺度分离、表面波、对流、颗粒聚集、非弹性塌陷、巴西果效应、反巴西果效应、雷诺挤压膨胀、自组织临界性、阻塞性等。其中阻塞特性是散粒体的重要特性。无序的散粒体间形成屈服应力或应力的驰豫时间超过正常实验时间尺度时就发生阻塞。处于阻塞状态的散粒体表现出固体的特性；而非阻塞状态的散粒体表现出流体特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统，变刚度驱动杆结构是在气动人工肌肉结构内部填充散粒体而形成，变刚度驱动杆工作系统基于散粒体阻塞理论和类气动人工肌肉驱动方式，对变刚度驱动杆刚度调节和轴向驱动，在真空状态时通过对真空度的调节能够根据实际需要改变杆的刚度，在通入压缩空气时通过对气压的调节产生轴向驱动，使得变刚度杆驱动杆兼具颗粒阻塞理论和类气动人工肌肉的优势，结构简单紧凑、刚度变化幅度大，控制简单、驱动平稳。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，所述的驱动杆包括柔性外膜，柔性外膜为中空的柱状结构，柔性外膜内部填充有散粒体，柔性外膜的两端分别内置有上密封端头、下密封端头，上、下密封端头分别通过密封箍圈与柔性外膜的两端固定连接，下密封端头的端面上开设有孔，气管穿入孔内与柔性外膜内腔连通。

进一步，所述的柔性外膜为类人工气动肌肉材料膜，所用的材料膜材质为硅胶、乳胶、橡胶中的一种。

进一步，所述的柔性外膜为圆柱形状。

进一步，所述的上、下密封端头的形状分别为“U”形。

基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆工作系统，所述的工作系统包括空气压缩机，空气压缩机通过空气压缩通路与电磁阀的P口连通，电磁阀的A口与真空通路连接，电磁阀的B口与气压通路连接，真空通路、气压通路和变刚度驱动杆气管间连接采用三通快插气管接头连通。

进一步，所述的空气压缩通路包括入气管道，入气管道的一端与电磁阀的P口连接，入气管道上自上而下设置有气压表、气压调节阀、消音器及凝水器，入气管道的另一端与空气压缩机连接。

进一步，所述的电磁阀为两位五通电磁阀。

进一步，所述的真空通路包括第一气管，第一气管的一端与气管的一端连接，第一气管上自上而下依次设置有真空表、真空度调节阀及真空发生器，第一气管的另一端与电磁阀的A口连通。

进一步，所述的气压通路包括第二气管，第二气管的一端与气管的一端连接，第二气管的另一端与电磁阀的B口连通。

进一步，所述的空气压缩机提供压缩空气，压缩空气经过凝水器和消音器过滤，在气压调节阀配合气压表下产生稳定气压的压缩空气；

压缩空气被电磁阀分为两个转换气路，两个转换气路为真空通路和气压通路；

当变刚度驱动杆需要驱动时，电磁阀左半部分截止，电磁阀右半部分接通气压通路，第一气管上真空发生器不工作，压缩空气由电磁阀的P口进入电磁阀的B口，经过第二气管，进入变刚度驱动杆的内部，变刚度驱动杆内部体积均匀膨胀，长度收缩变短产生轴向位移，通过调节气压调节阀改变杆轴向位移，杆内部散粒体在重力作用下堆积在杆件下部，当变刚度驱动杆1内气压达恢复至原始值，散粒体恢复到原来状态。

当变刚度驱动杆需要变刚度时，电磁阀左半部分接通真空通路，电磁阀右半部分截止，第一气管上真空发生器工作，压缩空气从电磁阀的P口进入电磁阀的A口，流经第一气管，对变刚度驱动杆的内部抽真空，散粒体在变刚度驱动杆内形成阻塞，阻塞的散粒体间以及散粒体与外膜间相互作用，变刚度驱动杆整体获得刚度，通过调节杆内部真空度值，实现了变刚度驱动杆刚度值的调节，使得变刚度驱动杆从一个被动的低刚度状态转变到一个活跃的高刚度状态。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明结构简单紧凑、刚度变化幅度大，控制简单、驱动平稳，安全且环境共融性优异，非常适合应用在柔性机器人上。具体来说：

（1）变刚度驱动杆是在气动人工肌肉结构内部填充散粒体而形成，其阻塞特性提高了杆件的刚度调节范围。

（2）变刚度驱动杆工作系统基于变刚度驱动杆颗粒阻塞理论和气动人工肌肉特性上，在

真空状态时，通过对真空度的调节实现了根据实际需要杆的刚度改变，在通入压缩空气时，通过对气压的调节产生轴向驱动，结构简单紧凑，控制简单，刚度变化幅度大，驱动平稳。

附图说明

图1是变刚度驱动杆的结构示意图。

图2是变刚度驱动杆工作系统的结构示意图。

图3是变刚度驱动杆的工作状态示意图一。

图4是变刚度驱动杆的工作状态示意图二。

图1中：13为气管；14为上密封端头；15为柔性外膜；16为密封箍圈；17为散粒体；18为下密封端头。

图2中：1为变刚度驱动杆；2为真空表；3为真空度调节阀；4为真空发生器；5为第一气管；6为两位五通电磁阀；7为凝水器；8为第二气管；9为气压表；10为气压调节阀；11为消音器；12为空气压缩机。

具体实施方式

以下结合附图1至图4，以及实施例，对本发明作出进一步描述。

如图1所示，基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，所述的驱动杆包括柔性外膜15，柔性外膜15为中空的柱状结构，柔性外膜15内部填充有散粒体17，柔性外膜15的两端分别内置有上密封端头14、下密封端头18，上、下密封端头14、18分别通过密封箍圈16与柔性外膜15的两端固定连接，下密封端头18的端面上开设有孔，气管13穿入孔内与柔性外膜15内腔连通。

所述的柔性外膜15为类似气动人工肌肉材料膜，所用的材料膜材质为硅胶。

所述的柔性外膜15为圆柱形状。

所述的上、下密封端头的形状分别为“U”形。

如图2所示，基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆工作系统，所述的工作系统包括空气压缩机12，空气压缩机12通过空气压缩通路与电磁阀的P口连通，电磁阀的A口与真空通路连接，电磁阀的B口与气压通路连接，真空通路与气压通路的交汇处与气管13一端连通，气管13另一端与变刚度驱动杆1连通。

所述的空气压缩通路包括入气管道，入气管道的一端与电磁阀的P口连接，入气管道上自上而下设置有气压表9、气压调节阀10、消音器11及凝水器7，入气管道的另一端与空气压缩机12连接。

所述的电磁阀为两位五通电磁阀6。

所述的真空通路包括第一气管5，第一气管5的一端与气管13的一端连接，第一气管5上自上而下依次设置有真空表2、真空度调节阀3及真空发生器4，第一气管5的另一端与电磁阀的A口连通。

所述的气压通路包括第二气管8，第二气管8的一端与气管13的一端连接，第二气管8的另一端与电磁阀的B口连通。

所述的空气压缩机12提供压缩空气，压缩空气经过凝水器7和消音器11过滤，在气压调节阀10配合气压表9下产生稳定气压的压缩空气；

压缩空气被电磁阀分为两个转换气路，两个转换气路为真空通路和气压通路；

如图4所示，当变刚度驱动杆1需要驱动时，电磁阀左半部分截止，电磁阀右半部分接通气压通路，第一气管5上真空发生器4不工作，压缩空气由电磁阀的P口进入电磁阀的B口，经过第二气管8，进入变刚度驱动杆1的内部，变刚度驱动杆1内部体积均匀膨胀，长度收缩变短产生轴向位移，通过调节气压调节阀10改变杆轴向位移，杆内部散粒体在重力作用下堆积在杆件下部，当变刚度驱动杆1内气压达恢复至原始值，散粒体恢复到原来状态。

如图3所示，当变刚度驱动杆1需要变刚度时，电磁阀左半部分接通真空通路，电磁阀右半部分截止，第一气管5上真空发生器4工作，压缩空气从电磁阀的P口进入电磁阀的A口，流经第一气管，对变刚度驱动杆1的内部抽真空，散粒体在变刚度驱动杆1内形成阻塞，阻塞的散粒体间以及散粒体与外膜间相互作用，变刚度驱动杆1整体获得刚度，通过调节杆内部真空度值，实现了变刚度驱动杆1刚度值的调节。

变刚度驱动杆1工作系统的工作原理：

通过空气压缩机12连接的真空通路调节变刚度驱动杆1的柔性外膜15内的真空度，改变了散粒体的阻塞状态，实现了变刚度驱动杆1的刚度调节；当柔性外膜15内真空度为零时，散粒体表现出明显的流体性质，变刚度驱动杆1表现为柔性杆；当柔性外膜15内真空度不为零时，散粒体间相互挤压摩擦，变刚度驱动杆1表现为刚性杆；通过调节柔性外膜15内的真空度，改变了杆的刚性，即实现了杆的变刚度调节。

通过空气压缩机12连接的气压通路控制变刚度驱动杆1的气压，改变了柔性外膜15内径，实现了杆件驱动；当柔性外膜15内的气压超过膜外大气压时，柔性外膜15均匀膨胀，柔性外膜15内径变大，但其总体积改变较小，因此，变刚度驱动杆1长度变短，产生轴向收缩力；当柔性外膜15内气压恢复到膜外大气压时，变刚度驱动杆1柔性外膜15均匀收缩，柔性外膜15内径变小，其长度恢复至原长，实现了轴向伸缩驱动调节。

以上所述的实施例，仅仅是对本发明的优选实施方式的描述。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应属于本发明权利要求书确定的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，所述的驱动杆包括柔性外膜，柔性外膜为中空的柱状结构，其特征在于：柔性外膜内部填充有散粒体，柔性外膜的两端分别内置有上密封端头、下密封端头，上、下密封端头分别通过密封箍圈与柔性外膜的两端固定连接，下密封端头的端面上开设有孔，变刚度驱动杆气管穿入孔内与柔性外膜内腔连通；空气压缩机通过空气压缩通路与电磁阀的P口连通，电磁阀的A口与真空通路连接，电磁阀的B口与气压通路连接，真空通路、气压通路和变刚度驱动杆气管间交汇处连接采用三通快插气管接头连通；所述的空气压缩机提供压缩空气，压缩空气经过凝水器和消音器过滤，在气压调节阀配合气压表下产生稳定气压的压缩空气；

压缩空气被电磁阀分为两个转换气路，两个转换气路为真空通路和气压通路；

当变刚度驱动杆需要驱动时，电磁阀左半部分截止，电磁阀右半部分接通气压通路，第一气管上真空发生器不工作，压缩空气由电磁阀的P口进入电磁阀的B口，经过第二气管，进入变刚度驱动杆的内部，变刚度驱动杆外膜均匀膨胀，内部体积增大，杆长度收缩变短产生轴向位移，通过调节气压调节阀改变杆轴向位移，杆内部散粒体在重力作用下堆积在杆件下部，当变刚度驱动杆内气压恢复至原始值，散粒体恢复到原来状态；

当变刚度驱动杆需要变刚度时，电磁阀左半部分接通真空通路，电磁阀右半部分截止，第一气管上真空发生器工作，压缩空气从电磁阀的P口进入电磁阀的A口，流经第一气管，对变刚度驱动杆的内部抽真空，散粒体在变刚度驱动杆内形成阻塞，阻塞的散粒体间以及散粒体与外膜间相互作用，变刚度驱动杆整体获得刚度，通过调节杆内部真空度值，实现了变刚度驱动杆刚度值的调节，使得变刚度驱动杆从一个被动的低刚度状态转变到一个活跃的高刚度状态。

2.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的柔性外膜为类气动人工肌肉材料膜，所用的材料膜材质为硅胶、乳胶、橡胶中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的柔性外膜为圆柱形状。

4.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的上、下密封端头的形状分别为“U”形。

5.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的空气压缩通路包括入气管道，入气管道的一端与电磁阀的P口连接，入气管道上自上而下设置有气压表、气压调节阀、消音器及凝水器，入气管道的另一端与空气压缩机连接。

6.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的电磁阀为两位五通电磁阀。

7.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的真空通路包括第一气管，第一气管的一端与变刚度驱动杆气管的一端连接，第一气管上自上而下依次设置有真空表、真空度调节阀及真空发生器，第一气管的另一端与电磁阀的A口连通。

8.根据权利要求1所述的基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆，其特征在于：所述的气压通路包括第二气管，第二气管的一端与变刚度驱动杆气管的一端连接，第二气管的另一端与电磁阀的B口连通。

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