CN110497445A - 一种具有硬质外壳强化的软体驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有硬质外壳强化的软体驱动器，包括软体气囊和硬质外壳，硬质外壳包裹于软体气囊的外部。软体气囊的结构为具有两个端面的柱形囊体，其内部结构为柱形空腔。硬质外壳的外形为不具有两侧端面的柱形壳体，其包含不可延展段外壳、可弯曲段外壳和可伸长段外壳，其端部处的不可延展段外壳与软体气囊的端部相固结。可弯曲段外壳上具有沿其中心轴线方向排列的A型切缝，可伸长段外壳上具有沿其中心轴线方向交替排列的B1型切缝和B2型切缝，三种切缝的特征均为硬质外壳上沿其某一径向以某一特定深度的切口。软体驱动器在可弯曲段外壳区域可实现弯曲变形，在可伸长段外壳区域可实现伸长变形。本发明可应用于软体机器人技术领域。

Description

一种具有硬质外壳强化的软体驱动器

技术领域

本发明涉及一种软体驱动器，尤其涉及一种具有硬质外壳强化的软体驱动器，属于软体机器人技术领域。

背景技术

近年来，人手仿形机器人的发展有了很大的进步，逐渐从传统的刚性结构向软体结构转变，大多应用于抓捕、手部康复训练等领域。对于传统的刚性结构机器人，其具有运动精度高、承载能力强的优点，但同时也面临着结构复杂、成本较高、适应性较差、灵活性较弱等问题，并存在可能会对作用对象造成二次伤害的缺点。对于软体结构的机器人，其具有结构轻便、运动柔顺性好、成本低廉等优点，但现有的软体机器人存在自由度少、结构刚度较低等不足之处。例如：

李淼等人发明的“一种气动三指构型柔性夹爪”（201721003149.0）涉及一种包含三根软体手指的柔性夹爪，所涉及的软体手指为硅橡胶材质，具备良好的柔性特点，但其自由度单一，限制了软体手指在抓捕能力上的广泛适应性。

王翰飞发明的“一种仿鱼骨结构的软体康复手”（201811276358.1）涉及一种用于人手康复训练的软体手指，所涉及的软体手指具有良好的弯曲性能，但存在结构刚度较低、无法很好地贴附人手等不足，导致康复训练效果不佳。

宋泽闻等人发明的“一种辅助康复软体手”（201810439665.0）涉及一种与人体手指相对应的仿形手指，所涉及的软体手具有良好的人手贴附性，但存在弯曲效果不佳等不足。

综上所述，对于人手仿形机器人，传统的刚性结构机器人面临着结构复杂、成本较高、适应性较差、灵活性较弱、易对作用对象造成二次伤害等诸多问题。对于做抓捕用途的软体机器人则存在自由度少、抓捕能力受限等问题。而对于做康复训练用途的软体机器人则面临着结构刚度较低、变形形式较单一、无法很好地贴附人手等不足之处。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷与不足，提供了一种具有硬质外壳强化的软体驱动器，其目的在于通过软体气囊与硬质外壳的协同运动，可实现软体驱动器部分区域的弯曲变形和部分区域的伸长变形，提升软体驱动器的变形性能，从而具备抓捕、康复训练等多种用途。软体材料与硬质外壳的结合，一方面保证了软体驱动器的灵活性与适应性，另一方面增强了软体驱动器的作动力，同时不会对作用对象造成二次伤害；特殊的结构设计，能够解决现有软体驱动器变形形式单一、贴附性差等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有硬质外壳强化的软体驱动器，包括软体气囊和硬质外壳，所述硬质外壳包裹于所述软体气囊的外部。

进一步地，所述软体气囊由硅胶或橡胶类材料制成。其结构为具有两个端部的柱形（不限于圆柱、方柱、椭圆柱及其他异形柱体）囊体，其内部设有柱形空腔；所述软体气囊的一个端部上开有通孔，所述通孔连通柱形空腔与外界气源，以使外界气源进入所述柱形空腔的内部对其进行充气。

进一步地，所述硬质外壳由材料硬度高于所述软体气囊的材质制成。其外形为不具有两侧端面的柱形（不限于圆柱、方柱、椭圆柱及其他异形柱体）壳体，其厚度远小于所述软体气囊的囊体壁厚；所述硬质外壳包含不可延展段外壳、可弯曲段外壳和可伸长段外壳；所述不可延展段外壳分布于所述硬质外壳的两端部，以及所述可弯曲段外壳与可伸长段外壳之间的连接处；所述硬质外壳的两端部的不可延展段外壳与所述软体气囊的两个端部固结在一起；所述可弯曲段外壳和可伸长段外壳的排布方式均依据实际需求而变化。

进一步地，所述可弯曲段外壳上具有沿其中心轴线方向排列的A型切缝，所述A型切缝间具有间距，所述A型切缝的数量不少于3个；所述A型切缝为所述可弯曲段外壳上沿其某一径向以某一特定深度的切口，所述深度为所述可弯曲段外壳在该径向上的径向长度的50%至99%；所述A型切缝所在平面与所述可弯曲段外壳的中心轴线成某一夹角，所述夹角的大小为20°至90°；所述A型切缝无明显的宽度。

进一步地，所述可伸长段外壳上具有沿其中心轴线方向交替排列的B1型切缝和B2型切缝，所述B1型切缝和B2型切缝之间具有间距，所述B1型切缝和B2型切缝的总数不少于3个；所述B1型切缝和B2型切缝均为所述可伸长段外壳上沿其某一径向以某一特定深度的切口，所述深度为所述可伸长段外壳在该径向上的径向长度的40%至90%，所述B1型切缝与B2型切缝的切口进给方向正好相对；所述B1型切缝和B2型切缝所在平面均与所述可伸长段外壳的中心轴线垂直；所述B1型切缝和B2型切缝均无明显的宽度。

本发明的工作过程和原理如下：

当外界气源对所述软体气囊的柱形空腔进行充气后，所述软体气囊可沿其自身径向方向膨胀变形。当受到所述软体气囊的挤压后，所述A型切缝的缝隙宽度将逐渐增大，所述软体气囊将沿着所述A型切缝的缝隙逐渐向外膨胀，而在没有A型切缝的硬质外壳处，所述软体气囊的膨胀变形将受到抑制，因此所述软体驱动器在该段区域将呈现出弯曲变形的状态。当受到所述软体气囊挤压后，所述B1型切缝和B2型切缝的缝隙宽度将以相同的趋势逐渐增大，所述软体气囊将同时沿着所述B1型切缝和B2型切缝的缝隙逐渐向外膨胀，由于软体气囊的两侧都具有相同的膨胀变形趋势，因此所述软体驱动器在该段区域将呈现出伸长变形的状态。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1、本发明的主体材料为硅胶、橡胶和较薄的硬质塑料膜，不会对作用对象造成二次伤害，安全性高；采用气压驱动，操作性较为便捷且具有很高的功率比。

2、本发明通过软体气囊与硬质外壳的协同运动，可实现软体驱动器部分区域的弯曲变形和部分区域的伸长变形，保证了软体驱动器的灵活性与适应性，便于软体驱动器自由度（弯曲自由度和伸长自由度）的个性化设计。

3、本发明既增强了软体驱动器的作动力，同时也不会对作用对象造成二次伤害，能够解决现有软体驱动器变形形式单一、贴附性差等问题。

附图说明

图1是本发明的一种具有硬质外壳强化的软体驱动器的立体结构示意图；

图2是本发明的一种软体气囊的剖视图；

图3是本发明的一种硬质外壳的立体结构示意图；

图4是本发明的一种硬质外壳的正视图；

图5是本发明的一种硬质外壳的仰视图；

图6是本发明的一种具有硬质外壳强化的软体驱动器的变形示意图。

标号说明：

1.软体气囊 2.硬质外壳 11.圆柱形空腔 12.软体气囊的端部 13.通孔 21.不可延展段外壳 22.可弯曲段外壳 23.可伸长段外壳 3.A型切缝 4.B1型切缝 5.B2型切缝。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的及优势表达地更加清楚，以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的一种具有硬质外壳强化的软体驱动器包括软体气囊1和硬质外壳2，所述硬质外壳2包裹于所述软体气囊1的外部。

如图2所示，软体气囊1由硅胶材料制成，其结构为具有两个端面的圆柱形囊体，其内部结构为圆柱形空腔11，其端部12为圆柱体。所述软体气囊1的一个端部12上开有通孔13，所述通孔13连通柱形空腔11与外界气源，以使外界气源进入所述柱形空腔11的内部对其进行充气。

如图3～5所示，硬质外壳2由PET塑料制成，其外形为不具有两侧端面的圆柱形壳体，其厚度远小于所述软体气囊1的囊体壁厚。硬质外壳2由不可延展段外壳21、可弯曲段外壳22和可伸长段外壳23组成。所述不可延展段外壳21分布于所述硬质外壳2的两端部，以及所述可弯曲段外壳22与可伸长段外壳23之间的连接处；所述硬质外壳2的两端部的不可延展段外壳21与所述软体气囊1的两个端部12固结在一起；所述可弯曲段外壳22和可伸长段外壳23的排布方式均依据实际需求而变化。

如图3～5所示，可弯曲段外壳22上具有沿其中心轴线方向等间距排列的A型切缝3，位于硬质外壳2前端和中部的可弯曲段外壳22上均具有7个A型切缝3，位于硬质外壳2尾部的可弯曲段外壳22上具有9个A型切缝3。A型切缝3为可弯曲段外壳22上沿其一径向以一特定深度的切口，所述深度为可弯曲段外壳22径向长度的98%；A型切缝3所在平面与可弯曲段外壳22的中心轴线垂直；A型切缝3无明显的宽度。

如图3～5所示，可伸长段外壳23上具有沿其中心轴线方向等间距交替排列的B1型切缝4和B2型切缝5，位于硬质外壳2前端的可伸长段外壳23上具有3个B1型切缝4和2个B2型切缝5，位于硬质外壳2后端的可伸长段外壳23上具有4个B1型切缝4和3个B2型切缝5。B1型切缝4和B2型切缝5均为可伸长段外壳23上沿其一径向以一特定深度的切口，所述深度为可伸长段外壳23径向长度的75%，B1型切缝4与B2型切缝5的切口进给方向正好相对； B1型切缝4和B2型切缝5所在平面均与可伸长段外壳23的中心轴线垂直；B1型切缝4和B2型切缝5均无明显的宽度。B1型切缝4与B2型切缝5的切口进给方向与A型切缝3的切口进给方向恰好平行。

如图6所示，软体驱动器的白色区域为软体气囊1、灰色区域为硬质外壳2。当外界气源对软体气囊1进行充气后，软体气囊1可沿其自身径向方向膨胀变形。当受到软体气囊1的挤压后，A型切缝3的缝隙宽度将逐渐增大，软体气囊1将沿着A型切缝3的缝隙逐渐向外膨胀，而在没有A型切缝3的硬质外壳处，软体气囊1的膨胀变形将受到抑制，因此软体驱动器在该段区域将呈现出弯曲变形的状态，即图中的弯曲段。当受到软体气囊1的挤压后，B1型切缝4和B2型切缝5的缝隙宽度将以相同的趋势逐渐增大，软体气囊1将同时沿着B1型切缝4和B2型切缝5的缝隙逐渐向外膨胀，由于软体气囊的两侧都具有相同的膨胀变形趋势，因此软体驱动器在该段区域将呈现出伸长变形的状态，即图中的伸长段。

Claims (7)

1.一种具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于，包括软体气囊（1）和硬质外壳（2），所述硬质外壳（2）包裹于所述软体气囊（1）的外部。

2.根据权利要求1所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述软体气囊（1）的结构为具有两个端部（12）的柱形囊体，其内部设有柱形空腔（11）；所述软体气囊（1）的一个端部（12）上开有通孔（13），所述通孔（13）连通柱形空腔（11）与外界气源，以使外界气源进入所述柱形空腔（11）的内部对其进行充气。

3.根据权利要求1或2所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述软体气囊（1）由硅胶或橡胶类材料制成。

4.根据权利要求1所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述硬质外壳（2）的外形为不具有两侧端面的柱形壳体，其厚度远小于所述软体气囊（1）的囊体壁厚；所述硬质外壳（2）包含不可延展段外壳（21）、可弯曲段外壳（22）和可伸长段外壳（23）；所述不可延展段外壳（21）分布于所述硬质外壳（2）的两端部，以及所述可弯曲段外壳（22）与可伸长段外壳（23）之间的连接处；所述硬质外壳（2）的两端部的不可延展段外壳（21）与所述软体气囊（1）的两个端部（12）固结在一起；所述可弯曲段外壳（22）和可伸长段外壳（23）的排布方式均依据实际需求而变化。

5.根据权利要求1或4所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述硬质外壳（2）由材料硬度高于所述软体气囊（1）的材质制成。

6.根据权利要求4所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述可弯曲段外壳（22）上具有沿其中心轴线方向排列的A型切缝（3），所述A型切缝（3）间具有间距，所述A型切缝（3）的数量不少于3个；所述A型切缝（3）为所述可弯曲段外壳（22）上沿其某一径向以某一特定深度的切口，所述深度为所述可弯曲段外壳（22）在该径向上的径向长度的50%至99%；所述A型切缝（3）所在平面与所述可弯曲段外壳（22）的中心轴线成某一夹角，所述夹角的大小为20°至90°；所述A型切缝（3）无明显的宽度。

7.根据权利要求4所述的具有硬质外壳强化的软体驱动器，其特征在于：所述可伸长段外壳（23）上具有沿其中心轴线方向交替排列的B1型切缝（4）和B2型切缝（5），所述B1型切缝（4）和B2型切缝（5）之间具有间距，所述B1型切缝（4）和B2型切缝（5）的总数不少于3个；所述B1型切缝（4）和B2型切缝（5）均为所述可伸长段外壳（23）上沿其某一径向以某一特定深度的切口，所述深度为所述可伸长段外壳（23）在该径向上的径向长度的40%至90%，所述B1型切缝（4）与B2型切缝（5）的切口进给方向正好相对；所述B1型切缝（4）和B2型切缝（5）所在平面均与所述可伸长段外壳（23）的中心轴线垂直；所述B1型切缝（4）和B2型切缝（5）均无明显的宽度。