CN110238836A - 一种气动软体弯曲转向结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动软体弯曲转向结构，包括上底座、下底座、气动伸长关节；所述气动伸长关节包括一体成型的底座凸台和硅胶主体，所述底座凸台与所述硅胶主体均为中空结构；所述硅胶主体外围缠绕有弹性纤维；所述弹性纤维外围成型有二次固化层，所述二次固化层包裹住所述硅胶主体；所述二次固化层一端连接在所述底座凸台上、另一端具有第二凸台；所述第二凸台可拆卸的安装在所述上底座中；所述底座凸台可拆卸的安装在所述下底座中；本气动软体弯曲转向结构，结构简单，操纵方便、对于操作者技能要求低，只需要针对某个气动伸长关节进行充气就可以发生三个到多个方向的弯曲，适用范围广。

Description

一种气动软体弯曲转向结构

技术领域

本发明涉及到气动转向结构技术领域，具体涉及到一种气动软体弯曲转向结构。

背景技术

近年来，传统机械结构相关的技术已经趋于成熟，许多工业、农业等机器人开始大量的生产并投入使用，但是其往往负责笨重的、重复的、危险的工作。为解放人的繁重劳动，实现社会生产的机械化和自由化发挥了巨大的作用。随着时代的发展，人们对于机械结构提出了更多的要求，例如在分拣抓取、医疗机械辅助装置等特殊领域需要具备更优秀的安全性、友好型和人机交互性。然而对于传统的机械结构而言，变形范围小、自由度有限、缺乏必要的感知能力与柔顺控制，对于人们提出的生活生产需求难以得到充分满足。

软体结构出现后，因为其优越的性能引起了国内外学者的广泛关注，成为了机器人领域的热点问题。将软体结构运用进机器人中，对于提高机械结构的抓取效率和安全性具有重大意义。在自然界中，生物的组成大部分为软体组织结构，例如，水母、象鼻、章鱼等，其软体的结构不仅保证了生物在运动中处于最佳的状态，而且增强了生物的环境适应性，这些正是机械软体结构的设计灵感。

目前，现有大多数的气动软体结构均为软体手抓。软体手是利用柔性材料，例如硅胶、形状记忆合金等，制作而成的具有高自由度，强柔顺性的机械手。软体抓手在抓取物体时与被抓物体形成良好的互容效果，具有强适应性与高柔顺性，适用于各种复杂的环境，在医疗、工业、农业等领域有着重要的意义。但是，软体手抓的抓取需要达到指定的位置后进行。因此，需要设计一种弯曲转向结构，弯曲转向结构具有转向角度多变的特点，与软体手抓连接后，使手抓的抓取效率增大、灵活性增大，而且弯曲转向结构的运动范围较大，对于复杂环境的适应性增强。

另外，目前的转向结构，大多采用的是刚性机械构件。刚性转向结构一般运用在汽车的转向机构中，控制汽车的转向，包括电动助力转型和液压助力转向结构。或者是UR机械手臂，采用单个手臂的扭转运动或者多个手臂的扭转运动的结合达到转向的效果。但是对于现在的软体结构而言，刚性转向结构与柔性抓手的结合，一方面增加了控制的难度，另一方面，刚度的增加，增加了物体损坏的可能性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种气动软体弯曲转向结构，该结构具有结构与操纵简单、成本低、对于操作者技能要求低，普及性高等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种气动软体弯曲转向结构，包括上底座和下底座，所述上底座和所述下底座之间可拆卸连接有若干根气动伸长关节；所述气动伸长关节包括一体成型的底座凸台和硅胶主体，所述底座凸台与所述硅胶主体均为中空结构，所述硅胶主体的内腔连通至所述底座凸台的内腔，所述底座凸台远离所述硅胶主体的一面具有通气开口；所述硅胶主体外围缠绕有弹性纤维；所述弹性纤维外围成型有二次固化层，所述二次固化层包裹住所述硅胶主体；所述二次固化层一端连接在所述底座凸台上、另一端具有第二凸台；所述第二凸台可拆卸的安装在所述上底座中；所述底座凸台可拆卸的安装在所述下底座中。

本气动软体弯曲转向结构工作时，向其中一个气动伸长关节的内腔中通入一定压力的气体，该气动伸长关节发生伸长的作用，其余的气动伸长关节长度保持不变，由于气动伸长关节的首尾都被固定，其中不通气的气动伸长关节不发生伸长变形对整体结构构成一定的限制作用，因此整体的转向结构发生弯曲；

若本结构具有3个气动伸长关节，如果只对单根伸长关节进行充气拉伸，其余两个只通入初始气压保持原长，则可以发生三个不同方向的弯曲；如果对其中两个气动伸长关节的内腔进行通气，或者三个内腔通入不同的气压，则会产生多向弯曲转向的效果。

弹性纤维的设置，能够增加径向约束，约束硅胶主体的径向膨胀，增大轴向的伸长。

由于硅胶主体较为柔软，会随着气压的增大发生径向的膨胀和轴向的伸长，但是由于弹性纤维的缠绕，使得径向的膨胀得到而束缚，从而径向膨胀减小，轴向的拉伸增大，整体结构发生伸长的变形状态。

二次固化层能够将硅胶主体，弹性纤维进行包裹，增加了结构的完整性，而且有利于将其安装在下底座上。

进一步的，所述下底座包括相互螺接的第一端盖和第一连接底座；所述第一连接底座上具有若干个第一凹槽，所述第一凹槽的内轮廓尺寸小于或等于所述底座凸台的外轮廓尺寸，所述底座凸台安装在所述第一凹槽中；所述第一端盖上具有若干压台，所述压台的外轮廓尺寸大于或等于所述底座凸台的内腔轮廓尺寸，所述压台套设在所述底座凸台的内腔中；所述压台与所述第一凹槽一一对应设置；所述压台上设有贯穿的通气孔，所述通气孔一端连通至所述底座凸台的内腔、另一端连接有气动连接件和气阀。所述通气孔能够将外部压缩空气导入所述硅胶主体的内腔中，气阀可以独立控制每根气动伸长关节的通气状态。所述螺接可以是螺栓连接或螺钉连接。所述第一端盖和第一连接底座上开有相互对应的螺孔。

进一步的，所述底座凸台与所述压台和所述第一凹槽之间过盈配合连接。通过过盈配合能够将所述气动伸长关节固定在下底座上，气密性良好。

进一步的，所述上底座包括相互螺接的第二端盖和第二连接底座；所述第二连接底座上设有若干第二凹槽，所述二次固化层的所述第二凸台安装在所述第二凹槽中；所述第二凹槽内轮廓尺寸小于或等于所述第二凸台的轮廓尺寸。

通过螺接的方式可以将气动伸长关节、上底座和下底座进行拆卸，并且可以根据需求选择气动伸长关节的尺寸和个数，发生故障时，可以分别进行拆卸和调换，使用寿命长，故障排查也较为方便；优选的，所述气动伸长关节为3根圆柱形关节；所述底座凸台、所述硅胶主体及所述二次固化层均为圆柱形。

进一步的，所述底座凸台与所述二次固化层均为硅胶材质；所述弹性纤维为弹簧材料。一方面是因为充气前刚性弹簧能保证硅胶主体的形状，使得柔软度高、顺应性高的硅胶主体能够保持固定的形状；另一方面，弹簧使得变形后的硅胶主体，在失去气压的瞬间恢复成为原来的形状。

进一步的，所述底座凸台的直径大于所述硅胶主体的直径；所述二次固化层的直径介于两者之间。

进一步的，一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的制作方法，所述方法包括以下步骤：

S1：制作主体模具，根据图纸尺寸，通过3D打印的方式将所述气动伸长关节的底座凸台和硅胶主体的主体模具打印出来；所述主体模具包括一对相互配合的内模和外模；所述内模结构为所述底座凸台和所述硅胶主体的内腔轮廓结构；

S2：进行硅胶浇注，将硅胶注入所述主体模具中，待硅胶凝固成型，开模得到一体成型的所述底座凸台和硅胶主体，对其表面及内腔进行清理，去取毛刺；

S3：将弹性纤维缠绕在所述硅胶主体上；

S4：再对已经缠绕有弹性纤维的硅胶主体的进行二次固化，利用3D打印直接在所述硅胶主体外围打印出所述二次固化层；

S5：对所述二次固化层表面进行清理，即可得到所述气动伸长关节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本气动软体弯曲转向结构，结构简单，操纵方便、对于操作者技能要求低，只需要针对某个气动伸长关节进行充气就可以发生三个到多个方向的弯曲，气压的大小决定了本结构的弯曲幅度；2、本气动软体弯曲转向结构采用硅胶制作，安全卫生，无毒害现象，而且制作材料容易获取，成本较低；3、本气动软体弯曲转向结构柔软度高、顺应性强，刚度低、破坏性小，适用领域广阔，如医疗服务、果蔬采摘、曲面检测、侦察搜救等；4、本气动软体弯曲转向结构为可拆卸连接，发生故障时，气动伸长关节和上、下底座能够分别进行拆卸和调换，使用寿命长，故障排查也较为方便。

附图说明

图1为本发明一种气动软体弯曲转向结构的整体爆炸结构示意图；

图2为本发明一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的爆炸结构示意图；

图3为本发明一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的剖视结构示意图；

图4为本发明一种气动软体弯曲转向结构的下底座的爆炸结构示意图；

图5为本发明一种气动软体弯曲转向结构的上底座的爆炸结构示意图；

图6为本发明一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的布置示意图；

图7为本发明一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的常态示意图；

图8为本发明一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的弯曲示意图；

图中：1、气动伸长关节；2、下底座；201、第一端盖；202、第一连接底座；203、第一凹槽；204、压台；205、通气孔；3、上底座；301、第二端盖；302、第二连接底座； 303、第二凹槽；4、硅胶主体；5、弹簧纤维；6、底座凸台；7、二次固化层；701、第二凸台；8、螺孔。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

如图1～图3所示，一种气动软体弯曲转向结构，包括上底座3和下底座2，所述上底座3和所述下底座2之间可拆卸连接有3根气动伸长关节1；所述气动伸长关节1包括一体成型的底座凸台6和硅胶主体4，所述底座凸台6与所述硅胶主体4均为圆柱形中空结构，所述硅胶主体4的内腔连通至所述底座凸台6的内腔，所述底座凸台6远离所述硅胶主体4的一面具有通气开口；所述硅胶主体4外围缠绕有弹簧纤维5；所述弹簧纤维5 外围成型有二次固化层7，所述二次固化层7包裹住所述硅胶主体4；所述二次固化层7 一端连接在所述底座凸台6上、另一端具有第二凸台701；所述第二凸台701可拆卸的安装在所述上底座3中；所述底座凸台6可拆卸的安装在所述下底座2中。

本气动软体弯曲转向结构工作时，向其中一个气动伸长关节的内腔中通入一定压力的气体，该气动伸长关节发生伸长的作用，其余的两根气动伸长关节长度保持不变，由于气动伸长关节的首尾都被固定，其中不通气的气动伸长关节不发生伸长变形对整体结构构成一定的限制作用，因此整体的转向结构发生弯曲；

如果只对单根伸长关节进行充气拉伸，其余两个只通入初始气压保持原长，则可以发生三个不同方向的弯曲；如果对其中两个气动伸长关节的内腔进行通气，或者三个内腔通入不同的气压，则会产生多向弯曲转向的效果。

弹簧纤维5的设置，能够增加径向约束，约束硅胶主体的径向膨胀，增大轴向的伸长。

由于硅胶主体4较为柔软，会随着气压的增大发生径向的膨胀和轴向的伸长，但是由于弹簧纤维5的缠绕，使得径向的膨胀得到而束缚，从而径向膨胀减小，轴向的拉伸增大，整体结构发生伸长的变形状态。

二次固化层7能够将硅胶主体4，弹簧纤维5进行包裹，增加了结构的完整性，而且有利于将其整体安装在下底座2上。

进一步的，如图4所示，所述下底座2包括相互螺接的第一端盖201和第一连接底座202，所述第一端盖201和所述第一连接底座202相互对应的位置上设有3个螺孔；所述第一连接底座202上具有3个圆形第一凹槽203，所述第一凹槽203的内径略小于所述底座凸台6的外径，所述底座凸台6安装在所述第一凹槽203中；所述第一端盖201上具有 3个压台204，所述压台204的外径略大于所述底座凸台6的内腔直径，所述压台204套设在所述底座凸台6的内腔中；所述压台204与所述第一凹槽203一一对应设置；所述压台204上设有贯穿的通气孔205，所述通气孔205一端连通至所述底座凸台6的内腔、另一端连接有气动连接件和气阀。所述通气孔205能够将外部压缩空气导入所述硅胶主体的内腔中，气阀可以独立控制每根气动伸长关节的通气状态。所述螺接为螺栓连接。

进一步的，所述底座凸台6与所述压台204和所述第一凹槽203之间过盈配合连接。通过过盈配合能够将所述气动伸长关节1固定在下底座2上，而且气密性良好。

进一步的，如图5所示，所述上底座3包括螺栓连接的第二端盖301和第二连接底座302；所述第二连接底座302上设有3个圆形第二凹槽303，所述二次固化层7的所述第二凸台701安装在所述第二凹槽303中；所述第二凹槽303内径略小于所述第二凸台701的外径。

通过螺接的方式可以将气动伸长关节1、上底座3和下底座2进行拆卸和调换，使用寿命长，故障排查也较为方便。

进一步的，所述底座凸台6与所述二次固化层7均为硅胶材质，材料型号为Smooth-On 公司的Ecoflex 00-50；一方面是因为充气前刚性弹簧纤维5能保证硅胶主体4的形状，使得柔软度高、顺应性高的硅胶主体4能够保持固定的形状；另一方面，弹簧纤维5使得变形后的硅胶主体4，在失去气压的瞬间恢复成为原来的形状。

进一步的，所述底座凸台6的直径大于所述硅胶主体4的直径；所述二次固化层7的直径介于两者之间。

实施例二：

如图6～图8所示为一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的布置方式，三根气动伸长关节1分别为A₀A₁、B₀B₁、C₀C₁；在三根气动伸长关节1的内腔都未充气的状态下，三根气动伸长关节1为垂直状态，在图7的侧视图中，有两根气动伸长关节1发生了重叠，分别为B₀B₁、C₀C₁；之后，给气动伸长关节B₀B₁、C₀C₁充入一定气压的气体，使其保持原长，再给A₀A₁充入更多的气体，使其发生伸长作用，但是由于气动伸长关节1的两端分别在上底座3与下底座2中牢固固定，B₀B₁、C₀C₁在整体结构中长度不变，形成了约束作用，因此，另一个伸长关节A₀A₁发生了弯曲之后，气动软体弯曲转向结构整体结构也随之发生了弯曲，形成了转向；通入的气压越大，弯曲的角度越大。

实施例三：

一种气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的制作方法，所述方法包括以下步骤：

S1：制作主体模具，根据图纸尺寸，通过3D打印的方式将所述气动伸长关节的底座凸台和硅胶主体的主体模具打印出来；所述主体模具包括一对相互配合的内模和外模；所述内模结构为所述底座凸台和所述硅胶主体的内腔轮廓结构；

S2：进行硅胶浇注，将硅胶注入所述主体模具中，待硅胶凝固成型，开模得到一体成型的所述底座凸台和硅胶主体，对其表面及内腔进行清理，去取毛刺；

S3：将弹性纤维缠绕在所述硅胶主体上；

S4：再对已经缠绕有弹性纤维的硅胶主体的进行二次固化，利用3D打印直接在所述硅胶主体外围打印出所述二次固化层；

S5：对所述二次固化层表面进行清理，即可得到所述气动伸长关节。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种气动软体弯曲转向结构，包括上底座和下底座，所述上底座和所述下底座之间可拆卸连接有若干根气动伸长关节；其特征在于，所述气动伸长关节包括一体成型的底座凸台和硅胶主体，所述底座凸台与所述硅胶主体均为中空结构，所述硅胶主体的内腔连通至所述底座凸台的内腔，所述底座凸台远离所述硅胶主体的一面具有通气开口；所述硅胶主体外围缠绕有弹性纤维；所述弹性纤维外围成型有二次固化层，所述二次固化层包裹住所述硅胶主体；所述二次固化层一端连接在所述底座凸台上、另一端具有第二凸台；所述第二凸台可拆卸的安装在所述上底座中；所述底座凸台可拆卸的安装在所述下底座中。

2.根据权利要求1所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述下底座包括相互螺接的第一端盖和第一连接底座；所述第一连接底座上具有若干个第一凹槽，所述第一凹槽的内轮廓尺寸小于或等于所述底座凸台的外轮廓尺寸，所述底座凸台安装在所述第一凹槽中；所述第一端盖上具有若干压台，所述压台的外轮廓尺寸大于或等于所述底座凸台的内腔轮廓尺寸，所述压台套设在所述底座凸台的内腔中；所述压台与所述第一凹槽一一对应设置；所述压台上设有贯穿的通气孔，所述通气孔一端连通至所述底座凸台的内腔、另一端连接有气动连接件和气阀。

3.根据权利要求2所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述底座凸台与所述压台和所述第一凹槽之间过盈配合连接。

4.根据权利要求1所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述上底座包括相互螺接的第二端盖和第二连接底座；所述第二连接底座上设有若干第二凹槽，所述二次固化层的所述第二凸台安装在所述第二凹槽中；所述第二凹槽内轮廓尺寸小于或等于所述第二凸台的轮廓尺寸。

5.根据权利要求1所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述气动伸长关节为3根圆柱形关节；所述底座凸台、所述硅胶主体及所述二次固化层均为圆柱形。

6.根据权利要求1所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述底座凸台与所述二次固化层均为硅胶材质；所述弹性纤维为弹簧材料。

7.根据权利要求5所述的气动软体弯曲转向结构，其特征在于，所述底座凸台的直径大于所述硅胶主体的直径；所述二次固化层的直径介于两者之间。

8.一种制作如权利要求1所述的气动软体弯曲转向结构的气动伸长关节的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：制作主体模具，根据图纸尺寸，通过3D打印的方式将所述气动伸长关节的底座凸台和硅胶主体的主体模具打印出来；所述主体模具包括一对相互配合的内模和外模；所述内模结构为所述底座凸台和所述硅胶主体的内腔轮廓结构；

S2：进行硅胶浇注，将硅胶注入所述主体模具中，待硅胶凝固成型，开模得到一体成型的所述底座凸台和硅胶主体，对其表面及内腔进行清理，去取毛刺；

S3：将弹性纤维缠绕在所述硅胶主体上；

S4：再对已经缠绕有弹性纤维的硅胶主体的进行二次固化，利用3D打印直接在所述硅胶主体外围打印出所述二次固化层；

S5：对所述二次固化层表面进行清理，即可得到所述气动伸长关节。