CN110497396B - 一种可变刚度增强型气动软体驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变刚度增强型气动软体驱动器，非应变层黏贴于驱动腔内芯的底面上，形成初始驱动腔内芯，细丝沿初始驱动腔内芯的顶面和底面包裹初始驱动腔内芯的四周，细丝外侧设置驱动腔外侧封装皮肤层进行封装，得到封装的驱动腔体，将驱动腔体底平面黏于刚度调节腔包裹体的顶面，两端分别通过前端盖和后端盖进行密封，密封的驱动腔内芯内形成驱动气腔，刚度调节腔包裹体内形成变刚度调节气腔，若干内骨骼设置在变刚度调节腔内，颗粒球体分布在变刚度气腔内以及相邻两个内骨骼之间。气源进气导管自后端盖伸入驱动气腔，压缩空气通过气源导管进入驱动气腔，气源出气导管自后端盖伸入变刚度调节腔，通过气源导管对变刚度气腔进行抽真空。
Description
技术领域
本发明涉及气压传动领域，特别是涉及一种可变刚度增强型气动软体驱动器。
背景技术
气动软体驱动器(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，广泛应用于柔性夹持器、仿生手指、软体机器人等领域中，尤其在柔性夹持器领域中，柔性气动软体驱动器扮演着极其重要的作用，满足多种不同环境的需求，对气动软体驱动器的设计及性能提出了新的要求。具有较大的变形能力，在精确定位的前提下实现大范围的刚度调节以及自身具有较强的承载能力，做到刚柔兼顾等是软体驱动器的希望具备的性能。针对上述问题及需求，国内外的学者及技术人员提出了一系列新型柔性驱动器设计方案。
为使软体驱动器实现弯曲运动，提供弯曲力矩，中国专利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，且承载能力较差，同样不能进行刚度调节。哈佛大学Panagiotis Ploygerinos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，并且该驱动器的位姿控制精度较低。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。
此外，中国专利201810784613.7提供了一种气动软体抓手，包括气动软体驱动器、夹持装置；气动软体驱动器是有气腔的空心柱状结构，横截面为半圆形。三个气动软体驱动器按圆周均布组成抓手，每个气动软体驱动器的一端固定在辅助设计的夹持装置上，气压作用下自由端会产生朝向圆心方向的弯曲动作，三个协调配合实现抓取任务。尽管该驱动器具有较大的变形能力，但由于自身的刚度较低，无法实现大范围的刚度调节，且位姿控制的精确性较差。
为使得软体驱动器能够在大范围变形前提下实现刚度调节，为此，中国专利201811199989.8提出的一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，包括一个限制层结构和两个结构相同的变形层结构，变形层结构是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构组成，折纸结构可以通过折展与材料自身的超弹性实现两种不同状态的轴向伸缩，使变形层结构发生两种不同状态的轴向伸缩。变形层结构两种不同状态的轴向伸缩导致结构的刚度发生变化，则驱动器可利用变形层结构不同状态的刚度变化实现变刚度驱动。尽管该驱动器在满足运动姿态的前提下可实现刚度调节，但承载能力较差，位姿控制的精确性亦较差。
还有，中国专利201811170700.X提出了一种基于颗粒阻塞的变刚度气动软体驱动器，该驱动器阻塞层和驱动层组成，阻塞层和驱动层呈上下层关系相联接，驱动层实现驱动器的弯曲变形；阻塞层利用颗粒阻塞实现驱动器变刚度。阻塞层的柔性囊为条状形柔性薄膜结构，形成一个能用于填充阻塞颗粒的空腔。利用阻塞颗粒在非真空和真空状态分别表现出流态和固态实现阻塞层的刚度变化。驱动层的膨胀变形层由若干个呈等间距直线排列的拱形膨胀气囊组成。通过阻塞层处于非真空状态和真空状态的刚度变化来调节驱动器的刚度变化。尽管该驱动器在实现弯曲运动的前提下能够变刚度功能，但由于该变刚度腔内的粒子排布的不确定性，直接导致刚度控制的重复性较低，此外，该驱动器是由若干个呈等间距的独立的半圆形气囊膨胀变形驱动，变形能力较强，但将直接导致驱动器的承载能力较低，且输出力较小，力学性能较差，
另外，中国专利201810365694.7提出了一种基于新型变刚度结构的刚软耦合气动驱动器，该刚软耦合气动驱动器的基本功能为：第一种不拉纤维绳，刚软耦合气动驱动器是软的状态，向刚软耦合气动驱动器气腔加压后输出力较小，第二种拉纤维绳，刚软耦合气动驱动器是硬的状态，向刚软耦合气动驱动器气腔加压后输出力较大。尽管该驱动器在实现变形驱动的基础上能够变刚度，但由于刚度的调节是由拉绳的力决定，拉绳会影响到驱动器的变形以及工作情况。不利于同时精确的控制变形和刚度。
当前，大多数柔性驱动器无法同时兼得大范围的驱动变形、精确的位姿控制、大范围的刚度调节以及较好的力学性能等性能。此外，现有的软体气动驱动器的承载能力较差，高压下的稳定性和安全性较差。同时具备较大的变形能力、精确的位姿控制、较大范围内的刚度调节以及较强的承载能力和安全性，稳定性是未来软体驱动器的主要发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变刚度增强型气动软体驱动器，驱动器能够实现精确的位置控制和刚度调节功能，解决了柔性驱动器的定位精度差、稳定性差以及刚度不可控等问题。
实现本发明的目的的技术解决方案为：一种可变刚度增强型气动软体驱动器包括前端盖、驱动腔外侧封装皮肤层、细丝、驱动腔内芯、非应变层、刚度调节腔包裹体、后端盖、气源进气导管、气源出气导管、若干内骨骼和若干颗粒球体。驱动腔内芯为长管体，刚度调节腔包裹体为方管，非应变层采用编织带，非应变层通过粘合剂黏贴于驱动腔内芯的底面上，形成初始驱动腔内芯，纤维丝沿初始驱动腔内芯的顶面和底面包裹初始驱动腔内芯四周，漏出两端，纤维丝外侧设置驱动腔外侧封装皮肤层进行封装，得到封装驱动腔内芯，将封装驱动腔内芯底平面通过粘合剂黏于刚度调节腔包裹体的顶面，封装驱动腔内芯和刚度调节腔包裹体的两端分别通过前端盖和后端盖进行密封，封装驱动腔内芯内形成驱动气腔，刚度调节腔包裹体内形成变刚度气腔，若干呈线性排布依次连接的内骨骼设置在变刚度气腔内，颗粒球体分布在变刚度气腔内且位于相邻两个内骨骼之间。气源进气导管自后端盖伸入驱动气腔，压缩空气通过气源导管进入驱动气腔，气源出气导管自后端盖伸入变刚度气腔，通过气源导管对变刚度气腔进行抽真空。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明采用形状单一的气腔，安全性和稳定性好、承压能力和弹性恢复能力强、能够实现大范围的弯曲变形且驱动力大。
(1)本发明驱动气腔内芯下侧粘合了非应变层(编织带)，从而约束了驱动器轴向变形，利用驱动气腔在压缩气体的驱动下，自身上下侧产生的应变差以实现驱动器的弯曲运动。驱动器在实现弯曲运动功能下，结构简单，稳定可靠。
(2)本发明驱动器周向变形采用细丝约束，有效的精简了结构的复杂性和减小驱动器体积，同时也增强了气腔的承受压缩空气的能力。
(3)本发明变刚度腔室内置的内骨骼采用机械式铰链首尾连接，做到弯曲运动灵活，阻力小且稳定可靠，弯曲位姿的重复性高。
(4)本发明变刚度腔室内置内骨骼之间填充颗粒球体，实现变刚度腔灵活弯曲变形，且在刚度调节腔包裹体内不易乱位排列，保证了真空度对刚度的精准控制。
(5)本发明各个模块采用压缩空气和抽真空驱动，本发明有益于环保与节能，且对不同环境具有很好的忍耐度及适应能力，可作为可控刚度软体执行器，或应用于柔性夹持器、软体机器人、医疗操作、服务型机器人末端的机械手、海底勘探等领域，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器的结构剖面示意图。
图2、图3、图4为图1的局部放大示意图。
图5为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器的正面剖面结构示意图。
图6为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器的三维结构剖面示意图。
图7为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器的前端盖的结构示意图。
图8为本发明一变刚度增强型气动软体驱动器的驱动气腔内芯的结构示意图。
图9为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器的刚度调节腔包裹体结构示意图。
图10为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器变刚度气腔内的内骨骼的三维结构示意图。
图11为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器变刚度气腔内的内骨骼三维剖面结构示意图。
图12为本发明可变刚度增强型气动软体驱动器变刚度气腔内的后端盖结构示意图。
图13为本发明的工作原理示意图，非工作状态下和工作状态下驱动器结构变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图13，本发明一种可变刚度增强型气动软体驱动器，本发明的基本思想是采用压缩空气驱动的方式和抽真空进行刚度调控。
结合图1至图4，一种可变刚度增强型气动软体驱动器包括前端盖1、驱动腔外侧封装皮肤层2、细丝3、驱动腔内芯4、非应变层5、刚度调节腔包裹体6、后端盖11、气源进气导管12、气源出气导管13、若干内骨骼7和若干颗粒球体8。驱动腔内芯4为长管体，刚度调节腔包裹体6为方管，非应变层5采用编织带，非应变层5通过粘合剂黏贴于驱动腔内芯4的底面上，形成初始驱动腔内芯，细丝3沿初始驱动腔内芯的顶面和底面包裹初始驱动腔内芯四周，漏出两端，细丝3外侧设置驱动腔外侧封装皮肤层2进行封装，得到封装驱动腔内芯，将封装驱动腔内芯底平面通过粘合剂黏于刚度调节腔包裹体6的顶面，封装驱动腔内芯和刚度调节腔包裹体6的两端分别通过前端盖1和后端盖11进行密封，封装驱动腔内芯内形成驱动气腔9，刚度调节腔包裹体6内形成变刚度气腔10，若干呈线性排布依次连接的内骨骼7设置在变刚度气腔10内，颗粒球体8分布在变刚度气腔10内以及相邻两个内骨骼7之间。气源进气导管12自后端盖11伸入驱动气腔9，压缩空气通过气源进气导管12进入驱动气腔9，气源出气导管13自后端盖11伸入变刚度气腔10，通过气源出气导管13对变刚度气腔10进行抽真空。
进一步地，驱动气腔9和变刚度气腔10平行设置，延伸方向一致，且驱动气腔9位于变刚度气腔10的正上方。
所述驱动气腔9采用单一气腔，气腔截面选用矩形、半圆形、弓形、椭圆或半椭圆；驱动腔内芯4和驱动腔外侧封装皮肤层2选用高气密性特种橡胶为丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶或乳胶；
所述非应变层5的编织带采用棉、麻、丝绸、皮革、化纤、混纺和莫代尔材料。
所述细丝3采用绸、棉、麻、金属、塑料、皮革材料。
所述驱动腔外侧封装皮肤层2采用的高气密性特种橡胶为丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、乳胶、乙烯基或涂层布。
所述刚度调节腔包裹体6采用的高气密性特种橡胶为丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、乳胶、乙烯基或涂层布。
所述内骨骼7采用塑料、金属、木材、树脂或复合材料。
所述颗粒球体8采用金属颗粒球体、塑料球体、木质球体、谷物颗粒、聚合物颗粒的一种或其组合。
所述粘合剂采用硅胶专用粘合剂、硅橡胶、AB胶、速干胶粘合。
结合图5和图6，一种可变刚度增强型气动软体驱动器由上侧的驱动气腔9驱动整个驱动器的弯曲运动，并由下侧的变刚度气腔10对整个驱动器的刚度进行调节。
结合图7，一种可变刚度增强型气动软体驱动器的前端盖1包括第一半圆形凸起1-1、第一方形凸起1-2和前固定板1-3，第一半圆形凸起1-1和第一方形凸起1-2固定在前固定板1-3上，且第一半圆形凸起1-1位于第一方形凸起1-2上方，第一半圆形凸起1-1连接驱动气腔9的前端，第一方形凸起1-2连接变刚度气腔10的前端。
结合图8，一种可变刚度增强型气动软体驱动器的驱动腔内芯4的内表面，承载压缩空气。
结合图9，一种可变刚度增强型气动软体驱动器的刚度调节腔包裹体6的内表面，填充内骨骼和颗粒球体。
结合图10和11，一种可变刚度增强型气动软体驱动器的内骨骼7，包括沿变刚度气腔10中心轴线方向依次设置连接的第一球体7-1、圆柱连接体7-2和第二球体7-3，第一球体7-1的顶面和底面铣出平面，用于贴合变刚度气腔10内壁面，第一球体7-1远离圆柱连接体7-2的一端向中心开有一个球形凹槽，所述球形凹槽内在垂直于纸面方向的两个面上设有平面，第二球体7-3在垂直于纸面方向的两个面上设有圆形的平面，第一球体7-1中带平面的球形凹槽用于连接与其相邻的第二球体7-3，使得内骨骼7只能实现单方向的弯曲。颗粒球体8分布在变刚度气腔10内且位于相邻两个内骨骼7之间，颗粒球体8环绕圆柱连接体7-2排列分布，有效的保证了颗粒球体8在刚度调节腔包裹体6内不易乱位排列。
结合图12，一种可变刚度增强型气动软体驱动器的后端盖11包括第二半圆形凸起12-1、第二方形凸起12-2和后固定板12-3，第二半圆形凸起12-1、第二方形凸起12-2设置在后固定板12-3上，第二半圆形凸起12-1位于第二方形凸起12-2上方，第二半圆形凸起12-1与第二方形凸起12-2上分别设有一个通孔，第二半圆形凸起12-1连接驱动气腔9的后端，第二方形凸起12-2连接变刚度气腔10的后端，气源进气导管12插入第二半圆形凸起12-1的通孔，气源出气导管13插入第二方形凸起12-2的通孔。
结合图13，本发明所述的可变刚度增强型气动软体驱动器分别为非工作状态和工作状态两个状态。过程A为弯曲刚度调节过程，过程B为恢复变形卸载刚度过程。
过程A：通过驱动气腔9的气源进气导管12向上侧驱动气腔9充入压缩气体，驱使整个驱动器弯曲运动。气源进气导管12与高压气源或大气相通，气管与大气相通时上侧驱动气腔9内部压力即为零，驱动气腔9的内壁受到气体压力作用，压力大小取决于输入气体压力大小。驱动腔内芯4缠绕的细丝3限制了驱动器的周向(或径向)膨胀，驱动气腔9底层受编织带(非应变层)约束表现出不可伸长，顶层超弹性体硅胶伸长，驱动器整体弯曲运动，并提供弯曲力矩。弯曲角度和弯曲力矩大小取决于通入上侧驱动气腔9的气压大小。驱动器弯曲到工作位置后，通过变刚度气腔10内的气源出气导管13向下侧变刚度气腔10抽真空，气源出气导管13与真空泵或大气相同，气管与大气相同时，变刚度气腔10未进行刚度调节，当与真空泵相连并抽真空时，驱动器的刚度随着变刚度气腔10的真空度的增大而增大，并能够保证驱动器准确的位姿。
过程B：降低从气源进气导管12进入的驱动气腔9的气压大小，同时，降低变刚度气腔10的真空度时，驱动器在自身的弹性力下恢恢复到非工作转态，表现为弯曲角随气压减小而减小，直至伸直，驱动器的刚度也随真空度的减小而降低，直至非工作转态下的自然刚度。
本发明有益于环保与节能，可作为可控刚度软体执行器，或应用于柔性夹持器、软体机器人、医疗操作、服务型机器人末端的机械手、海底勘探等领域，具有良好的应用前景。
Claims (7)
1.一种可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于，包括：
驱动腔内芯(4)，为长管体；
非应变层(5)，通过粘合剂黏贴于驱动腔内芯(4)的底面上，形成初始驱动腔内芯；
细丝(3)，沿初始驱动腔内芯的顶面和底面包裹初始驱动腔内芯四周，露出两端；
驱动腔外侧封装皮肤层(2)，封装于细丝(3)外侧，得到封装驱动腔内芯；
刚度调节腔包裹体(6)，为方管，将封装驱动腔内芯底平面通过粘合剂黏于刚度调节腔包裹体(6)的顶面；
前端盖(1)和后端盖(11)，前端盖(1)设置在封装驱动腔内芯和刚度调节腔包裹体(6)的一端，后端盖(11)设置在封装驱动腔内芯和刚度调节腔包裹体(6)的另一端，进行密封，封装驱动腔内芯内形成驱动气腔(9)，刚度调节腔包裹体(6)内形成变刚度气腔(10)；
若干呈线性排布依次连接的内骨骼(7)，设置在变刚度气腔(10)内；
颗粒球体(8)，分布在变刚度气腔(10)内且位于相邻两个内骨骼(7)之间；
气源进气导管(12)，自后端盖(11)伸入驱动气腔(9)，压缩空气通过气源进气导管(12)进入驱动气腔(9)；
气源出气导管(13)，自后端盖(11)伸入变刚度气腔(10)，通过气源出气导管(13)对变刚度气腔(10)进行抽真空；
驱动气腔(9)和变刚度气腔(10)平行设置，延伸方向一致；
所述内骨骼(7)包括沿变刚度气腔(10)中心轴线方向依次设置连接的第一球体(7-1)、圆柱连接体(7-2)和第二球体(7-3)，第一球体(7-1)的顶面和底面铣出平面，用于贴合变刚度气腔(10)内壁面，第一球体(7-1)远离圆柱连接体(7-2)的一端向中心开有一个球形凹槽，所述球形凹槽内在垂直于纸面方向的两个面上设有平面，第二球体(7-3)在垂直于纸面方向的两个面上设有圆形的平面，第一球体(7-1)中带平面的球形凹槽用于连接与其相邻的第二球体(7-3)，颗粒球体(8)环绕圆柱连接体(7-2)排列分布，使得内骨骼(7)只能实现单方向的弯曲；
前端盖(1)包括第一半圆形凸起(1-1)、第一方形凸起(1-2)和前固定板(1-3)，第一半圆形凸起(1-1)和第一方形凸起(1-2)固定在前固定板(1-3)上，且第一半圆形凸起(1-1)位于第一方形凸起(1-2)上方，第一半圆形凸起(1-1)连接驱动气腔(9)的前端，第一方形凸起(1-2)连接变刚度气腔(10)的前端；
后端盖(11)包括第二半圆形凸起(12-1)、第二方形凸起(12-2)和后固定板(12-3)，第二半圆形凸起(12-1)、第二方形凸起(12-2)设置在后固定板(12-3)上，第二半圆形凸起(12-1)位于第二方形凸起(12-2)上方，第二半圆形凸起(12-1)与第二方形凸起(12-2)上分别设有一个通孔，第二半圆形凸起(12-1)连接驱动气腔(9)的后端，第二方形凸起(12-2)连接变刚度气腔(10)的后端，气源进气导管(12)插入第二半圆形凸起(12-1)的通孔，气源出气导管(13)插入第二方形凸起(12-2)的通孔。
2.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：非应变层(5)采用编织带。
3.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：驱动气腔(9)采用形状单一的气腔，气腔截面选用矩形、弓形或椭圆。
4.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：驱动腔内芯(4)选用丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶或乳胶；所述驱动腔外侧封装皮肤层(2)采用丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、乳胶或涂层布；所述刚度调节腔包裹体(6)采用丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、乳胶或涂层布。
5.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：所述细丝(3)采用绸、棉、麻、金属、塑料或皮革材料。
6.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：所述颗粒球体(8)采用金属颗粒球体、木质球体、谷物颗粒、聚合物颗粒的一种或其组合。
7.根据权利要求1所述的可变刚度增强型气动软体驱动器，其特征在于：所述内骨骼(7)采用金属、木材、树脂或复合材料。
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