CN110497395A - 一种双向运动气动柔性驱动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向运动气动柔性驱动器及其工作方法，驱动器包括顶层气腔和底层气腔，底层气腔包括上层塑料片、下层塑料片和第一软管，上层塑料片和下层塑料片通过热塑封边连接从而形成一向上隆起的底层腔体，第一软管的一端与底层腔体连通、另一端与气源或大气连通，顶层气腔包括弹性顶层气腔腔室壁、第二软管，弹性顶层气腔腔室壁的底部与上层塑料片通过硅胶粘合剂粘结从而形成顶层腔体，第二软管的一端与顶层腔体连通、另一端与气源或大气连通。向顶层腔室充入高压气体，驱动器将发生弯曲变形，向底层腔室充入高压气体，即可将驱动器恢复到初始位置，本发明结构简单，通过双气腔并列结构可有效实现驱动器的弯曲与恢复。

Description

一种双向运动气动柔性驱动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及柔性驱动器技术领域,具体涉及一种双向运动气动柔性驱动器及其工作方法。

背景技术

气动柔性驱动器(又称气动肌肉)是近年来发展起来的一种新型驱动装置，它具有柔顺性好、安全性高、功率/重量比大、控制特性类似生物肌肉等优点，所以特别适合于一些对驱动的安全柔顺性要求较高的应用场合，如工业夹持、医疗康复技术应用等领域。目前广泛使用的气动柔性驱动器是由美国人J.L.Mckibben发明的Mckibben型气动肌肉，这种气动柔性驱动器由内部的橡胶管和外围编织网构成，充气后径向膨胀，轴向收缩，将气体压力转化为轴向的收缩力，但Mckibben型气动柔性驱动器仅能产生轴向的收缩力，无法提供推力，单个Mckibben也无法实现弯曲变形，无法提供弯曲力矩。

人手作为人类日常生活中使用频率最高的肢体部位，手部功能丧失将严重影响患者生活质量，然而近年来由于外伤、中风等疾病所引发的手部功能缺失的发病率一直居高不下。临床研究表明，高强度重复动作辅助治疗可有效提升患者肢体运动功能。康复器械相比较于理疗师一对一服务，可提高训练效率，降低康复成本。

在康复领域，时常需要康复器械提供弯曲与恢复两个方向的辅助力。中国专利201210424977.7提出了一种基于双气动柔性驱动器的手指康复器弯曲关节，利用两个结构参数完全相同的气动柔性驱动器结合其他金属部件，构成了可弯曲关节，向气动柔性驱动器内充入压缩气体，推动关节转动。但这种结构在恢复时，借助橡胶弹性和弹簧的作用，导致设备组件多、结构复杂。华中科技大学提出了一种对称结构，使两个具有相同结构参数的气动柔性驱动器底面贴合，分别向两个气动柔性驱动器充入压缩气体，即可实现整体的双向运动，该结构的缺点在于：体积大，任一轴向截面均存在波峰波谷，导致使用时受限于外界空间。专利201910308301.3采用了一种可弯曲的柔性驱动器，但该驱动器仅设有一个连通的气腔，故只能施加单向的辅助力。哈佛大学PanagiotisPloygerinos等人研究的纤维增强型气动柔性驱动器、新加坡国立大学Hong Kai等人研究的变刚度可弯曲气动柔性驱动器均只能提供单向的弯曲力矩，无法施加恢复时所需的辅助力。奥克兰大学在驱动器中添加了悬臂弹簧，利用弹簧的回弹力提供反向恢复力矩，但是该结构在弯曲时需要克服弹簧的反作用力，所需气体压力增大，且弹簧件降低驱动器安全性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双向运动气动柔性驱动器及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双向运动气动柔性驱动器，包括顶层气腔和底层气腔，所述底层气腔包括上层塑料片、下层塑料片和第一软管，所述上层塑料片和下层塑料片通过热塑封边连接从而在上层塑料片和下层塑料片之间形成一向上隆起的底层腔体，所述第一软管的一端与底层腔体连通、另一端与气源或大气连通，所述顶层气腔包括弹性顶层气腔腔室壁、第二软管，所述弹性顶层气腔腔室壁包括一体浇筑成形的顶层气腔腔室前壁、顶层气腔腔室中壁和顶层气腔腔室后壁，所述弹性顶层气腔腔室壁的底部与上层塑料片通过硅胶粘合剂粘结从而形成一顶层腔体，所述底层腔体位于所述顶层腔体内部，所述第二软管的一端通过顶层气腔腔室后壁与顶层腔体连通、另一端与气源或大气连通。

进一步地，所述上层塑料片的面积大于下层塑料片的面积。

进一步地，所述顶层气腔腔室壁呈连续的波折形，例如正弦波、方形波。

进一步地，所述弹性顶层气腔腔室壁的材料为硅胶。

一种根据上述所述的双向运动气动柔性驱动器的工作方法，所述方法包括弯曲过程和回复过程，

所述弯曲过程包括：在初始状态下通过第二软管向顶层气腔的顶层腔体内充入压缩气体，第一软管与大气连通，弹性顶层气腔腔室壁在充入的气体的压力作用下变形，上层塑料片不可伸长，弹性顶层气腔腔室壁伸长从而实现驱动器整体自顶层气腔向底层气腔的方向弯曲变形，并提供弯曲力矩；

所述回复过程包括：通过第一软管向底层气腔的底层腔体充入压缩气体，第二软管与大气连通，所述底层气腔受到压缩气体作用，由于上层塑料片和下层塑料片不可变形，底层腔体膨胀，产生自底层气腔向顶层气腔的方向的回复力矩，促使驱动器恢复到初始状态。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

(1)顶层气腔腔室壁呈连续的波折形，例如正弦波、方形波，该形状可提供较大的形变空间、完成较大的变形，提供较大的驱动力矩；

(2)通过两气腔并列的结构可有效实现驱动器的弯曲与恢复，提供两个方向的弯曲力矩，两气腔分别独立工作，相互配合，结构设计简单、合理、可靠，给康复患者提供快速、有效的辅助力。

附图说明

图1为本发明双向运动气动柔性驱动器的结构剖视图。

图2为底层气腔的结构示意图。

图3为本发明双向运动气动柔性驱动器的立体结构示意图。

图4为本发明双向运动气动柔性驱动器的弯曲和回复过程的切换示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1-3所示，一种双向运动气动柔性驱动器，包括顶层气腔4和底层气腔6，所述底层气腔6包括上层塑料片8、下层塑料片7和第一软管9，所述上层塑料片8和下层塑料片7通过热塑封边连接从而在上层塑料片8和下层塑料片7之间形成一向上隆起的条状底层腔体，所述第一软管9的一端与底层腔体连通、另一端与气源或大气连通，所述顶层气腔4包括弹性顶层气腔腔室壁、第二软管5，所述弹性顶层气腔腔室壁包括一体浇筑成形的顶层气腔腔室前壁1、顶层气腔腔室中壁2和顶层气腔腔室后壁3，所述弹性顶层气腔腔室壁的底部与上层塑料片8通过硅胶粘合剂粘结从而在弹性顶层气腔腔室壁与上层塑料片8之间形成一顶层腔体，所述底层腔体位于所述顶层腔体内部，所述第二软管5的一端通过顶层气腔腔室后壁3与顶层腔体连通、另一端与气源或大气连通。第二软管5与第一软管9相互独立，单独工作，二者结合的位置经过密封处理。

优选地，所述上层塑料片8的面积大于下层塑料片7的面积，图2中虚线表示热塑封边的位置。

优选地，所述顶层气腔腔室壁呈连续的波折形，例如正弦波、方形波。

优选地，所述弹性顶层气腔腔室壁的材料为硅胶。

结合图4，本发明的双向运动气动柔性驱动器的工作方法包括弯曲过程和回复过程，

所述弯曲过程A包括：在初始状态下通过第二软管5向顶层气腔4的顶层腔体内充入压缩气体，第一软管9与大气连通，底层气腔6内压力即为大气压，弹性顶层气腔腔室壁在充入的气体的压力作用下变形，压力大小取决于输入气体压力，上层塑料片8不可伸长，弹性顶层气腔腔室壁伸长从而实现驱动器整体自顶层气腔4向底层气腔6的方向弯曲变形，并提供弯曲力矩；

所述回复过程B包括：通过第一软管9向底层气腔6的底层腔体充入压缩气体，第二软管5与大气连通，顶层气腔4内压力即为大气压，所述底层气腔6受到压缩气体作用，由于上层塑料片8和下层塑料片7不可变形，底层腔体膨胀，产生自底层气腔6向顶层气腔4的方向的回复力矩，促使驱动器恢复到初始状态。

以人手康复为例说明本发明的具体使用，驱动器置于手套外侧，通过手套与人手相接触。若需要握拳，则通过第二软管5向顶层气腔4的顶层腔体内充入压缩气体，第一软管9与大气连通，完成过程A，从而提供弯曲力矩帮助人手手指弯曲。若需张开手指，则通过第一软管9向底层气腔6的底层腔体充入压缩气体，第二软管5与大气连通，完成过程B，从而提供回复力矩帮助人手手指张开，两个过程均可分别独立控制，能够快速、有效地提供辅助力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种双向运动气动柔性驱动器，其特征在于包括顶层气腔(4)和底层气腔(6)，所述底层气腔(6)包括上层塑料片(8)、下层塑料片(7)和第一软管(9)，所述上层塑料片(8)和下层塑料片(7)通过热塑封边连接从而在上层塑料片(8)和下层塑料片(7)之间形成一向上隆起的底层腔体，所述第一软管(9)的一端与底层腔体连通、另一端与气源或大气连通，所述顶层气腔(4)包括弹性顶层气腔腔室壁、第二软管(5)，所述弹性顶层气腔腔室壁包括一体浇筑成形的顶层气腔腔室前壁(1)、顶层气腔腔室中壁(2)和顶层气腔腔室后壁(3)，所述弹性顶层气腔腔室壁的底部与上层塑料片(8)通过硅胶粘合剂粘结从而形成一顶层腔体，所述底层腔体位于所述顶层腔体内部，所述第二软管(5)的一端通过顶层气腔腔室后壁(3)与顶层腔体连通、另一端与气源或大气连通。

2.根据权利要求1所述的双向运动气动柔性驱动器，其特征在于，所述上层塑料片(8)的面积大于下层塑料片(7)的面积。

3.根据权利要求1所述的双向运动气动柔性驱动器，其特征在于，所述顶层气腔腔室壁呈连续的波折形。

4.根据权利要求1所述的双向运动气动柔性驱动器，其特征在于，所述弹性顶层气腔腔室壁的材料为硅胶。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的双向运动气动柔性驱动器的工作方法，其特征在于，所述方法包括弯曲过程和回复过程，

所述弯曲过程包括：在初始状态下通过第二软管(5)向顶层气腔(4)的顶层腔体内充入压缩气体，第一软管(9)与大气连通，弹性顶层气腔腔室壁在充入的气体的压力作用下变形，上层塑料片(8)不可伸长，弹性顶层气腔腔室壁伸长从而实现驱动器整体自顶层气腔(4)向底层气腔(6)的方向弯曲变形，并提供弯曲力矩；

所述回复过程包括：通过第一软管(9)向底层气腔(6)的底层腔体充入压缩气体，第二软管(5)与大气连通，所述底层气腔(6)受到压缩气体作用，由于上层塑料片(8)和下层塑料片(7)不可变形，底层腔体膨胀，产生自底层气腔(6)向顶层气腔(4)的方向的回复力矩，促使驱动器恢复到初始状态。