CN109176500A - 一种软体变刚度驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软体变刚度驱动装置，包括主体部分、末端部分和变刚度结构，主体部分，包括第一压缩面和第一弯曲面，第一压缩面整体为折纹状，第一弯曲面自然状态下平直，主体部分内部形成空腔结构，能够在负压驱动下收缩整体向所述第一压缩面弯曲；变刚度结构，包括在所述第一弯曲面的内壁上斜向固定的多个硬纸板，硬纸板相对于所述第一弯曲面的内壁只有一个自由度；末端部分，包括第二压缩面、第二弯曲面及连接口，末端部分通过连接口与主体部分一端连接，末端部分总体呈指状结构，内部形成空腔结构。本发明重量较轻、传送速度和反应灵敏度较高、使用寿命远远高于其他传动方式，创新性地利用负压特性实现了软体驱动装置的变刚度。

Description

一种软体变刚度驱动装置

技术领域

本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种软体变刚度驱动装置。

背景技术

随着科技的发展，机器人已广泛应用于军事、工业、科学探索等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平面自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这样运动的精确度高，但结构的刚性使得机器人的环境适应性较差，在狭窄空间及其他特殊空间的运动受到限制，制约了刚性机器人在某些领域的应用。随着软体机器人概念的引入，机器人因特殊场合而导致运动受到的限制得到有效的解决方法，机器人的应用领域也进一步的扩大。软体机器人大都模仿自然界的软体动物，其无限多的自由度和连续变形的特性，对支撑其运动的驱动装置提出了巨大的挑战。目前虽然也有不同驱动源的柔性驱动器，刚度可变，但依旧是刚性结构组成，无法很好地应用于软体机器人。然而采用可承受大应变的软体材料制成的柔性变刚度驱动装置可以很好地解决这一问题。

在设计柔性变刚度驱动装置的过程中，考虑可能的应用环境，应使结构紧凑、合理，同时应能够进行刚度调节，调节功能易于实现，还有比较快的响应特性。目前，国内外在柔性变刚度驱动装置这一领域已有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：装置的机构复杂、刚度调节范围太小或刚度不可调。

中国专利CN107756385A公开了一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器、软体手臂和软体平台，包括真空泵和单元模块，单元模块包括内柔性骨架、气管、外柔性层、堵塞机构、形变堵头和堵塞堵头；内柔性骨架具有中心通孔和沿周向均布的形变孔；堵塞机构固定在中心通孔内，堵塞机构包括支撑骨架、弹性连接绳索，大球颗粒、小球颗粒、收紧弹簧和密封薄膜；弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒和小球颗粒均填充在容纳腔内；堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管，每根气管的另一端均与真空泵相连接。该技术具有较好的环境适应能力，具有一定的刚度调节范围，但结构复杂不便于实际操作。

因此，制造一款结构紧凑、合理，并能够进行刚度调节，响应速度快的软体变刚度驱动装置显得尤为必要。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种结构简单、质量轻、传送速度及反应灵敏度较高、使用寿命长、对工作环境适用性强的软体变刚度驱动装置，其具体采用如下的技术方案：

一种软体变刚度驱动装置，其特征在于，包括：

主体部分，包括第一压缩面和第一弯曲面，所述第一压缩面整体为折纹状，所述第一弯曲面自然状态下平直，所述主体部分内部形成空腔结构，能够在负压驱动下收缩整体向所述第一压缩面弯曲；

变刚度结构，包括在所述第一弯曲面的内壁上斜向固定的多个硬纸板，所述硬纸板相对于所述第一弯曲面的内壁只有一个自由度；

末端部分，包括第二压缩面、第二弯曲面及连接口，所述末端部分通过连接口与所述主体部分一端连接，所述末端部分总体呈指状结构，内部形成空腔结构，能够在负压驱动下收缩整体向所述第二压缩面弯曲。

优选地，所述主体部分总体呈半圆柱状结构，所述第一压缩面为所述半圆柱的圆弧面，所述第一弯曲面为所述半圆柱沿轴向的平面。

优选地，所述主体部分一端为进/排气孔，另一端为连接槽；所述进/排气孔与气泵的接头紧密连接；所述连接槽的槽底与所述主体部分的空腔结构通过连接孔贯通。

优选地，所述硬纸板的倾斜方向均朝向同一方向，倾斜角度为70°～80°。

优选地，所述第一压缩面为折纹状表面，所述折纹状表面由多个折纹组成，每个所述折纹形状相同。

优选地，所述末端部分的手指背为第二压缩面，所述末端部分的手指心为第二弯曲面；所述末端部分采用软材料通过3D打印成型，优选地，所述软材料为聚乳酸或者硅胶。

优选地，所述末端部分的一端为封闭端，另一端为连接口，所述连接口与所述连接槽紧密连接。

优选地，所述连接口呈管状并突出于所述末端部分，所述连接口同圆心外围设置有密封管，所述密封管一端固定于所述末端部分上；当所述连接口插入所述连接槽内时，所述密封管能使所述连接口和所述连接槽密封。

优选地，所述第二压缩面呈曲面波纹表面，所述曲面波纹表面由多个波纹组成，每个所述波纹形状相同。

优选地，所述第二弯曲面在所述封闭端与所述第二压缩面呈圆弧过渡连接。

本发明所获得的有益技术效果：

1.本发明由于仅采用气压驱动作为软体变刚度驱动装置的驱动源，区别于传统纯机械传动，采用可气压驱动，在减轻了装置整体的重量同时，其传送速度和反应灵敏度要远高于纯机械传动；

2.本发明仅采用气压驱动作为软体变刚度驱动装置的驱动源，使得本发明对工作环境适应性强，并且本发明的使用寿命远远高于其他传动方式；

3.本发明采用柔性材质作为执行部位，使得本发明适合应用于新型软体医疗机器人的机器手等精密器械中，精准安全，提高了本发明的使用价值；

4.本发明通过将第一压缩面设计为折纹状和第二压缩面设计为波纹状，将第一弯曲面和第二弯曲面设计为自然状态下平直，使本发明的内部空腔施加负压后，利用折纹状表面和波纹状表面收缩快，平直面收缩慢的特性，使得本发明的软体变刚度驱动装置能够在工作过程中整体向有折纹和波纹的一侧弯曲，完成弯曲动作。

5.本发明在第一弯曲面的内壁上斜向固定多个硬纸板，当向主体空腔内施加负压后，所有硬纸板均向同一方向倾斜并且紧密排列，进而实现了将弯曲后的软体材料刚化的目的，即实现了本发明由柔性至刚性的变刚度功能，创新性地利用负压特性实现了软体驱动装置的变刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明软体变刚度驱动装置结构主视图；

图2为本发明软体变刚度驱动装置主体部分纵向剖面结构示意图；

图3为本发明软体变刚度驱动装置末端部分纵向剖面结构示意图。

其中：1—主体部分，2—末端部分，3—第一压缩面，4—进/排气孔，6—变刚度结构，7—第一弯曲面，8—连接槽，9—第二压缩面，11—第二弯曲面，12—连接口。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式均为本发明的优选实施例，其用于解释及理解本发明，并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

如图1-2所示，软体变刚度驱动装置，包括主体部分1、末端部分2和变刚度结构6，主体部分1，包括第一压缩面3和第一弯曲面7，第一压缩面3整体为折纹状，第一弯曲面7自然状态下平直，主体部分1内部形成空腔结构，当向主体部分1内部空腔施加负压后，主体部分的空腔在压力作用下收缩，由于第一压缩面3的折纹一侧收缩空间小于第一弯曲面7一侧，有折纹的一侧较之于平面一侧收缩完成速度更快，因此主体部分整体向有折纹一侧弯曲，完成弯曲动作。

如图2所示，变刚度结构6，包括在第一弯曲面7的内壁上位于第一压缩面3折纹的波谷下方斜向固定设置的多个硬纸板，该硬纸板的倾斜方向均朝向同一方向，指向第一压缩面3折纹的波峰，倾斜角度为70°～80°，硬纸板相对于第一弯曲面7的内壁只有一个自由度，当主体部分的空腔内部为大气压强时由于硬纸板可移动，因此主体部分仍能正常弯曲，整体结构为柔性。当主体部分的空腔内部施加负压时，主体部分在负压作用下收缩空腔，此时各纸板之间相互接触形成连续结构，从而与压缩面内表面共同构成硅胶管支架，此时整体结构为刚性。

如图3所示，末端部分2，包括第二压缩面9、第二弯曲面11及连接口12，末端部分2通过连接口12与主体部分1一端连接，末端部分2总体呈指装结构，内部形成空腔结构，末端部分2的手指背为第二压缩面9，末端部分2的手指心为第二弯曲面11，第二压缩面9呈曲面波纹表面。末端部分的工作原理与主体部分相似，由负压驱动，当向末端部分内部空腔施加负压后，第二压缩面9在压力作用下收缩，由于第二压缩面9的波纹一侧收缩空间小于第二弯曲面11一侧，有折纹的一侧较之于平面一侧收缩完成速度更快，因此末端部分整体向有折纹一侧弯曲。

作为优选实施例，主体部分1总体呈半圆柱状结构，半圆柱状的圆弧面为第一压缩面3，半圆柱状沿纵向的平面为第一弯曲面7。

作为优选实施例，第一压缩面3为折纹状表面，折纹状表面由多个折纹组成，每个折纹形状相同。折纹的波峰和波谷高度差略大于半圆柱的半径，波峰和波谷的顶端呈平台状，平台宽度较小。

作为优选实施例，硬纸板宽度略小于第一弯曲面7的宽度，硬纸板的高度大于相邻硬纸板之间的间距，硬纸板的设置能满足，当主体部分1的空腔内受到负压时，硬纸板均向连接槽8倾斜并且紧密排列，随着负压压力的减小，硬纸板的排列越紧密。

作为优选实施例，所述主体部分1一端为进/排气孔4，另一端为连接槽8，进/排气孔4呈圆孔状，圆孔的直径能与气泵的接头紧密连接。连接槽8突出于主体部分1，连接槽8呈圆形槽状结构，连接槽8的槽口指向主体外侧，连接槽8槽底与主体部分的空腔结构通过连接孔贯通。

作为优选实施例，主体部分1由硅胶浇筑而成，末端部分2采用聚乳酸或者硅胶通过3D打印成型。

作为优选实施例，末端部分2的一端为封闭端，另一端为连接口12，连接口12与连接槽8紧密连接。第二弯曲面11在封闭端与第二压缩面9呈圆弧过渡连接。

作为优选实施例，第二压缩面9呈曲面波纹表面，曲面波纹表面由多个波纹组成，每个波纹形状相同。波纹的波峰和波谷高度差略大于末端部分2半径。

作为优选实施例，连接口12呈空心圆柱状，空心的直径与孔洞的直径相近，连接口12突出于末端部分2，连接口12同圆心外围设置有密封管，密封管一端固定于末端部分2上；当连接口12插入连接槽8内时，密封管能使连接口12和连接槽8密封。密封管的内径与连接口12的外径差的二分之一与连接槽8的槽壁厚度相同。当连接口12插入连接槽8内时，密封管能起到将连接口12和连接槽8密封的作用。

本发明软体变刚度驱动装置的使用方法如下：

1)将连接口12与连接槽8紧密对接，即将主体部分1和末端部分2紧密对接。

2)将软体变刚度驱动装置连接在机器人手臂上，并将连接口12接通气泵口。

3)将软体变刚度驱动装置移动到需要的部位，气泵经连接口12向主体部分1施加负压，使软体变刚度驱动装置收缩，由于第一压缩面3和第二压缩面9的收缩性优于第一弯曲面7和第二弯曲面11，所以软体变刚度驱动装置向第一压缩面3和第二压缩面9弯曲。由于第一弯曲面7的弯曲，导致所有硬纸板向一侧倾斜，并紧密排列，形成具有较强强度的变刚度结构，进而实现软体变刚度驱动装置设计功能。

4)使用完毕后，向主体部分1施加正压，使主体部分1和末端部分2内压强和外界大气压相同，并配合硬纸板状态复原的特性，使主体部分1和末端部分2恢复到原有状态。

如上所述，可较好地实施本发明，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。本发明中未进行特殊说明或限定的部分，均采用现有技术实施。

Claims (10)

1.一种软体变刚度驱动装置，其特征在于，包括：

主体部分(1)，包括第一压缩面(3)和第一弯曲面(7)，所述第一压缩面(3)整体为折纹状，所述第一弯曲面(7)自然状态下平直，所述主体部分(1)内部形成空腔结构，能够在负压驱动下收缩整体向所述第一压缩面(3)弯曲；

变刚度结构(6)，包括在所述第一弯曲面(7)的内壁上斜向固定的多个硬纸板，所述硬纸板相对于所述第一弯曲面(7)的内壁只有一个自由度；

末端部分(2)，包括第二压缩面(9)、第二弯曲面(11)及连接口(12)，所述末端部分(2)通过连接口(12)与所述主体部分(1)一端连接，所述末端部分(2)总体呈指状结构，内部形成空腔结构，能够在负压驱动下收缩整体向所述第二压缩面(9)弯曲。

2.根据权利要求1所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述主体部分(1)总体呈半圆柱状结构，所述第一压缩面(3)为所述半圆柱的圆弧面，所述第一弯曲面(7)为所述半圆柱沿轴向的平面。

3.根据权利要求1所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述主体部分(1)一端为进/排气孔(4)，另一端为连接槽(8)；所述进/排气孔(4)与气泵的接头紧密连接；所述连接槽(8)的槽底与所述主体部分的空腔结构通过连接孔贯通。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述硬纸板的倾斜方向均朝向同一方向，倾斜角度为70°～80°。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述第一压缩面(3)为折纹状表面，所述折纹状表面由多个折纹组成，每个所述折纹形状相同。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述末端部分(2)的手指背为第二压缩面(9)，所述末端部分(2)的手指心为第二弯曲面(11)；所述末端部分(2)采用软材料通过3D打印成型，优选地，所述软材料为聚乳酸或者硅胶。

7.根据权利要求3所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述末端部分(2)的一端为封闭端，另一端为连接口(12)，所述连接口(12)与所述连接槽(8)紧密连接。

8.根据权利要求3或7所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述连接口呈管状并突出于所述末端部分，所述连接口(12)同圆心外围设置有密封管，所述密封管一端固定于所述末端部分(2)上；当所述连接口(12)插入所述连接槽(8)内时，所述密封管能使所述连接口(12)和所述连接槽(8)密封。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述第二压缩面(9)呈曲面波纹表面，所述曲面波纹表面由多个波纹组成，每个所述波纹形状相同。

10.根据权利要求7任意一项所述的软体变刚度驱动装置，其特征在于，所述第二弯曲面(11)在所述封闭端与所述第二压缩面(9)呈圆弧过渡连接。