CN109079753B - 一种全柔性连续旋转执行器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全柔性连续旋转执行器及其方法。全柔性扭转执行器的侧边曲面密封包围连接在上底面、下底面之间，全柔性单向轴承的轴承内圈除内圈连接板以外的各个部件均装于轴承外圈的空腔中，全柔性单向轴承接高压气体，使轴承内外圈相互挤压成为一体，全柔性扭转执行器接负压，从而驱动轴承内圈和轴承外圈同时旋转，全柔性单向轴承接大气压，轴承内、外圈分开，全柔性扭转执行器接大气压，从而驱动轴承内圈沿逆时针方向旋转，轴承外圈保持不动，从而实现轴承外圈全角度连续旋转。本发明解决了传统扭转执行器扭转角度有限的问题，实现了全柔性连续旋转执行器的全角度全方位的连续旋转，极大地提高了软体机器人的灵活性，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人结构部件，尤其涉及了一种全柔性连续旋转执行器及其方法。
背景技术
目前已有的全柔性扭转执行器只能实现有限角度的扭转，不能连续旋转，限制了其在一些地方的应用，比如制作一个全柔性车轮。针对目前技术无法应用的场景，有必要研究一种新型的全柔连续旋转执行器来解决问题。
发明内容
为了解决全柔性扭转执行器只能实现有限角度的扭转的问题，本发明提供了一种全柔性连续旋转执行器及其方法，用于软体机器人。
本发明所采用的技术方案是：
一、一种全柔性连续旋转执行器
本发明包括同轴连接的全柔性扭转执行器和全柔性单向轴承。
全柔性扭转执行器是一个旋转单元，主要由上底面、下底面、侧边曲面和执行器硅胶管组成，上底面尺寸小于下底面尺寸，侧边曲面密封包围连接在上底面、下底面周围之间，使得整个全柔性扭转执行器形成密封气室，且使得全柔性扭转执行器形成近似上小下大的台柱，上底面中间设有一个孔，执行器硅胶管插装连接于孔，执行器硅胶管一端与密封气室相连，另一端连接到外部气源，外部气源对气室抽真空后，侧边曲面正向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变近，即使得全柔性扭转执行器边旋转边降低高度，气源对气室充气变成大气压后，侧边曲面反向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变远，即使得旋转单元边旋转边增加高度，全柔性扭转执行器恢复为原来的常态形状；
全柔性单向轴承主要由轴承内圈和轴承外圈构成，轴承内圈包括同轴依次顺序连接的内圈连接板、上凸台、轴芯和下凸台，上凸台一端通过过渡轴连接到内圈连接板，轴芯的外侧面为双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面；轴承外圈主要由上槽、中央孔、下槽、轴承硅胶管、环形气室和纤维组成，轴承外圈的外周面上均匀缠绕有纤维，轴承外圈的内部设有由上槽、中央孔、下槽同轴依次相连通构成的空腔。轴承外圈上端面中心开有通孔，上槽与通孔相连通，中央孔的内径小于上槽和下槽的内径，中央孔的内壁与轴承外圈的外壁之间开有环形气室，轴承硅胶管一端穿过轴承外圈外壁与环形气室相连通，另一端连接到外部气源；轴承内圈除内圈连接板以外的各个部件均装于轴承外圈的空腔中，过渡轴装于通孔，上凸台装于上槽，下凸台装于下槽，轴芯装于中央孔分别配合安装。
全柔性扭转执行器的下底面与轴承内圈的内圈连接板固定连接。
全柔性扭转执行器和全柔性单向轴承均用同种硅胶材料制作。
所述的上凸台、上槽、下凸台、下槽上均涂有润滑脂，以减小摩擦。
所述的轴承硅胶管接高压气体后，纤维限制环形气室向外部膨胀，环形气室仅向内侧膨胀使中央孔内壁弯曲变形，从而挤压中央孔的内壁与轴承内圈的轴芯外壁紧密贴合，轴承内圈和轴承外圈成为一体，轴承内圈和轴承外圈之间无法相对转动；轴承硅胶管接大气压后，中央孔和轴芯之间不产生相互挤压，轴承内圈和轴承外圈分开，轴承内圈和轴承外圈之间能够相对转动。
二、一种全柔性连续旋转执行器的工作方法，包括以下步骤：
步骤0)：全柔性扭转执行器和全柔性单向轴承均接大气压；
步骤1)：全柔性单向轴承接高压气体，使轴承内圈和轴承外圈相互挤压，成为一体；
步骤2)：全柔性扭转执行器接负压，从而驱动轴承内圈和轴承外圈同时沿顺时针方向旋转；
步骤3)：全柔性单向轴承接大气压，使轴承内圈和轴承外圈的挤压力消失，轴承内圈和轴承外圈分开；
步骤4)：全柔性扭转执行器接大气压，从而驱动轴承内圈沿逆时针方向旋转，轴承外圈保持不动。
重复步骤1)-4)，将全柔性扭转执行器与全柔性单向轴承结合，从而实现轴承外圈全角度连续旋转。
本发明的有益效果是：
全柔性连续旋转执行器解决了传统扭转执行器扭转角度有限的问题，实现了全柔性连续旋转执行器的全角度、全方位的连续旋转，极大地提高了软体机器人的灵活性，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是全柔性单向轴承的结构示意图；
图3是全柔性单向轴承的剖视图；
图4是轴承内圈的结构示意图；
图5是轴承外圈的剖视图；
图6是全柔性扭转执行器的工作示意图；
图7是本发明的工作示意图。
图中，1.全柔性扭转执行器，2.全柔性单向轴承，3.轴承内圈，4.轴承外圈，5.内圈连接板，6.上凸台，7.轴芯，8.下凸台，9.上槽，10.轴承硅胶管，11.环形气室，12.纤维，13.中央孔，14.下槽，15.执行器硅胶管，16.上底面，17.侧边曲面，18.下底面。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图1、图6所示，本发明包括同轴连接的全柔性扭转执行器1和全柔性单向轴承2；全柔性扭转执行器1是一个旋转单元，主要由上底面16、下底面18、侧边曲面17和执行器硅胶管15组成，上底面16尺寸小于下底面18尺寸，侧边曲面17密封包围连接在上底面16、下底面18周围之间，使得整个全柔性扭转执行器1形成密封气室，且使得全柔性扭转执行器1形成近似上小下大的台柱，上底面16中间设有一个孔，执行器硅胶管15插装连接于孔，执行器硅胶管15一端与密封气室相连，另一端连接到外部气源。外部气源对气室抽真空后，侧边曲面17正向扭转同时带动上底面16和下底面18之间的距离变近，即使得全柔性扭转执行器1边旋转边降低高度，气源对气室充气变成大气压后，侧边曲面17反向扭转同时带动上底面16和下底面18之间的距离变远，即使得旋转单元边旋转边增加高度，全柔性扭转执行器1恢复为原来的常态形状。
如图4、图5所示，全柔性单向轴承2主要由轴承内圈3和轴承外圈4构成，轴承内圈3包括同轴依次顺序连接的内圈连接板5、上凸台6、轴芯7和下凸台8，上凸台6一端通过过渡轴连接到内圈连接板5，轴芯7的外侧面为双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面；轴承外圈4主要由上槽9、中央孔13、下槽14、轴承硅胶管10、环形气室11和纤维12组成，轴承外圈4的外周面上均匀缠绕有纤维12，轴承外圈4的内部设有由上槽9、中央孔13、下槽14同轴依次相连通构成的空腔。轴承外圈4上端面中心开有通孔，上槽9与通孔相连通，中央孔13的内径小于上槽9和下槽14的内径，中央孔13的内壁与轴承外圈4的外壁之间开有环形气室11，轴承硅胶管10一端穿过轴承外圈4外壁与环形气室11相连通，另一端连接到外部气源。
如图2、图3所示，轴承内圈3除内圈连接板5以外的各个部件均装于轴承外圈4的空腔中，过渡轴装于通孔，上凸台6装于上槽9，下凸台8装于下槽14，轴芯7装于中央孔13分别配合安装，全柔性扭转执行器1的下底面18与轴承内圈3的内圈连接板5固定连接。
具体实施中，全柔性扭转执行器1和全柔性单向轴承2均用同种硅胶材料制作，上凸台5、上槽9、下凸台8、下槽14上均涂有润滑脂，以减小摩擦。
如图3所示，轴承硅胶管10接高压气体后，纤维12限制环形气室11向外部膨胀，环形气室11仅向内侧膨胀使中央孔13内壁弯曲变形，从而挤压中央孔13的内壁与轴承内圈3的轴芯11外壁紧密贴合，轴承内圈3和轴承外圈4成为一体，轴承内圈3和轴承外圈4之间无法相对转动；轴承硅胶管10接大气压后，中央孔13和轴芯11之间不产生相互挤压，轴承内圈3和轴承外圈4分开，轴承内圈3和轴承外圈4之间能够相对转动。
本发明的具体工作过程如图7所示：
0)：全柔性扭转执行器1和全柔性单向轴承2均接大气压；
1)：全柔性单向轴承2接高压气体，使轴承内圈3和轴承外圈4相互挤压，成为一体；
2)：全柔性扭转执行器1接负压，从而驱动轴承内圈3和轴承外圈4同时沿顺时针方向旋转；
3)：全柔性单向轴承2接大气压，使轴承内圈3和轴承外圈4的挤压力消失，轴承内圈3和轴承外圈4分开；
4)：全柔性扭转执行器1接大气压，从而驱动轴承内圈3沿逆时针方向旋转，轴承外圈4不动。
重复步骤1)-4)，就可以实现轴承外圈4全角度连续旋转。
通过将全柔性扭转执行器与全柔性单向轴承结合，控制全柔性扭转执行器1和全柔性单向轴承2的内部压力，可实现扭转执行器的全角度、全方位的连续旋转，提高了执行器的灵活性。
Claims (5)
1.一种全柔性连续旋转执行器，其特征在于：包括同轴连接的全柔性扭转执行器（1）和全柔性单向轴承（2）；
全柔性扭转执行器（1）主要由上底面（16）、下底面（18）、侧边曲面（17）和执行器硅胶管（15）组成，上底面（16）尺寸小于下底面（18）尺寸，侧边曲面（17）密封包围连接在上底面（16）、下底面（18）之间，使得整个全柔性扭转执行器（1）形成密封气室，上底面（16）中间设有一个孔，执行器硅胶管（15）插装连接于孔，执行器硅胶管（15）一端与密封气室相连，另一端连接到外部气源，外部气源对气室抽真空后，侧边曲面（17）正向扭转同时带动上底面（16）和下底面（18）之间的距离变近，即使得全柔性扭转执行器（1）边旋转边降低高度，气源对气室充气后，侧边曲面（17）反向扭转同时带动上底面（16）和下底面（18）之间的距离变远，即使得全柔性扭转执行器（1）边旋转边增加高度；
全柔性单向轴承（2）主要由轴承内圈（3）和轴承外圈（4）构成，轴承内圈（3）包括同轴依次顺序连接的内圈连接板（5）、上凸台（6）、轴芯（7）和下凸台（8），上凸台（6）一端通过过渡轴连接到内圈连接板（5），轴芯（7）的外侧面为双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面；轴承外圈（4）主要由上槽（9）、中央孔（13）、下槽（14）、轴承硅胶管（10）、环形气室（11）和纤维（12）组成，轴承外圈（4）的外周面上均匀缠绕有纤维（12），轴承外圈（4）的内部设有由上槽（9）、中央孔（13）、下槽（14）同轴依次相连通构成的空腔；轴承外圈（4）上端面中心开有通孔，上槽（9）与通孔相连通，中央孔（13）的内径小于上槽（9）和下槽（14）的内径，中央孔（13）的内壁与轴承外圈（4）的外壁之间开有环形气室（11），轴承硅胶管（10）一端与环形气室（11）相连通，另一端连接到外部气源；轴承内圈（3）除内圈连接板（5）以外的各个部件均装于轴承外圈（4）的空腔中，过渡轴装于通孔，上凸台（6）装于上槽（9），下凸台（8）装于下槽（14），轴芯（7）装于中央孔（13）；
所述的轴承硅胶管（10）接高压气体后，纤维（12）限制环形气室（11）向外部膨胀，环形气室（11）仅向内侧膨胀使中央孔（13）内壁弯曲变形，从而挤压中央孔（13）的内壁与轴承内圈（3）的轴芯（7）外壁紧密贴合，轴承内圈（3）和轴承外圈（4）成为一体；轴承硅胶管（10）接大气压后，中央孔（13）和轴芯（7）之间不产生相互挤压，轴承内圈（3）和轴承外圈（4）分开。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性连续旋转执行器，其特征在于：所述的全柔性扭转执行器（1）的下底面（18）与轴承内圈（3）的内圈连接板（5）固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种全柔性连续旋转执行器，其特征在于：所述的全柔性扭转执行器（1）和全柔性单向轴承（2）均用同种硅胶材料制作。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性连续旋转执行器，其特征在于：所述的上凸台（6）、上槽（9）、下凸台（8）和下槽（14）表面均涂有润滑脂。
5.一种权利要求1~4任一所述的全柔性连续旋转执行器的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
0)：全柔性扭转执行器（1）和全柔性单向轴承（2）均接大气压；
1)：全柔性单向轴承（2）接高压气体，使轴承内圈（3）和轴承外圈（4）相互挤压，成为一体；
2)：全柔性扭转执行器（1）接负压，从而驱动轴承内圈（3）和轴承外圈（4）同时沿顺时针方向旋转；
3)：全柔性单向轴承（2）接大气压，使轴承内圈（3）和轴承外圈（4）的挤压力消失，轴承内圈（3）和轴承外圈（4）分开；
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