CN111113401B - 驱动系统及具有其的软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种驱动系统及具有其的软体机器人，驱动系统包括：壳体部，壳体部包括外壳体和内壳体，外壳体包括筒体和端盖，筒体具有第一容纳腔，内壳体设置在第一容纳腔内，且内壳体的端面与端盖之间密封，内壳体具有第二容纳腔；活塞组件，活塞组件位于外壳体和内壳体之间，将第一容纳腔分隔为第一腔室和第二腔室，外壳体上设置有与第一腔室连通的第一出气口和第一进气口、以及与第二腔室连通的第二出气口和第二进气口；移动组件，移动组件可移动地设置在第二容纳腔内，并与活塞组件磁吸耦合，以带动活塞组件移动；驱动机构，驱动机构与移动组件连接，并驱动移动组件移动。该驱动系统更加轻量化且结构更加紧凑。

Description

驱动系统及具有其的软体机器人

技术领域

本发明涉及柔性设备技术领域，尤其涉及一种驱动系统及具有其的软体机器人。

背景技术

软体机器人是一种区别于传统刚性机器人的柔性执行单元，软体机器人不仅可以适应传统机器的单一重复的作业方式，而且可以适应新型的高兼容性方式，解决刚性机器人已经逐渐无法适应复杂作业环境中的高度柔性化需求的问题。相较而言，软体机器人因其自身的材料与结构特性而对作业环境和作业对象具有更好的适应性，并且在人机协作的过程中发生碰撞时可以更好地保护自身及协作人员的安全。

目前的软体机器人大多通过气动方式驱动，其驱动系统通常由电磁阀、减压阀、真空发生单元等组成，利用外部压缩空气源作为驱动。这种驱动系统一般体积大，真空产生噪声大，且输出稳定性受输入的压缩空气源波动影响较大。多用在具有压缩空气源供应的固定作业场景中，无法适应例如实验室或者教学场景的小型化需求以及搭载移动平台的移动端应用，应用场景较为局限。

因此，如何脱离外部气源的束缚，并实现轻量化成为了现有的软体机器人的驱动系统亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种改进的驱动系统及具有其的软体机器人，以实现驱动系统轻量化且无需外部气源。

本发明提供一种驱动系统，包括：壳体部，壳体部包括外壳体和内壳体，外壳体包括筒体和端盖，筒体具有第一容纳腔，内壳体设置在第一容纳腔内，且内壳体的端面与端盖之间密封，内壳体具有第二容纳腔；活塞组件，活塞组件位于外壳体和内壳体之间，将第一容纳腔分隔为第一腔室和第二腔室，外壳体上设置有与第一腔室连通的第一出气口和第一进气口、以及与第二腔室连通的第二出气口和第二进气口；移动组件，移动组件可移动地设置在第二容纳腔内，并与活塞组件磁吸耦合，以带动活塞组件移动；驱动机构，驱动机构与移动组件连接，并驱动移动组件移动。

本发明提供的驱动系统，内壳体设置在外壳体内，用于在外壳体的第一容纳腔内分隔出供移动组件移动的第二容纳腔。由于移动组件和活塞组件磁吸耦合，使得移动组件在移动的过程中可以通过磁力使活塞组件跟随其一起运动，这样就实现了移动组件和活塞组件的跨壁连接。由于活塞组件设置在外壳体内，并将第一容纳腔分割为第一腔室和第二腔室，使得活塞组件在移动过程中第一腔室和第二腔室的容积产生变化，而使得其中一个腔室向外排出气体。这样在活塞组件往复运动过程中就可以实现稳定的压力输出，因而不需要依赖外部压缩空气源，而且使得整体的体积更小。

可选地，为了实现对第一容纳腔的分隔和与移动组件的跨壁连接，活塞组件包括活塞主体和第一磁性结构，活塞主体套设在内壳体上，第一磁性结构嵌设在活塞主体内。

如此设置，活塞组件可以确保分隔出第一腔室和第二腔室，第一磁性结构可以用于与移动组件磁吸耦合。

可选地，为了防止外部磁场干扰，第一磁性结构包括第一永磁体和阻止第一永磁体内部磁通流失的第一导磁体，第一导磁体和第一永磁体相间设置。

如此设置，第一导磁体可以防止第一永磁体中的内部磁通流失，并避免外部磁场干扰。

可选地，为了提升密封性，活塞主体上设置有开口朝向外壳体的密封槽，驱动系统还包括密封结构，密封结构嵌入密封槽。

如此设置，密封结构可以密封活塞组件与外壳体内壁之间的间隙，进而保证第一腔室和第二腔室的气密性。

可选地，为了确保与活塞组件的磁吸耦合可靠性，移动组件包括承载件和第二磁性结构，第二磁性结构嵌设在承载件内，且第二磁性结构与第一磁性结构磁吸耦合。

如此设置，第二磁性结构可以可靠地与第一磁性结构磁吸耦合，以保证能够可靠地与活塞组件连接。

可选地，为了防止外部磁场干扰，第二磁性结构包括第二永磁体和阻止第二永磁体内部磁通流失的第二导磁体，第二永磁体和第二导磁体相间设置。

如此设置，第二导磁体能够防止第二永磁体内部的磁通流失和外部磁场干扰。

可选地，为了进一步提升磁吸耦合力，第一磁性结构设置于内壳体外，第二磁性结构设置于内壳体内，且第一磁性结构和第二磁性结构相邻的一侧磁极相反。

如此设置，可以提升第一磁性结构和第二磁性结构之间的耦合力，防止干扰。

可选地，为了避免承载件转动，承载件通过导向结构可移动地设置在内壳体内，导向结构用于阻止承载件转动，导向结构包括：导向凸起，导向凸起设置在承载件和内壳体中的一个上；导向凹槽，导向凹槽与导向凸起配合，导向凹槽设置在承载件和内壳体中的另一个上。

如此设置，通过导向凸起与导向凸起配合，可以防止承载件转动，从而保证其能够可靠移动。

可选地，为了提升控制准确性，驱动系统还包括第一位置传感器和第二位置传感器，第一位置传感器设置在外壳体上，且位于活塞组件行程的第一端，第二位置传感器设置在外壳体上，且位于活塞组件行程的第二端。

如此设置，可以准确地检测活塞组件的位置，从而进行准确控制。

可选地，为了提升输出动力的稳定性，驱动系统还包括连接管和控制阀，连接管连接第一出气口和控制阀，连接管还连接第二出气口和控制阀，控制阀设置在连接管上并控制连接管的通断。

如此设置，可以实现连续稳定地出气，从而保证输出动力稳定。

可选地，为了保证移动组件驱动可靠，且减少空间占用，驱动机构包括电机和丝杠，丝杠可转动地设置在内壳体内，电机与丝杠连接，移动组件设置在丝杠上，丝杠在电机驱动下转动，以驱动移动组件沿丝杠移动。

如此设置，可以使结构紧凑、减少空间占用，而且可以使传动可靠，使移动组件运动更加稳定。

根据本发明的另一方面，提供一种软体机器人，软体机器人包括软体机器人主体和与软体机器人主体连接的驱动系统，驱动系统为上述的驱动系统。

采用此种驱动系统的软体机器人，驱动系统能够实现轻量化，而且结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明实施例的驱动系统的剖视结构示意图；

图2为本发明实施例的驱动系统的俯视结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为本发明实施例的驱动系统与软体机器人配合的立体结构示意图。

主要元件符号说明

1、电机；2、轴承；3、丝杠；4、第一永磁体；5、第一导磁体；6、移动组件；7、内壳体；8、外壳体；9、第二腔室；10、活塞组件；11、第二永磁体；12、第二导磁体；13、第一腔室；14、端盖；15、联轴器；16、第一吸气单向阀；17、第二吸气单向阀；18、第二排气单向阀；19、第一位置传感器；20、第二位置传感器；21、第一排气单向阀；22、导向凹槽；23、控制阀；24、传感器；25、软体机器人主体。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1-图4所示，根据本发明的实施例提供了一种驱动系统，包括壳体部、活塞组件10、移动组件6和驱动机构。壳体部包括外壳体8和内壳体7，外壳体8包括筒体和端盖14，筒体具有第一容纳腔，内壳体7设置在第一容纳腔内，且内壳体7的端面与端盖14之间密封，内壳体7具有第二容纳腔；活塞组件10位于外壳体8和内壳体7之间，将第一容纳腔分隔为第一腔室13和第二腔室9，外壳体8上设置有与第一腔室13连通的第一出气口和第一进气口、以及与第二腔室9连通的第二出气口和第二进气口；移动组件6可移动地设置在第二容纳腔内，并与活塞组件10磁吸耦合，以带动活塞组件10移动，驱动机构与移动组件6连接，并驱动移动组件6移动。

该驱动系统的外壳体8包括筒体和端盖14，以承载内壳体7，内壳体7设置在外壳体8内，用于在外壳体8的第一容纳腔内分隔出供移动组件6移动的第二容纳腔。内壳体7的端面与端盖14之间密封，以避免第一容纳腔中的气体溢入第二容纳腔内。由于移动组件6和活塞组件10磁吸耦合，使得驱动机构在驱动移动组件6移动的过程中，可以通过磁力使活塞组件10跟随其一起运动，这样就实现了移动组件6和活塞组件10的跨壁连接。由于活塞组件10设置在外壳体8内，并将第一容纳腔分割为第一腔室和第二腔室，使得活塞组件10在移动过程中第一腔室和第二腔室的容积产生变化，而使得其中一个腔室向外排出气体。这样在活塞组件10往复运动过程中就可以实现稳定的压力输出，因而不需要依赖外部压缩空气源，而且使得整体的体积更小。

本实施例的驱动系统可以用作软体机器人的动力源，用于驱动软体机器人动作。当然，在其他实施例中，该驱动系统也可以应用到其他场景中，作为其他设备的动力源。

如图1所示，在本实施例中，外壳体8筒体的内腔即为外壳体8的第一容纳腔，筒体的两端均设置有一个端盖14，筒体与端盖14之间固定连接，并进行密封，以避免漏气。

如图3所示，在图示的实施例中，外壳体8筒体上设置有前述的第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口，其中，第一进气口和第一出气口与第一腔室13连通，第二进气口和第二出气口与第二腔室9连通。为了使第一腔室13可靠地进出气，第一进气口上设置有第一吸气单向阀16，第一出气口上设置有第一排气单向阀21。为了使第二腔室9可靠地进出气，第二进气口上设置有第二吸气单向阀17，第二出气口上设置有第二排气单向阀18。

当然，在其他实施例中，第一进气口、第二进气口、第一出气口和第二出气口可以根据需要设置在其他任何适当的位置。

如图1所示，在本实施例中，内壳体7设置在外壳体8筒体内，且内壳体7的端面与端盖14之间进行密封，以防止外壳体8中的气体进入内壳体7内。

可选地，活塞组件10套设在内壳体7外。活塞组件10包括活塞主体和第一磁性结构，活塞主体套设在内壳体7上，第一磁性结构嵌设在活塞主体内。

例如，活塞主体上设置有朝向内壳体7的凹槽，第一磁性结构嵌设在该凹槽内。

可选地，第一磁性结构包括第一永磁体4和阻止第一永磁体4内部磁通流失的第一导磁体5，第一导磁体5和第一永磁体4相间设置。这样通过第一导磁体5可以减少第一永磁体4的磁通流失，防止外部磁场干扰。

可选地，由于活塞主体需要相对外壳体8的内壁移动，为了防止活塞主体和外壳体8的内壁之间的缝隙造成漏气，而影响动力输出，活塞主体上设置有开口朝向外壳体8的密封槽，驱动系统还包括密封结构，密封结构嵌入密封槽。

密封结构可以是橡胶圈或者弧形橡胶段等任何适当的、具有密封作用的结构。

此外，由于活塞主体会相对内壳体7的外壁移动，因而为了防止漏气，在活塞主体朝向内壳体7的一侧也可以设置密封槽，并在密封槽内设置密封结构。

在本实施例中，与活塞组件10磁吸耦合的移动组件6包括承载件和第二磁性结构，第二磁性结构嵌设在承载件内，且第二磁性结构与第一磁性结构磁吸耦合。这样可以通过驱动移动组件6移动而带动活塞组件10移动。

在本实施例中，为了减少第二永磁体11的磁通流失，防止外部磁场干扰，第二磁性结构包括第二永磁体11和阻止第二永磁体11内部磁通流失的第二导磁体12，第二永磁体11和第二导磁体12相间设置。

可选地，为了提升磁吸耦合力，第一磁性结构和第二磁性结构上下对称设置，且第一磁性结构和第二磁性结构相邻的一侧磁极相反。例如，如图1和图3所示，在内壳体7的径向方向上，第一磁性结构的第一永磁体4和第二磁性结构的第二永磁体11在同一直径上，且磁性相反以更好地吸合。

在本实施例中，为了减少空间占用，使结构更加紧凑，在本实施例中，驱动机构包括丝杠3和电机1，丝杠3可转动地设置在内壳体7内，电机1与丝杠3连接，移动组件6设置在丝杠3上，丝杠3在电机1驱动下转动，以驱动移动组件6沿丝杠3移动。采用丝杠3驱动移动组件6在内壳体7中移动，使得占用空间更小、结构更加紧凑，而且控制精度更高。当然，在其他实施例中，可以采用其他的结构驱动移动组件6移动，如链轮链条等。

以丝杠3驱动为例，丝杠3穿过端盖14并可转动地设置在内壳体7内。具体地，各端盖14均上设置有轴承2，丝杠3穿设在轴承2内，以通过轴承2对其进行支撑，并保证其可以可靠转动。丝杠3通过联轴器15与电机1连接，并被电机1驱动而转动。

可选地，为了保证移动组件6可以可靠地进行直线移动，移动组件6包括的承载件通过导向结构可移动地设置在内壳体7内，导向结构用于阻止承载件转动。

具体地，如图3所示，导向结构包括导向凸起和导向凹槽22，导向凸起设置在承载件和内壳体7中的一个上；导向凹槽22与导向凸起配合，导向凹槽22设置在承载件和内壳体7中的另一个上。

例如，在本实施例中，导向凸起设置在承载件上，相应地，导向凹槽22设置在内壳体7上，这样导向凸起伸入导向凹槽22内，就有可以防止承载件转动，只沿着轴向直线移动。

当然，在其他实施例中，导向凸起可以设置在内壳体7上，导向凹槽设置在承载件上。

在本实施例中，为了进行可靠控制，驱动系统还包括第一位置传感器19和第二位置传感器20，第一位置传感器19设置在外壳体8上，且位于活塞组件10行程的第一端，第二位置传感器20设置在外壳体8上，且位于活塞组件10行程的第二端。通过第一位置传感器19和第二位置传感器20可以检测活塞组件10是否移动到行程末端，若移动到行程末端则可以控制活塞组件10反向运动。

如图4所示，在本实施例中，为了便于驱动系统与外部的软体机器人连接，以为其提供稳定的动力，驱动系统还包括连接管和控制阀23，连接管连接第一出气口和控制阀23，连接管还连接第二出气口和控制阀23，控制阀23设置在连接管上并控制连接管的通断。

工作时，电机1通过联轴器15与丝杠3相连接，电机1转动驱动丝杠3转动。丝杠3通过螺纹副将转动转化成移动组件6沿轴向的直线运动，移动组件6通过磁力耦合驱动活塞组件10动作(也就是在外壳体8内移动)。

当活塞组件10向图1中所示右侧运动时，第一吸气单向阀16打开、第二吸气单向阀17关闭，第一排气单向阀21关闭、第二排气单向阀18打开，压缩第二腔室9(即图1中所示右腔室)使之增压，第二腔室9输出压缩空气，同时第一腔室13吸入常压空气。

当第一位置传感器19(即右磁感应位置传感器)检测到活塞组件10到达右侧的行程末端时，电机1反转，此时活塞组件10向左运动，压缩第一腔室13使之增压，第一吸气单向阀16关闭，第一排气单向阀21打开，第一腔室13输出压缩空气。同时，第二排气单向阀18关闭，第二吸气单向阀17打开，第二腔室9吸入常压空气。当第二位置传感器20(即左磁感应位置传感器)检测到活塞组件10到达左侧的行程末端时，电机1反转。如此往复，持续输出压缩空气。

驱动系统在与软体机器人连接时，第一排气单向阀21控制的第一出气口和第二排气单向阀18控制的第二出气口通过连接管并联在一起，由一条气路输出，通过控制阀23(其可以为电磁阀)控制气路通断与换向，压缩空气驱动软体机器人主体25动作，由传感器24作为压力反馈。

由于该驱动系统的活塞组件10可以往复运动，因而解决了现有技术中采用了单缸单腔往复吸气的结构，只利用一个腔供气，吸气的同时无法供应压缩空气，导致动力供应不连续的问题。也解决了其同时为多个或多组软体机器人的动作单元供气时，输出时序长，节拍慢，严重影响软体机器人动作的灵活性的问题。

此外，移动组件6通过丝杠3进行驱动，可以精密调节和控制，活塞组件10和移动组件6通过磁吸耦合实现跨壁连接，使得驱动系统可以作为气源输出设备使用，而且结构紧凑，实现了轻量化，能够直接作为软体机器人的驱动系统使用。

根据本发明的另一方面，提供一种软体机器人，软体机器人包括软体机器人主体25和与软体机器人主体25连接的驱动系统，驱动系统为上述的驱动系统。由于该驱动系统为柱塞式，使得结构紧凑，使软体机器人驱动系统更加轻量化，可以摆脱对外部空气源的依赖，同时减少作业噪音、增加输出平稳性。

本实施例的驱动系统及具有其的软体机器人具有如下技术效果：

该驱动系统采用单缸复动柱塞结构压缩空气，并利用移动组件与活塞组件磁耦合跨壁连接，这样活塞组件可以和移动组件在径向上并列设置，因而无需有较长的行程就可以保证出气量，而且可以自主输出平稳驱动力，且可以做到径向结构更紧凑，体积更小，重量更轻。

此种结构的驱动系统显著地缩小了软体机器人驱动系统的体积，并摆脱了对外部压缩空气源的依赖，同时也提高了驱动力输出的稳定性，解决了软体机器人驱动器轻量化的问题，并改善了原有驱动方式对外部气源高度依赖的缺点。

此外，由于活塞是做直线往复运动的，且有两个腔室交替作为输出源，相较以往的凸轮柱塞泵和齿轮泵而言，动力输出更为平顺，无明显脉冲，噪音更小。通过电机控制空气压缩比可以做到实时调节输出压力，不需要额外加配减压阀，减小整套驱动系统的体积，且控制精度更高，有利于精准控制软体机器人动作，使之更为灵活。应用该驱动系统的软体机器人可以适应更多的作业环境，特别是移动端的应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种驱动系统，其特征在于，包括：

壳体部，所述壳体部包括外壳体（8）和内壳体（7），所述外壳体（8）包括筒体和端盖（14），所述筒体具有第一容纳腔，所述内壳体（7）设置在所述第一容纳腔内，且所述内壳体（7）的端面与所述端盖（14）之间密封，所述内壳体（7）具有第二容纳腔；

活塞组件（10），所述活塞组件（10）位于所述外壳体（8）和所述内壳体（7）之间，将所述第一容纳腔分隔为第一腔室（13）和第二腔室（9），所述外壳体（8）上设置有与所述第一腔室（13）连通的第一出气口和第一进气口、以及与所述第二腔室（9）连通的第二出气口和第二进气口；

移动组件（6），所述移动组件（6）可移动地设置在所述第二容纳腔内，并与所述活塞组件（10）磁吸耦合，以带动所述活塞组件（10）移动；

驱动机构，所述驱动机构与所述移动组件（6）连接，并驱动所述移动组件（6）移动。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述活塞组件（10）包括活塞主体和第一磁性结构，所述活塞主体套设在所述内壳体（7）上，所述第一磁性结构嵌设在所述活塞主体内。

3.根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述第一磁性结构包括第一永磁体（4）和阻止所述第一永磁体（4）内部磁通流失的第一导磁体（5），所述第一导磁体（5）和所述第一永磁体（4）相间设置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的驱动系统，其特征在于，所述活塞主体上设置有开口朝向所述外壳体（8）的密封槽，所述驱动系统还包括密封结构，所述密封结构嵌入所述密封槽。

5.根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述移动组件（6）包括承载件和第二磁性结构，所述第二磁性结构嵌设在所述承载件内，且所述第二磁性结构与所述第一磁性结构磁吸耦合。

6.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于，所述第二磁性结构包括第二永磁体（11）和阻止所述第二永磁体（11）内部磁通流失的第二导磁体（12），所述第二永磁体（11）和所述第二导磁体（12）相间设置。

7.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于，所述第一磁性结构设置于所述内壳体（7）外，所述第二磁性结构设置于所述内壳体（7）内，且所述第一磁性结构和所述第二磁性结构相邻的一侧磁极相反。

8.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于，所述承载件通过导向结构可移动地设置在所述内壳体（7）内，所述导向结构用于阻止所述承载件转动，所述导向结构包括：

导向凸起，所述导向凸起设置在所述承载件上；

导向凹槽（22），所述导向凹槽（22）与所述导向凸起配合，所述导向凹槽（22）设置在所述内壳体（7）上。

9.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动系统还包括第一位置传感器（19）和第二位置传感器（20），所述第一位置传感器（19）设置在所述外壳体（8）上，且位于所述活塞组件（10）行程的第一端，所述第二位置传感器（20）设置在所述外壳体（8）上，且位于所述活塞组件（10）行程的第二端。

10.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动系统还包括连接管和控制阀（23），所述连接管连接所述第一出气口和所述控制阀（23），所述连接管还连接所述第二出气口和所述控制阀（23），所述控制阀（23）设置在所述连接管上并控制所述连接管的通断。

11.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动机构包括电机（1）和丝杠（3），所述丝杠（3）可转动地设置在所述内壳体（7）内，所述电机（1）与所述丝杠（3）连接，所述移动组件（6）设置在所述丝杠（3）上，所述丝杠（3）在所述电机（1）驱动下转动，以驱动所述移动组件（6）沿所述丝杠（3）移动。

12.一种软体机器人，其特征在于，所述软体机器人包括软体机器人主体和与所述软体机器人主体连接的驱动系统，所述驱动系统为权利要求1-10中任一项所述的驱动系统。

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